Аэродинамические характеристики лопастей тангенциального вентилятора. Аэродинамика осевых вентиляторов

Под аэродинамическими характеристиками вентиляторов понимают производительность вентилятора в зависимости от значения давления воздуха в сети. Так, давление с определенным значением соответствует определенному удельному расходу воздушной массы. Данная зависимость проиллюстрирована на графике 1.

График 1– Аэродинамические характеристики вентилятора и сети воздуховода

График характеристики сети наглядно демонстрирует зависимость производительности вентилятора от значения давления воздуха в сети. На данном графике рабочей точкой вентилятора является точка лежащая на пересечении кривой характеристики сети и кривой аэродинамической характеристики вентилятора. Данная точка характеризует воздушный поток для заданной сети воздуховода.

Любое изменение давления воздуха в системе дает начало новой кривой, описывающей характеристику сети. При возрастании давления характеристика сети будет соответствовать кривой «В», а при его снижении - кривой «С» это показано на графике 2. Данная зависимость справедлива при условии, что количество оборотов рабочего колеса в минуту остается неизменным.

График 2 – Кривые сети в зависимости от изменения давления

Данная зависимость наглядно показывает, как расход воздуха зависит от сопротивления воздуха в сети. В зависимости от кривой сопротивления сети рабочая точка может смещаться как вверх по графику, так и вниз, понижая или, соответственно, увеличивая расход воздуха.

При этом следует учитывать, что в случае отклонения перепада давления от теоретических (расчетных) значений, и положение рабочей точки, и расход воздуха будут отличаться от расчетных.

График 3 – Изменение значений скорости вентилятора

Для получения эксплуатационных характеристик сходных с теоретическими, возможно изменение значений скорости вращения рабочего колеса вентилятора, показано на графике 3. Так, например, при увеличении или уменьшении скорости вращения вентилятора можно смещать рабочие точки как вправо и вверх по графику, так и опускать их влево и вниз, изменяя тем самым расход воздуха.

График 4 – Изменение давления в зависимости от скорости вращения рабочего колеса вентилятора

И в первом, и во втором случаях возможно отклонение фактических показателей давления от теоретических расчетных данных (на графике 4 изображено, как ΔР1 и ΔР2). Вследствие чего, рабочая точка для расчетной сети может определяться так, чтобы была возможность выхода на уровень наибольшей эффективности эксплуатации. При этом изменение количества оборотов рабочего колеса вентилятора (и увеличение, и уменьшение) ведет к снижению эффективности.

По горизонтальной оси: Q – производительность (количество воздуха, перекачиваемое вентилятором в единицу времени), измеряется куб метрами в час.
По вертикальной оси: Pv – полное давление. Полное давление вентилятора равно разности полных давлений потока за вентилятором и перед ним. Масштаб графиков - логарифмический.

На графике:
Pv – полное давление, Па;
Q – производительность, тыс. м3/час;
Nу – установочная мощность, кВт;
n – частота вращения рабочего колеса, об/мин;
η – КПД агрегата.

Реальные кривые полного давления вентилятора Pv(Q) при вращении его рабочего колеса (крыльчатки) при оборотах n=950 об/мин и n=1450 об/мин обозначены двумя жирными линиями. Здесь же приведена серия ниспадающих кривых, пересекающих кривые Pv(Q) (тонкие линии). Эти кривые иногда называют кривыми мощности (или кривыми равной мощности). На каждой такой кривой приведена мощность электродвигателя.

На самом деле, это кривые полного давления Pv’(Q), которое имел бы этот вентилятор, если бы он работал с переменной частотой вращения, но при постоянной мощности.
Слева от точки пересечения с реальной кривой Pv(Q) — с повышенной частотой вращения относительно номинала, а правее точки пересечения - с пониженной частотой.

