Aerodinaminių jėgų supratimas
Aerodinaminės jėgos tai jėgos, kuriomis judantis oras ar dujos veikia besisukančius ir nejudančius ventiliatorių, pūstuvų, kompresorių ir turbinų komponentus. Jos atsiranda dėl slėgio skirtumo tarp menčių paviršių, dėl judesio momento pokyčių tekančiose dujose ir dėl nuolatinės skysčio ir konstrukcijos, kuria jis teka, sąveikos. Šios jėgos apima tiek pastoviąsias sudedamąsias dalis - traukos ir radialines apkrovas, tiek nepastoviąsias, pvz. peilio praėjimo dažnis ir atsitiktinių turbulencijos smūgių. Kartu jie sukuria vibracija, apkrauna guolius ir korpusus, o kai kuriais atvejais sukelia savaiminį nestabilumą, kuris gali sunaikinti mašiną.
Aerodinaminės jėgos - tai dujų fazės jėgų atitikmuo hidraulinės jėgos kaip ir siurbliuose, tačiau su trimis svarbiais skirtumais: dujos yra suspaudžiamos, jų tankis stipriai kinta priklausomai nuo slėgio ir temperatūros, be to, jos garsiai jungiasi su mašina ir jos ortakiais. Šis akustinis ryšys gali sukelti rezonansus ir nestabilumą, kurių nesuspaudžiamoje skysčio sistemoje paprasčiausiai nėra, todėl ventiliatorių ir kompresorių problemos dažnai atrodo visai kitaip nei siurblių problemos.
1. Aerodinaminių jėgų rūšys
1. Traukos jėgos
Tai ašinės jėgos, atsirandančios dėl mentės paviršių veikiančio slėgio:
- Išcentriniai ventiliatoriai: slėgio skirtumas sukuria trauką, nukreiptą į įleidimo angą.
- Ašiniai ventiliatoriai: reakcija į oro pagreitį sukelia ašinę jėgą.
- Turbinos: dujų išsiplėtimas per mentes sukuria didelę trauką.
- Dydis: maždaug proporcingas slėgio padidėjimui ir srauto greičiui.
- Poveikis: jis įkelia atraminis guolis ir gamina ašinė vibracija.
2. Radialinės jėgos
Tai šoninės jėgos, atsirandančios dėl nevienodo slėgio pasiskirstymo aplink rotorių. Jos būna dviejų skirtingų formų.
Pastovi radialinė jėga:
- Dėl asimetriško slėgio korpuse arba ortakiuose.
- Kinta priklausomai nuo darbinio taško, t. y. srauto greičio.
- Pasiekia minimumą projektiniame taške.
- Sukuriama guolio apkrova ir 1× vibracijos komponentas.
Sukimosi radialinė jėga:
- Atsiranda, kai sparnuotei arba rotoriui tenka asimetrinė aerodinaminė apkrova.
- Jėga sukasi kartu su rotoriumi.
- Jis sukuria 1× vibraciją, kuri atrodo kaip disbalansas.
- Jis gali vektoriniu būdu padidinti tikrąjį mechaninį disbalansą, todėl gali atrodyti, kad ventiliatorius “išsibalansavo” vien dėl to, kad pasikeitė jo veikimo taškas.
3. Ašmenų pulsacijos
Tai yra periodiniai slėgio impulsai, kurių metu mentės kerta fiksuotą tašką:
- Dažnis: menčių skaičius × apsisukimų per minutę skaičius / 60 - vertė mūsų Blade Pass dažnio skaičiuoklė grįžta tiesiogiai.
- Priežastis: kiekviena mentė sutrikdo srauto lauką ir skleidžia slėgio impulsą.
- Sąveika: jis atsiranda tarp besisukančių menčių ir stacionarių statramsčių, menčių arba korpuso liežuvėlio.
- Amplitudė: priklauso nuo mentės ir statoriaus tarpo ir srauto sąlygų.
- Poveikis: tai pagrindinis ventiliatorių ir kompresorių toninio triukšmo ir vibracijos šaltinis.
4. Turbulencijos sukeltos jėgos
- Atsitiktinės jėgos: sukeliami turbulentiniai sūkuriai ir srauto atskyrimas.
- Plačiajuosčio ryšio spektras: energija pasiskirsto plačiame dažnių diapazone, o ne koncentruojasi tonuose.
- Priklauso nuo srauto: jie auga kartu su Reinoldso skaičius ir ne pagal konstrukciją.
- Nuovargio problema: ši atsitiktinė apkrova ilgainiui prisideda prie komponento nuovargio.
5. Nestabilaus srauto jėgos
Besisukantis prekystalis:
- Vietinio srauto atskyrimo sritis, kuri sukasi aplink žiedą.
- Pasirodo subsinchroninis dažnis, maždaug 0,2-0,8× rotoriaus greitis.
- Sukuria dideles nepastovias jėgas.
- Dažnai pasitaiko esant mažam srautui kompresoriuose.
- Sistemos srauto svyravimas, kai srautas grįžta pirmyn ir atgal.
- Labai žemas dažnis, maždaug 0,5-10 Hz.
- Itin didelės jėgos amplitudės.
- Jei jai leidžiama išlikti, ji gali sunaikinti kompresorių.
2. Aerodinaminių šaltinių sukeliama vibracija
Ašmenų praleidimo dažnis (BPF)
- Dominuojanti aerodinaminės vibracijos sudedamoji dalis.
