Аэродинамикалық күштерді түсіну
Аэродинамикалық күштер — қозғалыстағы ауа немесе газдың желдеткіштердің, үрлегіштердің, компрессорлардың және турбиналардың айналмалы және тұрақты элементтеріне түсіретін күштері. Олар қалақша беттеріндегі қысым айырымынан, ағын газдың импульсының өзгеруінен және сұйықтық пен ол ағып өтетін конструкция арасындағы үздіксіз өзара әрекеттесуден туындайды. Бұл күштер тұрақты компоненттерді — осьтік итеру күші мен радиалдық жүктемелерді — де, тұрақсыз компоненттерді де қамтиды; мысалы, қалақша өту жиілігіндегі пульсациялар мен турбуленттіліктің кездейсоқ соқпалары. Бірге алғанда олар vibrationтуындатады, мойынтіректер мен корпустарға жүктеме береді, кейбір жағдайларда машинаны жоюы мүмкін өздігінен қозатын тұрақсыздықтарды тудырады.
Аэродинамикалық күштер — газ фазасындағы гидравликалық күштер сорғыларда кездесетін күштердің баламасы, бірақ үш маңызды айырмашылығы бар: газ сығылғыш, оның тығыздығы қысым мен температураға байланысты күрт өзгереді және ол машинамен және оның желіс жүйесімен акустикалық байланысқа түседі. Бұл акустикалық байланыс сығылмайтын сұйықтық жүйесінде мүлдем болмайтын резонанстар мен тұрақсыздықтарды туғызуы мүмкін — сондықтан желдеткіш пен компрессор мәселелері спектрде жиі сорғы мәселелерінен мүлде өзгеше болып көрінеді.
1. Аэродинамикалық күштердің түрлері
1. Осьтік итеру күштері
Бұлар қалақша беттеріне қысымның әсерінен туындайтын осьтік күштер:
- Центрден тепкіш желдеткіштер: қысым айырымы кіріс тарапқа бағытталған итеру күшін туғызады.
- Axial fans: ауаны үдетуге жұмсалатын реакция осьтік күш туғызады.
- Turbines: қалақшалар арқылы газдың кеңеюі үлкен осьтік итеру күшін туғызады.
- Magnitude: шамамен қысым өсіміне және ағын жылдамдығына пропорционал.
- Effect: it loads the thrust bearing and produces радиал вибрациясы.
2. Радиалдық күштер
Бұлар ротор айналасындағы біркелкі емес қысым таралуынан туындайтын көлденең күштер. Олар екі түрде кездеседі.
Тұрақты радиалдық күш:
- Корпустағы немесе желдеткіш өзегіндегі асимметриялық қысымнан туындайды.
- Жұмыс нүктесіне, яғни ағын жылдамдығына байланысты өзгереді.
- Жобалық нүктеде ең төменгі мәнге жетеді.
- Мойынтіректердің жүктелуін және 1× жиілікті тербеліс компонентін тудырады.
Айналмалы радиалды күш:
- Қалақ немесе ротор асимметриялық аэродинамикалық жүктеме алған кезде пайда болады.
- Күш ротормен бірге айналады.
- Бұл дәл ұқсас 1× тербелісті тудырады unbalance.
- Ол нақты механикалық дисбаланспен векторлық түрде қосылуы мүмкін, сондықтан желдеткіш жұмыс нүктесі өзгергенде ғана “балансынан шыққандай” көрінуі мүмкін.
3. Қалақ өту пульсациялары
Бұл қалақтардың бекітілген нүктеден өту жылдамдығындағы кезеңдік қысым импульстері:
- Frequency: қалақтар саны × RPM / 60 — біздің Перемен ағымының жиілігін есептеуіш тікелей қайтарады.
- Cause: әр қалақ ағын өрісін бұзып, қысым импульсін шығарады.
- Interaction: бұл айналмалы қалақтар мен тұрақты тіректер, қалақшалар немесе корпус тілі арасында пайда болады.
