Înțelegerea forțelor aerodinamice
Definiție: Ce sunt forțele aerodinamice?
Forțe aerodinamice sunt forțe exercitate asupra componentelor rotative și staționare din ventilatoare, suflante, compresoare și turbine de către aerul sau gazul în mișcare. Aceste forțe apar din diferențele de presiune, schimbările de impuls în gazul care curge și interacțiunile fluid-structură. Forțele aerodinamice includ forțe staționare (împingere, sarcini radiale) și forțe instabile (pulsații la frecvența de trecere a lamei, forțe aleatorii induse de turbulență) care creează vibrații, încărcare pe lagăre și structuri și, în unele cazuri, instabilități autoexcitate.
Forțele aerodinamice sunt echivalentul în fază gazoasă al forțelor hidraulice din pompe, dar cu diferențe importante: efecte de compresibilitate, variații ale densității în funcție de presiune și temperatură și cuplaj acustic care poate crea rezonanțe și instabilități care nu sunt prezente în sistemele lichide incompresibile.
Tipuri de forțe aerodinamice
1. Forțe de împingere
Forțe axiale din presiunea care acționează asupra suprafețelor palelor:
- Ventilatoare centrifuge: Diferența de presiune creează o împingere spre admisie
- Ventilatoare axiale: Forța de reacție din accelerația aerului
- Turbine: Expansiunea gazului creează o împingere mare asupra palelor
- Magnitudine: Proporțional cu creșterea presiunii și debitul
- Efect: Încărcări rulmenți axiali, creează vibrații axiale
2. Forțe radiale
Forțe laterale provenite din distribuția neuniformă a presiunii:
Forță radială constantă
- Presiune asimetrică în carcasă/conducte
- Variază în funcție de punctul de funcționare (debitul)
- Minim la punctul de proiectare
- Creează o sarcină pe rulment și vibrații 1×
Forța radială de rotație
- Dacă rotorul/rotorul are o sarcină aerodinamică asimetrică
- Forța se rotește odată cu rotorul
- Creează o vibrație de 1× similară dezechilibra
- Poate fi cuplat cu dezechilibru mecanic
3. Pulsări la trecerea lamei
Impulsuri periodice de presiune la viteza de trecere a palei:
- Frecvenţă: Număr de lame × RPM / 60
- Cauza: Fiecare lamă perturbă câmpul de curgere, creează un impuls de presiune
- Interacţiune: Între palele rotative și lonjeroanele, paletele sau carcasa staționare
- Amplitudine: Depinde de jocul dintre paletă și stator și de condițiile de curgere
- Efect: Sursa principală de zgomot tonal și vibrații ale ventilatorului/compresorului
4. Forțe induse de turbulență
- Forțe aleatorii: Din vârtejuri turbulente și separarea fluxului
- Spectru de bandă largă: Energie distribuită pe o gamă largă de frecvențe
- Dependent de debit: Crește odată cu numărul Reynolds și cu funcționarea în afara proiectării
- Probleme legate de oboseală: Încărcarea aleatorie contribuie la oboseala componentelor
5. Forțe de curgere instabile
Stand rotativ
- Separarea localizată a fluxului care se rotește în jurul inelului
- Frecvență subsincronă (0,2-0,8 × viteza rotorului)
- Creează forțe instabile puternice
- Comun la debit scăzut în compresoare
Valoare
- Oscilația fluxului la nivelul întregului sistem (flux înainte și înapoi)
- Frecvență foarte joasă (0,5-10 Hz)
- Amplitudini de forță extrem de mari
- Poate distruge compresoarele dacă este acționat continuu
Vibrații din surse aerodinamice
Frecvența de trecere a lamei (BPF)
- Componentă dominantă a vibrațiilor aerodinamice
- Amplitudinea variază în funcție de punctul de funcționare
- Mai mare în condiții neproiectate
- Poate excita rezonanțe structurale
Pulsații de joasă frecvență
- Din recirculare, blocare sau supratensiune
- Amplitudine adesea severă (poate depăși 1× vibrație)
- Indică o funcționare departe de punctul de proiectare
- Necesită modificări ale condițiilor de funcționare
Vibrații în bandă largă
- Din turbulențe și zgomot de curgere
- Crescut în regiunile cu viteză mare
- Crește odată cu debitul și intensitatea turbulenței
- Mai puțin îngrijorător decât componentele tonale, dar indică calitatea fluxului
Cuplarea cu efecte mecanice
Interacțiunea aerodinamică-mecanică
- Forțele aerodinamice deviază rotorul
- Deformarea modifică distanța dintre aripi, afectând forțele aerodinamice
- Poate crea instabilități cuplate
- Exemplu: Forțele aerodinamice din etanșări contribuie la instabilitatea rotorului
Amortizare aerodinamică
- Rezistența la aer asigură amortizarea vibrațiilor structurale
- Efect în general pozitiv (stabilizator)
- Dar poate fi negativ (destabilizator) în anumite condiții de curgere
- Important în dinamica rotorului de turbomașini
Considerații de proiectare
Minimizarea forței
- Optimizați unghiurile și spațierea lamelor
- Folosiți difuzoare sau spații fără palete pentru a reduce pulsațiile
- Proiectat pentru o gamă largă de funcționare stabilă
- Luați în considerare numărul de pale pentru a evita rezonanțele acustice
Proiectare structurală
- Rulmenți dimensionați pentru sarcini aerodinamice plus sarcini mecanice
- Rigiditatea arborelui este adecvată pentru deformare sub forțe aerodinamice
- Frecvențele naturale ale palei separate de sursele de excitație
- Carcasă și structură proiectate pentru sarcini de pulsație a presiunii
Strategii operaționale
Punct de funcționare optim
- Funcționează în apropierea punctului de proiectare pentru forțe aerodinamice minime
- Evitați debitul foarte scăzut (recirculare, blocare)
- Evitați debitul foarte mare (viteză mare, turbulențe)
- Folosiți viteza variabilă pentru a menține punctul optim
Evitați instabilitățile
- Rămâneți în dreapta conductei de supratensiune din compresoare
- Implementați controlul anti-supratensiune
- Monitor pentru începutul standului
- Protecție minimă la debit pentru ventilatoare și compresoare
Forțele aerodinamice sunt fundamentale pentru funcționarea și fiabilitatea echipamentelor de circulație a aerului și de manipulare a gazelor. Înțelegerea modului în care aceste forțe variază în funcție de condițiile de funcționare, recunoașterea semnăturilor lor vibraționale și proiectarea/operarea echipamentelor pentru a minimiza forțele aerodinamice instabile prin funcționare aproape de punctul de proiectare asigură performanțe fiabile și eficiente ale ventilatoarelor, suflantelor, compresoarelor și turbinelor în domeniul industrial.
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 