Razumevanje turbulence toka

Naprave

Prenosni balanser in analizator vibracij Balanset-1A

$2,358.31

Deli

Senzor vibracij

$107.47

Deli

Optični senzor (laserski tahometer)

$148.07

Naprave

Balanset-4

$8,123.32

Deli

Magnetno stojalo velikosti 60 kgf

$54.93

Deli

Reflektivni trak

$11.94

Naprave

Dinamični balanser "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definicija: Kaj je turbulenca toka?

Turbulenca toka je kaotično, nepravilno gibanje tekočine, za katero so značilna naključna nihanja hitrosti, vrtinčasti vrtinci in vrtinci v črpalkah, ventilatorjih, kompresorjih in cevovodnih sistemih. Za razliko od gladkega laminarnega toka, kjer se delci tekočine gibljejo po urejenih vzporednih poteh, turbulentni tok kaže naključno tridimenzionalno gibanje z nenehno spreminjajočo se hitrostjo in tlakom. V vrtečih se strojih turbulenca ustvarja nestalne sile na rotorjih in lopaticah, kar ustvarja širokopasovni tok. vibracije, hrup, izgube energije in prispevanje k utrujenosti komponent.

Čeprav je nekaj turbulence neizogibno in celo zaželeno v mnogih aplikacijah (turbulenten tok zagotavlja boljše mešanje in prenos toplote), prekomerna turbulenca zaradi slabih vhodnih pogojev, delovanja izven načrta ali ločevanja toka povzroča težave z vibracijami, zmanjšuje učinkovitost in pospešuje mehansko obrabo črpalk in ventilatorjev.

Značilnosti turbulentnega toka

Prehod režima pretoka

Prehod toka iz laminarnega v turbulentnega na podlagi Reynoldsovega števila:

• Reynoldsovo število (Re): Re = (ρ × V × D) / µ
• Kjer je ρ = gostota, V = hitrost, D = karakteristična dimenzija, µ = viskoznost
• Laminarni tok: Ponovno < 2300 (gladko, urejeno)
• Prehodno: Re 2300–4000
• Turbulentni tok: Re > 4000 (kaotično, nepravilno)
• Industrijski stroji: Skoraj vedno deluje v turbulentnem režimu

Značilnosti turbulence

• Naključna nihanja hitrosti: Trenutna hitrost se kaotično spreminja okoli povprečja
• Vrtinci in vrtinci: Vrtinčaste strukture različnih velikosti
• Energetska kaskada: Veliki vrtinci se razdelijo na postopoma manjše vrtince
• Mešanje: Hitro mešanje gibalne količine, toplote in mase
• Razpršitev energije: Turbulentno trenje pretvarja kinetično energijo v toploto

Viri turbulence v strojih

Motnje na dovodu

• Slaba zasnova dovoda: Ostri ovinki, ovire, neustrezna dolžina ravne poti
• Vrtinec: Predvrtenje tekočine, ki vstopa v rotor/ventilator
• Neenakomerna hitrost: Profil hitrosti popačen od idealnega
• Učinek: Povečana intenzivnost turbulence, povečane vibracije, zmanjšana zmogljivost

Ločitev toka

• Negativni tlačni gradienti: Tok se loči od površin
• Delovanje izven načrta: Napačni koti pretoka, ki povzročajo ločevanje lopatic
• Stojnica: Obsežno ločevanje na sesalni strani lopatic
• Rezultat: Zelo visoka intenzivnost turbulence, kaotične sile

Regije Wake

• Turbulentni sledi za lopaticami, oporniki ali ovirami
• Visoka intenzivnost turbulence v sledi
• Na komponente v spodnjem delu so vplivale nestalne sile
• Interakcija med lopaticami in sledi je pomembna pri večstopenjskih strojih

Regije z visoko hitrostjo

• Intenzivnost turbulence se običajno povečuje s hitrostjo
• Območja konice rotorja, območja z visoko turbulenco izpustnih šob
• Ustvarja lokalizirane visoke sile in obrabo

Vpliv na stroje

Generiranje vibracij

• Vibracije širokopasovnega omrežja: Turbulenca ustvarja naključne sile v širokem frekvenčnem območju
• Spekter: Povišana raven šuma namesto diskretnih vrhov
• Amplituda: Poveča se z intenzivnostjo turbulence
• Frekvenčno območje: Običajno 10–500 Hz za vibracije, ki jih povzroča turbulenca

