Czym jest turbulencja przepływu? Wibracje przepływu niestacjonarnego • Przenośny wyważacz, analizator drgań "Balanset" do dynamicznego wyważania kruszarek, wentylatorów, mulczerów, ślimaków w kombajnach, wałów, wirówek, turbin i wielu innych wirników Czym jest turbulencja przepływu? Wibracje przepływu niestacjonarnego • Przenośny wyważacz, analizator drgań "Balanset" do dynamicznego wyważania kruszarek, wentylatorów, mulczerów, ślimaków w kombajnach, wałów, wirówek, turbin i wielu innych wirników

Czym jest turbulencja przepływu? Niestacjonarne drgania przepływu

Opublikowane przez admin w dniu

Zrozumienie turbulencji przepływu

Definicja: Czym jest turbulencja przepływu?

Turbulencja przepływu To chaotyczny, nieregularny ruch cieczy charakteryzujący się przypadkowymi fluktuacjami prędkości, wirowymi zawirowaniami i wirami w pompach, wentylatorach, sprężarkach i systemach rurociągowych. W przeciwieństwie do gładkiego przepływu laminarnego, w którym cząsteczki cieczy poruszają się po uporządkowanych, równoległych torach, przepływ turbulentny charakteryzuje się losowym ruchem trójwymiarowym z ciągle zmieniającą się prędkością i ciśnieniem. W maszynach wirujących turbulencja wytwarza niestacjonarne siły na wirnikach i łopatkach, generując szerokopasmowe wibracja, hałas, straty energii i przyczynianie się do zmęczenia komponentów.

Podczas gdy pewne turbulencje są nieuniknione, a w wielu zastosowaniach nawet pożądane (przepływ turbulentny zapewnia lepsze mieszanie i wymianę ciepła), nadmierne turbulencje wynikające ze złych warunków wlotowych, nieprawidłowej pracy lub rozdzielenia przepływu powodują problemy z wibracjami, zmniejszają wydajność i przyspieszają zużycie mechaniczne pomp i wentylatorów.

Charakterystyka przepływu turbulentnego

Przejście reżimu przepływu

Przejście przepływu z laminarnego na turbulentny następuje na podstawie liczby Reynoldsa:

  • Liczba Reynoldsa (Re): Re = (ρ × V × D) / µ
  • Gdzie ρ = gęstość, V = prędkość, D = wymiar charakterystyczny, µ = lepkość
  • Przepływ laminarny: Odnośnie < 2300 (gładkie, uporządkowane)
  • Przejściowy: Dot. 2300-4000
  • Przepływ turbulentny: Re > 4000 (chaotyczny, nieregularny)
  • Maszyny przemysłowe: Prawie zawsze działa w warunkach turbulentnych

Charakterystyka turbulencji

  • Losowe fluktuacje prędkości: Prędkość chwilowa zmienia się chaotycznie wokół wartości średniej
  • Wiry i zawirowania: Wirujące struktury o różnych rozmiarach
  • Kaskada energetyczna: Duże wiry rozpadają się na stopniowo mniejsze wiry
  • Mieszanie: Szybkie mieszanie pędu, ciepła i masy
  • Rozpraszanie energii: Turbulentne tarcie zamienia energię kinetyczną na ciepło

Źródła turbulencji w maszynach

Zaburzenia wlotu

  • Zła konstrukcja wlotu: Ostre zakręty, przeszkody, niewystarczająca długość odcinka prostego
  • Wirować: Wstępne obracanie się cieczy wchodzącej do wirnika/wentylatora
  • Prędkość nierównomierna: Profil prędkości zniekształcony od idealnego
  • Efekt: Zwiększona intensywność turbulencji, podwyższone wibracje, obniżona wydajność

Separacja przepływu

  • Przeciwne gradienty ciśnienia: Przepływ oddziela się od powierzchni
  • Operacje poza projektem: Nieprawidłowe kąty przepływu powodujące rozdzielenie na łopatkach
  • Stoisko: Rozległe rozdzielenie po stronie ssącej łopatki
  • Wynik: Bardzo duża intensywność turbulencji, siły chaotyczne

Regiony Wake

  • Turbulentne fale za łopatkami, rozpórkami lub przeszkodami
  • Wysoka intensywność turbulencji w śladzie
  • Elementy znajdujące się dalej w dół rzeki są narażone na siły niestabilne
  • Interakcja łopatek i śladu aerodynamicznego istotna w maszynach wieloetapowych

Regiony o dużej prędkości

  • Intensywność turbulencji zazwyczaj wzrasta wraz z prędkością
  • Obszary końcówki wirnika, dysze wylotowe, obszary o dużej turbulencji
  • Tworzy zlokalizowane duże siły i zużycie

Wpływ na maszyny

Generowanie wibracji

  • Wibracje szerokopasmowe: Turbulencje tworzą losowe siły w szerokim zakresie częstotliwości
  • Widmo: Podwyższony poziom szumu, a nie oddzielne szczyty
  • Amplituda: Zwiększa się wraz z intensywnością turbulencji
  • Zakres częstotliwości: Zwykle 10–500 Hz w przypadku drgań wywołanych turbulencjami

