Hiểu về lực khí động học
Định nghĩa: Lực khí động học là gì?
Lực khí động học là các lực tác động lên các bộ phận quay và tĩnh trong quạt, máy thổi, máy nén và tua bin do không khí hoặc khí chuyển động. Các lực này phát sinh từ chênh lệch áp suất, thay đổi động lượng trong dòng khí và tương tác giữa chất lỏng và cấu trúc. Lực khí động học bao gồm lực ổn định (lực đẩy, tải trọng hướng tâm) và lực không ổn định (dao động tại tần số lưỡi dao đi qua, (lực ngẫu nhiên do nhiễu loạn gây ra) tạo ra rung động, tải trọng lên ổ trục và kết cấu, và trong một số trường hợp, sự mất ổn định tự kích thích.
Lực khí động học tương đương với lực thủy lực trong máy bơm ở pha khí nhưng có những điểm khác biệt quan trọng: hiệu ứng nén, biến đổi mật độ theo áp suất và nhiệt độ, và sự kết hợp âm thanh có thể tạo ra cộng hưởng và mất ổn định không có trong hệ thống chất lỏng không nén được.
Các loại lực khí động học
1. Lực đẩy
Lực dọc trục từ áp suất tác dụng lên bề mặt cánh quạt:
- Quạt ly tâm: Chênh lệch áp suất tạo ra lực đẩy về phía cửa vào
- Quạt hướng trục: Lực phản ứng từ gia tốc không khí
- Tuabin: Sự giãn nở của khí tạo ra lực đẩy lớn lên cánh quạt
- Kích cỡ: Tỷ lệ thuận với sự gia tăng áp suất và lưu lượng
- Tác dụng: Tải trọng ổ trục đẩy, tạo ra rung động trục
2. Lực hướng tâm
Lực ngang do phân bố áp suất không đồng đều:
Lực hướng tâm ổn định
- Áp suất không đối xứng trong vỏ/ống dẫn
- Thay đổi theo điểm vận hành (tốc độ dòng chảy)
- Tối thiểu tại điểm thiết kế
- Tạo tải trọng ổ trục và độ rung 1×
Lực hướng tâm quay
- Nếu cánh quạt/rôto có tải trọng khí động học không đối xứng
- Lực quay cùng với rôto
- Tạo ra độ rung 1× như mất cân bằng
- Có thể kết hợp với sự mất cân bằng cơ học
3. Xung động của lưỡi dao
Xung áp suất định kỳ theo tốc độ di chuyển của lưỡi dao:
- Tính thường xuyên: Số lượng lưỡi dao × Vòng/phút / 60
- Gây ra: Mỗi cánh quạt làm nhiễu loạn trường dòng chảy, tạo ra xung áp suất
- Sự tương tác: Giữa các cánh quạt quay và các thanh chống, cánh quạt hoặc vỏ cố định
- Biên độ: Phụ thuộc vào khoảng cách từ cánh đến stato và điều kiện dòng chảy
- Tác dụng: Nguồn chính gây ra tiếng ồn và rung động của quạt/máy nén
4. Lực gây ra bởi nhiễu loạn
- Lực ngẫu nhiên: Từ dòng xoáy hỗn loạn và sự tách dòng
- Phổ tần băng thông rộng: Năng lượng phân bố trên dải tần số rộng
- Phụ thuộc vào lưu lượng: Tăng theo số Reynolds và hoạt động ngoài thiết kế
- Mối quan tâm về sự mệt mỏi: Tải ngẫu nhiên góp phần gây ra mỏi thành phần
5. Lực dòng chảy không ổn định
Quầy hàng quay
- Tách dòng cục bộ xoay quanh vòng
- Tần số dưới đồng bộ (0,2-0,8× tốc độ rôto)
- Tạo ra lực không ổn định nghiêm trọng
- Phổ biến ở lưu lượng thấp trong máy nén
Sóng dâng
- Dao động dòng chảy toàn hệ thống (dòng chảy thuận và ngược)
- Tần số rất thấp (0,5-10 Hz)
- Biên độ lực cực cao
