Реверсирование течения в осевых вентиляторах

В. Г. Караджи, канд. техн. наук, директор НИЦ ООО «ИННОВЕНТ», info@innovent.ru

Ю. Г. Московко, заместитель директора НИЦ ООО «ИННОВЕНТ»

Нормальным, или прямым считается преимущественное по времени течение, а реверсивным течением – обратное. Характеристикой реверсивности вентилятора является степень реверсивности R – отношение производительностей реверсивного и нормального течения при работе вентилятора на одну и ту же сеть. Реверсирование может быть аварийным (кратковременным) режимом, а может быть таким же стандартным, как и нормальный режим работы вентилятора. В первом случае вентилятор должен иметь большой КПД при нормальном течении, а при аварийном реверсивном режиме обеспечивать заданный минимальный расход (R = 50…60%) в пределах располагаемой мощности электродвигателя. Во втором случае вентилятор должен иметь высокую эффективность и примерно одинаковые производительности при нормальном/реверсивном режимах работы (R = 80…90%). Соответственно, требования к реверсивности вентилятора влияют на его конструктивное исполнение.

Схема течения при нормальном и реверсивном режимах в осевом вентиляторе с цилиндрическим корпусом, состоящим из колеса (схема К), приведена на рис. 1а, а вентилятора со спрямляющим аппаратом (схема К + СА) – на рис. 1б.

Рисунок 1. Осевые вентиляторы схемы: а) К; б) К + СА; в) вентилятор схемы К с конструктивно симметричной проточной частью; Н – нормальное течение; Р – реверсивное течение

Введем некоторые понятия, характеризующие реверсивные свойства осевых вентиляторов:

• аэродинамически симметричное колесо (АСК) – колесо, аэродинамические характеристики которого при нормальном и реверсивном течении одинаковы;
• конструктивно симметричный вентилятор (КСВ) – вентилятор, который имеет конструктивную симметрию проточной части корпуса (включая электродвигатель, стойки крепления и т.д.) относительно плоскости вращения колеса;
• аэродинамически симметричный вентилятор (АСВ) – вентилятор, аэродинамические характеристики которого при нормальном и реверсивном течении одинаковы (составляющие АСВ: аэродинамически симметричное колесо и конструктивно симметричный вентилятор).

Обычные осевые вентиляторы общепромышленного исполнения не являются конструктивно симметричными относительно плоскости вращения колеса. В вентиляторах схемы К имеют место следующие отличия реверсивного течения от нормального:

• поток натекает на электродвигатель, стойки крепления электродвигателя, затем обтекает втулку, имеющую острую кромку;
• сохраняется закрутка потока на выходе из колеса.

В вентиляторах схемы К + СА при реверсивном течении к перечисленным выше добавляется влияние спрямляющего аппарата.

Схема КСВ приведена на рис. 1в. Конструктивной симметрией в большей или меньшей степени обладают струйные туннельные реверсивные вентиляторы, которые работают без сети воздуховодов, а на входе и выходе имеют входные коллекторы.

АСВ с цилиндрическим корпусом имеют одинаковые аэродинамические характеристики при нормальном и реверсивном режимах и, следовательно, степень реверсивности R = 100% при любых режимах работы. Положение несколько осложняется, если вентилятор используется на нагнетание (стоит на входе в вентиляционную систему) или на всасывание (в конце вентиляционной системы). Во втором случае для обеспечения нормальных условий входа при реверсировании течения он должен иметь входной коллектор. В обоих случаях наличие коллектора приводит к тому, что с точки зрения аэродинамики вентилятор работает на разные сети. При нормальном течении и реверсировании в сети имеют место разные аэродинамические потери из-за различия в условиях входа/выхода потока. Поэтому производительность АСВ в таких сетях, строго говоря, не будет одинаковой при нормальном течении и реверсировании.

Способы реверсирования течения

Способы реверсирования течения в осевых вентиляторах схемы К + СА схематично приведены на рис. 2 (схема К является частным случаем).

Рисунок 2 (подробнее) Способы реверсирования течения в осевых вентиляторах схемы К + СА

Cпособ I – реверсирование течения поворотом лопаток колеса на угол 180° с одновременным изменением направления вращения. При повороте лопаток колесо приобретает аэродинамическую симметрию. Если вентилятор состоит из одного колеса (схема К) и является КС, то вентилятор будет иметь на всех режимах степень реверсивности R = 100%. Это наиболее эффективный способ, так как лопатки при реверсировании работают абсолютно в таких же условиях, как и при нормальном течении.

