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

приближенным.

Работы по исследованию плоских и кольцевых решеток должны позволить рассчитывать потери в венцах на различных

режимах их работы, что вместе с расчетом теоретического дав­ ления на основании формулы (136) должно позволить строить расчетную характеристику осевых вентиляторов.

При некоторых углах атаки в рабочем колесе вентилятора могут происходить связанные с отрывом потока процессы, ве­

дущие к образованию или, явно выраженного максимума на

кривой давления, или даже к разрыву ее, а также кривой мощ­

ности. Режим работы вентилятора, соответствующий этим про­ цессам, пока не поддается определению.

Ниже излагаются некоторые результаты исследований таких ■явлений и способы борьбы с ними.

§ 6. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА НА СРЫВНЫХ РЕЖИМАХ

В зависимости от схемы вентиляторов, угла установки лопа­ ток их рабочих колес, относительного диаметра втулки, харак­ теристики их, т. е. кривые давления, мощности и к. п. д. могут

■иметь различную форму.

Рис. 48. Различные виды кривых давления:

а — монотонная характеристика; б -- характеристика с ма­ ксимумом давления; в — характеристика с разрывом

При малых углах установки лопаток (10—15°) кривые дав­ ления обычно монотонны (кривая а на рис. 48), при увеличении угла установки на них образуется впадина и появляется макси­ мум (кривая б). При еще больших углах происходит разрыв жривой давления (кривая в).

119

Если на характеристике имеется глубокая впадина или раз­

рыв, работа при соответствующих производительностях стано­ вится неустойчивой и, приводит к сильным колебаниям давления

и производительности, которые в некоторых случаях могут вы­

вести машину из строя.

При использовании вентиляторов, имеющих характеристику с разрывом, наименьшая допустимая производительность

обусловливается положением точки разрыва, в то время как наибольшая выбирается из условия обеспечения минимально допустимой величины к. п. д. Это обстоятельство приводит к снижению диапазона расходов, который может быть получен при, данном вентиляторе.

При монотонных характеристиках давления как наибольшая производительность, так и наименьшая определяются наимень­ шим допустимым к. п. д., что, как правило, дает больший диапа­

зон расходов.

В связи со сказанным представляют большой практический интерес выяснение причин, вызывающих разрыв характеристики,

и выработка мер борьбы с этим явлением. Эти задачи тем более актуальны, что большинство осевых вентиляторов эксплуати­

руется при больших углах установки лопаток и что нередки слу­

чаи, когда приходится прибегать к параллельной работе венти­ ляторов (см. гл. IX). Процессы, происходящие в вентиляторе при приближении режима его работы к точке разрыва характери­

стики, весьма сложны и достаточно не изучены. Однако в ре­ зультате ряда отечественных и зарубежных исследований [20], [21], [57] и др. об основных чертах этих процессов уже создалось некоторое представление, что позволяет отчасти объяснить про­ исходящее и в известной степени даже влиять на форму кривой давления, делать ее монотонной или значительно уменьшать глубину впадины на ней.

При дросселировании вентилятора, по мере уменьшения его производительности, углы атаки лопаток рабочего колеса воз­ растают и достигают критических значений, соответствующих

максимуму коэффициента подъемной силы Су. Сначала это обычно происходит у периферийных сечений лопаток под влия­

нием, в частности, накапливающегося здесь под действием цен­ тробежных сил пограничного слоя.

При дальнейшем уменьшении производительности давление, развиваемое концевыми сечениями лопатки, достигнув макси­ мума, начинает снижаться, в то время как в пространстве за колесом давление, определяемое работой остальной, большей, части лопатки, еще возрастает. В результате равновесие на пе­

риферии нарушается и устанавливается обратный ток воздуха из области, нагнетания в область всасывания (рис. 49, зона I). Как показывает опыт, этот обратный ток возникает не по всей окруж­ ности, а лишь в некоторых ее секторах, которые по своему рас­ положению не остаются связанными с определенными лопат-

120

ками, а перемещаются относительно них в направлении, обрат­ ном вращению колеса. Лопатки, не охваченные в данный мо­

мент срывом, продолжают работать с углами атаки, близкими к нормальным, так как в связи с уменьшением расхода в секто­ рах срыва расход через остальную часть ометаемой площади. снижается незначительно и углы атаки не достигают критиче­ ских. В результате уменьшение активной площади колеса при­

водит к тому, что давление, создававшееся, колесом ранее, до

начала срыва, при некоторой производительности, после того как срыв образовался, соответствует меньшей производительности.

