Înțelegerea turbulențelor de flux

Dispozitive

Ebalansator portabil și analizor de vibrații Balanset-1A.

$2,353.83

Piese

Senzor de vibrații.

$107.26

Piese

Senzor optic (tahometru laser).

$147.78

Dispozitive

Balanset-4.

$8,107.90

Piese

Stand magnetic Insize-60-kgf.

$54.82

Piese

Ceasetă reflectorizantă.

$11.92

Dispozitive

Ebalansator dinamic "Balanset-1A" OEM.

$2,067.80

Definiție: Ce este turbulența de curgere?

Turbulența fluxului este o mișcare haotică, neregulată a fluidului, caracterizată prin fluctuații aleatorii de viteză, vârtejuri și vortexuri în pompe, ventilatoare, compresoare și sisteme de conducte. Spre deosebire de fluxul laminar lin, unde particulele de fluid se mișcă pe căi paralele ordonate, fluxul turbulent prezintă o mișcare tridimensională aleatorie cu viteză și presiune care variază continuu. În mașinile rotative, turbulența creează forțe instabile asupra rotoarelor și palelor, generând o bandă largă. vibrații, zgomot, pierderi de energie și contribuție la oboseala componentelor.

Deși o anumită turbulență este inevitabilă și chiar de dorit în multe aplicații (curgerea turbulentă asigură o amestecare și un transfer de căldură mai buni), turbulența excesivă cauzată de condiții de admisie necorespunzătoare, funcționarea neconformă proiectării sau separarea fluxului creează probleme de vibrații, reduce eficiența și accelerează uzura mecanică a pompelor și ventilatoarelor.

Caracteristicile fluxului turbulent

Tranziția regimului de flux

Tranzițiile fluxului de la laminar la turbulent în funcție de numărul Reynolds:

• Numărul Reynolds (Re): Re = (ρ × V × D) / µ
• Unde ρ = densitate, V = viteză, D = dimensiune caracteristică, µ = vâscozitate
• Flux laminar: Re < 2300 (lin, ordonat)
• Tranzitoriu: Re 2300-4000
• Curgere turbulentă: Re > 4000 (haotic, neregulat)
• Mașini industriale: Aproape întotdeauna funcționează în regim turbulent

Caracteristicile turbulenței

• Fluctuații aleatorii ale vitezei: Viteza instantanee variază haotic în jurul mediei
• Vârtejuri și vortexuri: Structuri turbionare de diferite dimensiuni
• Cascadă de energie: Vârtejurile mari se descompun în vârteje progresiv mai mici
• Amestecare: Amestecarea rapidă a impulsului, căldurii și masei
• Disiparea energiei: Frecarea turbulentă transformă energia cinetică în căldură

Surse de turbulență în utilaje

Tulburări de admisie

• Proiectare defectuoasă a orificiului de admisie: Curbe strânse, obstrucții, lungime inadecvată a benzii drepte
• Vârtej: Pre-rotația fluidului care intră în rotor/ventilator
• Viteză neuniformă: Profilul de viteză distorsionat față de ideal
• Efect: Intensitate crescută a turbulenței, vibrații ridicate, performanță redusă

Separarea fluxului

• Gradienți de presiune adversi: Fluxul se separă de suprafețe
• Operare în afara proiectului: Unghiuri de curgere greșite care cauzează separarea palelor
• Stand: Separare extinsă pe partea de aspirație a lamei
• Rezultat: Intensitate foarte mare a turbulenței, forțe haotice

Regiuni de veghe

• Urme turbulente în aval de pale, lonje sau obstrucții
• Intensitate mare a turbulenței în trezire
• Componentele din aval sunt supuse unor forțe instabile
• Interacțiunea paletă-trezire este importantă în mașinile multietajate

Regiuni de mare viteză

• Intensitatea turbulențelor crește în general odată cu viteza
• Regiunile vârfului rotorului, duzele de refulare, zonele cu turbulență ridicată
• Creează forțe și uzură localizate ridicate

Efecte asupra utilajelor

Generarea vibrațiilor

• Vibrații în bandă largă: Turbulența creează forțe aleatorii pe o gamă largă de frecvențe
• Spectru: Nivel de zgomot ridicat, în loc de vârfuri discrete
• Amplitudine: Crește odată cu intensitatea turbulențelor
• Interval de frecvență: De obicei 10-500 Hz pentru vibrații induse de turbulențe