Cпособ II – реверсирование изменением направления вращения без поворота лопаток колеса. Это наиболее простой и поэтому наиболее часто используемый способ реверсирования.

Cпособ III – реверсирование поворотом лопаток колеса на угол 180° – 2·θ_к (θ_к – угол установки лопаток колеса) без изменения направления вращения. В этом случае при повороте лопаток закон изменения углов установки профилей лопаток по радиусу противоположный тому, который имеет место при нормальном течении, то есть лопатки имеют обратную крутку. Из-за этого периферийные сечения лопаток обтекаются под большими углами атаки, что наряду с обтеканием острых (задних) кромок лопаток приводит к большим потерям и ухудшению аэродинамических характеристик вентилятора при реверсировании.

Во всех случаях кроме отмеченных потерь имеют место потери из-за неоптимальной формы лопаток СА, поэтому при реверсировании течения лопатки СА должны быть повернуты в реверсивное положение.

Реверсирование способом I используется в основном в специальных вентиляторах, потребляющих большую мощность, где реверсирование течения является равноправным, а не аварийным режимом (например, шахтные вентиляторы). Несмотря на конструктивную сложность этого способа реверсирования, его достоинствами являются высокая эффективность и возможность создавать высоконагруженные реверсивные вентиляторы (ψ ≥ 0,3).

Реверсирование способом II и III в основном используется в вентиляторах, когда реверсирование является аварийным режимом. Наибольший интерес представляет II способ, так как для реверсирования течения достаточно только изменить направление вращения колеса. В последнее время благодаря простоте исполнения этот способ находит широкое применение в специальных вентиляторах, например, для проветривания туннелей метрополитенов, где реверсивный режим не является аварийным. Однако этот способ реверсирования обладает существенным недостатком – малой эффективностью, если вентилятор изначально не является реверсивным, то есть если в нем использованы не реверсивные лопатки.

В настоящей статье рассмотрены особенности реверсирования способом II и возможности улучшения реверсивных свойств общепромышленных вентиляторов за счет использования специальных лопаток.

Вентиляторы схемы К

Степень реверсивности вентилятора зависит от прогиба лопаток, (изгиба средней линии профилей), и чем более аэродинамически нагружен вентилятор, тем хуже его реверсивные характеристики. Степень реверсивности нереверсивного слабонагруженного вентилятора (ψ ≤ 0,15), как правило, не превышает 60…65%.

Причина столь низкой эффективности реверсивного режима в следующем: при противоположном направлении вращения лопатки колеса образуют конфузорные каналы, при этом кривизна профилей обратна той, которая необходима для поворота потока в решетке. На передних кромках лопаток из-за больших углов атаки происходит срыв потока, что приводит к резкому ухудшению аэродинамических характеристик вентилятора.

Единственным способом улучшения реверсивных характеристик вентилятора является использование специальных, реверсивных лопаток. Однако при улучшении реверсивных свойств вентилятора за счет изменения формы лопаток неизбежно ухудшаются характеристики нормального течения. Реверсивные свойства вентилятора могут быть улучшены за счет использования лопаток с уменьшенным прогибом [1]. В слабонагруженных вентиляторах, имеющих такие лопатки, может быть получена степень реверсивности до 90% при незначительном уменьшении максимального полного КПД при нормальном течении. Известны также упрощенные вентиляторы с лопатками, вообще не имеющими прогиба. Колесо с такими лопатками является аэродинамически симметричным, степень реверсивности вентилятора 100%. В качестве примера можно привести вентилятор ОВР‑1 (разработка 1938 года) с некручеными лопатками, имеющими симметричный чечевицеобразный профиль [2]. Степень реверсивности вентилятора на всех режимах R = 100%, но максимальный полный КПД не превышает η = 46%. Удивительно, но ряд западных фирм выпускает аналогичные вентиляторы и в настоящее время!