- Amplitude: қалақ пен статор арасындағы саңылауға және ағын жағдайларына байланысты.
- Effect: бұл желдеткіштер мен компрессорлардағы тональды шу мен тербелістің негізгі көзі болып табылады.
4. Турбуленттіліктен туындайтын күштер
- Random forces: турбулентті айналмалар мен ағын бөлінуінен туындайды.
- Кең жолақты спектр: энергия белгілі бір жиілік тондарында шоғырланбай, кең жиілік диапазонына таралады.
- Ағынға тәуелді: Рейнольдс саны Рейнольдс саны және есептік режимнен тыс жұмыс кезінде.
- Шаршау қаупі: бұл кездейсоқ жүктеме уақыт өте компоненттердің шаршауына ықпал етеді.
5. Тұрақсыз ағын күштері
Айналмалы тоқырау:
- Сақина бойынша айналатын жергілікті ағын бөліну аймағы.
- Appears at a sub-synchronous жиілігі шамамен ротор айналу жылдамдығының 0,2–0,8 еселігі.
- Қатты тұрақсыз күштерді тудырады.
- Компрессорлардағы төмен ағын кезінде жиі кездеседі.
- Ағын алға және артқа кезектесіп өзгеретін жүйелік ағын тербелісі.
- Өте төмен жиілік, шамамен 0,5–10 Гц.
- Ерекше жоғары күш амплитудалары.
- Егер тоқтатылмаса, компрессорды бұзуы мүмкін.
2. Аэродинамикалық көздерден туындайтын діріл
Қалақтың өту жиілігі (BPF)
- Басты аэродинамикалық діріл құраушысы.
- Оның амплитудасы жұмыс нүктесіне қарай өзгереді.
- Есептік режимнен тыс жағдайларда ол жоғарырақ болады.
- Бұл конструктивтік немесе қалақша резонансы.
Төмен жиілікті пульсациялар
- Бастауы recirculation, тоқтап қалу немесе жүктеме тасталымы.
- Амплитудасы жиі өте жоғары — 1× тербелісінен асып кетуі мүмкін.
- Олар жабдықтың жобалық жұмыс нүктесінен алыс жұмыс істейтінін көрсетеді.
- Бұл жағдайда жұмыс режимін өзгерту талап етіледі, механикалық жөндеу емес.
Кең жолақты тербеліс
- Produced by turbulence және ағын шуы.
- Жоғары жылдамдықты аймақтарда деңгейі жоғарылайды.
- Ағын жылдамдығы мен турбуленттілік қарқындылығының өсуімен бірге артады.
- Тональды компоненттерге қарағанда аз алаңдатады, бірақ ағын сапасының пайдалы индикаторы болып табылады.
3. Механикалық әсерлермен байланысу
Аэродинамикалық-механикалық өзара әрекеттесу
- Аэродинамикалық күштер ротордың ауытқуын тудырады.
- Бұл ауытқу жұмыстық саңылауларды өзгертеді, ал бұл өз кезегінде аэродинамикалық күштерді өзгертеді.
- Бұл кері байланыс байланысқан тұрақсыздықты туғызуы мүмкін.
- Классикалық мысал — тығыздауыштардағы аэродинамикалық күштердің ықпал етуі ротор нестабилдігі — тығыз байланысты steam whirl турбиналарда байқалатын.
Аэродинамикалық демпфирлеу
- Ауаның кедергісі әдетте конструктивтік тербелістер үшін демпфирлеуді қамтамасыз етеді.
- Бұл әсер көбінесе оң, яғни тұрақтандырушы болып табылады.
- Алайда белгілі бір ағын жағдайларында ол теріс және тұрақсыздандырушы сипатқа ие бола алады.
- Бұл турбомашиналарды rotor dynamics жобалауда маңызды фактор болып табылады.
4. Жобалаудағы ескерулер
Күштерді барынша азайту
- Қалақша бұрыштары мен аралықтарын оңтайландырыңыз.
