книги из ГПНТБ / Ушаков, Константин Андреевич. Аэродинамика осевых вентиляторов и элементы их конструкций

К. А. УШАКОВ, И. В. БРУСИЛОВСКИИ, А. Р. БУШЕЛЬ

АЭРОДИНАМИКА

ОСЕВЫХ

ВЕНТИЛЯТОРОВ

И ЭЛЕМЕНТЫ

ИХ КОНСТРУКЦИЙ

Под редакцией проф. К. А. УШАКОВА

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ

Москва I960

ПРЕДИСЛОВИЕ

За последние годы осевые вентиляторы благодаря их высо­ кой экономичности и возможности глубокого регулирования

давления и производительности получили широкое распростра­ нение не только в угольной и горнорудной промышленности, но и в других областях народного хозяйства СССР и зарубежных стран.

В связи с этим возрос интерес к литературе, касающейся этих машин в отношении физических основ их рабочего про­ цесса и метода расчета.

Вместе с тем отечественная литература по осевым вентиля­ торам исчерпывается немногими работами, вышедшими в три­ дцатых годах и освещающими указанные общие вопросы на

уровне того времени, или позднейшими работами, но посвящен­ ными более частным вопросам.

Существовавшая в сороковых годах методика аэродинамиче­ ского расчета осевых вентиляторов явилась основой для расчета осевых компрессоров и осуществлявшихся в то время первых об­ разцов реактивных двигателей. В последующие годы бурное раз­

витие компрессоростроения оказало большое влияние на методы аэродинамического расчета осевых вентиляторов. Появилась довольно обширная отечественная и зарубежная литература по осевым компрессорам. Однако она не восполнила и не могла

восполнить отсутствия общей литературы по осевым вентилято­ рам, которое остро ощущается широким кругом специалистов

в различных отраслях промышленности.

Исходя из сказанного, авторы поставили перед собой задачу

в какой-то мере исправить положение и написать книгу, в кото­ рой были бы изложены на современном уровне общие вопросы теории осевых вентиляторов как одного из видов лопаточных машин, освещен с физической стороны их рабочий процесс и дан метод их аэродинамического расчета, использующий ре­ зультаты исследований последних лет.

Авторы сочли полезным во второй части книги дать крити­ ческий обзор существующих конструкций элементов шахтных вентиляторов и вентиляторных установок.

3

ВВЕДЕНИЕ

Машины, используемые для перемещения воздуха или газов,

объединяются под общим названием воздуходувных.

Машины, основным назначением которых является значи­ тельное изменение давления воздуха, носят название компрес­

сорных.

Все воздуходувные и компрессорные машины можно разде­ лить на объемные и лопаточные. Принцип действия первых со­ стоит в периодическом всасывании воздуха из одного простран­

ства в некоторый, заключающийся внутри машины, постепенно увеличивающийся объем и затем в сокращении этого объема,

сопровождающемся выбрасыванием воздуха в другое простран­

ство, с большим давлением, чем начальное.

Существует несколько разновидностей такого рода машин. Поршневые — в них периодическое изменение рабочего объ­ ема происходит за счет возвратно-поступательного движения

поршня в цилиндре.

Ротационные или коловратные, в которых цилиндрический

ротор равномерно и эксцентрично вращается внутри цилиндра статора. Ротор имеет пазы, в которых перемещаются пластинки,

разделяющие пространство между ротором и статором на ряд не сообщающихся между собой камер. При вращении ротора камеры периодически меняют свой объем, что и приводит к тому

же эффекту, что и у поршневой машины.

Шестеренчатые — в них объем рабочих камер практически не меняется, но эти камеры, переносясь по дуге окружности, пе­ риодически сообщаются то с пространством всасывания, то с объемом нагнетания.

Все эти машины являются герметизирующими, т. е. разде­ ляющими области всасывания и нагнетания как во время дви­ жения поршня или ротора, так и во время их покоя.

Принцип действия лопаточных машин совершенно иной. Воз­

действие их рабочих элементов на поток является динамиче­ ским, зависящим от скорости движения воздуха относительно

лопаток. При остановленном роторе это воздействие прекра­

5

щается, области всасывания и нагнетания оказываются сво­ бодно сообщающимися и существование разности давлений ме7 жду этими областями становится невозможным. Таким образом, лопаточные машины, в отличие от объемных, не являются гер­ метизирующими.