- Có thể phá hủy máy nén nếu duy trì
Rung động từ các nguồn khí động học
Tần số chuyển động của lưỡi dao (BPF)
- Thành phần rung động khí động học chiếm ưu thế
- Biên độ thay đổi theo điểm hoạt động
- Cao hơn ở điều kiện ngoài thiết kế
- Có thể kích thích cộng hưởng cấu trúc
Xung tần số thấp
- Từ tuần hoàn, dừng hoặc tăng đột biến
- Biên độ thường nghiêm trọng (có thể vượt quá 1 lần rung động)
- Chỉ ra hoạt động xa điểm thiết kế
- Yêu cầu thay đổi điều kiện hoạt động
Rung động băng thông rộng
- Từ nhiễu loạn và tiếng ồn dòng chảy
- Được nâng cao ở các vùng có tốc độ cao
- Tăng theo lưu lượng dòng chảy và cường độ nhiễu loạn
- Ít đáng lo ngại hơn các thành phần âm sắc nhưng cho thấy chất lượng dòng chảy
Kết hợp với các hiệu ứng cơ học
Tương tác khí động học-cơ học
- Lực khí động học làm lệch hướng rôto
- Độ lệch thay đổi khoảng hở, ảnh hưởng đến lực khí động học
- Có thể tạo ra sự bất ổn kết hợp
- Ví dụ: Lực khí động học trong phớt góp phần làm rotor mất ổn định
Giảm chấn khí động học
- Sức cản của không khí cung cấp khả năng giảm chấn cho rung động kết cấu
- Hiệu ứng tích cực (ổn định) nói chung
- Nhưng có thể là tiêu cực (làm mất ổn định) trong một số điều kiện dòng chảy
- Quan trọng trong động lực học rôto của máy móc tuabin
Những cân nhắc về thiết kế
Giảm thiểu lực
- Tối ưu hóa góc và khoảng cách của lưỡi dao
- Sử dụng bộ khuếch tán hoặc không gian không có cánh quạt để giảm xung động
- Thiết kế cho phạm vi hoạt động ổn định rộng
- Xem xét số lượng cánh quạt để tránh cộng hưởng âm thanh
Thiết kế kết cấu
- Vòng bi có kích thước phù hợp với tải trọng khí động học cộng với tải trọng cơ học
- Độ cứng của trục đủ để chịu được độ lệch dưới tác động của lực khí động học
- Tần số tự nhiên của lưỡi dao tách biệt với các nguồn kích thích
- Vỏ và cấu trúc được thiết kế cho tải trọng xung áp suất
Chiến lược hoạt động
Điểm vận hành tối ưu
- Vận hành gần điểm thiết kế để có lực khí động học tối thiểu
- Tránh lưu lượng quá thấp (tuần hoàn, dừng đột ngột)
- Tránh dòng chảy quá cao (tốc độ cao, nhiễu loạn)
- Sử dụng tốc độ thay đổi để duy trì điểm tối ưu
Tránh sự bất ổn
- Giữ đúng đường ống dẫn nước trong máy nén
- Thực hiện kiểm soát chống đột biến
- Giám sát sự khởi đầu của gian hàng
- Bảo vệ lưu lượng tối thiểu cho quạt và máy nén
Lực khí động học là yếu tố cơ bản quyết định hoạt động và độ tin cậy của thiết bị dẫn khí và xử lý khí. Việc hiểu rõ sự thay đổi của các lực này theo điều kiện vận hành, nhận biết các đặc trưng rung động của chúng và thiết kế/vận hành thiết bị để giảm thiểu lực khí động học không ổn định thông qua hoạt động gần điểm thiết kế sẽ đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy và hiệu quả của quạt, máy thổi, máy nén và tua-bin trong dịch vụ công nghiệp.
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 