Из всего выше сказанного следует понимать, что в левой части, до пересечения мнимой кривой (тонкой линии) с реальной (жирной линии) электродвигатель вентилятора работает с запасом по мощности, а в правой части после пересечения – электродвигатель перегружен, и при длительной работе может выйти из строя.

Пример характеристики вентилятора при комплектации электродвигателем

Рассмотрим такой пример. Если взять вентилятор ВЦ 14-46 №4 , укомплектовать его электродвигателем 4кВт 1500 об/мин и включить такой вентилятор с открытым входом – то в таком случае рабочая точка вентилятора сместиться в крайнее правое положение на кривой полного давления Pv(Q) для n=1450 об/мин (при этом Q > 10 тыс. куб м и Рv=1400 Па) (точка А на графике). Но чтобы перекачать такое количество воздуха и с таким давлением нужна установочная мощность электродвигателя не менее 7,5 кВт, а лучше и 11 кВт (см. графики). Поэтому в таком режиме электродвигатель 4 кВт 1500 об/мин будет работать с большой перегрузкой и наверняка очень скоро перегреется и выйдет из строя (если у него нет соответствующей защиты).

И что же делать?

Надо закрывать (т.е. шиберовать) вход вентилятора. По идее, первый запуск вентилятора должен происходить при закрытом шибере на входе вентилятора (т.е. на «холостом» ходу).

«Холостой» ход для вентилятора — это работа вентилятора при закрытом входе (рабочая точка на реальной кривой полного давления вентилятора смещена влево).

После пуска агрегата шибер открываются одновременно с измерением тока потребления электродвигателя (рабочая точка по кривой смещается вправо). Постепенно открытием шибера значение тока потребления электродвигателя доводится до номинального* и при этом шибер фиксируется (точка В на графике). Дальнейшее открытие шибера будет смещать рабочую точку вентилятора вправо (к точке А ), а это в нашем случае будет вводить электродвигатель 4 кВт 1500 об/мин в режим перегрузки.

* — Номинальный ток электродвигателя указан на шильдике электродвигателя.

Вентиляторы – устройства, предназначенные для создания воздушного (в общем случае, газового) потока. Основная задача, которую решают с применением этих устройств в оборудовании для вентиляции, кондиционирования и воздухоподготовки – создание в системе воздуховодов условий для перемещения воздушных масс от точек забора до точек выброса или потребителей.

Для эффективной работы оборудования воздушный поток, создаваемый вентилятором должен преодолеть сопротивление системы воздуховодов, обусловленное поворотами магистралей, изменением их сечения, появлением турбулентностей и прочими факторами.

В результате имеет место перепад давления, который является одним из важнейших характеристических показателей, влияющих на выбор вентилятора (кроме него основную роль играют производительность, мощность, уровень шума и т.д.). Зависят эти характеристики, прежде всего, от конструкции устройств и используемых принципов работы.

Все множество конструкций вентиляторов разделяют на несколько основных типов:

• Радиальные (центробежные);
• Осевые (аксиальные);
• Диаметральные (тангенциальные);
• Диагональные;
• Компактные (кулеры)

Центробежные (радиальные) вентиляторы

В устройствах этого типа происходит всасывание воздуха по оси рабочего колеса и выброс его под действием центробежных сил, развиваемых в зоне его лопастей, в радиальном направлении. Использование центробежных сил позволят использовать такие устройства в случаях, когда требуется высокое давление.

Характеристики радиальных вентиляторов в значительной мере зависят от конструкции рабочего колеса и формы лопастей (лопаток).

По этому признаку крыльчатки радиальных вентиляторов разделяют на устройства с лопатками:

• загнутыми назад;
• прямыми, в том числе, отклоненными;
• загнутыми вперед.

Рабочие колеса с загнутыми назад лопастями

Для такой крыльчатки (B на рисунке) характерна значительная зависимость производительности от давления. Соответственно, радиальные вентиляторы такого типа оказываются эффективны при работе на восходящей (левой) ветви характеристики. При их использовании в таком режиме достигается уровень эффективности до 80%. При этом геометрия лопаток позволяет добиться низкого уровня рабочего шума.