Generarea de zgomot

• Turbulența este principala sursă de zgomot aerodinamic
• Sunet de bandă largă “șuierat” sau “gârâit”
• Nivel de zgomot proporțional cu viteza^6 (foarte sensibil la viteză)
• Poate fi sursa dominantă de zgomot în ventilatoarele de mare viteză

Pierderi de eficiență

• Fricțiunea turbulentă disipă energia
• Reduce creșterea presiunii și debitul
• Pierderi tipice prin turbulență: 2-10% putere de intrare
• Crește odată cu funcționarea în afara proiectării

Oboseala componentelor

• Forțele fluctuante aleatorii creează stres ciclic
• Cicluri de stres de înaltă frecvență
• Contribuie la lamă și structură oboseală
• În special îngrijorător la viteze mari

Eroziune și uzură

• Turbulența amplifică eroziunea în servicii abrazive
• Particule suspendate de suprafețele de impact turbulente
• Uzură accelerată în regiunile cu turbulențe ridicate

Detectare și diagnosticare

Indicatori ai spectrului de vibrații

• Bandă largă extinsă: Nivel de zgomot ridicat pe întreg spectrul
• Lipsa vârfurilor discrete: Spre deosebire de defecțiunile mecanice cu frecvențe specifice
• Dependent de debit: Nivelul benzii largi variază în funcție de debit
• Minim la BEP: Cea mai mică turbulență la punctul de proiectare

Analiză acustică

• Măsurători ale nivelului presiunii sonore
• Creșterea zgomotului în bandă largă indică turbulențe
• Spectru acustic similar cu spectrul vibrațiilor
• Microfoanele direcționale pot localiza surse de turbulență

Vizualizarea fluxului

• Dinamica fluidelor computațională (CFD) în timpul proiectării
• Fluxuri de flux sau vizualizare a fumului în test
• Măsurători de presiune care arată fluctuații
• Velocimetria imaginii particulelor (PIV) în cercetare

Strategii de atenuare

Îmbunătățiri ale designului intrării

• Asigurați o lungime adecvată a țevii drepte în amonte (minim 5-10 diametre)
• Eliminați curbele ascuțite imediat înainte de admisie
• Folosiți îndreptătoare de flux sau palete rotative
• Intrarile cu gura de clopot sau cele aerodinamice reduc generarea de turbulențe

Optimizarea punctului de funcționare

• Funcționează aproape de punctul de cea mai bună eficiență (BEP)
• Unghiurile de curgere se potrivesc cu unghiurile palelor, reducând la minimum separarea
• Generarea minimă de turbulență
• Control variabil al vitezei pentru menținerea punctului optim

Modificări de proiectare

• Tranziții line în pasajele de curgere (fără colțuri ascuțite)
• Difuzoare pentru decelerarea treptată a fluxului
• Supresoare de vortex sau dispozitive anti-vârtej
• Căptușeală acustică pentru absorbția zgomotului generat de turbulențele

Turbulență vs. alte fenomene de curgere

Turbulență vs. Cavitație

• Turbulenţă: Bandă largă, continuă, dependentă de flux
• Cavitație: Impulsiv, cu frecvență mai mare, dependent de NPSH
• Ambele: Pot coexista, ambele creează vibrații de bandă largă

Turbulență vs. Recirculare

• Turbulenţă: Aleator, în bandă largă, prezent la toate fluxurile
• Recirculare: Instabilitate organizată, pulsații de joasă frecvență, doar la debit scăzut
• Relaţie: Zonele de recirculare sunt foarte turbulente

Turbulența curgerii este o caracteristică inerentă a curgerii fluidelor de mare viteză în mașinile rotative. Deși inevitabilă, intensitatea și efectele acesteia pot fi reduse la minimum printr-o proiectare adecvată a admisiei, o funcționare aproape de punctul de proiectare și optimizarea curgerii. Înțelegerea turbulențelor ca sursă de vibrații și zgomot în bandă largă permite diferențierea defecțiunilor mecanice cu frecvență discretă și ghidează acțiunile corective adecvate, axate pe condițiile de curgere, mai degrabă decât pe reparațiile mecanice.

---

← Înapoi la indexul principal