- Пульсацияларды азайту үшін диффузорлар немесе қалақшасыз кеңістік қолданыңыз.
- Кең және тұрақты жұмыс диапазонын қамтамасыз ету үшін жобалаңыз.
- Акустикалық резонанстардан аулақ болатын қалақша санын таңдаңыз.
Конструктивтік жобалау
- Подшипниктерді механикалық жүктемелерден басқа аэродинамикалық жүктемелерге де есептеңіз.
- Аэродинамикалық күш әсерінен иілуді шектеу үшін біліктің жеткілікті қатаңдығын қамтамасыз етіңіз.
- Қалақшаның резонанстық жиіліктерін табиғи жиіліктерін қоздырғыш көздерден ажыратыңыз.
- Корпус пен конструкцияны қысым пульсациясының жүктемелеріне есептеп жобалаңыз.
5. Пайдалану стратегиялары және далалық өлшеулер
Оңтайлы жұмыс нүктесі
- Жобалық жұмыс нүктесіне жақын жұмыс жасаңыз — бұл аэродинамикалық күштерді ең төменге дейін азайтады.
- Қайта айналым мен тоқырауды туғызатын өте төмен ағынды болдырмаңыз.
- Жылдамдық пен турбуленттілікті арттыратын өте жоғары ағынды болдырмаңыз.
- Сұраныс өзгерген кезде оңтайлы нүктені ұстап тұру үшін айнымалы жылдамдықты пайдаланыңыз — affinity laws ағын, қысым биіктігі және қуаттың жылдамдыққа қарай қалай өзгеретінін сипаттайды.
Тұрақсыздықтардың алдын алу
- Компрессорларда жүктеме тоқтату сызығының оң жағында жұмыс жасаңыз.
- Жүктеме тоқтатуға қарсы реттеу жүйесін іске асырыңыз.
- Тоқырау пайда болуының алғашқы белгілерін бақылаңыз.
- Желдеткіштер мен компрессорлар үшін ең аз ағыннан қорғауды қамтамасыз етіңіз.
Далалық жағдайда практикалық қиындық — аэродинамикалық ақауды механикалық ақаудан ажырату, өйткені екеуі де 1× немесе қалақша өту жиілігінің (BPF) шыңдарын арттыруы мүмкін. Мысалы, Балансет-1А сияқты портативті екіарналы талдағыш осы шекараны анықтауға көмектеседі: бірнеше жұмыс нүктесінде спектр мен 1× фазасын амплитуда және фаза жазу арқылы инженер шыңның айналу жылдамдығын бақылап, жүктемемен тіркелгенін — бұл механикалық дисбалансты көрсетеді — немесе ағын өзгерген сайын өсіп, жылжитынын, яғни аэродинамикалық көзге нұсқайтынын байқай алады. Егер 1× компоненті нақты механикалық дисбаланс болып шықса, сол аспап желдеткішті немесе шыбықтауышты орнында теңестіреді, сондықтан аэродинамикалық үлесті жеке-дара шешуге болады.
Аэродинамикалық күштер, ақыр соңында, ауа мен газды тасымалдайтын барлық машиналардың жұмысы мен сенімділігінің негізі болып табылады. Осы күштердің жұмыс жағдайына қарай қалай өзгеретінін түсіну, олардың нақты тербеліс сигнатурасын тану, сондай-ақ жабдықты жобалау мен пайдалануды тұрақсыз компоненттерді барынша азайту — ең алдымен жобалық нүктеге жақын жұмыс жасау — арқылы желдеткіштерден, үрлегіштерден, компрессорлар мен турбиналардан өнеркәсіп бойынша сенімді және тиімді қызмет алуды қамтамасыз етеді. Аэродинамикалық жүктеменің жеделдете алатын байланысты fan defects and шыбықтауыш ақаулары туралы білу диагностикалық суретті толықтырады.