Основной недостаток таких устройств – налипание находящихся в воздухе частиц на поверхности лопастей. Поэтому такие вентиляторы не рекомендуется применять для загрязненных сред.

Рабочие колеса с прямыми лопатками

В таких крыльчатках (форма R на рисунке) устранена опасность загрязнения поверхности содержащимися в воздухе примесями. Такие устройства демонстрируют эффективность до 55% . При использовании прямых отклоненных назад лопастей характеристики приближаются к показателям устройств с загнутыми назад лопатками (достигается эффективность до 70%).

Крыльчатки с загнутыми вперед лопастями

Для вентиляторов, использующих такую конструкцию (F на рисунке) влияние изменения давления на воздушный поток незначительно.

В отличие от крыльчаток с загнутыми назад лопастями наибольшая эффективность таких рабочих колес достигается при работе на правой (нисходящей) ветви характеристики, при этом ее уровень составляет до 60%. Соответственно, при прочих равных, вентилятор с крыльчаткой типа F выигрывает у устройств, снабженных крыльчаткой, по размерам рабочего колеса и общим габаритным показателям.

Осевые (аксиальные) вентиляторы

Для таких устройств и входной и выходной воздушный потоки направлены параллельно оси вращения крыльчатки вентилятора.

Главным недостатком таких устройств является низкая эффективность при использовании варианта установки со свободным вращением.

Значительное повышение эффективности достигается при заключении вентилятора в цилиндрический корпус. Существуют и другие методы улучшения характеристик, например, размещение непосредственно за рабочим колесом направляющих лопастей. Такие меры позволяют добиться эффективности аксиальных вентиляторов в 75% без использования направляющих лопастей и даже 85% при их установке.

Диагональные вентиляторы

При осевом воздушном потоке невозможно создать значительный уровень эквивалентного давления. Добиться увеличения статического давления позволяет использование для создания воздушного потока дополнительных сил, например, центробежных, которые действуют в радиальных вентиляторах.

Диагональные вентиляторы являются своеобразным гибридом аксиальных и радиальных устройств. В них всасывание воздуха осуществляется в направлении, совпадающем с осью вращения. За счет конструкции и расположения лопастей рабочего колеса достигается отклонение воздушного потока на 45 градусов.

Таким образом, в движении воздушных масс появляется радиальная составляющая скорости. Это позволяет добиться увеличения давления за счет действия центробежных сил. Эффективность диагональных устройств может составлять до 80%.

Диаметральные вентиляторы

В устройствах этого типа поток воздуха всегда направлен по касательной к рабочему колесу.

Это позволяет добиться значительной производительности даже при малых диаметрах крыльчатки. Благодаря таким особенностям диаметральные устройства получили распространение в компактных установках, таких как воздушные завесы.

Эффективность вентиляторов, использующих этот принцип действия, достигает уровня в 65%.

Аэродинамическая характеристика вентилятора

Аэродинамическая характеристика отражает зависимость расхода (производительности) вентилятора от давления.

На ней находится рабочая точка, показывающая актуальный расход при определенном уровне давления в систем.

Характеристика сети

Сеть воздуховодов при различных значениях расхода оказывает различное сопротивление движению воздуха. Именно это сопротивление определяет давление в системе. Отображается эта зависимость характеристикой сети.

При построении аэродинамической характеристики вентилятора и характеристики сети в единой систем координат рабочая точка вентилятора находится на их пересечении.

Расчет характеристики сети

Для построения характеристик сети используется зависимость

В этой формуле:

• dP – давление вентилятора, Па;
• q – расход воздуха, куб.м/ч или л/мин;
• k – постоянный коэффициент.

