Inzicht in aerodynamische krachten
Definitie: Wat zijn aerodynamische krachten?
Aerodynamische krachten Zijn krachten die worden uitgeoefend op roterende en stationaire componenten in ventilatoren, blowers, compressoren en turbines door bewegende lucht of gas. Deze krachten ontstaan door drukverschillen, impulsveranderingen in het stromende gas en interacties tussen vloeistof en structuur. Aerodynamische krachten omvatten constante krachten (stuwkracht, radiale belastingen) en onstabiele krachten (pulsaties bij bladpassfrequentie, door turbulentie veroorzaakte willekeurige krachten) die trillingen, belasting op lagers en constructies, en in sommige gevallen zelfopgewekte instabiliteiten.
Aerodynamische krachten zijn het equivalent van hydraulische krachten in pompen in de gasfase, maar met belangrijke verschillen: samendrukbaarheidseffecten, dichtheidsvariaties met druk en temperatuur, en akoestische koppeling die resonanties en instabiliteiten kan veroorzaken die niet aanwezig zijn in onsamendrukbare vloeistofsystemen.
Soorten aerodynamische krachten
1. Stuwkrachten
Axiale krachten door druk die op het bladoppervlak wordt uitgeoefend:
- Centrifugaalventilatoren: Drukverschil creëert stuwkracht richting inlaat
- Axiale ventilatoren: Reactiekracht door luchtversnelling
- Turbines: Gasexpansie zorgt voor een grote stuwkracht op de bladen
- Grootte: Evenredig met drukstijging en stroomsnelheid
- Effect: Ladingen druklagers, creëert axiale trilling
2. Radiale krachten
Zijwaartse krachten door niet-uniforme drukverdeling:
Constante radiale kracht
- Asymmetrische druk in behuizing/kanalen
- Varieert met het werkpunt (debiet)
- Minimum op ontwerppunt
- Creëert lagerbelasting en 1× trilling
Roterende radiale kracht
- Als de waaier/rotor een asymmetrische aerodynamische belasting heeft
- Kracht draait met rotor
- Creëert 1× trilling zoals onevenwicht
- Kan koppelen met mechanische onbalans
3. Pulsaties van het mes
Periodieke drukpulsen bij de doorgangssnelheid van het blad:
- Frequentie: Aantal bladen × RPM / 60
- Oorzaak: Elk blad verstoort het stromingsveld en creëert een drukpuls
- Interactie: Tussen roterende bladen en stationaire schoepen, schoepen of behuizing
- Amplitude: Hangt af van de speling tussen het blad en de stator en van de stromingsomstandigheden
- Effect: Primaire bron van tonale ruis en trillingen van ventilator/compressor
4. Door turbulentie veroorzaakte krachten
- Willekeurige krachten: Van turbulente wervelingen en stromingsscheiding
- Breedbandspectrum: Energie verdeeld over een breed frequentiebereik
- Afhankelijk van de stroming: Neemt toe met het Reynoldsgetal en off-design-werking
- Vermoeidheidsprobleem: Willekeurige belasting draagt bij aan componentvermoeidheid
5. Onstabiele stromingskrachten
Draaiende kraam
- Gelokaliseerde stromingsscheiding roterend rond de ring
- Subsynchrone frequentie (0,2-0,8× rotorsnelheid)
- Creëert ernstige onstabiele krachten
- Veel voorkomend bij lage stroming in compressoren
Golf
- Systeembrede stromingsoscillatie (voorwaartse en achterwaartse stroming)
- Zeer lage frequentie (0,5-10 Hz)
- Extreem hoge krachtamplitudes
- Kan compressoren vernietigen als deze langdurig worden gebruikt
Trillingen van aerodynamische bronnen
Bladpassfrequentie (BPF)
- Dominante aerodynamische trillingscomponent
- De amplitude varieert afhankelijk van het werkpunt
- Hoger bij afwijkende omstandigheden
- Kan structurele resonanties opwekken
Laagfrequente pulsaties
- Van recirculatie, stilstand of overspanning
- Vaak ernstige amplitude (kan 1× trilling overschrijden)
- Geeft aan dat de werking ver van het ontwerppunt ligt
- Vereist veranderingen in de bedrijfsomstandigheden
Breedbandtrilling
- Van turbulentie en stromingsgeluid
- Verhoogd in gebieden met hoge snelheid
- Neemt toe met de stroomsnelheid en de turbulentie-intensiteit
- Minder zorgwekkend dan tonale componenten, maar geeft de kwaliteit van de stroom aan
Koppeling met mechanische effecten
Aerodynamisch-mechanische interactie
- Aerodynamische krachten buigen de rotor af
- Doorbuiging verandert de speling, wat invloed heeft op de aerodynamische krachten
- Kan gekoppelde instabiliteiten creëren
- Voorbeeld: Aerodynamische krachten in afdichtingen die bijdragen aan rotorinstabiliteit
Aerodynamische demping
- Luchtweerstand zorgt voor demping van structurele trillingen
- Over het algemeen positief (stabiliserend) effect
- Maar kan onder bepaalde stromingsomstandigheden negatief (destabiliserend) zijn
- Belangrijk in rotordynamiek van turbomachines
Ontwerpoverwegingen
Krachtminimalisatie
- Optimaliseer de bladhoeken en -afstand
- Gebruik diffusers of een ruimte zonder schoepen om pulsaties te verminderen
- Ontwerp voor een breed en stabiel werkingsbereik
- Houd rekening met het aantal bladen om akoestische resonanties te voorkomen
Structureel ontwerp
- Lagers die zijn gedimensioneerd voor aerodynamische belastingen plus mechanische belastingen
- Schachtstijfheid die voldoende is voor doorbuiging onder aerodynamische krachten
- Natuurlijke frequenties van het blad gescheiden van excitatiebronnen
- Behuizing en constructie ontworpen voor drukpulsatiebelastingen
Bedrijfsstrategieën
Optimaal werkpunt
- Werk in de buurt van het ontwerppunt voor minimale aerodynamische krachten
- Vermijd zeer lage stroming (recirculatie, stilstand)
- Vermijd zeer hoge stroming (hoge snelheid, turbulentie)
- Gebruik variabele snelheid om het optimale punt te behouden
Vermijd instabiliteiten
- Blijf rechts van de overspanningsleiding in compressoren
- Implementeer anti-overspanningsregeling
- Monitor voor het starten van de kraam
- Minimale stromingsbeveiliging voor ventilatoren en compressoren
Aerodynamische krachten zijn essentieel voor de werking en betrouwbaarheid van apparatuur voor luchtverplaatsing en gasverwerking. Inzicht in hoe deze krachten variëren afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden, het herkennen van hun trillingskenmerken en het ontwerpen en bedienen van apparatuur om instabiele aerodynamische krachten te minimaliseren door middel van werking nabij het ontwerppunt, garandeert betrouwbare en efficiënte prestaties van ventilatoren, blowers, compressoren en turbines in industriële toepassingen.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 