Generowanie hałasu

  • Turbulencje są głównym źródłem hałasu aerodynamicznego
  • Szerokopasmowy dźwięk “szum” lub “pędzący”
  • Poziom szumu proporcjonalny do prędkości^6 (bardzo wrażliwy na prędkość)
  • Może być dominującym źródłem hałasu w wentylatorach o dużej prędkości

Straty wydajności

  • Turbulentne tarcie rozprasza energię
  • Zmniejsza wzrost ciśnienia i dostarczanie przepływu
  • Typowe straty turbulencji: 2-10% mocy wejściowej
  • Zwiększa się w przypadku operacji niezgodnych z projektem

Zmęczenie podzespołów

  • Losowo zmieniające się siły powodują cykliczne naprężenia
  • Cykle stresu o wysokiej częstotliwości
  • Wnosi wkład do ostrza i struktury zmęczenie
  • Szczególnie niepokojące przy dużych prędkościach

Erozja i zużycie

  • Turbulencje zwiększają erozję w środowisku ściernym
  • Cząstki zawieszone na powierzchniach uderzeniowych turbulencji
  • Przyspieszone zużycie w obszarach o dużej turbulencji

Wykrywanie i diagnostyka

Wskaźniki widma drgań

  • Podwyższony poziom szerokopasmowego dostępu do Internetu: Wysoki poziom szumów w całym spektrum
  • Brak odrębnych szczytów: W przeciwieństwie do usterek mechanicznych o określonych częstotliwościach
  • Zależne od przepływu: Poziom szerokopasmowy zmienia się w zależności od szybkości przepływu
  • Minimum w BEP: Najniższa turbulencja w punkcie projektowym

Analiza akustyczna

  • Pomiary poziomu ciśnienia akustycznego
  • Wzrost szumu szerokopasmowego wskazuje na turbulencje
  • Widmo akustyczne podobne do widma drgań
  • Mikrofony kierunkowe mogą lokalizować źródła turbulencji

Wizualizacja przepływu

  • Obliczeniowa mechanika płynów (CFD) podczas projektowania
  • Strumienie przepływu lub wizualizacja dymu w teście
  • Pomiary ciśnienia pokazujące wahania
  • Prędkościomierz obrazowy cząstek (PIV) w badaniach

Strategie łagodzenia

Ulepszenia konstrukcji wlotu

  • Zapewnij odpowiednią długość prostej rury przed wlotem (minimum 5–10 średnic)
  • Wyeliminuj ostre zakręty tuż przed wlotem
  • Użyj prostownic przepływu lub łopatek obrotowych
  • Wloty dzwonowe lub opływowe redukują powstawanie turbulencji

Optymalizacja punktu operacyjnego

  • Działać w pobliżu punktu najlepszej wydajności (BEP)
  • Kąty przepływu odpowiadają kątom łopatek, minimalizując separację
  • Minimalne generowanie turbulencji
  • Regulacja prędkości zmiennej w celu utrzymania optymalnego punktu

Modyfikacje projektu

  • Płynne przejścia w kanałach przepływowych (bez ostrych narożników)
  • Dyfuzory do stopniowego spowalniania przepływu
  • Tłumiki wirowe lub urządzenia przeciwwirowe
  • Wykładzina akustyczna pochłaniająca hałas generowany przez turbulencje

Turbulencja a inne zjawiska przepływu

Turbulencja kontra kawitacja

  • Turbulencja: Szerokopasmowy, ciągły, zależny od przepływu
  • Kawitacja: Impulsywny, o wyższej częstotliwości, zależny od NPSH
  • Obydwa: Mogą współistnieć, oba wytwarzają szerokopasmowe wibracje

Turbulencja kontra recyrkulacja

  • Turbulencja: Losowe, szerokopasmowe, obecne przy wszystkich przepływach
  • Recyrkulacja: Zorganizowana niestabilność, pulsacje o niskiej częstotliwości, tylko przy niskim przepływie
  • Relacja: Strefy recyrkulacji charakteryzują się dużym turbulentnym charakterem

Turbulencje przepływu są nieodłączną cechą przepływu cieczy o dużej prędkości w maszynach wirujących. Choć nieuniknione, ich intensywność i skutki można zminimalizować poprzez odpowiednią konstrukcję wlotu, pracę w pobliżu punktu projektowego oraz optymalizację przepływu. Zrozumienie turbulencji jako źródła szerokopasmowych drgań i hałasu umożliwia odróżnienie ich od usterek mechanicznych o częstotliwości dyskretnej i ukierunkowuje odpowiednie działania naprawcze, koncentrując się na warunkach przepływu, a nie na naprawach mechanicznych.

← Powrót do indeksu głównego

Kategorie: SłowniczekDiagnostyka wibracji
WhatsApp