Aerodinamik Kuvvetleri Anlamak
Aerodinamik kuvvetler hareketli hava veya gazın fanların, üfleyicilerin, kompresörlerin ve türbinlerin dönen ve sabit bileşenleri üzerinde uyguladığı kuvvetlerdir. Kanat yüzeyleri arasındaki basınç farklarından, akan gazdaki momentum değişikliklerinden ve akışkan ile üzerinden aktığı yapı arasındaki sürekli etkileşimden kaynaklanırlar. Bu kuvvetler hem sabit bileşenleri - itme ve radyal yükler - hem de aşağıdaki gibi titreşimler gibi sabit olmayan bileşenleri kapsar bıçak geçiş frekansı ve türbülansın rastgele savurması. Birlikte üretirler titreşim, yatakları ve muhafazaları yükler ve bazı durumlarda bir makineyi tahrip edebilecek kendi kendine uyarılan kararsızlıkları tetikler.
Aerodinamik kuvvetler, gaz fazındaki hidrolik kuvvetler pompalarda bulunur, ancak üç önemli farkla: gaz sıkıştırılabilir, yoğunluğu basınç ve sıcaklıkla güçlü bir şekilde değişir ve makine ve kanallarıyla akustik olarak birleşir. Bu akustik bağlantı, sıkıştırılamaz bir sıvı sisteminde bulunmayan rezonanslar ve kararsızlıklar yaratabilir, bu nedenle fan ve kompresör sorunları genellikle spektrumdaki pompa sorunlarından oldukça farklı görünür.
1. Aerodinamik Kuvvet Türleri
1. İtme kuvvetleri
Bunlar, kanat yüzeylerine etki eden basınç tarafından üretilen eksenel kuvvetlerdir:
- Santrifüj fanlar: Basınç farkı, girişe doğru yönlendirilmiş itme kuvveti oluşturur.
- Eksenel fanlar: Havanın ivmelenmesine verilen tepki eksenel bir kuvvet üretir.
- Türbinler: Kanat boyunca gaz genleşmesi büyük bir itme kuvveti yaratır.
- Büyüklük: kabaca basınç artışı ve akış hızı ile orantılıdır.
- Etki: yükler baskı yatağı ve üretir eksenel titreşim.
2. Radyal kuvvetler
Bunlar, rotor etrafındaki eşit olmayan basınç dağılımının yarattığı yana doğru kuvvetlerdir. İki farklı şekilde ortaya çıkarlar.
Sabit radyal kuvvet:
- Muhafaza veya kanal sistemindeki asimetrik basınçtan kaynaklanır.
- Çalışma noktasına, yani akış hızına göre değişir.
- Tasarım noktasında minimuma ulaşır.
- Yatak yükü ve 1 kat titreşim bileşeni oluşturur.
Dönen radyal kuvvet:
- Pervane veya rotor asimetrik bir aerodinamik yük taşıdığında ortaya çıkar.
- Kuvvet rotorla birlikte döner.
- Tıpkı aşağıdaki gibi görünen 1× titreşim oluşturur dengesizlik.
- Gerçek mekanik balanssızlığa vektörel olarak eklenebilir, bu nedenle bir fan sadece çalışma noktası değiştiği için “balanssız” görünebilir.
3. Bıçak geçiş titreşimleri
Bunlar, kanatların sabit bir noktadan geçme hızındaki periyodik basınç darbeleridir:
- Sıklık: kanat sayısı × RPM / 60 - bizim değerimiz Bıçak Geçiş Frekansı Hesaplayıcısı doğrudan geri döner.
- Neden: Her bir kanat akış alanını bozar ve bir basınç darbesi yayar.
- Etkileşim: Dönen kanatlar ile sabit payandalar, kanatlar veya gövde dili arasında meydana gelir.
- Genlik: kanat-stator boşluğuna ve akış koşullarına bağlıdır.
- Etki: fanlarda ve kompresörlerde tonal gürültü ve titreşimin birincil kaynağıdır.
4. Türbülans kaynaklı kuvvetler
- Rastgele güçler: türbülanslı girdaplar ve akış ayrımı tarafından üretilir.
- Geniş bant spektrumu: enerji tonlarda yoğunlaşmak yerine geniş bir frekans aralığına yayılır.
- Akışa bağlı: birlikte büyürler Reynolds sayısı ve tasarım dışı çalışma ile.
- Yorgunluk endişesi: Bu rastgele yükleme, zaman içinde bileşenin yorulmasına katkıda bulunur.
5. Kararsız akış kuvvetleri
Dönen durak:
- Halka etrafında dönen lokalize akış ayrımı bölgesi.
- Görünür bir alt-eşzamanlı frekans, kabaca 0,2-0,8× rotor hızı.
- Şiddetli dengesiz kuvvetler oluşturur.
- Kompresörlerde düşük akışta yaygındır.
- Akışın ileriye ve geriye doğru tersine döndüğü sistem çapında bir akış salınımı.
- Çok düşük bir frekans, kabaca 0,5-10 Hz.
- Son derece yüksek kuvvet genlikleri.
- Devam etmesine izin verilirse bir kompresörü tahrip edebilir.
