Конструкция осевого вентилятора

редактировать

Осевой вентилятор - это тип вентилятора, который заставляет газ проходить через него в осевом направлении, параллельно валу, вокруг которого вращаются лопасти. На входе и выходе поток осевой. Вентилятор предназначен для создания разности давлений и, следовательно, силы, чтобы вызвать поток через вентилятор. Факторы, определяющие производительность вентилятора, включают количество и форму лопастей. Вентиляторы находят множество применений, в том числе в аэродинамических трубах и градирнях. Конструктивные параметры включают мощность, расход, рост давления и эффективность.

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

Содержание

1 Расчет параметров
- 1.1 Теория скользящего потока
- 1.2 Теория лопастных элементов
2 Рабочие характеристики
3 Причины нестабильного потока
- 3.1 Эффект срыва / срыв
  - 3.1.1 Частотные приводы не подходят для некоторых осевых вентиляторов
- 3.2 Пульсирующий эффект / Бросок
- 3.3 Бросок в системе
- 3.4 Бросок вентилятора
- 3.5 Параллельное соединение
4 Способы предотвращения нестабильного потока
5 См. Также
6 Примечания
7 Ссылки

Расчет параметров

Так как расчет не может быть выполнен с использованием треугольников скорости на входе и выходе , чего нет в других турбомашины, расчет выполняется с учетом среднего треугольника скоростей для потока только через бесконечно малый элемент лопатки. Лезвие разделено на множество мелких элементов и для каждого элемента отдельно определяются различные параметры. Существуют две теории, которые решают параметры для осевых вентиляторов:

Теория скользящего потока
Теория лопаточного элемента

Теория скользящего потока

Изменение давления и скорости потока через диск пропеллера.

В На рисунке предполагается, что толщина диска гребного винта незначительна. Показана граница между жидкостью в движении и жидкостью в состоянии покоя. Следовательно, предполагается, что поток имеет место в воображаемом сходящемся канале, где:

D = Диаметр диска гребного винта.
Ds= Диаметр на выходе.

Параметры на −∞ и + ∞ и их соотношение
Параметр	Давление	Плотность	Скорость	Застой энтальпия	Энтальпия
−∞	Pa	ρa	Cu(скорость на входе)	hou	hu
+ ∞	Pa	ρa	Cs(скорость скользящего потока)	hod	hd
Соотношение	Равно	Равно	Не равно	Неравно	Равно
Комментарии	Давление будет атмосферным как на −∞, так и на + ∞	Плотность будет одинаковой как на −∞, так и на + ∞	Скорость изменится из-за потока через предполагаемый сходящийся канал	Энтальпия застоя будет разной при −∞ и + ∞	Энтальпия будет одинаковой при −∞ и + ∞, поскольку она зависит от атмосферных условий, которые будут одинаковыми

На рисунке, на диске пропеллера скорости (C 1 и C 2) не могут резко измениться на диске пропеллера a s, которые создадут ударную волну, но вентилятор создаст разницу давления на диске пропеллера.

C 1 = C 2 = C {\ displaystyle C_ {\ rm {1}} = C _ {\ rm {2}} = C}

C _ {\ rm 1} = C _ {\ rm 2} = C

P 1 ≠ P 2 {\ displaystyle P _ {\ rm {1}} \ neq P _ {\ rm {2}}}

P _ {\ rm 1} \ ne P _ {\ rm 2}

Площадь диска гребного винта диаметром D составляет:

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

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

массовый расход через пропеллер :

м ˙ = ρ AC {\ displaystyle {\ dot {m}} = {\ rho AC}}

\ dot m = {\ rho AC}

Поскольку тяга - это изменение массы, умноженное на скорость массового потока, то есть изменение количества движения, осевое усилие на диске гребного винта из-за изменения количества движения воздуха, то есть:

F x = m ˙ (C s - C u) = ρ AC (C s - C u) {\ displaystyle F _ {\ rm {x}} = {\ dot { m}} {(C _ {\ rm {s}} - C _ {\ rm {u}})} = {\ rho AC} {(C _ {\ rm {s}} - C _ {\ rm {u}}) }}

F _ {\ rm x} = {\ dot m} {(C _ {\ rm s} - C _ {\ rm u})} = {\ rho AC} {(C _ {\ rm s} - C _ {\ rm u})}

Применение принципа Бернулли до и после:

