O que são forças aerodinâmicas? Cargas em ventiladores e turbinas • Balanceador portátil e analisador de vibração "Balanset" para balanceamento dinâmico de britadores, ventiladores, trituradores, roscas transportadoras em colheitadeiras, eixos, centrífugas, turbinas e muitos outros rotores. O que são forças aerodinâmicas? Cargas em ventiladores e turbinas • Balanceador portátil e analisador de vibração "Balanset" para balanceamento dinâmico de britadores, ventiladores, trituradores, roscas transportadoras em colheitadeiras, eixos, centrífugas, turbinas e muitos outros rotores.

O que são forças aerodinâmicas? Cargas em ventiladores e turbinas

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Entendendo as Forças Aerodinâmicas

Definição: O que são forças aerodinâmicas?

Forças aerodinâmicas As forças aerodinâmicas são forças exercidas sobre componentes rotativos e estacionários em ventiladores, sopradores, compressores e turbinas pelo movimento do ar ou gás. Essas forças surgem de diferenciais de pressão, mudanças de momento no gás em fluxo e interações fluido-estrutura. As forças aerodinâmicas incluem forças constantes (empuxo, cargas radiais) e forças instáveis (pulsações na direção do movimento). frequência de passagem da lâmina, forças aleatórias induzidas pela turbulência) que criam vibração, cargas em mancais e estruturas e, em alguns casos, instabilidades autoexcitadas.

As forças aerodinâmicas são o equivalente em fase gasosa das forças hidráulicas em bombas, mas com diferenças importantes: efeitos da compressibilidade, variações de densidade com a pressão e a temperatura, e acoplamento acústico que pode criar ressonâncias e instabilidades não presentes em sistemas líquidos incompressíveis.

Tipos de forças aerodinâmicas

1. Forças de Empuxo

Forças axiais resultantes da pressão atuando sobre as superfícies das pás:

  • Ventiladores centrífugos: A diferença de pressão cria um impulso em direção à entrada.
  • Ventiladores axiais: Força de reação da aceleração do ar
  • Turbinas: A expansão do gás cria um grande impulso nas pás.
  • Magnitude: Proporcional ao aumento de pressão e à vazão.
  • Efeito: Cargas mancais de encosto, cria vibração axial

2. Forças radiais

Forças laterais resultantes da distribuição não uniforme da pressão:

Força radial constante

  • Pressão assimétrica na carcaça/dutos de ventilação
  • Varia com o ponto de operação (vazão).
  • Mínimo no ponto de projeto
  • Cria carga no rolamento e vibração de 1×.

Força radial rotativa

  • Se o impulsor/rotor apresentar carga aerodinâmica assimétrica
  • A força gira com o rotor.
  • Cria 1 vibração semelhante a desequilíbrio
  • Pode acoplar-se com desequilíbrio mecânico

3. Pulsações de passagem da lâmina

Pulsos de pressão periódicos na taxa de passagem da lâmina:

  • Freqüência: Número de lâminas × RPM / 60
  • Causa: Cada lâmina perturba o campo de fluxo, criando um pulso de pressão.
  • Interação: Entre as lâminas rotativas e os suportes, palhetas ou carcaça estacionários.
  • Amplitude: Depende da folga entre a pá e o estator e das condições de fluxo.
  • Efeito: Principal fonte de ruído tonal e vibração do ventilador/compressor

4. Forças Induzidas pela Turbulência

  • Forças aleatórias: A partir de vórtices turbulentos e separação de fluxo
  • Espectro de banda larga: Energia distribuída por uma ampla faixa de frequência.
  • Dependente do fluxo: Aumenta com o número de Reynolds e operação fora do projeto.
  • Preocupação com a fadiga: A carga aleatória contribui para a fadiga dos componentes.

5. Forças de fluxo instáveis

Estol rotativo

  • Separação de fluxo localizada girando em torno do anel
  • Frequência subsíncrona (0,2-0,8× velocidade do rotor)
  • Cria forças instáveis severas
  • Comum em baixas vazões em compressores

Surto

  • Oscilação do fluxo em todo o sistema (fluxo direto e reverso)
  • Frequência muito baixa (0,5-10 Hz)
  • Amplitudes de força extremamente altas
  • Pode destruir compressores se a operação for contínua.

Vibração proveniente de fontes aerodinâmicas

Frequência de Passagem da Lâmina (BPF)

  • Componente dominante de vibração aerodinâmica
  • A amplitude varia com o ponto de operação.
  • Maior em condições fora do projeto
  • Pode excitar ressonâncias estruturais

Pulsações de baixa frequência

  • Devido à recirculação, estagnação ou sobrepressão
  • Frequentemente, a amplitude é severa (podendo exceder 1× a vibração).
  • Indica operação muito distante do ponto de projeto.
  • Requer alterações nas condições de operação.

Vibração de banda larga

  • Devido à turbulência e ao ruído do fluxo
  • Elevado em regiões de alta velocidade
  • Aumenta com a vazão e a intensidade da turbulência.
  • Menos preocupante do que os componentes tonais, mas indica a qualidade do fluxo.

Acoplamento com efeitos mecânicos

Interação Aerodinâmica-Mecânica

  • As forças aerodinâmicas desviam o rotor.
  • A deflexão altera as folgas, afetando as forças aerodinâmicas.
  • Podem criar instabilidades acopladas
  • Exemplo: Forças aerodinâmicas nas vedações que contribuem para a instabilidade do rotor

Amortecimento aerodinâmico

  • A resistência do ar proporciona amortecimento para vibrações estruturais.
  • Efeito geralmente positivo (estabilizador).
  • Mas pode ser negativo (desestabilizador) em algumas condições de fluxo.
  • Importante em dinâmica do rotor de turbomáquinas

Considerações de design

Minimização da força

  • Otimize os ângulos e o espaçamento das lâminas.
  • Utilize difusores ou espaços sem pás para reduzir as pulsações.
  • Projetado para uma ampla faixa de operação estável.
  • Considere a quantidade de lâminas para evitar ressonâncias acústicas.

Projeto Estrutural

  • Rolamentos dimensionados para cargas aerodinâmicas e cargas mecânicas.
  • Rigidez do eixo adequada para suportar a deflexão sob forças aerodinâmicas.
  • Frequências naturais da lâmina separadas das fontes de excitação
  • Revestimento e estrutura projetados para suportar cargas de pulsação de pressão.

Estratégias Operacionais

Ponto de operação ideal

  • Operar próximo ao ponto de projeto para minimizar as forças aerodinâmicas.
  • Evite fluxos muito baixos (recirculação, estagnação).
  • Evite fluxos muito intensos (alta velocidade, turbulência).
  • Use velocidade variável para manter o ponto ideal

Evite instabilidades

  • Mantenha-se à direita da linha de sobrepressão em compressores.
  • Implementar controle anti-surto
  • Monitore o início da paralisação.
  • Proteção contra fluxo mínimo para ventiladores e compressores

As forças aerodinâmicas são fundamentais para a operação e confiabilidade de equipamentos de movimentação de ar e manuseio de gases. Compreender como essas forças variam com as condições de operação, reconhecer suas características de vibração e projetar/operar equipamentos para minimizar forças aerodinâmicas instáveis por meio de operação próxima ao ponto de projeto garante o desempenho confiável e eficiente de ventiladores, sopradores, compressores e turbinas em aplicações industriais.

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