Pochopenie aerodynamických síl
Definícia: Čo sú aerodynamické sily?
Aerodynamické sily sú sily pôsobiace na rotujúce a stacionárne komponenty ventilátorov, dúchadiel, kompresorov a turbín pohybom vzduchu alebo plynu. Tieto sily vznikajú z tlakových rozdielov, zmien hybnosti v prúdiacom plyne a interakcií medzi kvapalinou a štruktúrou. Aerodynamické sily zahŕňajú stacionárne sily (ťah, radiálne zaťaženie) a nestacionárne sily (pulzácie pri frekvencia prechodu čepele, turbulenciou vyvolané náhodné sily), ktoré vytvárajú vibrácie, zaťaženie ložísk a konštrukcií a v niektorých prípadoch aj samobudiace nestability.
Aerodynamické sily sú ekvivalentom hydraulických síl v čerpadlách v plynnej fáze, ale s dôležitými rozdielmi: efekty stlačiteľnosti, zmeny hustoty s tlakom a teplotou a akustická väzba, ktorá môže vytvárať rezonancie a nestability, ktoré sa nevyskytujú v nestlačiteľných kvapalných systémoch.
Typy aerodynamických síl
1. Ťahové sily
Axiálne sily z tlaku pôsobiaceho na povrchy lopatiek:
- Odstredivé ventilátory: Tlakový rozdiel vytvára tlak smerom k vstupu
- Axiálne ventilátory: Reakčná sila zo zrýchlenia vzduchu
- Turbíny: Expanzia plynu vytvára veľký tlak na lopatky
- Veľkosť: Úmerné nárastu tlaku a prietoku
- Účinok: Zaťaženia axiálne ložiská, vytvára axiálne vibrácie
2. Radiálne sily
Bočné sily z nerovnomerného rozloženia tlaku:
Stála radiálna sila
- Asymetrický tlak v kryte/potrubí
- Líši sa v závislosti od prevádzkového bodu (prietoku)
- Minimálne v bode návrhu
- Vytvára zaťaženie ložiska a 1× vibrácie
Rotačná radiálna sila
- Ak má obežné koleso/rotor asymetrické aerodynamické zaťaženie
- Sila sa otáča s rotorom
- Vytvára 1× vibráciu ako nevyváženosť
- Možno spojiť s mechanickou nevyváženosťou
3. Pulzácie pri prechode čepele
Periodické tlakové impulzy pri rýchlosti prechodu lopatky:
- Frekvencia: Počet lopatiek × otáčky za minútu / 60
- Príčina: Každá lopatka narúša pole prúdenia a vytvára tlakový impulz
- Interakcia: Medzi rotujúcimi lopatkami a stacionárnymi vzperami, lopatkami alebo krytom
- Amplitúda: Závisí od vzdialenosti medzi lopatkami a statorom a od podmienok prúdenia
- Účinok: Primárny zdroj tónového hluku a vibrácií ventilátora/kompresora
4. Sily vyvolané turbulenciou
- Náhodné sily: Z turbulentných vírov a odtrhávania prúdenia
- Širokopásmové spektrum: Energia rozložená v širokom frekvenčnom rozsahu
- Závislé od prietoku: Zvyšuje sa s Reynoldsovým číslom a prevádzkou mimo projektovaného rozsahu
- Obavy z únavy: Náhodné zaťaženie prispieva k únave komponentov
5. Nestabilné prúdové sily
Otočný stánok
- Lokalizované oddelenie prúdenia rotujúce okolo prstenca
- Subsynchrónna frekvencia (0,2 – 0,8 × otáčky rotora)
- Vytvára silné nestabilné sily
- Bežné pri nízkom prietoku v kompresoroch
Prepätie
- Oscilácia prietoku v celom systéme (prietok dopredu a dozadu)
- Veľmi nízka frekvencia (0,5 – 10 Hz)
- Extrémne vysoké amplitúdy sily
- Pri trvalom zaťažení môže zničiť kompresory
Vibrácie z aerodynamických zdrojov
Frekvencia prechodu čepele (BPF)
- Dominantná aerodynamická vibračná zložka
- Amplitúda sa mení v závislosti od prevádzkového bodu
- Vyššia pri podmienkach mimo návrhu
- Môže vyvolať štrukturálne rezonancie
Nízkofrekvenčné pulzácie
- Z recirkulácie, zastavenia alebo prepätia
- Často silná amplitúda (môže prekročiť 1× vibrácie)
- Označuje prevádzku ďaleko od projektovaného bodu
- Vyžaduje zmeny prevádzkových podmienok
Širokopásmové vibrácie
- Z turbulencie a hluku prúdenia
- Zvýšené v oblastiach s vysokou rýchlosťou
- Zvyšuje sa s prietokom a intenzitou turbulencie
- Menej znepokojujúce ako tonálne zložky, ale indikuje kvalitu toku
Spojenie s mechanickými účinkami
Aerodynamicko-mechanická interakcia
- Aerodynamické sily vychyľujú rotor
- Priehyb mení vôle, čo ovplyvňuje aerodynamické sily
- Môže vytvárať prepojené nestability
- Príklad: Aerodynamické sily v tesneniach prispievajúce k nestabilite rotora
Aerodynamické tlmenie
- Odpor vzduchu tlmí vibrácie konštrukcie
- Všeobecne pozitívny (stabilizačný) účinok
- Ale môže byť negatívny (destabilizujúci) v niektorých podmienkach prúdenia
- Dôležité v dynamika rotora turbostrojov
Úvahy o dizajne
Minimalizácia sily
- Optimalizujte uhly a rozostupy lopatiek
- Na zníženie pulzácií použite difúzory alebo bezlopatkový priestor
- Dizajn pre široký stabilný prevádzkový rozsah
- Zvážte počet lopatiek, aby ste predišli akustickým rezonanciám
Štrukturálny návrh
- Ložiská dimenzované pre aerodynamické zaťaženie a mechanické zaťaženie
- Tuhosť hriadeľa dostatočná na vychýlenie pôsobením aerodynamických síl
- Vlastné frekvencie lopatiek oddelené od zdrojov budenia
- Puzdro a konštrukcia navrhnuté pre tlakové pulzačné zaťaženie
Prevádzkové stratégie
Optimálny prevádzkový bod
- Pracujte v blízkosti konštrukčného bodu pre minimalizáciu aerodynamických síl
- Zabráňte veľmi nízkemu prietoku (recirkulácia, zastavenie)
- Vyhnite sa veľmi vysokému prietoku (vysoká rýchlosť, turbulencia)
- Na udržanie optimálneho bodu použite variabilnú rýchlosť
Vyhnite sa nestabilitám
- V kompresoroch sa držte vpravo od prepúšťacieho potrubia
- Implementujte protiprepäťovú ochranu
- Monitor pre začiatok státia
- Ochrana minimálneho prietoku pre ventilátory a kompresory
Aerodynamické sily sú základom prevádzky a spoľahlivosti zariadení na prepravu vzduchu a manipuláciu s plynmi. Pochopenie toho, ako sa tieto sily menia v závislosti od prevádzkových podmienok, rozpoznávanie ich vibračných podpisov a navrhovanie/prevádzkovanie zariadení s cieľom minimalizovať nestále aerodynamické sily prostredníctvom prevádzky blízko návrhového bodu zabezpečuje spoľahlivý a efektívny výkon ventilátorov, dúchadiel, kompresorov a turbín v priemyselných prevádzkach.
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 