ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Аэродинамические характеристики осевого вентилятора связаны с его размерами, геометрией, гидравлическим совершенством деталей и элементов проточной части. Одним из факторов, оказывающих влияние на характеристики, является геометрия входного устройства перед колесом, вызывающая потери гидравлического давления. У вентилятора с осевым направлением движения потока воздуха потери на входе в рабочее колесо незначительны. Сдвоенный осевой вентилятор перед колесом имеет радиально-осевое входное устройство (РОВУ). Данная конструкция по форме подобна радиально-кольцевому диффузору турбомашин, но имеет принципиальное отличие по направлению движения потока воздуха. В связи с этим оценивать потери в РОВУ можно лишь приближенно.

Известно, что величина гидравлических потерь в конфузорном канале зависит от следующих элементов: степень поджатия конфузора (конфузорность) k=fв/fa; форма образующих конфузора (прямо- или криволинейная); радиус входа r _в; радиус скругления (кривизна) образующих; длина конфузора - у прямолинейного или относительная "радиальность" d=dв/d - у криволинейного конфузора; число Рейнольдса re при малых его значениях и др. Здесь fв - площадь входав РОВУ, м ²;fa -площадь проточной части в зоневращения колеса вентилятора (активная площадь), м ²; dв - диаметр входа в РОВУ, м; d - диаметр коллектора в зоне вращения колеса вентилятора, м.

Радиус кривизны образующих обусловлен габаритом канала с одной стороны и возможностью образования отрывного течения с другой. Чем меньше радиус кривизны образующих, тем больше вероятность образования вихрей и возникновения отрывного течения, поэтому нередко в криволинейных каналах (коленах) ставят направляющие лопатки, которые организуют и улучшают структуру потока воздуха. Пределы изменения относительной "радиальности" в данном случае ограничены габаритом, поэтому их влияние не рассматривается.

С целью выявления влияния конфузорности и кольцевых направляющих лопаток (дефлекторов) на аэродинамические характеристики проведено исследование сдвоенного осевого вентилятора с шестью вариантами РОВУ, особенность которых показана в таблице. Входное устройство вентилятора представляет собой кольцевой канал конфузорного типа, обеспечивающий изменение направления потока воздуха из радиального в осевое (рис. 1). В меридиональном сечении оно представляет собой прямоугольный канал, очерченный внутренней АсВ и внешней Аdb образующими. Изгиб образующих выполнен радиусами r ₀=0,025 и r ₀=0,025-0,03 м. С целью уменьшения габарита и снижения аэродинамических потерь в РОВУ установлены кольцевые направляющие лопатки. Количество и место установки лопаток рассчитывается по формуле:

r _0i = 1,26r _0i-1 + 0,07b,(1)

где r _0i - радиус, определяющий положение и кривизну i-ой лопатки, м;

b - ширина канала на входе в РОВУ, м.

ПАРАМЕТРЫ ВХОДНОГО УСТРОЙСТВА

Для определения места расположения первой лопатки значение r _0i выбиралось равным r ₀.

Профилирование лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппарата (СА) осуществлялось, исходя из постоянства скоростей и полных давлений по их высоте. Колесо вентилятора имеет следующие расчетные параметры: относительная осевая скорость Сa=0,394; коэффициент теоретического аэродинамического давления Рт=0,235; наружный диаметр d=0,46 м; втулочное отношениеЦ=d/d=0,587; число лопаток z=8. Здесь d - диаметр втулки колеса вентилятора, м. Число лопаток спрямляющего аппарата z _ca=17.

В процессе эксперимента изменялась конфузорность и в соответствии с этим устанавливалось необходимое количество кольцевых направляющих лопаток. Изменение степени поджатия конфузора осуществлялось изменением площади входа в РОВУ путем уменьшения или увеличения его ширины.

fв=p* dв * b(2)

Ширина канала изменялась перемещением внешней образующей, которая крепилась к внутренней АсВ с упором на проставки 5 определенной длины. При этом активная площадь вентилятора оставалась неизменной. Кольцевые направляющие лопатки 1-4 устанавливались в специальные пазы 6 кронштейнов 7. Пазы располагались в местах, определяемых согласно расчетным данным.

Критерием оценки влияния дефлекторов были выбраны аэродинамические характеристики вентилятора, которые снимались на аэродинамической камере. При этом замерялись перепады статического давления в камере с помощью микроманометра ММН-250, по результатам которых определялись производительность и создаваемое вентилятором давление. Регистрировались показания весовой головки ВКМ-8, с помощью которых определялась потребляемая вентилятором мощность. Изменение гидравлического сопротивления производилось дросселирующим устройством и вентилятором наддува аэродинамической камеры. Условия окружающей среды в момент эксперимента определялись измерением атмосферного давления и температуры. Давление измерялось барометром анероид с ценой деления шкалы 1 мм рт.ст., температура - спиртовым термометром с ценой деления шкалы 1 ⁰С. Термометр располагался на расстоянии 1,0...2,0 м от входа в сопло Вентури, вне потока воздуха. Работа проводилась при постоянной частоте вращения колеса вентилятора n _в=2000 мин ^-1. Частота вращения измерялась электрическим тахометром и регистрировалась ТСФУ1-2. Число Рейнольдса, определяемое по длине хорды конечного сечения лопаток и окружной скорости на внешнем диаметре составило re=3,725*10 ⁵. Давление, создаваемое вентилятором, приводилось к нормальным условиям согласно ГОСТ 8002-84 по формуле:

(3)

гдеdР - замеряемое давление, создаваемое вентилятором, Па;

Р _a0, t _a0 - атмосферное давление (Па) и температураокружающеговоздуха

( ⁰К) при нормальных условиях,Р _а0=101,325 Па, Т _а0=293 ⁰К;

Ра, Та - атмосферное давление и температура окружающеговоздухав

момент эксперимента.

В результате исследований в безразмерных координатах построены аэродинамические характеристики вентилятора (рис. 2). Безразмерные величины определялись при n _в=4100 мин ^-1, Та=293 ⁰К, Ра=101,325 Па.Безразмерные параметры определялись по следующим уравнениям:

- коэффициент напора:

(4)

- коэффициент производительности:

(5)

гдеr- плотность воздуха, кг/м ³;

f= * d ²/4 - характерная площадь, м ², f=0,166106;

u= * dn/60 - окружная скорость вентилятора, м/c;

q - производительность вентилятора, м ³/c.

На графике нанесена аэродинамическая сеть двигателя 1 с эквивалентной площадью fэ=0,060.

(6)

Из анализа полученных данных следует, что увеличение степени поджатия криволинейного конфузора вызывает улучшение аэродинамических параметров вентилятора. При изменении k от 1,69 до 2,6 коэффициент производительности q в рабочей точке возрастает с 0,217 до 0,224, коэффициент давленияdР - с 0,18 до 0,192 и КПД - с 0,525 до 0,585. Характер изменения КПД вентилятора в зависимости от k показан на рисунке 3, где _max cоответствует вентилятору с осевым входом потока воздуха. Данная кривая хорошо аппроксимируется зависимостью, полученной эмпирически при обработке экспериментальных данных.

/ _max = aЧk ^m,(7)

где а - коэффициент корреляции, равный 0,697;

m - показатель степени, m=0,275.

Относительная погрешность значений уравнений (7) относительно экспериментальных данных составляет плюс 0,7, минус 0,6%.

Вентилятор с осевым входом потока обеспечивает большую производительность (q=0,232) при повышенном создаваемом давлении (dР=0,225) по сравнению с вентилятором, имеющим РОВУ (q=0,224,dp=0,192). Это объясняется конструктивными особенностями сдвоенного осевого вентилятора (наличие РОВУ). Кроме того, расчет лопаток колеса и СА осуществлялся, исходя из постоянства скорости потока воздуха по их высоте, что не соответствует действительности. Опыты по замеру поля скоростей перед колесом показали, что оно неравномерно - увеличивается по направлению от втулки колеса к наружному диаметру.

Установка дефлекторов в РОВУ (рис. 4) повышает коэффициент производительности q c 0,225 до 0,242, давленияdР - с 0,141 до 0,162 и КПД - с 0,42 до 0,49, т.е. на 7,0, 13,0, и 14,0%, соответственно. Значительный положительный эффект от наличия кольцевых направляющих лопаток объясняется устранением вихревых зон в РОВУ, сопровождающихся отрывом потока.

Таким образом:

- увеличение степени поджатия конфузора РОВУ, а также установка в нем кольцевых направляющих лопаток позволяет снизить энергозатраты на работу сдвоенного осевого вентилятора;

- для РОВУ рассматриваемого сдвоенного осевого вентилятора величина степени поджатия конфузора наиболее целесообразна, равная 1,5;

- полученная эмпирическая ависимость (7) позволяет оценить влияние конфузорности РОВУ с кольцевыми направляющими лопатками на КПД вентилятора при любом значении k винтервале от 1,5 до 3,0;

- с целью снижения гидравлических потерь из-за отрывноготечения в РОВУ с радиусом кривизны образующих r ₀=0,025 м необходимо установить кольцевые направляющие лопатки,либо увеличить радиус кривизны.

Рис. 1Элементы РОВУ вентилятора

Рис. 2 Аэродинамическая характеристика вентилятора:

ѕѕЁ- К=1,69;ѕѕ·- К=2,2;

ѕѕ+- К=2,4;ѕѕx- К=2,6;

ѕѕ- осевой вход;1 - аэродинамическая сеть двигателя (fэ=0,060).

Рис. 3 Зависимость отношенияh/h_max.вентилятора от степени поджатия РОВУ

Рис. 4 Аэродинамическая характеристика вентилятора (К=1,69).

·- c кольцевыми направляющими лопатками;

x- без лопаток; 1 - аэродинамическая сетьдвигателя (fэ=0,0708)