Generiranje hrupa

• Turbulenca je glavni vir aerodinamičnega hrupa
• Švižgajoč ali šumeč zvok širokopasovnega omrežja
• Raven hrupa sorazmerna s hitrostjo^6 (zelo občutljivo na hitrost)
• Lahko je prevladujoč vir hrupa pri visokohitrostnih ventilatorjih

Izgube učinkovitosti

• Turbulentno trenje razprši energijo
• Zmanjša dvig tlaka in pretok
• Tipične izgube zaradi turbulence: 2-10% vhodne moči
• Poveča se z delovanjem izven načrta

Utrujenost komponent

• Naključne nihajoče sile ustvarjajo ciklično napetost
• Visokofrekvenčno cikliranje stresa
• Prispeva k rezilu in strukturi utrujenost
• Še posebej zaskrbljujoče pri visokih hitrostih

Erozija in obraba

• Turbulenca pospešuje erozijo pri abrazivnih postopkih
• Delci, ki jih lebdijo na udarnih površinah turbulence
• Pospešena obraba v območjih z visoko turbulenco

Odkrivanje in diagnoza

Indikatorji vibracijskega spektra

• Povišan širokopasovni dostop: Visoka raven šuma v celotnem spektru
• Pomanjkanje diskretnih vrhov: Za razliko od mehanskih napak s specifičnimi frekvencami
• Odvisno od pretoka: Raven širokopasovnega interneta se spreminja glede na pretočnost
• Minimalno pri BEP: Najnižja turbulenca na projektni točki

Akustična analiza

• Meritve ravni zvočnega tlaka
• Povečanje širokopasovnega šuma kaže na turbulenco
• Akustični spekter, podoben vibracijskemu spektru
• Usmerjeni mikrofoni lahko locirajo vire turbulence

Vizualizacija pretoka

• Računalniška dinamika tekočin (CFD) med načrtovanjem
• Pretočni streamerji ali vizualizacija dima v testu
• Meritve tlaka, ki kažejo nihanja
• Velocimetrija slikovnih delcev (PIV) v raziskavah

Strategije za ublažitev

Izboljšave zasnove dovoda

• Zagotovite zadostno dolžino ravne cevi gorvodno (najmanj 5–10 premerov)
• Odstranite ostre ovinke tik pred dovodom
• Uporabite usmerjevalnike toka ali obračalne lopatice
• Zvonaste ali poenostavljene vstopne odprtine zmanjšujejo nastanek turbulence

Optimizacija delovne točke

• Delujte blizu točke največje učinkovitosti (BEP)
• Koti pretoka se ujemajo s koti lopatic, kar zmanjšuje ločitev
• Minimalno ustvarjanje turbulence
• Spremenljiv nadzor hitrosti za ohranjanje optimalne točke

Spremembe oblikovanja

• Gladki prehodi v pretočnih kanalih (brez ostrih vogalov)
• Difuzorji za postopno upočasnitev pretoka
• Naprave za dušenje vrtincev ali naprave proti vrtinčenju
• Akustična obloga za absorpcijo hrupa, ki ga povzročajo turbulence

Turbulenca v primerjavi z drugimi pojavi toka

Turbulenca proti kavitaciji

• Turbulenca: Širokopasovni, neprekinjen, odvisen od pretoka
• Kavitacija: Impulzivno, višje frekvence, odvisno od NPSH
• Oba: Lahko sobivata, oba ustvarjata širokopasovne vibracije

Turbulenca v primerjavi z recirkulacijo

• Turbulenca: Naključno, širokopasovno, prisotno pri vseh pretokih
• Recirkulacija: Organizirana nestabilnost, nizkofrekvenčne pulzacije, le pri nizkem pretoku
• Razmerje: Recirkulacijske cone so zelo turbulentne

Turbulenca v pretoku je inherentna značilnost visokohitrostnega toka tekočine v vrtljivih strojih. Čeprav se ji ni mogoče izogniti, je mogoče njeno intenzivnost in učinke zmanjšati z ustrezno zasnovo dovoda, delovanjem blizu projektne točke in optimizacijo pretoka. Razumevanje turbulence kot vira širokopasovnih vibracij in hrupa omogoča razlikovanje od diskretno frekvenčnih mehanskih napak in vodi ustrezne korektivne ukrepe, osredotočene na pogoje pretoka in ne na mehanska popravila.

---

← Nazaj na glavno kazalo