Конструкция осевого вентилятора

Вентилятор, создающий поток газа, в основном параллельный валу

Осевой вентилятор — это тип вентилятора, который заставляет газ течь через него в осевом направлении, параллельно валу, вокруг которого вращаются лопасти. Поток является осевым на входе и выходе. Вентилятор предназначен для создания разницы давления , а следовательно, и силы , чтобы вызвать поток через вентилятор. Факторы, которые определяют производительность вентилятора, включают количество и форму лопастей. Вентиляторы имеют множество применений, в том числе в аэродинамических трубах и градирнях . Конструктивные параметры включают мощность , расход , повышение давления и эффективность . ^[1]

Осевые вентиляторы обычно содержат меньше лопастей (от двух до шести), чем центробежные вентиляторы . Осевые вентиляторы обычно имеют больший радиус и меньшую скорость (ω), чем канальные вентиляторы (особенно при схожей мощности. Напряжение пропорционально r^2).

Расчет параметров

Поскольку расчет не может быть выполнен с использованием входного и выходного скоростных треугольников , что не относится к другим турбомашинам , расчет выполняется с учетом среднего скоростного треугольника для потока только через бесконечно малый элемент лопатки. Лопатка делится на множество мелких элементов, и различные параметры определяются отдельно для каждого элемента. ^[1] Существуют две теории, которые решают параметры для осевых вентиляторов: ^[1]

• Теория слипстрима
• Теория элемента лезвия

Теория слипстрима

Изменение давления и скорости потока через диск пропеллера. ^[1]

На рисунке предполагается, что толщина диска пропеллера незначительна. Показана граница между движущейся и покоящейся жидкостью. Поэтому предполагается, что поток происходит в воображаемом сходящемся канале ^{[1] [2],} где:

• D = Диаметр диска пропеллера.
• D _s = Диаметр на выходе.

На рисунке скорости (C ₁ и C ₂ ) не могут резко измениться по всему диску пропеллера , так как это создаст ударную волну , но вентилятор создает разницу давлений по всему диску пропеллера . ^[1]

${\displaystyle C_{\rm {1}}=C_{\rm {2}}=C}$и ${\displaystyle P_{\rm {1}}\neq P_{\rm {2}}}$

• Площадь диска гребного винта диаметром D составляет:

${\displaystyle A={\frac {\pi D^{2}}{4}}}$

• Массовый расход через винт составляет:

${\displaystyle {\dot {m}}={\rho AC}}$

• Поскольку тяга представляет собой изменение массы, умноженное на скорость потока массы, т.е. изменение импульса , то осевая тяга на диске пропеллера, вызванная изменением импульса воздуха, равна: ^[1]

${\displaystyle F_{\rm {x}}={\dot {m}}{(C_{\rm {s}}-C_{\rm {u}})}={\rho AC}{(C_{\rm {s}}-C_{\rm {u}})}}$

• Применяем принцип Бернулли вверх и вниз по течению:

${\displaystyle {\begin{aligned}P_{a}+{\frac {1}{2}}{\rho C_{u}^{2}}&=P_{1}+{\frac {1}{2}}{\rho C^{2}}\\P_{a}+{\frac {1}{2}}{\rho C_{s}^{2}}&=P_{2}+{\frac {1}{2}}{\rho C^{2}}\end{aligned}}}$

Вычитая приведенные выше уравнения: ^[1]

${\displaystyle P_{2}-P_{1}={\frac {1}{2}}\rho (C_{s}^{2}-C_{u}^{2})}$

• Разница тяги из-за разницы давления равна площади проекции, умноженной на разницу давления. Осевая тяга из-за разницы давления получается:

${\displaystyle F_{x}=A(P_{2}-P_{1})={\frac {1}{2}}\rho A\left(C_{s}^{2}-C_{u}^{2}\right)}$

Сравнивая эту тягу с осевой тягой, возникающей из-за изменения импульса воздушного потока, обнаруживаем, что: ^[1]

${\displaystyle C={\frac {C_{s}+C_{u}}{2}}}$

Параметр «a» определяется таким образом, что [ ^1] -

${\displaystyle C=(1+a)C_{u}}$где ${\displaystyle a={\frac {C}{C_{u}}}-1}$

Используя предыдущее уравнение и «a», выражение для C _s получается следующим:

${\displaystyle C_{s}=(1+2a)C_{u}}$

• Расчет изменения удельной энтальпии торможения по диску: ^[1]