При дальнейшем уменьшении произво­ дительности давление, создаваемое вентиля­ тором, снова начинает возрастать, и ветвь кри­ вой, расположенная слева от впадины, име­ ет примерно тот же на­ клон, что правая ветвь.

Основной причиной,

момент обратный поток, пройдя через лопатки в область вса­

сывания, оказывается сильно закрученным.

За счет турбулентного обмена с потоком, текущим ему на­

встречу, он сообщает последнему некоторый импульс момента,

закручивая его в направлении вращения колеса, и тем умень­ шает давление, развиваемое лопатками в зоне, соседней с зоной, занимаемой обратным потоком. В результате эта последняя зона начинает расширяться, что продолжается до наступления неко­ торого равновесия состояния.

По его наступлении в секторах, охваченных срывом, можно

зона активного потока, обеспечивающего расход через присоеди­ ненную к вентилятору сеть.

В случае, если срыв распространяется до самой втулки,

зона /// отсутствует, и расход в сети создается только лопат­ ками, лежащими вне секторов срыва. Обычно это имеет место

у колес с относительно большими диаметрами втулок (d> 0,6). Исходя из того, что основной причиной развития срыва и образования впадины на характеристике вентилятора является наличие большой тангенциальной составляющей скорости обрат­

121

ного потока, К- А. Ушаков и Л. Е. Ольштейн предложили спо­ соб исправления формы кривой давления и соответствующее устройство, получившее название сепаратора.

Принцип этого устройства состоит в том, что обратный по­ ток, возникающий при малой производительности вентилятора

Рис. 50. Характеристика вентилятора с сепаратором и без него

на периферии рабочего колеса, непосредственно по выходе из него встречает на своем пути специальный СА в виде узкого

кольца, примыкающего к кожуху вентилятора. Этот аппаратсепаратор придает прошедшему через него потоку осевое на­ правление. Спрямленный таким образом обратный поток не в состоянии закрутить встречный воздух, притекающий к колесу, и распространения срыва по направлению к втулке уже не про­ исходит— он локализуется в области сепаратора.

Разработке рациональных размеров сепараторов, форм их лопаток и изучению особенностей их работы были посвящены

122

Глава IV

ВЫБОР РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОСЕВЫХ

ВЕНТИЛЯТОРОВ

§ 1. СХЕМА АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА

Для расчета вентилятора обычно бывают заданными произ­ водительность О.(м3/сек), давление (сопротивление сети) И (кг/м2) и скорость вращения п (об/мин), которая может и вы­ бираться.

Аэродинамический расчет преследует цель обеспечить проек­ тирование вентилятора, удовлетворяющего, заданию с наиболь­ шим к. п. д.

Выбрав на основе конструктивных, шумовых и, возможно, каких-либо иных требований величину окружной скороста ко­

леса и, получим безразмерные величины И и Q — ca(1 —d2), по которым удобно вести расчет. Геометрически подобные вентиля­

торы имеют одинаковые значения Н при одинаковых Q с точ­

ностью до влияния Де.

Аэродинамический расчет условно разбивается на две части:

1)выбор расчетных параметров;

2)профилирование.

Под расчетными аэродинамическими параметрами пони­ маются в случае полной схемы одноступенчатого вентилятора НА -(-К СА следующие величины:

— \ ГНа! Гса‘, са,

где т) — к. п. д. вентилятора.

Таким образом, для выбора параметров необходимо опреде­

лить к. п. д. вентилятора. Величины параметров ГНА, ГСА, са

влияют на к. п. д. и выбираются такими, чтобы он был возможно

большим.

124

Выбор са при заданном Q определяет величину d.

Выбрав параметры, можно рассчитать распределение на­

грузки тСж и треугольники скоростей в венцах по радиусу.

После этого приступают к профилированию. Под профили­ рованием понимается определение таких геометрических пара­ метров лопаточных венцов, которые обеспечили бы получение

выбранных аэродинамических параметров. Геометрическими параметрами являются густота решетки т, относительная кри­ визна профиля J и угол установки 0 на каждом радиусе

во всех венцах. Относительная толщина профиля с выбирается, в основном, из конструктивных соображений.