Вентиляторы, в частности осевые, которым и будет посвя­ щено дальнейшее изложение, представляют собой один из ви­ дов лопаточных воздуходувных машин.

В связи с тем, что перемещение газов связано с потерями содержащейся в них механической энергии, установившееся движение газов возможно лишь при возмещении извне энергии,

потерянной газом.

Назначением вентилятора и является передача газу воз­ можно большей части той механической энергии, которую он сам получает от двигателя. Отсюда следует, что при установив­ шемся течении воздуха или газа в какой-либо системе трубо­

проводов, будем в дальнейшем называть ее сетью, разность ме­ ханической энергии газа при выходе из вентилятора и при входе в него должна быть равна энергии, затраченной потоком газа на преодоление сопротивлений сети.

Приращение механической энергии газа, протекающего че­ рез рабочее колесо вентилятора, выражается в повышении его

статического давления и скорости, т. е. полного давления. В ре­ зультате при протекании газа вдоль проточной части вентиля­ тора из-за сжимаемости газа изменяется его плотность, а сле­ довательно, и объем.

Для обычных вентиляторов, повышение давления в которых

не превосходит 5—7 % начального, влиянием сжимаемости мо­ жно в большинстве случаев пренебречь и считать плотность

воздуха неизменной, равной во всех сечениях проточной части плотности, соответствующей условиям входа. Для высоконапор­

ных вентиляторов иногда пользуются понятием средней плот­ ности, равной полусумме плотностей при входе в вентилятор и при выходе из него.

Приращение механической энергии 1 м3 воздуха, оценивае­ мое по повышению полного давления в потоке при прохождении его через вентилятор, называют полным давлением вентилятора:

Полные давления могут быть соответственно выражены через статические и динамические давления в этих сечениях:

6

При отсутствии в потоке, входящем в вентилятор и выходя­ щем из него, тангенциальной составляющей скорости

Я=р.2—pi 4-2-(с2а_С2Д

где с2а и с]а— осевые скорости потока.

Если при этом площади входного и выходного сечений вен­ тилятора, а следовательно, и скорости с\а и с2й в этих сечениях равны, то

Н^рг-ръ

т. е. давление, создаваемое вентилятором, равно разности ста­ тических давлений в выходном и входном сечениях.

Повышение полного давления в вентиляторе при отсутствии скорости закручивания за ним равно по абсолютной величине падению полного давления в присоединенной к вентилятору сети. Наиболее общим случаем соединения сети и вентилятора является такой, когда участки сети присоединены и к всасываю­ щему и к выходному отверстиям вентилятора.

В этом случае

Перенеся второй член правой части в левую, получим

с2

н-р^=дявс=яс.

7

Из этого равенства видно, что на преодоление сопротивле­ ния сети в этом случае затрачивается разность между полным давлением вентилятора и динамическим давлением при выходе из него. Эта разность называется статическим давлением вен­ тилятора.

Пусть к осевому вентилятору 1 (рис. 1) присоединены линия всасывания в виде короткой цилиндрической трубы 2 с местным

сопротивлением Д//м (фильтром, калорифером и т. п.) и линия нагнетания в виде столь длинной трубы 3, что потери трения в ней составляют значительную величину.

На том же рисунке даны эпюры распределения вдоль трубо­ провода полных (рис. 1, б) и статических (рис. 1, в) давлений.

Если отсчитывать полное давление от атмосферного, т. е.

принять полное давление в атмосфере за нуль, то кривая пол­

ного давления вначале пойдет по нулевой линии, затем снизится на величину местного сопротивления Д/Ум = Д//вс и на этом уровне подойдет к входу в вентилятор.

При выходе из нагнетательного трубопровода в атмосферу

статическое давление на обрезе этого трубопровода будет равно атмосферному, т. е. нулю. Динамическое давление в том же сечении определится скоростью выхода из трубы, равной в рас­ сматриваемом случае скорости выхода из вентилятора свых. Таким образом, полное давление в выходящем из трубы потоке

будет равно 0 + свых.

По мере приближения к вентилятору из-за наличия потерь трения полное давление в трубе будет возрастать и в выходном сечении вентилятора достигнет величины

Д/7 4- Т- с2

2 свых-

8