${\displaystyle \Delta h_{o}=h_{od}-h_{ou}=\left(h_{d}+{\frac {1}{2}}C_{s}^{2}\right)-\left(h_{u}+{\frac {1}{2}}C_{u}^{2}\right)={\frac {1}{2}}\left(C_{s}^{2}-C_{u}^{2}\right)}$

Теперь, Идеальное значение мощности, подаваемой на пропеллер = Массовый расход * Изменение энтальпии стагнации ; [ ^1]

${\displaystyle P_{i}={\dot {m}}{\Delta h_{o}}}$где ${\displaystyle {\dot {m}}=\rho AC}$

Если пропеллер использовался для приведения в движение самолета со скоростью = C _u ; тогда полезная мощность = осевая тяга * скорость самолета; ^[1]

${\displaystyle P=F_{x}C_{u}}$

• Отсюда выражение для эффективности получается следующим: ^[1]

${\displaystyle \eta _{p}={\frac {{\text{Actual Power}}(P)}{{\text{Ideal Power}}(P_{i})}}={\frac {F_{x}C_{u}}{{\frac {1}{2}}\rho AC\left(C_{s}^{2}-C_{u}^{2}\right)}}={\frac {C_{u}}{C}}={\frac {1}{1+a}}}$

• Пусть D _s — диаметр воображаемого выходного цилиндра. По уравнению непрерывности ;

  ${\displaystyle {\begin{aligned}C{\frac {\pi D^{2}}{4}}&=C_{s}{\frac {\pi D_{s}^{2}}{4}}\\\Rightarrow D_{s}^{2}&={\frac {C}{C_{s}}}D^{2}\end{aligned}}}$

• Из приведенных выше уравнений известно, что -

  ${\displaystyle C_{s}={\frac {1+2a}{1+a}}C}$

Поэтому;

${\displaystyle D_{s}^{2}=\left({\frac {1+a}{1+2a}}\right)D^{2}}$

Таким образом, поток можно смоделировать так, что воздух течет через воображаемый расходящийся воздуховод, где диаметр диска пропеллера и диаметр выходного отверстия связаны между собой. ^[1]

Теория элемента лезвия

Длинная лопасть пропеллерного вентилятора с изменяющимся сечением лопасти. ^[1]

В этой теории небольшой элемент ( dr ) берется на расстоянии r от корня лопатки и все силы, действующие на элемент, анализируются для получения решения. Предполагается, что поток через каждую секцию малой радиальной толщины dr не зависит от потока через другие элементы. ^{[1] [3]}

На рисунке показаны скорости и силы лопасти для потока через элемент dr , где w — средняя скорость в направлении β от осевого направления. Δ L = подъемная сила (перпендикулярно w ) и Δ D = сила сопротивления (параллельно 'w'). Осевые и тангенциальные силы равны Δ Fx и Δ Fy соответственно, а результирующая сила Δ Fr находится под углом Φ к подъемной силе. ^[1]

Разрешающие силы на рисунке ^[1] -

${\displaystyle \Delta F_{x}=\Delta L\sin(\beta )-\Delta D\cos(\beta )}$

${\displaystyle \Delta F_{y}=\Delta L\cos(\beta )+\Delta D\sin(\beta )}$

Коэффициент подъемной силы (C _L ) и коэффициент лобового сопротивления (C _D ) определяются как -

${\displaystyle \mathrm {Lift} (\Delta L)={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}(ldr)}$

${\displaystyle \mathrm {Drag} (\Delta D)={\frac {1}{2}}C_{D}\rho w^{2}(ldr)}$

Также из рисунка ^[1] -

${\displaystyle \tan(\phi )={\frac {\Delta D}{\Delta L}}={\frac {C_{D}}{C_{L}}}}$

Сейчас,

${\displaystyle \Delta F_{x}=\Delta L(\sin \beta -{\frac {\Delta D}{\Delta L}}\cos \beta )=\Delta L(\sin \beta -\tan \phi \cos \beta )={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}ldr{\frac {\sin(\beta -\phi )}{\cos \phi }}}$

Число лопастей (z) и расстояние между ними (s) связаны соотношением ^[1] , а общая тяга для элементарного сечения винта равна zΔF _x . ${\displaystyle s={\frac {2\pi r}{z}}}$

Поэтому, ^[1]

${\displaystyle \Delta p(2\pi rdr)=z\Delta F_{x}}$

${\displaystyle \Rightarrow \Delta p={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}({\frac {l}{s}}){\frac {\sin(\beta -\phi )}{\cos \phi }}={\frac {1}{2}}C_{D}\rho w^{2}({\frac {l}{s}}){\frac {\sin(\beta -\phi )}{\sin \phi }}}$