Ниже приведена схема аэродинамического расчета осевого вентилятора.

| с (И, /('"), 00 (г), bz(r) I

2на, гю 2са

Основой аэродинамического расчета осевого вентилятора, как и всех лопаточных машин (компрессоров, насосов, тур­ бин), является вихревая теория гребного винта Н. Е. Жуков­

ные положения вихревой теории, создал в 1936 г. аэродинамиче­

125

ский расчет осевого вентилятора [10] как лопаточной машины, предназначенной для создания определенной разности, давле­

ний.

Аэродинамический расчет осевого вентилятора и компрес­ сора получил свое дальнейшее развитие в работах К. А. Уша­

кова, В. И. Поликовского, К. К- Баулина, Л. А. Симонова, Э. Э. Струве, С. А. Довжика, В. А. Стефановского, Е. Я. Юдина, К. В. Холщевникова и др. и в зарубежных работах Келлера,

Рудена, Вейнига, Эккерта, Экка, Хауэлла, Картера и др.

§ 2. ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА К. П.Д. ВЕНТИЛЯТОРА

Выбор параметров производится таким образом, чтобы обес­ печить получение возможно большего к. п. д. при наименьшем' весе и размерах вентилятора.

данном аэродинамическом качестве лопаточных венцов, ха­

потери возрастают особенно при значениях са, меньших неко­

126

и знать поведение к. п. д. в окрестности саопт.

Параметр п.\ характеризует величину циркуляции в направ­ ляющем аппарате. В случае схемы HA-f-K + CA при закручи­ вании потока перед колесом против направления его вращения (/ii<0) потери в колесе увеличиваются ввиду роста скоростей потока в нем; однако вследствие уменьшения при этом скорости закручивания за колесом уменьшаются циркуляция Геди сред­ няя скорость в СА, а это ведет к уменьшению потерь в нем.

При закручивании по направлению вращения (/ii<0) потери в колесе уменьшаются ввиду уменьшения в нем скоростей по­ тока, а потери в СА увеличиваются как за счет увеличения

циркуляции, так и за счет роста средней скорости. Таким обра­ зом, для схемы HA-j-K + CA должна существовать оптималь­ ная величина циркуляции в направляющем аппарате («10пт)-

Величина ее должна быть, по-видимому, малой и положитель­ ной, так как потери в колесе больше, чем в СА.

Поэтому отыскание оптимальной величины циркуляции в аппа­

рате в этом случае имеет особое значение.

потери в аппарате за счет уменьшения циркуляции и скорости потока и в колесе за счет уменьшения скорости потока. Однако при этом появятся потери за счет остаточной скорости закру­ чивания за колесом. Таким образом, должна существовать оптимальная величина циркуляции в аппарате|/г10ПТ <1,0. При этом «10пт будет отличаться от —1,0 тем существеннее, чем

больше обратное аэродинамическое качество колеса. Отыска­ ние /11 ОпТ имеет значение и с конструктивной точки зрения, так как даст возможность выполнить НА с меньшей суммарной

шириной лопаток, а значит, меньшего веса и осевых размеров.

Параметр п2 характеризует величину циркуляции в СА.

Если принять «2 =#0, т. е. оставить поток за аппаратом частично'

закрученным, появятся потери кинетической энергии остаточ­ ной скорости закручивания, но при этом потери в самом аппа­ рате уменьшатся за счет уменьшения циркуляции. Следова­

тельно, должна иметь место оптимальная величина /г2оптЧем больше обратное аэродинамическое качество аппарата, тем меньшая часть кинетической энергии скорости закручивания потока за колесом должна преобразовываться в статическое

127

анализировано в предположении, что при этом аэродинамиче­ ские качества венцов не изменяются.

Оценка такого допущения сделана в работе [30].

§ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И МАКСИМАЛЬНОГО К. П. Д. ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ

ского значения в смысле обеспечения получения максимального к. п. д.

Однако схемы НА + К+СА находят применение, так как вследствие некоторого уменьшения к. п. д. можно получить в одноступенчатом вентиляторе при п\ <0 большие коэффициен­ ты давления, а также использовать НА для регулирования.

На рис. 51 приведены аэродинамические характеристики вентилятора [23], выполненного по схеме К + СА, а на рис. 52 —

по схеме НА+К + СА. Как видно, при к. п. д., меньшем при­ мерно на 2%, второй вентилятор имеет вдвое больший коэффи­

циент давления.

128