Об эффективной работе вентиляторов в системах вентиляции

Т. С. Соломахова, доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник филиала ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского

1. Типы стендов для аэродинамических испытаний вентиляторов

В соответствии с Международным стандартом ISO 5801 [1] и отечественным стандартом ГОСТ 10921– 90 [2] существуют четыре типа стендов, на которых могут быть получены в лабораторных условиях аэродинамические характеристики вентиляторов. Эти стенды максимально приближены к четырем реально существующим компоновкам вентиляторов в сети. Схемы этих стендов приведены на рис. 1.

Рисунок 1. Схемы стендов для аэродинамических испытаний вентиляторов в лабораторных условиях: а) стенд типа А; б) стенд типа B; в) стенд типа C; г) стенд типа D

• Стенд типа А выполняют в виде камеры всасывания достаточно большого объема. Этот стенд является классическим, поскольку он имитирует идеальные условия работы вентилятора со свободными входным и выходным отверстиями.

• Стенд типа В представляет собой трубопровод, установленный за выходным сечением вентилятора. Размеры этого сечения должны соответствовать размерам поперечного сечения трубопровода. На этом стенде получают характеристики вентилятора, работающего в нагнетательной сети.

• Стенд типа С имеет трубопровод, расположенный перед входным отверстием вентилятора, с поперечным сечением, соответствующим этому сечению. Здесь имитируются условия работы вентилятора на всасывание.

• Стенд типа D выполняют с всасывающим и нагнетательным трубопроводами, примыкающими непосредственно к входному и выходному сечениям вентилятора. Этот стенд имитирует наиболее часто встречающиеся условия работы вентилятора во всасывающе-нагнетательной сети.

В стандартах [1, 2] указаны требования к конструкции, размерам и габаритам перечисленных выше стендов. Даны рекомендации по расположению измерительных сечений, предложена методика проведения испытаний. Следует отметить, что один и тот же вентилятор, испытанный на стендах разных типов, будет иметь различные характеристики. Это связано с различными условиями входа в вентилятор (входной коллектор или трубопровод) и выхода из него (свободный выход или трубопровод). Поэтому в каталогах, где приводятся аэродинамические характеристики вентиляторов, всегда указывается, на каком стенде проводились испытания вентилятора и какой компоновке вентилятора с сетью соответствуют эти характеристики.

Наилучшую характеристику вентилятора с высокими значениями создаваемого давления и КПД получают на классическом стенде типа А при свободном входном и выходном сечениях. Наиболее низкие характеристики вентилятора получают при испытаниях на стендах типов В и D, когда за выходным сечением вентилятора расположен трубопровод. В этом случае в начальном участке трубопровода происходит выравнивание параметров выходящего из вентилятора потока, сопровождаемое дополнительными потерями давления. Снижение создаваемого вентилятором давления и КПД на некоторых режимах может достигать 5 %. Однако характеристики, полученные на этих стендах, соответствуют реальным условиям работы вентилятора в нагнетательной сети. При использовании же в этом случае характеристик вентилятора, полученных на стенде типа А, необходимо предусматривать некоторый запас по давлению на 3–5 %.

2. Требования к установке вентилятора в сети

При проектировании вентиляционной системы необходимо не только точно рассчитать сопротивление сети и выбрать вентилятор, имеющий заданные параметры, но и правильно расположить вентилятор в системе. Основные требования к эффективной работе вентилятора в сети с характеристиками, полученными на указанных выше стендах, сводятся к созданию равномерного поля скоростей в непосредственной близости от входного и выходного сечений вентилятора. Особенно важно обеспечить равномерность потока при входе в вентилятор.

Выполненные многочисленные исследования [3–5] показали, что для эффективной работы вентилятора в нагнетательной сети необходимо на входе вместо фланца устанавливать входной коллектор (рис. 2а). При этом выигрыш КПД может достигать 2–3 %. Если вся сеть располагается на стороне всасывания, то за выходным сечением вентилятора следует размещать хорошо спроектированный диффузор (рис. 2б, в). При этом существенно снижается динамическое давление вентилятоа и уменьшается суммарное сопротивление сети.

Свободные входные и выходные сечения вентилятора не должны быть затенены близко расположенными стенками и громоздким оборудованием. Расстояние до ближайших стенок и панелей от рассматриваемых сечений должно быть не менее одного калибра (рис. 2г, д). За калибр принимается характерный размер сечения: диаметр D для круглого сечения и гидравлический диаметр D_г для сечения прямоугольной или какой-либо другой формы. Гидравлический диаметр рассчитывается по формуле:

D = 4F / П, (1)

где F и П – площадь и периметр рассматриваемого сечения соответственно.