Аналогично, решая для ΔF _y , ΔF _y оказывается равным ^[1] -

${\displaystyle \Delta F_{y}={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}ldr{\frac {\cos(\beta -\phi )}{\cos \phi }}}$

и ${\displaystyle (\mathrm {Torque} )\Delta Q=r\Delta F_{y}}$

Наконец, тягу и крутящий момент можно определить для элементарного сечения, поскольку они пропорциональны F _x и F _y соответственно. ^[1]

Эксплуатационные характеристики

На этом рисунке показана кривая производительности осевого вентилятора. ^[1]

Соотношение между изменением давления и объемным расходом являются важными характеристиками вентиляторов. Типичные характеристики осевых вентиляторов можно изучить по кривым производительности . Кривая производительности для осевого вентилятора показана на рисунке. (Вертикальная линия, соединяющая точку максимальной эффективности , нарисована так, что пересекает кривую давления в точке «S») ^[1] Из кривой можно сделать следующий вывод:

1. По мере увеличения расхода от нуля эффективность увеличивается до определенной точки, достигает максимального значения, а затем снижается.
2. Выходная мощность вентиляторов увеличивается с почти постоянным положительным наклоном.
3. Колебания давления наблюдаются при малых расходах, а при скоростях потока (на что указывает точка «S») давление падает.
4. Изменения давления слева от точки «S» вызывают неустойчивость потока, вызванную двумя эффектами: срывом потока и помпажем.

Причины нестабильного течения

Остановка и пульсация влияют на производительность вентилятора , лопасти, а также выход и, таким образом, нежелательны. Они возникают из-за неправильной конструкции, физических свойств вентилятора и, как правило, сопровождаются возникновением шума.

Эффект срыва/срыв

Причиной этого является отрыв потока от поверхностей лопаток. Этот эффект можно объяснить потоком над воздушным профилем. Когда угол падения увеличивается (при низкоскоростном потоке) на входе в воздушный профиль, картина потока изменяется и происходит отрыв. Это первая стадия срыва, и через эту точку отрыва поток разделяется, что приводит к образованию вихрей, обратного потока в отрывной области. Для дальнейшего объяснения срыва и вращающегося срыва обратитесь к помпажу компрессора . Зона срыва для одиночного осевого вентилятора и осевых вентиляторов, работающих параллельно, показана на рисунке. ^[4]

На рисунке показаны зоны, подверженные срыву потока, по-разному для одного и двух вентиляторов, подключенных параллельно. ^[4]

Из графика можно сделать следующие выводы:

• При параллельной работе вентиляторов производительность ниже по сравнению с отдельными вентиляторами.
• Вентиляторы следует эксплуатировать в безопасной зоне, чтобы избежать эффекта остановки .

Частотно-регулируемые приводы не подходят для некоторых осевых вентиляторов.

Многие отказы осевых вентиляторов происходили после того, как осевые вентиляторы с контролируемыми лопастями были зафиксированы в фиксированном положении и были установлены частотно-регулируемые приводы (ЧРП). ЧРП непрактичны для некоторых осевых вентиляторов. Осевые вентиляторы с серьезными областями нестабильности не должны работать при углах лопастей, скоростях вращения, массовых расходах и давлениях, которые подвергают вентилятор условиям срыва. ^[5]

Эффект всплеска/Surge

Не следует путать пульсацию с остановкой. Остановка происходит только в том случае, если в лопасти вентилятора поступает недостаточно воздуха, что приводит к разделению потока на поверхности лопасти. Пульсация или нестабильный поток, вызывающий полную поломку вентиляторов, в основном обусловлены тремя факторами

• Системный всплеск
• Порыв вентилятора
• Параллелизация

Системный всплеск

Такая ситуация возникает, когда кривая сопротивления системы и кривая статического давления вентилятора пересекаются, имеют одинаковый наклон или параллельны друг другу. Вместо пересечения в определенной точке кривые пересекаются в определенной области, сообщая о всплеске системы. Эти характеристики не наблюдаются в осевых вентиляторах .

Порыв вентилятора

Эта нестабильная работа является результатом развития градиентов давления в противоположном направлении потока. Максимальное давление наблюдается на выходе лопасти рабочего колеса, а минимальное давление на стороне, противоположной стороне выхода. Когда лопасти рабочего колеса не вращаются, эти неблагоприятные градиенты давления качают поток в направлении, противоположном направлению вентилятора. Результатом является колебание лопастей вентилятора, создающее вибрации и, следовательно, шум . ^[6]

Параллелизация

Этот эффект наблюдается только в случае нескольких вентиляторов. Мощность воздушного потока вентиляторов сравнивается и подключается к одному и тому же выходу или входу. Это вызывает шум , который в случае параллельных вентиляторов называется биением . Чтобы избежать биения , используются различные условия входа, различия в скорости вращения вентиляторов и т. д.

