Razumijevanje turbulencije strujanja

Devices

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

$2,358.31

Parts

Vibration sensor

$107.47

Parts

Optical Sensor (Laser Tachometer)

$148.07

Devices

Balanset-4

$8,123.32

Parts

Magnetic Stand Insize-60-kgf

$54.93

Parts

Reflective tape

$11.94

Devices

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

$2,071.73

Definicija: Što je turbulencija strujanja?

Turbulencija strujanja je kaotično, nepravilno kretanje fluida karakterizirano nasumičnim fluktuacijama brzine, vrtložnim vrtlozima i vorteksima u pumpama, ventilatorima, kompresorima i cjevovodnim sustavima. Za razliku od glatkog laminarnog toka gdje se čestice fluida kreću u uređenim paralelnim putovima, turbulentni tok pokazuje nasumično trodimenzionalno gibanje s kontinuirano promjenjivom brzinom i tlakom. U rotirajućim strojevima turbulencija stvara nestabilne sile na rotorima i lopaticama, generirajući širokopojasni prijenos. vibracija, buka, gubici energije i doprinos zamoru komponenti.

Iako je određena turbulencija neizbježna, pa čak i poželjna u mnogim primjenama (turbulentni tok omogućuje bolje miješanje i prijenos topline), prekomjerna turbulencija zbog loših uvjeta na ulazu, rada izvan projektnih ograničenja ili odvajanja toka stvara probleme s vibracijama, smanjuje učinkovitost i ubrzava mehaničko trošenje pumpi i ventilatora.

Karakteristike turbulentnog toka

Prijelaz režima protoka

Prijelazi toka iz laminarnog u turbulentni na temelju Reynoldsovog broja:

• Reynoldsov broj (Re): Re = (ρ × V × D) / µ
• Gdje je ρ = gustoća, V = brzina, D = karakteristična dimenzija, µ = viskoznost
• Laminarni tok: Ponovno < 2300 (glatko, uređeno)
• Prijelazno: Re 2300-4000
• Turbulentni tok: Re > 4000 (kaotično, nepravilno)
• Industrijski strojevi: Gotovo uvijek djeluje u turbulentnom režimu

Karakteristike turbulencije

• Slučajne fluktuacije brzine: Trenutna brzina kaotično varira oko srednje vrijednosti
• Vrtlozi i vrtlozi: Vrtložne strukture različitih veličina
• Energetska kaskada: Veliki vrtlozi se raspadaju u progresivno manje vrtloge
• Miješanje: Brzo miješanje količine kretanja, topline i mase
• Rasipanje energije: Turbulentno trenje pretvara kinetičku energiju u toplinu

Izvori turbulencije u strojevima

Ulazni poremećaji

• Loš dizajn ulaza: Oštri zavoji, prepreke, nedovoljna ravna duljina
• Vrtlog: Predrotacija fluida koji ulazi u rotor/ventilator
• Nejednolika brzina: Profil brzine iskrivljen od idealnog
• Učinak: Povećani intenzitet turbulencije, pojačane vibracije, smanjene performanse

Razdvajanje toka

• Negativni gradijenti tlaka: Tok se odvaja od površina
• Rad izvan projektne dokumentacije: Pogrešni kutovi protoka uzrokuju odvajanje lopatica
• Odugovlačenje: Opsežno odvajanje na usisnoj strani lopatica
• Proizlaziti: Vrlo visok intenzitet turbulencije, kaotične sile

Wake Regije

• Turbulentni tragovi nizvodno od lopatica, podupirača ili prepreka
• Visok intenzitet turbulencije u tragu
• Nizvodne komponente doživljavaju nestabilne sile
• Interakcija lopatice i traga važna u višestupanjskim strojevima

Regije velike brzine

• Intenzitet turbulencije općenito se povećava s brzinom
• Područja vrha impelera, područja visoke turbulencije ispušnih mlaznica
• Stvara lokalizirane visoke sile i trošenje

Utjecaji na strojeve

Generiranje vibracija

• Vibracije širokopojasnog interneta: Turbulencija stvara nasumične sile u širokom frekvencijskom rasponu
• Spektar: Povišena razina šuma umjesto diskretnih vrhova
• Amplituda: Povećava se s intenzitetom turbulencije
• Frekvencijski raspon: Tipično 10-500 Hz za vibracije uzrokovane turbulencijom

