了解空气动力
空气动力 是指流动的空气或气体对风机、鼓风机、压缩机和涡轮机的旋转部件及静止部件所施加的力。这些力源于叶片表面的压力差、流动气体动量的变化，以及流体与其流经的结构之间的持续相互作用。这些力既包括稳态分量——推力与径向载荷——也包括非稳态分量，例如 叶片通过频率 以及气流的随机颠簸。二者共同产生了 振动，对轴承和机壳造成负荷，在某些情况下还会引发自激失稳，导致设备损坏。
空气动力学力是气相中与 液压力 在泵中也能见到这种现象，但存在三个重要区别：气体是可压缩的，其密度会随压力和温度发生显著变化，并且会与机器及其管道系统产生声学耦合。这种声学耦合会引发共振和不稳定性，而在不可压缩液体系统中则根本不存在这些现象，这就是为什么在故障谱系中，风机和压缩机的问题往往与泵的问题截然不同。
1. 空气动力学的力种类
1. 推力
这些是压力作用于叶片表面所产生的轴向力：
- 离心风机： 压力差产生了朝向入口方向的推力。
- 轴流风扇： 空气加速产生的反作用力会产生一个轴向力。
- 涡轮机： 气体在叶片间膨胀，从而产生巨大的推力。
- 幅度： 大致与压差和流量成正比。
- 影响： it loads the 推力轴承 and produces 轴向振动.
2. 径向力
这些是由于转子周围压力分布不均匀而产生的侧向力。它们主要表现为两种形式。
稳定的径向力：
- 由机箱或风管中的压力不平衡引起。
- 这取决于工作点，即流量。
- 在设计点处达到最小值。
- 创建轴承载荷和一个1×振动分量。
旋转径向力：
- 当叶轮或转子承受非对称气动载荷时，就会产生这种情况。
- 该力随转子一起旋转。
- 它产生一种1×的振动，看起来就像 不平衡.
- 这会与真正的机械不平衡产生矢量叠加效应，因此风扇仅仅因为工作点发生变化，就可能表现出“失衡”的现象。
3. 叶片通过时的脉动
这些是叶片经过固定点时产生的周期性压力脉冲：
- 频率： 叶片数量 × 转速 / 60 — 这个数值我们的 叶片通过频率计算器 直接返回。
- 原因： 每片叶片都会扰动流场并产生压力脉冲。
- 相互作用： 它发生在旋转叶片与静止的支撑杆、导叶或壳体凸缘之间。
- 振幅： 这取决于叶片与定子之间的间隙以及流动条件。
- 影响： 这是风扇和压缩机中音调噪声和振动的主要来源。
4. 湍流诱导力
- Random forces: 由湍流涡旋和流场分离产生的。
- 宽带频谱： 能量分布在宽广的频率范围内，而非集中在特定音调上。
- 流量相关： they grow with 雷诺数 以及在非设计工况下运行。
- 关于疲劳的担忧： 这种不规则的载荷会导致部件随时间推移而产生疲劳。
5. 不稳定流力
旋转失速：
- 一个围绕环形间隙旋转的局部流分离区域。
- Appears at a 次同步 频率，约为转子转速的0.2–0.8倍。
- 会产生剧烈的非稳态力。
- 在压缩机低流量工况下常见。
涌:
- 整个系统内的流量振荡，流量在正向和反向之间来回波动。
- 极低频，大约在0.5–10 Hz之间。
- 极高的力幅值。
- 如果放任不管，可能会导致压缩机损坏。
2. 气动源引起的振动
刀片通过频率（BPF）
- 主要的空气动力学振动分量。
- 其振幅随工作点而变化。
- 在非设计工况下，该值更高。
- 它可能引发结构性或 叶片共振.
低频脉动
- 源自 再循环，失速，或喘振。
- 振幅通常很大——有时甚至超过1×的振动幅度。
- 这表明设备远离设计工况运行。
- 他们要求改变运行条件，而不是进行机械维修。
宽带振动
- Produced by 湍流 以及流动噪声。
- 在高速区域中升高。
- 随流速和湍流强度的增加而增大。
- 虽然不如音色成分那么令人担忧，但却是衡量音流质量的一个有用指标。
3. 与机械效应的耦合
气动-机械耦合
- 空气动力学力导致转子偏转。
- 这种偏转会改变运行间隙，进而改变空气动力学作用力。
- 这种反馈可能会引发耦合不稳定性。
- 一个典型的例子是密封件中的空气动力学作用力导致 转子不稳定性 — 与……密切相关 蒸汽旋涡 在涡轮机中可见。
空气动力学阻尼
- 空气阻力通常能对结构振动起到阻尼作用。
- 这种影响通常是积极的，即具有稳定作用。
- 但在某些流动条件下，它可能会变为负值并导致系统不稳定。
- 这是在 转子动力学 涡轮机械。
4. 设计要点
将作用力降至最低
- 优化叶片角度和间距。
- 使用扩散器或无叶片空间来减少脉动
- 设计旨在实现宽广且稳定的工作范围。
- 选择能避免声学共振的叶片数量。
结构设计
- 在机械载荷的基础上，还需根据空气动力学载荷来确定轴承的规格。
- 应确保轴的刚度足够，以限制其在受空气动力作用时的挠度。
- 拆下刀片 固有频率 来自激发源。
- 针对压力脉动载荷，设计外壳和结构。
5. 运行策略与现场测量
最佳工作点
- 在接近设计点的位置运行，以获得最小的空气动力。
- 应避免流量过低，否则会导致回流和失速。
- 应避免过高的流量，因为这会增加流速并引发湍流。
- 利用变速功能，随着需求变化保持最佳运行点——该 affinity laws 描述流量、水头和功率如何随流速变化。
避免不稳定
- 在压缩机中，请保持在喘振线的右侧。
- 实施防浪涌控制。
- 监测失速的迹象。
- 为风扇和压缩机均提供最小流量保护。
在实际操作中，真正的挑战在于区分气动问题与机械问题，因为这两者都可能引发1×或BPF峰值。例如，一款便携式双通道分析仪，如 Balanset-1A 有助于划清界限：通过捕捉光谱和1× 振幅和相位 在多个工作点上，工程师可以观察到峰值是否随运行速度变化而变化，并在负载恒定时保持稳定——这表明存在机械不平衡——或者随着流量变化而增大并偏移，这则表明源于气动因素。当1×分量确认为真正的机械不平衡时，同一台仪器 对风扇或叶轮进行原位平衡，因此可以单独分析空气动力学的影响。
归根结底，空气动力学力是所有空气输送和气体处理设备运行与可靠性的基础。了解这些力如何随运行条件变化，识别其独特的振动特征，并在设计和运行设备时设法将不稳定成分控制在较小范围内——主要通过使设备接近设计工况运行——正是确保各行业中的风机、鼓风机、压缩机和涡轮机能够提供可靠、高效服务的关键。认识到相关的 风扇缺陷 和 叶轮缺陷 “空气动力学载荷可能导致加速”这一事实，使诊断结果更加完整。