Методы избежания неустойчивого потока

Эти эффекты можно уменьшить, проектируя лопасти вентилятора с правильным соотношением ступицы к кончику и анализируя производительность по количеству лопастей, чтобы поток не разделялся на поверхности лопасти. Некоторые из методов преодоления этих эффектов - это рециркуляция избыточного воздуха через вентилятор, осевые вентиляторы - это устройства с высокой удельной скоростью, работающие с высокой эффективностью , и для минимизации эффектов они должны работать на низких скоростях . Для управления и направления потока предлагается использовать направляющие лопатки . Турбулентные потоки на входе и выходе вентиляторов вызывают срыв , поэтому поток следует сделать ламинарным путем введения статора, чтобы предотвратить этот эффект. ^[7]

Смотрите также

• Механический вентилятор
• Гребной винт (морской)
• Пропеллер (самолет)
• Промышленный вентилятор
• Потолочный вентилятор
• Турбореактивный
• Воздухозаборный пропеллер
• Оконный вентилятор
• Помпаж компрессора
• Остановка компрессора
• Прогулка с пропеллером
• Кавитация
• Азимутальный двигатель
• Кухонный руль
• Колесный пароход
• Движитель
• Кливер
• Складной пропеллер
• Модульный пропеллер
• Суперкавитирующий пропеллер

Примечания

1. Яхья, SM (2010). "Гл. 14". Турбины, компрессоры и вентиляторы (4-е изд.). McGraw-Hill. С. 622–9. ISBN 978-0-07-070702-3.
2. ПУЛ, Р. (1 января 1935 г.). «Теория и конструкция пропеллерных вентиляторов». Избранные инженерные работы . 1 (178). doi :10.1680/isenp.1935.13442.
3. Марбл, Фрэнк Э. (1948). «Поток идеальной жидкости через осевую турбомашину с заданной нагрузкой на лопатки». Журнал авиационных наук . 15 (8). Институт авиационных наук: 473–485. doi :10.2514/8.11624.
4. "Stall, Problems and Solutions" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2013-10-03 . Получено 2013-05-10 .
5. "Улучшение производительности системы вентиляторов" (PDF) . Министерство энергетики США. стр. 35 (39/92), последний абзац.
6. "System Surge, Fan Surge and Paralleling" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2007-01-13 . Получено 2013-05-12 .
7. "Destratification Fans by Airius". Airius LLC . Архивировано из оригинала 20 апреля 2017 г. Получено 19 апреля 2017 г.

Ссылки

• Теодор Теодорсен (1948). Теория пропеллеров. McGraw-Hill.
• Meyer, CJ; DG Kröger (10 августа 2001 г.). «Численное моделирование поля потока вблизи осевого вентилятора». Международный журнал численных методов в жидкостях . 36 (8): 947–969. Bibcode :2001IJNMF..36..947M. doi :10.1002/fld.161. S2CID  123108224.
• Ланцафаме, Р.; М. Мессина (ноябрь 2007 г.). «Проектирование ветряных турбин с использованием гидродинамики: критический анализ, оптимизация и применение теории BEM». Возобновляемая энергия . 32 (14): 2291–2305. doi :10.1016/j.renene.2006.12.010.
• ДЖОРДЖ В. СТИКЛ; ДЖОН Л. КРИГЛЕР (19 июля 1940 г.). "АНАЛИЗ ПРОПЕЛЛЕРА НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ" (PDF) . Национальный консультативный комитет по аэронавтике . Получено 23.05.2013 .
• AB McKenzie (1997). Осевые вентиляторы и компрессоры: аэродинамическая конструкция и производительность. Ashgate Publishing, Limited. ISBN 978-0-291-39850-5. Получено 23 мая 2013 г.
• Naizi, Saied (июль 2000 г.). "ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ СРЫВА И УМЕНЬШЕНИЯ ПОМПАГОВ В ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРАХ" (PDF) . Диссертация в Технологическом институте Джорджии . Архивировано из оригинала (PDF) 2013-10-02 . Получено 2013-05-23 .
• "System Surge, Fan Surge and Paralleling" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2007-01-13 . Получено 2013-05-12 .
• "Понимание кривых производительности вентилятора" (PDF) . Получено 2013-05-10 .
• "Всплески, срывы и нестабильность в вентиляторах" . Получено 10.05.2013 .