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

т. е. с большей свободой, чем используя сужающуюся по потоку проточную часть.

Внастоящее время не имеется метода теоретического рас­ чета решеток, составленных из профилей с тупыми задними

кромками. По-видимому, разработка такого метода представ­ ляет большие трудности.

Всвязи с этим была предпринята попытка решить эту за­ дачу хотя бы приближенно. Так как дело идет о достаточно

густых решетках, имею­

щих вообще малые углы

отставания и так как по­ нижение диффузорности должно приводить к даль­

нейшему их уменьшению, нами было принято, что отставание потока вообще отсутствует. Иначе говоря, было принято, что направление потока, выходящего из межлопаточного канала,

совпадает с направлением касательной к средней линии ло­ патки у задней кромки.

Форма линий тока определялась тем, что приращение ско­ рости закручивания в канале было принято связанным линейно

с расстоянием х рассматриваемого сечения от входной кромки, измеренным в направлении оси венца. Такая же зависимость была принята и для толщины профиля, измеренной в направ­ лении, параллельном фронту решетки.

Найдем в таких предположениях уравнение оси межлопа­ точного канала, которое по отклонению потока характеризует весь канал в целом. В любой точке этой оси относительная ско­ рость w направлена по касательной к ней и имеет составляю­ щие w„ и

189

dy(и - хси) (1 - kx)

dx cia

Переходя к безразмерным величинам, получим:.

dy (г - сих) (1 - kx)

dx с]а

или

dy=^-~Ctt~xl{X~k~x} dx. £\a

Интегрируя, определяем зависимость у от х, т. е. уравнение оси канала:

нение и для средней линии лопатки, можно построить послед­ нюю, откладывая по обе стороны средней линии половины тол-

tkx

щины профиля —y , где t — шаг решетки.

Какая-то степень компенсации ошибки от сделанногонами допущения о равенстве нулю угла отставания может быть получена, если откладывать толщины профиля по одну сторону средней линии лопатки-—в сторону ее вогнутости.

В приведенных выше рассуждениях вопрос об определении густоты решетки, т. е. суммарной ширины лопаток, не затраги­ вался. Его следует решать обычным способом, используя поня­ тие о допустимой величине коэффициента подъемной силы Су В связи с тем, что уменьшение диффузорности повышает до­ пустимую величину Су, его можно выбирать для втулочных

сечений равным 1,2—1,4, для периферийных — 0,9—1,0.

190

Задаваясь оптимальной величиной угла е9, из формулы (192)''

по известным величинам Хя, т, г, си, cia можно определить

соответствующую величину k для данного отсека лопатки.

Как видно из предыдущего, в ряде случаев при изготовле­

нии лопаток из листа заострение задних кромок может ока­

заться невыгодным; лучше оставлять заднюю кромку тупой. Переднюю кромку лопатки следует закруглять по радиусу, рав­ ному половине толщины листа.

Необходимо добавить, что не всякую решетку можно счи­

тать составленной из каналов. При малых густотах и малых углах установки профилей такое представление не будет соот­ ветствовать действительности. При больших густотах и боль­ ших углах установки лопатки действительно образуют криво­ линейные диффузорные каналы, и все приведенные рассуждения-

к ним приложимы.

Особо следует сказать о решетках с лопатками большой от­ носительной толщины (>12°) и с лопатками, угол выхода ко­ торых превышает 90°.

В решетках первой группы диффузорность каналов опреде­ ляется не столько густотой и углом поворота потока, сколько загромождением канала наиболее толстой частью лопатки. При этом входная часть канала становится конфузорной, диф­ фузорная его часть тем самым укорачивается до длины /дл (рис. 89), что при загромождении сечения канала телом лопатки

значительно увеличивает действительный угол раскрытия диф­ фузора по сравнению с тем, который определяется по парамет­ рам входа и выхода лопатки. Вместе с увеличением относи­ тельной скорости в узком сечении канала /г это должно вести к увеличению потерь в нем. Для подтверждения сказанного на­ дежных экспериментальных данных не имеется, однако физи­

ческая стопона этого вопроса достаточно ясна.