1. На аэродинамическую характеристику наносится первая точка, соответствующая рабочей точке вентилятора. К примеру, работает при давлении 250 Па, создавая воздушный поток 5000 куб.м/ч. (точка 1 на рисунке).
2. По формуле определяется коэффициент kk = dP/q2Для рассматриваемого примера его величина составит 0.00001.
3. Произвольно выбираются несколько отклонений давления, для которых пересчитывается расход.К примеру, при отклонения давления -100 Па (результирующая величина 150 Па) и +100 Па (значение 350 Па), рассчитанный по формуле расход воздуха составит 3162 и 516 куб.м/ч соответственно.

Каждому значению сопротивления сети воздуховодов соответствует собственная характеристика сети. Строятся они аналогичным образом.

В результате, при сохранении скорости вращения вентилятора, рабочая точка смещается по аэродинамической характеристике. При увеличении сопротивления рабочая точка из положения 1 смещается в положение 2, что вызывает снижение расхода воздуха. Наоборот, при уменьшении сопротивления (переход в точку 3 а линии С) расход воздуха увеличится.

Таким образом, отклонение реального сопротивления системы воздуховодов от расчетного приводит к несоответствию величины воздушного потока проектным значениям, что может отрицательно сказаться на эксплуатационных показателях системы в целом. Главная опасность такого отклонения заключается в невозможности для вентиляционных систем эффективно выполнять возложенные на них задачи.

Компенсировать отклонение расхода воздуха от расчетного можно за счет изменения скорости вращения вентилятора. При этом получается новая рабочая точка, лежащая на пересечении характеристики сети и той аэродинамической характеристики из семейства, которая соответствует новой скорости вращения.

Соответственно, при повышении или уменьшении сопротивления потребуется отрегулировать скорость вращения таким образом, чтобы рабочая точка переместилась в положение 4 или 5 соответственно.

В этом случае наблюдается отклонение давления от расчетной характеристики сети (величина изменений отображена на рисунке).

На практике появления таких отклонений говорит о том, что режим работы вентилятора отличается от того, который был рассчитан из соображений максимальной эффективности. Т.е. регулирование скорости как в сторону увеличения, так и в сторону снижения ведет к потере эффективности работы вентилятора и системы в целом.

Зависимость эффективности вентиляторов от характеристик сети

Для упрощения выбора вентилятора на его аэродинамических характеристиках строят несколько характеристик сети. Чаще всего используются 10 линий, номера которых удовлетворяют условию

L = (dPd / dP)1/2

• L – номер характеристики сети;
• dPd – динамическое давление, Па;
• dP – величина общего давления.

При этом эффективность вентилятора, которая определяется соотношением

• dP – общее давление, Па;
• q – расход воздуха, куб.м/ч;
• P – мощность, Вт

В этом отношении интерес представляет сравнение эффективности радиальных вентиляторов с загнутыми назад и вперед лопастями рабочего колеса. Для первых максимальное значение этого показателя нередко оказывается выше, чем для вторых. Однако, такое соотношение сохраняется только при работе в области характеристик сети, соответствующим меньшему расходу при заданном значении давления.

Как видно из рисунка, при высоких уровнях расхода воздуха для получения равной эффективности вентиляторам с загнутыми назад лопатками потребуются больший диаметр рабочего колеса.

Аэродинамические потери в сети и правила монтажа вентиляторов

Технические характеристики вентиляторов соответствуют указанным производителем в технической документации в том случае, если выполняются требования по их установке.

Основным из них является монтаж вентилятора на прямом участке воздуховода, причем его длина должна составлять не менее одного и трех диаметров вентилятора со стороны всасывания и нагнетания соответственно.

Нарушение этого правила ведет к увеличению динамических потерь, и, как следствие, к росту перепада давления. При увеличении такого перепада расход воздуха может значительно уменьшится, по сравнению с расчетными значениями.

На уровень динамических потерь, производительность и эффективность влияет множество факторов. Соответственно, при установке вентиляторов необходимо выполнять и другие требования.