- Jo amplitudė kinta priklausomai nuo veikimo taško.
- Ne projektinėmis sąlygomis jis yra didesnis.
- Jis gali sužadinti struktūrinį arba mentės rezonansas.
Žemo dažnio pulsacijos
- Kilęs iš recirkuliacija, užstrigti arba sukelti viršįtampį.
- Dažnai jų amplitudė būna didelė - gali viršyti 1× vibraciją.
- Jie rodo, kad darbas toli nuo projektinio taško.
- Jų atveju reikia keisti veikimo sąlygas, o ne atlikti mechaninį remontą.
Plačiajuostė vibracija
- Pagaminta turbulencija ir srauto triukšmo.
- Padidėjęs didelio greičio regionuose.
- Didėja su srauto greičiu ir turbulencijos intensyvumu.
- Tai mažiau nerimą keliantis rodiklis nei toniniai komponentai, tačiau naudingas srauto kokybės rodiklis.
3. Sujungimas su mechaniniu poveikiu
Aerodinaminė-mechaninė sąveika
- Aerodinaminės jėgos nukreipia rotorių.
- Dėl šios deformacijos keičiasi važiavimo tarpai, o tai savo ruožtu keičia aerodinamines jėgas.
- Šis grįžtamasis ryšys gali sukelti susietąjį nestabilumą.
- Klasikinis pavyzdys - aerodinaminės jėgos, veikiančios sandariklius ir prisidedančios prie rotoriaus nestabilumas - glaudžiai susiję su garų sūkurys turbinose.
Aerodinaminis slopinimas
- Oro pasipriešinimas paprastai slopina konstrukcijos vibraciją.
- Šis poveikis paprastai būna teigiamas, t. y. stabilizuojantis.
- Tačiau tam tikromis srauto sąlygomis jis gali tapti neigiamas ir destabilizuojantis.
- Tai svarbi aplinkybė rotoriaus dinamika turbininių mašinų.
4. Dizaino aspektai
Jėgų mažinimas
- Optimizuokite peilių kampus ir atstumus tarp jų.
- Pulsacijai sumažinti naudokite difuzorius arba erdvę be menčių
- Sukurtas plačiam ir stabiliam veikimo diapazonui.
- Pasirinkite tokį peilių skaičių, kad būtų išvengta akustinio rezonanso.
Konstrukcijų projektavimas
- Nustatykite guolių dydį, kad jie atitiktų ne tik mechanines, bet ir aerodinamines apkrovas.
- Pasirūpinkite, kad velenas būtų pakankamai standus, kad būtų apribotas aerodinaminės jėgos sukeliamas įlinkis.
- Atskirkite ašmenis natūralieji dažniai iš sužadinimo šaltinių.
- Suprojektuokite korpusą ir konstrukciją, atitinkančią slėgio ir impulsų apkrovas.
5. Veiklos strategijos ir lauko matavimai
Optimalus veikimo taškas
- Dirbkite netoli projektinio taško, kad aerodinaminės jėgos būtų mažiausios.
- Venkite labai mažo srauto, kuris skatina recirkuliaciją ir stabdymą.
- Venkite labai didelio srauto, kuris didina greitį ir turbulenciją.
- Naudokite kintamą greitį, kad išlaikytumėte optimalų tašką kintant paklausai - giminystės dėsniai apibūdinti, kaip srautas, slėgis ir galia priklauso nuo greičio.
Nestabilumo vengimas
- Kompresoriuose laikykitės į dešinę nuo viršįtampių linijos.
- Įdiegti apsaugos nuo viršįtampių kontrolę.
- Stebėkite, ar neprasideda stabdymas.
- Užtikrinkite ventiliatorių ir kompresorių apsaugą nuo minimalaus srauto.
Praktinis iššūkis lauke - atskirti aerodinaminę problemą nuo mechaninės, nes abi jos gali padidinti 1× arba BPF pikus. Nešiojamasis dviejų kanalų analizatorius, pvz. Balanset-1A padeda nubrėžti šią ribą: fiksuojant spektrą ir 1× amplitudė ir fazė keliuose darbo taškuose inžinierius gali nustatyti, ar viršūnė priklauso nuo važiavimo greičio ir išlieka pastovi esant apkrovai - tai rodo mechaninį disbalansą, ar didėja ir keičiasi keičiantis srautui, o tai rodo aerodinaminį šaltinį. Jei paaiškėja, kad 1× komponentas yra tikrasis mechaninis disbalansas, tas pats prietaisas subalansuoja ventiliatorių arba sparnuotę., todėl aerodinaminis poveikis gali būti nagrinėjamas atskirai.
Aerodinaminės jėgos galiausiai yra esminis kiekvienos oro ir dujų tvarkymo mašinos veikimo ir patikimumo veiksnys. Supratimas, kaip šios jėgos keičiasi priklausomai nuo darbo sąlygų, jų savitų vibracijos požymių atpažinimas ir įrangos projektavimas bei eksploatavimas taip, kad nepastovūs komponentai būtų nedideli - daugiausia dirbant arti projektinio taško - yra tai, kas užtikrina patikimą ir veiksmingą ventiliatorių, orapūčių, kompresorių ir turbinų veikimą visoje pramonėje. Pripažįstant susijusius ventiliatorių defektai ir rotoriaus defektai kad aerodinaminė apkrova gali pagreitinti diagnostinį vaizdą.