P a + 1 2 ρ C u 2 = P 1 + 1 2 ρ C 2 P a + 1 2 ρ C s 2 = P 2 + 1 2 ρ С 2 {\ displaystyle {\ begin {align} 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 {align}}}

\ begin {align} 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 {align}

При вычитании приведенных выше уравнений:

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

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 давлений. Осевое усилие из-за разницы давления получается равным:

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

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 силой из-за изменения количества движения воздушного потока, обнаруживается, что:

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

C = \ frac {C_s + C_u} {2}

A параметр 'a' определяется таким образом, что -

C = (1 + a) C u {\ displaystyle C = (1 + a) C_ {u}}

C = ( 1 + a) C_u

где

a = CC u - 1 {\ displaystyle a = {\ frac {C} {C_ {u}}} - 1}

a = \ frac {C} {C_u} - 1

Используя предыдущее уравнение и " a ", выражение для C s получается так:

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

C_s = (1 + 2 a) C_u

Расчет изменения удельного торможения энтальпии на диске:

Δ ho = Δ hod - Δ hou = (hd + 1 2 C s 2) - (hu + 1 2 C u 2) = 1 2 (C s 2 - C u 2) {\ displaystyle \ Delta h_ {o} = \ Delta h_ {o} d- \ Delta h_ {o} u = \ 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) }

\ Delta h_ {o} = \ Delta h_ {o} d- \ Delta h_ {o} u = \ 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)

Итак, идеальное значение мощности, подаваемой на гребной винт = массовый расход * изменение застоя энтальпия ;

P i = m ˙ Δ ho {\ displaystyle P_ {i} = {\ dot {m}} {\ Delta h_ {o}}}

P_i = \ dot m {\ Delta h_o}

где

m ˙ = ρ AC {\ displaystyle {\ dot {m}} = \ rho AC}

\ dot m = \ rho AC

Если винт использовался для приведения в движение самолета со скоростью = C u ; тогда полезная мощность = осевое усилие * скорость самолета;

P = F x C u {\ displaystyle P = F_ {x} C_ {u}}

P = F_x C_u

Следовательно, выражение для КПД выглядит следующим образом:

η p = Фактическая мощность (P) Идеальная мощность (P i) = F x C u 1 2 ρ AC (C s 2 - C u 2) = C u C = 1 1 + a {\ displaystyle \ eta _ {p} = {\ frac {{\ text {Фактическая мощность}} (P)} {{\ text {Идеальная мощность}} (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}}}

\ eta_p = \ frac {\ text {Фактическая мощность} (P)} {\ text {Идеальная мощность} (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 ;
$C π D 2 4 = C s π D s 2 4 ⇒ D s 2 = CC s D 2 {\ displaystyle {\ begin {align} C {\ frac {\ pi D ^ { 2}} {4}} = C_ {s} {\ frac {\ pi D_ {s} ^ {2}} {4}} \\\ Стрелка вправо D_ {s} ^ {2} = {\ frac { C} {C_ {s}}} D ^ {2} \ end {align}}}$ $\ begin {align} C \ frac {\ pi D ^ 2} {4} = C_s \ frac {\ pi D_s ^ 2} {4} \\ \ Rightarrow D_s ^ 2 = \ frac {C} {C_s} D ^ 2 \ end {align}$
Из приведенных выше уравнений известно, что -
$C s = 1 + 2 a 1 + a C {\ displaystyle C_ {s} = {\ frac {1 + 2a} {1 + a}} C}$ $C_s = \ frac {1 + 2a} {1 + a} C$

Следовательно;

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

D_s ^ 2 = \ left (\ frac {1 + a} {1 + 2a } \ right) D ^ 2

Следовательно, поток может быть смоделирован, если воздух проходит через воображаемый расходящийся воздуховод, где диаметр и диаметр выходного отверстия связаны.

Теория лопастных элементов

Длинная лопасть винтового вентилятора с различным сечением лопастей.

В этой теории небольшой элемент (dr) берется на расстоянии r от корня лезвие и все силы, действующие на элемент, анализируются, чтобы получить решение. Предполагается, что поток через каждый участок малой радиальной толщины dr считается независимым от потока через другие элементы.

На рисунке показаны скорости и усилия лопастей для Поток через элемент dr, где w - средняя скорость в направлении β от осевого направления. ΔL = подъемная сила (перпендикулярно w) и ΔD = сила сопротивления (параллельная w). Осевые и тангенциальные силы равны ΔFx и ΔFy соответственно, а результирующая сила ΔFr находится под углом Φ к подъемной силе.