Со стороны всасывания:

• вентилятор устанавливают на расстоянии не менее 0.75 диаметра до ближайшей стены;
• сечение входного воздуховода не должно отличаться от диаметра входного отверстия более чем на +12 и -8%;
• длина воздуховода со стороны забора воздуха должна быть больше 1.0 диаметра вентилятора;
• наличие препятствий для прохождения воздушного потока (демпферов, ответвлений и др.) недопустимо.

• изменение поперечного сечения воздуховода не должно превышать 15% и 7% в сторону уменьшения и увеличения соответственно;
• длина прямолинейного участка трубопровода на выходе должна составлять не менее 3-х диаметров вентилятора;
• для уменьшения сопротивления не рекомендуется использовать отводы под углом 90 градусов (при необходимости поворота магистрали их следует получить из двух отводов по 45 градусов).

Требования к удельной мощности вентиляторов

Высокие показатели энергоэффективности – одно из главных требований, которое применяется в европейских странах ко всему оборудованию, в том числе, и к системам вентиляции зданий. В соответствии с этим Шведским институтом внутреннего климата (Svenska Inneklimatinsitutet) была разработана концепция интегральной оценки эффективности для вентиляционного оборудования, основанная на так называемой удельной мощности вентиляторов.

Под этим показателем понимается отношение общей энергоэффективности всех входящих в систему вентиляторов к суммарному воздушному потоку в вентиляционных каналах здания. Чем ниже полученное в результате значение, тем эффективность оборудования выше.

Такая оценка легла в основу рекомендаций по покупке и установке вентиляционных систем для различных секторов и отраслей. Так для коммунальных зданий рекомендованное значение не должно превышать 1.5 при установке новых систем и 2.0 для оборудования после ремонта.

Рис 7.24. Установка осевого вентилятора ЦАГИ типа У.

Рис. 7.23. Крышный осевой вентилятор.

1-предохранительная решетка; 2- коллектор; 3- корпус; 4- электродвигатель; 5- рабочее колесо; 6- диффузор; 7- клапан; 8- зонт.

В настоящее время начат выпуск этого вентилятора в крышей модификации (рис 7.23). Колесо вентилятора при этом вращается в горизонтальной плоскости, будучи установлено на валу вертикально расположенного электродвигателя, укрепленного на трех растяжках в обечайке (корпусе).

Вся установка размещается в коротком трубопроводе, снабжен ном предохранительной решеткой со стороны входа воздуха и зонтом на выходе.

Агрегаты выпускаются свенти-пяторами № 4, 5, 6, 8, 10 и 12. По данным каталога, предельные окружные скорости составляют 45м/сек. Максимальное развивае­мое статическое давление дости­гает 10-11 кГ/м 2 при статиче­ском к. п. д. 0,31.

Осевые вентиляторы ЦАГИ типа У (универсальные) имеют более сложную конструкцию. Колесо вентилятора состоит из втулки большого диаметра (0,5 D), на которой укреплены 6 или 12 полых лопаток. Каждая лопатка приклепана к стержню, кото­рый в свою очередь ввернут в специальный стакан и закрепляется гайками во втулке. Лопатки поворотные и могут устанавливаться под углом от 10 до 25° к плоскости вращения колеса (рис. 7.24). Установка лопаток под необходимым углом проводится по разметке, сделанной на боковой поверхности втулки.

Возможность менять углы установки лопаток, т. е. менять геометрию колеса, придает этому вентилятору универсальность, так как развиваемое им давление увеличивается с увеличением угла установки лопаток.

Вентилятор рассчитан на привод от электродвигателя посредством клиноременной передачи, поэтому колесо вентилятора установлено на валу. Вал имеет два подшипника, корпуса которых размещаются в коробчатых держателях. Каждый из держателей имеет четыре литых стержня, оканчивающихся плоскими лапами с отверстиями под установочные болты. Держатели со стержнями и лапами образуют две рамы, на которых удерживается колесо. Шкив для привода расположен консольно на конце вала. В настоящее время (в основном для нужд текстильной промышлен­ности) выпускаются вентиляторы с 12 лопатками № 12, 16 и 20. Колесо этих машин весьма прочно и допускает окружные ско­рости до 80-85 м/сек..