К решеткам второй группы (р21>90°) изложенные выше со­ ображения приложимы в том смысле, что в случае листовых лопаток такой канал является диффузорным лишь на участке

19 Г-

Глава VII

ВЕНТИЛЯТОРНЫЕ УСТАНОВКИ И ИХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

§ 1. СОПРЯЖЕНИЕ ВЕНТИЛЯТОРА С СЕТЬЮ

Собственно вентилятор состоит из одного или нескольких

рабочих колес, НА и СА, помещающихся внутри кожуха. При входе в кожух устанавливается очерченный плавной кривой коллектор, а перед втулкой — обтекатель, называемый коком.

В случае присоединения вентилятора к шахте к нему добавляет­ ся ряд элементов. Все это вместе составляет то, что принято считать вентиляторной установкой.

Для вентиляторных установок, работающих на всасывание,

основными элементами являются:

а) входная коробка или входное колено для присоединения

вентилятора к каналу, отходящему от устья вентиляционной шахты;

б) выходная часть, состоящая из примыкающего к вентиля­ тору диффузора и поворотного участка за ним, из которого воз­ дух выбрасывается в атмосферу; иногда за диффузором уста­ навливается глушитель шума.

В вентиляторных установках, работающих на нагнетание, для подогрева воздуха, подаваемого в шахту, перед вентилято­

ром устанавливаются калориферы. Остальные элементы в боль­ шинстве случаев те же, что и для всасывающих установок (нак­ лонное колено, диффузор и т. п.). В некоторых случаях воздух из вентилятора выбрасывается непосредственно в сеть.

Шахтная вентиляционная сеть — это совокупность горных выработок, проветриваемых воздушным потоком. Для того чтобы

обеспечить подачу в шахтную сеть потребного количества воз­

духа, полное давление в устье вентиляционной шахты должно быть ниже полного давления при входе свежего воздуха в под­ земные выработки, т. е. атмосферного. Разность этих давлений и есть сопротивление шахтной сети.

Депрессией шахты называется разность между атмосферным

и статическим давлением в канале, подводящем воздух к венти­ лятору. Для всасывающей установки депрессия больше сопро­

тивления шахтной сети на величину скоростного давления в том сечении подводящего канала, в котором замеряется статическое давление.

Особенностью шахтной вентиляционной сети является непо­ стоянство ее сопротивления в течение всего срока эксплуатации шахты, связанное с расширением выработок и увеличением

длины вентиляционных каналов. Зависимость сопротивления

шахтной сети от расхода воздуха в ней представляет собой, если не учитывать естественную тягу, квадратичную параболу, прохо­ дящую через начало координат. В течение сравнительно неболь­

ших периодов времени — нескольких месяцев характеристики

вентиляционных сетей действующих шахт могут считаться по­ стоянными.

Режим работы вентилятора в сети (величина Q, Н) опреде­

ляется путем наложения характеристики сети на характеристику полного давления вентилятора.

При определении режима работы вентиляторной установки в шахтной сети следует вместо кривой полного давления собст­ венно вентилятора пользоваться (для установки, работающей на всасывание) кривой статического давления вентиляторной

установки Я у. Точка пересечения этих характеристик и опре­ делит производительность вентиляторной установки, т. е. рас­ ход в шахтной сети.

Для вентиляторных установок, работающих на нагнетание, режим работы определяется пересечением кривой полного дав­ ления вентиляторной установки с характеристикой шахтной-

сети, представляющей в этом случае сумму потерь в самой сети,

ипотерь при выходе из нее.

§2. ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ

УСТАНОВКИ

При протекании воздуха через элементы установки, а также* при обтекании опор подшипников ротора, находящихся в про­

точной части, неизбежны потери давления АЯу.

Эти потери представляют собой сумму потерь во входном участке АЯВХ, потерь, вызываемых присутствием опор в самом; вентиляторе АЯОП, и потерь в выходной части АЯВ

д//у = А//вх + дя0П + д/4ч.

Потери давления в выходной части состоят из потерь в коль­

цевом диффузоре АЯДИф, в выходном канале АЯК:|Н и при вы­ ходе в атмосферу АЯВЫХ :

ДЯВ. „ = ДЯдиф + ДЯкан + ДЯВЫХ.

194

Отсюда общие потери давления в установке

А//В,ч

Д/Уу = + ДЯОП + ДЯлиф + Д/Укан + ДЯВЫХ .

Статическое давление установки Ну меньше полного давле­

ния вентилятора на величину потерь АЯу:

Ну = Н -ЬНу.