При работе вентилятора во всасывающе-нагнетательной сети необходимо обеспечить прямолинейные участки воздуховодов непосредственно перед и за вентилятором. Длина входного участка должна быть не менее 4D для осевого вентилятора и 3D для радиального вентилятора (рис. 2е), где D – диаметр входного сечения вентилятора. Длина выходного участка, непосредственно примыкающего к вентилятору, должна составлять не менее двух калибров.

Очень важно, чтобы площадь и конфигурация входного и выходного сечений вентилятора соответствовали площади и конфигурации сечений примыкающих воздуховодов. При равной площади указанных сечений и различии в их конфигурации необходимо между вентилятором и воздуховодами размещать переходники длиной не менее одного калибра. Коэффициент сопротивления такого переходника z ≈ 0,1.

Рисунок 2. Рекомендованные компоновки вентилятора в сети: a) осевой вентилятор с входным коллектором; б) осевой вентилятор с диффузором на выходе; в) радиальный вентилятор с диффузором на выходе; г) осевой вентилятор с экранами на входе; д) радиальный вентилятор с экранами на выходе; е) осевой вентилятор во всасывающе-нагнетательной сети

Недопустимо устанавливать вентилятор в воздуховодах, у которых поперечное сечение меньше, чем входное и выходное сечения вентилятора. Воздуховод меньшего сечения перед входом в вентилятор, особенно в осевой, нарушает работу периферийных сечений колеса, снижает создаваемое давление и производительность. При сужении выходного сечения вентилятора происходит нежелательное увеличение скорости в этом сечении. Кроме того, в случае осевого вентилятора увеличивается закрутка выходящего потока, что приводит к перемещению рабочего режима вентилятора в сторону меньших расходов и нарушению его нормальной работы.

При необходимости установки вентилятора в воздуховоды как меньшего, так и большего поперечного сечения, следует использовать переходные каналы в виде диффузоров и конфузоров. Однако установка этих и других элементов в виде, например, поворотных участков, в непосредственной близости от вентилятора нарушает условия равномерности поля скоростей в сечениях перед и за ним. При этом не обеспечиваются условия проведения испытаний вентиляторов на стендах. В этих случаях приведенная в каталоге аэродинамическая характеристика должна быть скорректирована.

Исследованием влияния различных входных и выходных эле-ментов на характеристику вентилятора занимались многие авторы [3–9]. Рассмотрим наиболее часто встречаемые в вентиляционной практике входные и выходные элементы сети и оценим их влияние на аэродинамическую характеристику вентилятора.

3. Влияние входных элементов

В качестве входных элементов используют (рис. 3) поворотные колена (простые и многозвенные), входные коробки, щелевые патрубки, диффузоры. Если эти элементы располагаются на достаточном расстоянии от входного сечения вентилятора, то их можно рассматривать как элементы сети и рассчитывать потери давления Dp в них по известной формуле:

(2)

Здесь z – коэффициент сопротивления элемента, r – плотность перемещаемой среды, с – средняя скорость в характерном сечении элемента. Значения коэффициента z для элементов различной конфигурации приведены, например, в справочнике [8].

Если элемент расположен непосредственно перед входом в вентилятор, недостаточно рассчитать потери давления в нем. Необходимо учесть ухудшение исходной характеристики вентилятора за счет неравномерного поля скоростей за этим элементом. Особенно сильно ухудшается характеристика вентилятора, если сегментная часть его входного сечения будет закрыта или затенена [4].

3.1. Поворотные колена

Для осуществления поворота потока (обычно на 90°) служат простые (двухзвенные) и составные (многозвенные) поворотные колена. Известно [8], что в изогнутых трубах и каналах вследствие изменения направления потока появляются центробежные силы, направленные от центра кривизны к внешней стенке трубы. Это приводит к повышению давления у внешней стенки и понижению его у внутренней стенки, что связано с переходом потока из прямолинейного участка трубопровода в изогнутый до полного поворота. Скорость потока, соответственно, получается меньшей у внешней стенки и большей у внутренней, что может привести к отрыву потока.

Наибольшие потери давления и степень неравномерности потока возникают при острой кромке изгиба внутренней стенки канала. При простом колене (рис. 3а) с углом поворота потока на 90° область отрыва потока у внутренней стенки за поворотом занимает практически половину сечения трубы. Коэффициент потерь давления в таком колене z = 1,2. Естественно, что при установке данного элемента непосредственно перед входом в вентилятор получают значительное ухудшение его аэродинамических характеристик. Наибольшее ухудшение характеристик происходит у высокорасходных осевых вентиляторов и радиальных вентиляторов с загнутыми вперед лопатками колеса с большой скоростью течения во входном патрубке.