Учитывая, что давление, развиваемое вентилятором типа У, зависит от угла установки лопаток, характерно вентилятора следовало бы строить для каждого угла отдельно. Поэтому для вентиляторов типа У приводится особая универсальная характеристика, охватывающая области работы вентиляторов в различных условиях.

Производительность вентиляторов указанных трех размеров лежит в пределах от 1-6000 до 100000 ,м 3 /ч. Развиваемые давления колеблются от 11 кГ/м 2 (при лопатках, установленных под углом 10°) до 35-40 кГ/м 2 (при установке лопаток под углом.

Электродвигатель, приводящий во вращение колесо вентилятора, располагают обычно на полу у стены помещения, в отверстии которой монтируют вентилятор.

Максимальный к. п. д. вентилятора (при углах установки лопаток 20°) достигает 0,62. При меньших и больших углах уста­новки к. п. д. несколько снижается (до 0,5 при 10° и до 0,58 при 25°).

Под аэродинамической схемой вентилятора подразумевается, совокупность основных конструктивных элементов, расположенных в определенной последовательности и характеризующих проточную часть машины, через которую проходит воздух. В вентиляторе ВОД11П реализована аэродинамическая схема, представленная на рис.7.25 (РК1 + НА + РК2 + СА), т.е. воздух всасывается в вентилятор из канала 5 через коллектор 6 под действием аэродинамических сил, возникающих при вращении лопаток 8 рабочего колеса РК 1 .

Рис.7.25 Аэродинамическая схема вентилятора ВОД11П

При выходе из колеса закрученный поток воздуха попадает на лопасти 9 направляющего аппарата НА1, который раскручивает его и направляет на лопатки 10 рабочего колеса РК2 второй ступени. При этом в НА осуществляется небольшая подкрутка потока перед входом в РК2 в направлении обратном вращению ротора, что способствует повышению тяги на втором колеся. После РК2 поток попадает в спрямляющий аппарат СА. С помощью лопастей 11 СА раскручивает поток и направляет его в диффузор, выполненный в виде расширяющегося конуса 14 и обечайки 13. В диффузоре по ходу потока увеличивается площадь живого сечения, следовательно скоростной напор снижается, а давление возрастает. При этом статический напор также возрастает.

Рабочие колеса РК1 и РК2 жестко закреплены на валу 4, установленном в подшипниках 3 и 12 и получающим вращение от двигателя 1 через муфту 2. Обтекатель 7 служит для выравнивания потока воздуха, втягиваемого в вентилятор.

На рис.7.26. представлен в разрезе вентилятор ВОД11П, который предназначен для проветривания горных выработок добычных участков и отдельных камер, а также используется при проходке стволов шахт, в калориферных установках, на крупных предприятиях и т.п.

Вентилятор состоит из ротора – вала 2 с двумя рабочими колесами 4 и 10, закрепленных жестко на валу с помощью шпонок 3 и стопорных колец. Рабочие колеса первой ступени РК1 и второй ступени РК2 имеют идентичную конструкцию, состоят из втулок 4 на которых размещено 12 лопаток из полимерного материала. Лопатки 8 и 11 устанавливаются в специальные гнезда крепятся с помощью распорных пружинных колец 6 и прижимаются пружинами 5 к втулке колеса. Такое крепление лопаток позволяет поворачивать их вручную через специальные окна в корпусе при остановленном вентиляторе в пределах углов установки 15 – 45 0 для регулирования подачи и давления. Корпус вентилятора состоит из двух разъемных частей верхней 7 и нижней 15, выполненных из стального литья в виде разрезного цилиндра.