Эффект от использования реверсивных лопаток продемонстрируем на примере двух слабонапорных вентиляторов ОВ‑268 и ОВ‑268S (работа проведена в ф. ЦАГИ в 1990–1993 годах). Вентиляторы имели одни и те же расчетные параметры, соответствующие так называемым струйным осевым вентиляторам [3]. Особенностью струйных вентиляторов является то, что из-за наличия диффузора рабочий режим лежит ниже кривой динамического давления ψ_d вентилятора. Вентилятор ОВ‑268 имел лопатками с уменьшенным прогибом, его безразмерные¹ аэродинамические характеристики при нормальном и реверсивном режиме приведены на рис. 3. Здесь же, на рис. 3, нанесена характеристика сети, проходящей через расчетный режим, и кривая динамического давления ψ_d. Максимальный полный КПД вентилятора составляет η_max = 0,77, что примерно на 5% меньше, чем максимальный полный КПД нереверсивного вентилятора с аналогичными параметрами [1]. Однако за счет использования лопаток с уменьшенным прогибом степень реверсивности вентилятора при всех углах установки составляет примерно 92%, а максимальный полный КПД при реверсировании η_max = 0,65. Следует также отметить, что потребляемая при реверсировании течения мощность не превышает мощность при нормальном течении.

Рисунок 3. Аэродинамические характеристики вентилятора ОВ-268 при нормальном течении и реверсировании

Известен способ получения реверсивного вентилятора за счет специальной установки лопаток колеса [4]. Если лопатки колеса поворотные и их количество четное, то за счет различной установки лопаток может быть получена гамма колес с различными аэродинамическими характеристиками. Лопатки могут быть установлены в стандартном положении, то есть все носиками вперед, в этом случае колесо будет иметь максимальную эффективность при нормальном течении, но плохие реверсивные характеристики. При поочередной установке лопаток под одинаковыми углами то носиками, то хвостиками вперед колесо становится аэродинамически симметричным. Вентилятор ОВ-268 с АС колесом имеет степень реверсивности R = 100 % и максимальный полный КПД η_max = 0,71² в обоих режимах работы.

В настоящее время на российском рынке в сегменте вентиляторов для сушки древесины представлены отечественные простейшие реверсивные вентиляторы, выполненные за счет использования сдвоенного колеса, состоящего из двух штампованных колес противоположного вращения, лопатки которых образованы за счет излома входной/выходной кромок. Вентиляторы обладают малой эффективностью, так как имеют упрощенные лопатки, «прозрачные» втулки и, кроме этого, используются без входного/выходного коллекторов.

В последние годы на мировом рынке появились осевые реверсивные вентиляторы с лопатками, имеющими специальные S‑образные профили (FlaktWoods, Witt and Sohn, TLT-turbo, Multi-wings и т.д.). Если S‑образный профиль имеет одинаковые, но противоположного знака конструктивные углы входа и выхода (рис. 4а), то такой профиль, а также колесо с лопатками, имеющими такие профили, являются аэродинамически симметричными. Как правило, фирмы для каждого вентилятора приводят только по одной аэродинамической характеристике, утверждая, что при реверсивном и нормальном режимах характеристики вентиляторов одинаковы. Необходимо понимать, что это может соответствовать действительности только для АСВ.

Оригинальной идеей являются использование аэродинамически несимметричных S‑образных профилей [4], то есть профилей, у которых конструктивный угол входа больше по абсолютной величине, чем угол выхода, а точка С расположена ближе к выходной кромке (рис. 4б). В отличие от АС S‑образных профилей, при использовании лопаток с несимметричными профилями появляется возможность получать колеса с различными реверсивными свойствами, включая АСК.

Рисунок 4. S- образные профили: а) аэродинамически симметричный; б) несимметричный

Аэродинамические характеристики вентилятора ОВ‑287S с лопатками, имеющими несимметричные S‑образные профили, приведены на рис. 5. Максимальный полный КПД вентилятора при нормальном течении составляет η_max = 0,79. Степень реверсивности вентилятора 92%, а максимальный полный КПД при реверсировании также довольно большой и составляет η_max = 0,71.

Рисунок 5. Аэродинамические характеристики вентилятора ОВ-268S при нормальном течении и реверсировании

Аэродинамические характеристики АС вентилятора с АС колесом приведены на рис. 6. Вентилятор имеет степень реверсивности R = 100% и максимальный полный КПД η_max = 0,74 в обоих режимах работы.