Потери в установке принято оценивать коэффициентом по­

Для оценки совершенства диффузора, в котором происхо­

дит преобразование части динамического давления вентилятора в статическое, иногда бывает целесообразно пользоваться по­ нятием к. п. д. диффузора, равным отношению действительного

В случае всасывающих установок Ну есть статическое дав­

ление установки, а цу —ее статический к. п. д.

Для нагнетательных установок потери Д//кан и Д/7ВЫХ отно­ сятся к сопротивлению сети, Ну есть полное давление уста­ новки, а т]у — соответствующий ему ее полный к. п. д.

В выражение (195) следовало бы подставить действитель­ ную мощность, потребляемую вентилятором в установке N у. Но

обычно Ny — N, так как элементы, находящиеся за вентилято­ ром, как показывает опыт, практически не влияют на мощность или влияют незначительно в пределах 1,0—1,5%. То же отно­ сится и к правильно выполненным входным элементам.

Рассмотрим влияние на характеристику вентилятора различ­ ных элементов, а также некоторых условий работы вентилятор­ ных установок.

Входные элементы установки

Из экспериментальных работ, проведенных в ЦАГИ по ис­ следованию форм коллекторов, выяснилось, что коллектор с наи­ большим диаметром 1,2—1,4 и длиной, равной 0,2—0,4 от

диаметра колеса (рис. 91), обеспечивает нужные условия входа воздуха в вентилятор; в то же время отсутствие коллектора зна­ чительно ухудшает работу вентилятора. Давление, создавае­ мое вентилятором на рабочих режимах, может при этом умень­ шиться на 10—20%, а максимальный к. п. д. на 10—15%. При наличии перед вентилятором достаточно длинного трубопровода (того же диаметра, что и вентилятор) коллектор естественно

становится ненужным. Следует, однако, заметить, что при очень длинных трубопроводах, оди­

наковых по диаметру с венти­ лятором (при /тр ]>5Т>), погра­ ничный слой на стенках трубы может привести к значитель­

Эти коки обычно выполняются неподвижными. Укороченный кок приводит к снижению к. п’ .д. вентилятора и его установка может быть допустима только в от­ дельных случаях.

Отсутствие кока весьма отрицательно сказывается на харак­ теристике вентилятора, приводя к резкому снижению к. п. д. и

развиваемого давления. В крайних случаях, когда по особым условиям установка кока невозможна, втулка со стороны входа воздуха должна быть ограничена плоской, а не вогнутой поверх­

ностью.

При проектировании любой вентиляторной установки прихо­ дится располагать некоторые элементы ее конструкции в потоке вблизи лопаточных венцов. Такими элементами являются, на­

пример, опоры, поддерживающие корпуса подшипников переда­ точного и коренного валов. Будучи расположены перед рабочим колесом или за ним, они по-разному влияют на его работу. На­ ходясь перед колесом, они не только создают дополнительное сопротивление, но, искажая поток, изменяют и характеристику колеса.

На рис. 92 показано (по данным испытаний, проведенных в НАГИ Б. Я. Трубниковым) изменение кривых давления и мощ-

196

Рис. 92. Влияние высоты фундамента, расположенного у входа

в колесо, на характеристику осевого вентилятора:

Кривая

197

ности при расположении фундамента вентилятора перед его

колесом.

Как видно, одновременно со снижением давления падает и потребляемая мощность. Обычно снижение мощности при нали­

чии препятствий происходит медленнее, чем снижение давления, из-за чего величина к. п. д. вентилятора уменьшается.

В шахтных установках опорные элементы обычно распола­

Рис. 93. Опорные балки двухступенчатого вентилятора:

а — литые опорные стойки; б — хорошо обтекаемые литые опоры

ления опор подшипников ^,)П зависит от обтекаемости элемен­ тов, находящихся в потоке.

На рис. 93, а показаны литые опоры, представляющие собой массивные чугунные стойки, установленные перед колесом пер­

показали, что коэффициент потерь опор этой конструкции без обтекателей равен 0,27, с обтекателями-—0,19.

На рис. 93, б показана конструкция двухступенчатого вен­ тилятора К-06 с хорошо обтекаемыми литыми опорами перед­ него подшипника и без дополнительных опор заднего подшип­ ника, корпус которого встроен в СА. Ввиду наличия разъема

кожуха горизонтальные опоры выполнены двойными с протоком воздуха между ними. По сравнению с ранее рассмотренными эта

конструкция создает наименьшее сопротивление. Коэффициент потерь ее равен 0,05—0,1.

198