Разрешающие силы на рисунке -

Δ F x = Δ L sin ⁡ (β) - Δ D соз ⁡ (β) {\ Displaystyle \ Delta F_ {x} = \ Delta L \ sin (\ beta) - \ Delta D \ cos (\ beta)}

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

Δ F y = Δ L cos ⁡ (β) + Δ D грех ⁡ (β) {\ displaystyle \ Delta F_ {y} = \ Delta L \ cos (\ beta) + \ Delta D \ sin (\ beta)}

{\ disp Laystyle \ Delta F_ {y} = \ Delta L \ cos (\ beta) + \ Delta D \ sin (\ beta)}

коэффициент подъемной силы (CL) и Коэффициент сопротивления (CD) задается как -

L ift (Δ L) = 1 2 CL ρ w 2 (ldr) {\ displaystyle \ mathrm {Lift} (\ Delta L) = {\ frac {1} { 2}} C_ {L} \ rho w ^ {2} (ldr)}

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

D rag (Δ D) = 1 2 CD ρ w 2 (ldr) {\ displaystyle \ mathrm {Drag} (\ Delta D) = {\ frac {1} {2}} C_ {D} \ rho w ^ {2} (ldr)}

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

Также из рисунка -

tan ⁡ (ϕ) = Δ D Δ L = CDCL { \ displaystyle \ tan (\ phi) = {\ frac {\ Delta D} {\ Delta L}} = {\ frac {C_ {D}} {C_ {L}}}}

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

Итак,

Δ F x = Δ L (sin ⁡ β - Δ D Δ L cos ⁡ β) = Δ L (sin ⁡ β - tan ⁡ ϕ cos ⁡ β) = 1 2 CL ρ w 2 ldr sin ⁡ (β - ϕ) cos ⁡ ϕ { \ 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}} }

{\ 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}}}

Нет. лопастей (z) и интервалов (s) связаны следующим образом: $s = 2 π rz {\ displaystyle s = {\ frac {2 \ pi r} {z}}}$ $s = \ frac {2 \ pi r} {z}$ и общее тяга элементарной части винта составляет zΔF x.

Следовательно,

Δ p (2 π rdr) = z Δ F x {\ displaystyle \ Delta p (2 \ pi rdr) = z \ Delta F_ {x}}

\ Delta p (2 \ pi rdr) = z \ Delta F_x

⇒ Δ p = 1 2 CL ρ w 2 (ls) sin ⁡ (β - ϕ) cos ⁡ ϕ = 1 2 CD ρ w 2 (ls) sin ⁡ (β - ϕ) sin ⁡ ϕ {\ displaystyle \ Rightarrow \ Delta p = {\ frac {1} {2}} C_ {L} \ rho w ^ {2} ({\ frac {l} {s}}) {\ frac {\ sin (\ бета - \ phi)} {\ cos \ phi}} = {\ frac {1} {2}} C_ {D} \ rho w ^ {2} ({\ frac {l} {s}}) {\ frac {\ sin (\ beta - \ phi)} {\ sin \ phi}}}

\ 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, решение для ΔF y, ΔF y оказывается -

Δ F Y знак равно 1 2 CL ρ вес 2 ldr соз ⁡ (β - ϕ) соз ⁡ ϕ {\ displaystyle \ Delta F_ {y} = {\ frac {1} {2}} C_ {L} \ rho w ^ {2} ldr {\ frac {\ cos (\ beta - \ phi)} {\ cos \ phi}}}

\ Delta F_y = \ frac {1} {2} C_L \ rho w ^ 2 ldr \ frac {\ cos (\ beta - \ phi)} {\ cos \ phi}

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

Наконец, тяга и крутящий момент могут быть найдены для элементарного сечения, поскольку они пропорциональны F x и F y соответственно.

Рабочие характеристики

На этом рисунке показана кривая производительности для вентилятора с осевым потоком.

Связь между изменением давления и объемным расходом является важной характеристикой вентиляторов. Типичные характеристики осевых вентиляторов можно изучить с помощью кривых характеристик. График производительности осевого вентилятора показан на рисунке. (Вертикальная линия, соединяющая точку максимальной эффективности, проведена, которая соответствует кривой Давление в точке «S») Из кривой можно вывести следующее -

В качестве расхода увеличивается от нуля, КПД увеличивается до определенного значения, достигает максимального значения, а затем уменьшается.
Выходная мощность вентиляторов увеличивается с почти постоянным положительным наклоном.
Колебания давления наблюдаются при малых расходах и при расходах (обозначенных точкой "S") давление падает.
Колебания давления слева от точки "S" вызывают неустойчивый поток, который возникает из-за двух эффектов: срыва и

Причины нестабильного потока

Остановка и помпаж влияют на производительность вентилятора , лопастей, а также на производительность и поэтому являются нежелательными. Они возникают из-за неправильной конструкции, физических свойств вентилятора и обычно сопровождаются шумом.