Высокоэффективные вентиляторы с лопатками, имеющими несимметричные S‑образные профили, выпускались в 2002–2008 годах на предприятии «ИННОВЕНТ». Следует еще раз отметить, что столь высокие реверсивные свойства могут быть получены только в слабонапорных вентиляторах.

Рисунок 6. Аэродинамические характеристики АС вентилятора ОВ-268S при нормальном течении и реверсировании

Вентиляторы схемы К + СА

При коэффициентах давления ψ > 0,15 для уменьшения потерь, связанных с закруткой потока за колесом, используется спрямляющий аппарат. При реверсировании течения спрямляющий аппарат становится входным направляющим аппаратом (ВНА). Если лопатки СА не поворотные, то они создают подкрутку потока по направлению вращения, что наряду с дополнительными потерями в СА значительно уменьшает давление вентилятора. Если вентилятор имеет нереверсивные лопатки колеса и неповоротные лопатки СА, то для предварительной оценки можно принять, что степень реверсивности средненагруженного вентилятора (ψ = 0,2…0,3) будет не более 20…30%.

Для улучшения реверсивных свойств вентилятора лопатки колеса должны быть реверсивными (с уменьшенным прогибом либо с S‑образными профилями), а лопатки СА должны быть повернуты соответствующим образом (см. рис. 1). Угол установки лопаток СА θ_ВНА в реверсивное положение определяется экспериментально, исходя из получения максимально возможного давления вентилятора в пределах располагаемой мощности электродвигателя.

В качестве примера на рис. 7 приведены аэродинамические характеристики высоконагруженного реверсивного вентилятора ОВ‑220, имеющего лопатки с уменьшенной кривизной и поворотные лопатки СА при нормальном течении и реверсировании [5]. Вентилятор имеет достаточно высокий максимальный полный КПД при нормальном течении η_max = 0,82. Степень реверсивности вентилятора R = 74%, а максимальный полный КПД при реверсировании η_max = 0,33. Для сравнения: вентилятор ОВ‑215, рассчитанный на те же параметры, но с нереверсивными лопатками, при нормальном течении имеет максимальный полный КПД η_max = 0,85, но степень реверсивности R = 52% (θ_ВНА = 90°).

Надеемся, что данная статья поможет заинтересованному читателю в дальнейшем разбираться в многообразии реверсивных вентиляторов и, главное, определять, соответствуют ли рекламные материалы конструктивному исполнению вентилятора.

Рисунок 7. Аэродинамические характеристики вентилятора ОВ-220 при нормальном течении и реверсировании (θВНА = 90°)

Литература

1. Брусиловский И.В. Аэродинамика и акустика осевых вентиляторов // Труды ЦАГИ. – 2004. – Вып. 2650.
2. Брусиловский И.В. Аэродинамические схемы и характеристики осевых вентиляторов ЦАГИ. М. : Недра, 1978.
3. Московко Ю.Г. Использование несимметричных S‑образных профилей в осевых реверсивных вентиляторах // Компрессорная техника и пневматика. – 2011. – № 3.
4. Karadgy V., Moscovko Y., Brussilovski J., Popova L., Patterson V. Bidirectional Fan having Asymmetric, Reversible Blades. USA Patent N 6, 116, 856. Date of Patent: September, 12, 2000.
5. Московко Ю.Г. Разработка и исследование аэродинамических схем реверсивных регулируемых осевых вентиляторов // Промышленная аэродинамика. М. : Машиностроение, 1991. Вып. 34.

¹ Безразмерные параметры: φ = Q/Fu – коэффициент производительности вентилятора; ψ = 2p_v/(ρu²) – коэффициент полного давления; η = p_v Q/N – полный КПД вентилятора; λ = 2N/(ρ Fu³) – коэффициент потребляемой мощности. Здесь Q –производительность вентилятора, м³/с; p_v – полное давление вентилятора, Па; N –потребляемая мощность, Вт; F = πD²/4 – площадь, ометаемая колесом вентилятора, м²; u = πDn/60 – окружная скорость конца лопаток, м/с; n – частота вращения колеса вентилятора, об/мин; D – диаметр колеса, м; ρ – плотность перемещаемого воздуха, кг/м³.

² Максимальный полный КПД рассматривается только левее режима, лежащего на кривой сети.