Generiranje buke

• Turbulencija je primarni izvor aerodinamičke buke
• Zvuk "šuštanja" ili "jurenja" širokopojasnog interneta
• Razina buke proporcionalna brzini^6 (vrlo osjetljivo na brzinu)
• Može biti dominantan izvor buke u ventilatorima velike brzine

Gubitci učinkovitosti

• Turbulentno trenje rasipa energiju
• Smanjuje porast tlaka i protok
• Tipični gubici turbulencije: 2-10% ulazne snage
• Povećava se s radom izvan projektnih ograničenja

Component Fatigue

• Slučajne fluktuirajuće sile stvaraju cikličko naprezanje
• Visokofrekventno cikliranje naprezanja
• Doprinosi oštrici i strukturi umor
• Posebno zabrinjavajuće pri velikim brzinama

Erozija i trošenje

• Turbulencija pojačava eroziju u abrazivnoj upotrebi
• Čestice suspendirane turbulentnim udarnim površinama
• Ubrzano trošenje u područjima s visokom turbulencijom

Otkrivanje i dijagnoza

Indikatori vibracijskog spektra

• Povišeni širokopojasni internet: Visok prag šuma u cijelom spektru
• Nedostatak diskretnih vrhova: Za razliku od mehaničkih kvarova sa specifičnim frekvencijama
• Ovisno o protoku: Razina širokopojasnog interneta varira ovisno o brzini protoka
• Minimalno na BEP-u: Najniža turbulencija u projektnoj točki

Akustička analiza

• Mjerenja razine zvučnog tlaka
• Povećanje širokopojasne buke ukazuje na turbulenciju
• Akustički spektar sličan vibracijskom spektru
• Usmjereni mikrofoni mogu locirati izvore turbulencije

Vizualizacija toka

• Računalna dinamika fluida (CFD) tijekom projektiranja
• Tokovi protoka ili vizualizacija dima u testu
• Mjerenja tlaka koja pokazuju fluktuacije
• Velocimetrija slike čestica (PIV) u istraživanju

Strategije ublažavanja

Poboljšanja dizajna ulaza

• Osigurati odgovarajuću ravnu duljinu cijevi uzvodno (minimalno 5-10 promjera)
• Uklonite oštre zavoje neposredno prije ulaza
• Koristite ispravljače protoka ili okretne lopatice
• Zvonasti ili aerodinamični usisnici smanjuju stvaranje turbulencije

Optimizacija operativne točke

• Radite blizu točke najbolje učinkovitosti (BEP)
• Kutovi protoka odgovaraju kutovima lopatica, minimizirajući odvajanje
• Minimalno generiranje turbulencije
• Promjenjiva kontrola brzine za održavanje optimalne točke

Modifikacije dizajna

• Glatki prijelazi u protočnim prolazima (bez oštrih kutova)
• Difuzori za postupno usporavanje protoka
• Uređaji za suzbijanje vrtloga ili protivvrtanja
• Akustična obloga za apsorpciju buke uzrokovane turbulencijom

Turbulencija u odnosu na druge pojave strujanja

Turbulencija u odnosu na kavitaciju

• Turbulencija: Širokopojasni, kontinuirani, ovisan o protoku
• Kavitacija: Impulzivno, više frekvencije, ovisno o NPSH-u
• Oba: Mogu koegzistirati, oboje stvaraju širokopojasne vibracije

Turbulencija u odnosu na recirkulaciju

• Turbulencija: Slučajni, širokopojasni, prisutni u svim tokovima
• Recirkulacija: Organizirana nestabilnost, niskofrekventne pulsacije, samo pri niskom protoku
• Odnos: Zone recirkulacije su vrlo turbulentne

Turbulencija protoka inherentna je karakteristika protoka fluida velikom brzinom u rotirajućim strojevima. Iako je neizbježna, njezin intenzitet i učinci mogu se minimizirati pravilnim dizajnom ulaza, radom blizu projektne točke i optimizacijom protoka. Razumijevanje turbulencije kao izvora širokopojasnih vibracija i buke omogućuje razlikovanje od mehaničkih kvarova diskretne frekvencije i vodi odgovarajuće korektivne radnje usmjerene na uvjete protoka, a ne na mehaničke popravke.

---

← Natrag na glavni indeks