Эффект срыва / срыв

Причиной этого является отрыв потока от поверхностей лопастей. Этот эффект можно объяснить обтеканием воздушной фольги. Когда угол падения увеличивается (во время потока с низкой скоростью) на входе в воздушную фольгу, картина потока изменяется и происходит отрыв. Это первая стадия срыва, и через эту точку отрыва поток отделяется, что приводит к образованию вихрей, обратного потока в отрывной области. Для дальнейшего объяснения опрокидывания и вращающегося опрокидывания см. помпаж компрессора. Зона остановки для одиночного осевого вентилятора и осевых вентиляторов, работающих параллельно, показаны на рисунке.

На рисунке по-разному показаны зоны сваливания для одного вентилятора и двух вентиляторов, подключенных параллельно.

Из представленных данных можно сделать следующие выводы. график:

Для вентиляторов, работающих параллельно, производительность ниже по сравнению с отдельными вентиляторами.
Вентиляторы должны работать в безопасной рабочей зоне, чтобы избежать эффекта остановки.

ЧРП не подходят для некоторых осевых вентиляторов

Многие отказы осевых вентиляторов произошли после того, как осевые вентиляторы с управляемыми лопастями были заблокированы в фиксированном положении и были установлены преобразователи частоты (ЧРП). Частотные приводы не подходят для некоторых осевых вентиляторов. Осевые вентиляторы с тяжелыми участками нестабильности не должны работать при углах лопастей, скоростях вращения, массовых расходах и давлениях, которые приводят к остановке вентилятора.

Эффект помпажа / помпаж

Помпаж не должен путать с задержкой. Остановка происходит только при недостаточном количестве воздуха, поступающего в лопасти вентилятора, что приводит к отрыву потока на поверхности лопастей. Помпаж или нестабильный поток, вызывающий полную поломку вентиляторов, в основном обусловлен тремя факторами:

Помпаж системы
Помпаж вентилятора
Параллельное подключение

Помпаж системы

Эта ситуация возникает, когда кривая сопротивления системы и кривая статического давления вентилятора пересекаются, имеют одинаковый наклон или параллельны друг другу. Вместо того, чтобы пересекаться в определенной точке, кривые пересекаются над определенным всплеском системы отчетности региона. Эти характеристики не наблюдаются в осевых вентиляторах.

помпаж вентилятора

Эта нестабильная работа является результатом развития градиентов давления в обратном направлении потока. Максимальное давление наблюдается на выходе лопасти рабочего колеса , а минимальное - на стороне, противоположной стороне нагнетания. Когда лопасти крыльчатки не вращаются, эти неблагоприятные градиенты давления перекачивают поток в направлении, противоположном направлению вращения вентилятора. В результате колебания лопастей вентилятора создают вибрации и, следовательно, шум.

Параллельное соединение

. Этот эффект наблюдается только в случае использования нескольких вентиляторов. Производительность вентиляторов сравнивается и они подключаются к одному и тому же выходу или одинаковым входным условиям. Это вызывает шум, в частности, называемый биением в случае параллельного включения вентиляторов. Чтобы избежать биений, используются различные входные условия, различия в скорости вращения вентиляторов и т. Д.

Методы предотвращения нестабильного потока

Путем разработки лопастей вентилятора с правильным отношением ступицы к наконечнику и анализа производительности по количеству лопастей, чтобы поток не разделялся на поверхности лопасти, эти эффекты можно уменьшить.. Некоторые из методов преодоления этих эффектов - это рециркуляция избыточного воздуха через вентилятор, осевые вентиляторы - это устройства с высокой удельной скоростью, работающие с ними с высокой эффективностью, и для минимизации эффектов они должны работать с низкой скорости. Для управления и направления потока рекомендуется использовать направляющие лопатки. Турбулентные потоки на входе и выходе вентиляторов вызывают срыв, поэтому поток должен быть ламинарным путем введения статора для предотвращения этого эффекта.

См. Также

Примечания

Ссылки