На рис. 4 приведены безразмерные характеристики радиального вентилятора со свободным входом (сплошные кривые) и с простым коленом на входе при различных углах a его установки по отношению к выходному сечению вентилятора. Частичное снижение кривой давления y(j) на величину

(3)

происходит из-за потерь давления во входном элементе, а частично из-за дополнительных потерь давления в вентиляторе, вызванных неравномерным полем скоростей перед входом в него. Здесь – относительный диаметр минимального сечения входного патрубка, – относительная среднерасходная скорость потока в этом сечении, D₂ и u₂ – диаметр и окружная скорость колеса. Для представленного на рисунке вентилятора эти дополнительные потери составляют приблизительно половину потерь давления в колене. Изменение угла a установки колена, определяемого как угол между направлениями средних скоростей в выходном и входном сечениях вентиляторной установки и отсчитываемого в направлении движения часовой стрелки, мало изменяет характеристику вентилятора.

Рисунок 3. Элементы, устанавливаемые перед входом в вентилятор: a) простое колено; б) составное колено; в) входная коробка; г) щелевой патрубок

Таким образом, суммарные потери давления в простом колене, учитывающие как снижение характеристики вентилятора, так и потери давления в самом элементе, составляют

(4)

Такого резкого ухудшения характеристики при установке перед входом простого колена не наблюдается для радиальных вентиляторов с загнутыми назад лопатками колеса. Это объясняется небольшими значениями относительной скорости при входе в колесо, а также тем, что входной патрубок у таких вентиляторов имеет конический суживающийся участок с последующим расширением. Происходит некоторое выравнивание поля скоростей в минимальном сечении такого патрубка и ослабление влияния простого колена. В этом случае суммарные потери давления в патрубке составляют:

(5)

Отметим, что удаление простого колена от входного отверстия вентилятора на расстояние, равное одному-двум диаметрам D₀, существенно не улучшает аэродинамическую характеристику вентилятора, т. к. неравномерность потока при входе в вентилятор сохраняется.

Рисунок 4. Аэродинамические характеристики высокорасходного радиального вентилятора с простым коленом на входе по данным работы [3]

Рисунок 5. Аэродинамические характеристики высокорасходного радиального вентилятора с составным коленом на входе по данным работы [3]

Более благоприятным является поворот потока на 90° перед входом в вентилятор при помощи составного (многозвенного) колена (рис. 3б). Даже у высокорасходного радиального вентилятора не наблюдается резкого снижения кривой давления (рис. 5). Максимальный КПД при угле a = 0° уменьшается всего на 3 %. Здесь можно отметить две причины. Во-первых, коэффициент сопротивления показанного на рисунке четырехзвенного колена составляет всего 0,2 по данным справочника [8]. Во-вторых, степень неравномерности потока за таким элементом значительно меньше. Суммарный коэффициент сопротивления z многозвенного колена может быть принят равным 0,35.

Однако изготовление такого колена представляет известные трудности и при установке его перед вентилятором требуется достаточно большое свободное пространство. При необходимости осуществить поворот потока перед входом в вентилятор в ограниченных габаритах целесообразно применять специальные входные коробки.

Литература

1. ISO 5801. Industrial fans. Performance testing using standardized airways.

2. ГОСТ 10921–90. «Вентиляторы радиальные и осевые. Методы аэродинамических испытаний».

3. Центробежные вентиляторы / Под ред. Т. С. Соломаховой. – М. : Машиностроение, 1975.

4. Брусиловский И. В. Аэродинамика и акустика осевых вентиляторов // Труды ЦАГИ. – Вып. 2650. – М. : Изд. отд. ЦАГИ, 2004.

5. Рекомендации по расчету гидравлических сопротивлений сложных элементов систем вентиляции. – М. : Стройиздат, 1981.

6. Дейч М. Е., Зарянкин А. Б. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. – М. : Энергия, 1970.

7. Довжик С. А., Картавенко В. М. Экспериментальные исследования влияния закрутки потока на эффективность кольцевых каналов и выходных патрубков осевых турбомашин // Промышленная аэродинамика. – Вып. 31. – М. : Машиностроение, 1966.

8. Идельчик И. В. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М. : Машиностроение, 1975.

9. Чебышева К. В., Соломахова Т. С. Влияние входных элементов центробежных вентиляторов на их аэродинамические характеристики // Промышленная аэродинамика. – Вып. 31. – М. : Машиностроение, 1974.

Вторую часть статьи читайте в следующем номере журнала «АВОК»