2. Aerodinamik Kaynaklı Titreşim
Bıçak geçiş sıklığı (BPF)
- Baskın aerodinamik titreşim bileşeni.
- Genliği çalışma noktasına göre değişir.
- Tasarım dışı koşullarda daha yüksektir.
- Bir yapısal veya bıçak rezonansı.
Düşük frekanslı titreşimler
- Menşei devridaim, durma veya dalgalanma.
- Genellikle şiddetli genliktedirler - 1× titreşimi aşabilirler.
- Tasarım noktasından uzakta çalışıldığını gösterirler.
- Mekanik bir onarım değil, çalışma koşullarında bir değişiklik gerektirirler.
Geniş bant titreşimi
- Tarafından üretilmiştir türbülans ve akış gürültüsü.
- Yüksek hız bölgelerinde yükselir.
- Akış hızı ve türbülans yoğunluğu ile artar.
- Tonal bileşenlerden daha az endişe vericidir, ancak akış kalitesinin yararlı bir göstergesidir.
3. Mekanik Etkilerle Birleşme
Aerodinamik-mekanik etkileşim
- Aerodinamik kuvvetler rotoru saptırır.
- Bu sapma, çalışma açıklıklarını değiştirir ve bu da aerodinamik kuvvetleri değiştirir.
- Bu geri bildirim birleşik bir istikrarsızlık yaratabilir.
- Klasik bir örnek, contalardaki aerodinamik kuvvetlerin aşağıdakilere katkıda bulunmasıdır rotor kararsızlığı - ile yakından ilişkilidir. buhar girdabı türbinlerde görülür.
Aerodinamik sönümleme
- Hava direnci genellikle yapısal titreşim için sönümleme sağlar.
- Bu etki genellikle olumludur, yani dengeleyicidir.
- Ancak belirli akış koşulları altında olumsuz ve istikrarı bozucu hale gelebilir.
- Bu, aşağıdaki hususlarda önemli bir husustur rotor dinamikleri turbomakinelerin.
4. Tasarım Hususları
Güçlerin en aza indirilmesi
- Bıçak açılarını ve aralıklarını optimize edin.
- Titreşimleri azaltmak için difüzörler veya kanatsız alan kullanın
- Geniş, istikrarlı bir çalışma aralığı için tasarım.
- Akustik rezonansları önleyen bir bıçak sayısı seçin.
Yapısal tasarım
- Mekanik yüklerin yanı sıra aerodinamik yükler için de rulmanları boyutlandırın.
- Şaftı aerodinamik kuvvet altında sapmayı sınırlayacak kadar sert yapın.
- Bıçağı ayırın doğal frekanslar uyarım kaynaklarından.
- Gövdeyi ve yapıyı basınç-pulsasyon yükleri için tasarlayın.
5. Çalışma Stratejileri ve Saha Ölçümü
Optimum çalışma noktası
- En düşük aerodinamik kuvvetler için tasarım noktasına yakın çalışın.
- Devridaim ve durmaya davetiye çıkaran çok düşük akıştan kaçının.
- Hızı ve türbülansı artıran çok yüksek akıştan kaçının.
- Talep değiştikçe optimum noktayı korumak için değişken hız kullanın - yakınlık yasaları Akış, basma yüksekliği ve gücün hız ile nasıl ölçeklendiğini açıklar.
Kararsızlıkların önlenmesi
- Kompresörlerde dalgalanma hattının sağında kalın.
- Dalgalanma önleme kontrolü uygulayın.
- Durma başlangıcı için izleyin.
- Hem fanlar hem de kompresörler için minimum akış koruması sağlayın.
Sahadaki pratik zorluk, aerodinamik bir sorunu mekanik bir sorundan ayırmaktır, çünkü her ikisi de 1× veya BPF tepe noktalarını yükseltebilir. gibi taşınabilir iki kanallı bir analizör Denge-1a bu çizginin çizilmesine yardımcı olur: spektrumu ve 1× genlik ve faz Bir mühendis, çeşitli çalışma noktalarında, bir tepe noktasının çalışma hızını izleyip yük ile sabit kalıp kalmadığını - mekanik dengesizliğe işaret eder - veya akış değiştikçe şişip kayarak aerodinamik bir kaynağa işaret edip etmediğini görebilir. 1× bileşenin gerçek mekanik dengesizlik olduğu kanıtlandığında, aynı cihaz fanı veya pervaneyi yerinde dengeler, Böylece aerodinamik katkı kendi şartları içinde ele alınabilir.
Aerodinamik kuvvetler, sonuçta, hava hareket ettiren ve gaz işleyen her makinenin çalışması ve güvenilirliği için temeldir. Bu kuvvetlerin çalışma koşullarıyla nasıl değiştiğini anlamak, farklı titreşim imzalarını tanımak ve kararsız bileşenleri küçük tutmak için ekipmanı hem tasarlamak hem de çalıştırmak - özellikle tasarım noktasına yakın çalıştırarak - endüstride fanlardan, üfleyicilerden, kompresörlerden ve türbinlerden güvenilir ve verimli hizmet sağlayan şeydir. İlgili konuların farkına varmak fan kusurları ve pervane kusurları aerodinamik yüklemenin hızlandırabileceği tanısal tabloyu tamamlar.
