Осевая конструкция вентилятора

Дополнительная информация: Механический вентилятор.

Осевой вентилятор — это тип вентилятора, который заставляет газ течь через него в осевом направлении, параллельно валу, вокруг которого вращаются лопасти. Поток осевой на входе и выходе. Вентилятор спроектирован таким образом, чтобы создавать разницу давлений и, следовательно, силу , вызывающую поток через вентилятор. Факторы, определяющие производительность вентилятора, включают количество и форму лопастей. Вентиляторы имеют множество применений, в том числе в аэродинамических трубах и градирнях . Расчетные параметры включают мощность , расход , повышение давления и эффективность .

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

Расчет параметров

Поскольку расчет не может быть выполнен с использованием треугольников скоростей на входе и выходе , чего нет в других турбомашинах , расчет выполняется путем рассмотрения треугольника средней скорости для потока только через бесконечно малый элемент лопатки. Лезвие разделено на множество мелких элементов и для каждого элемента отдельно определяются различные параметры. Существует две теории, позволяющие определить параметры осевых вентиляторов:

• Теория скольжения
• Теория элемента лезвия

Теория скольжения

Изменение давления и скорости потока через диск пропеллера.

На рисунке толщина диска гребного винта принята незначительной. Показана граница между жидкостью в движении и жидкостью в покое. Поэтому предполагается, что течение происходит в воображаемом сужающемся канале. где:

• D = Диаметр диска гребного винта.
• D _s = Диаметр на выходе.

Параметры при −∞ и +∞ и их взаимосвязь

Параметр	Давление	Плотность	Скорость	застоя Энтальпия	Статическая энтальпия
−∞	Па ​	р а	C u (скорость против потока)	ты ​	а ты
+∞	Па ​	р а	C s (скорость скольжения)	ч от	ч д
Отношение	Равный	Равный	Неравный	Неравный	Равный
Комментарии	Давление будет атмосферным как при −∞, так и при +∞.	Плотность будет одинаковой как при −∞, так и при +∞.	Скорость изменится из-за потока через предполагаемый сужающийся воздуховод.	Энтальпия торможения будет разной при −∞ и +∞.	Статическая энтальпия будет одинаковой при −∞ и +∞, поскольку она зависит от атмосферных условий, которые будут одинаковыми.

На рисунке винта скорости (C ₁ и C ₂ не могут резко меняться ) на диске гребного , так как это создаст ударную волну , но вентилятор создает разницу давлений на диске гребного винта .

$C_{\rm {1}}=C_{\rm {2}}=C$ и $P_{\rm {1}}\neq P_{\rm {2}}$

• Площадь гребного диска диаметром D составляет:

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

• Массовый расход через пропеллер равен:

${\dot {m}}={\rho AC}$

• Поскольку тяга представляет собой изменение массы, умноженное на скорость массового потока, т. е. изменение количества движения , осевое усилие на диске гребного винта обусловлено изменением количества движения воздуха, которое составляет:

$F_{\rm {x}}={\dot {m}}{(C_{\rm {s}}-C_{\rm {u}})}={\rho AC}{(C_{\rm {s}}-C_{\rm {u}})}$

• Применяя принцип Бернулли вверх и вниз по течению:

${\begin{aligned}P_{a}+{\frac {1}{2}}{\rho C_{u}^{2}}&=P_{1}+{\frac {1}{2}}{\rho C^{2}}\\P_{a}+{\frac {1}{2}}{\rho C_{s}^{2}}&=P_{2}+{\frac {1}{2}}{\rho C^{2}}\end{aligned}}$

При вычитании приведенных выше уравнений:

$P_{2}-P_{1}={\frac {1}{2}}\rho (C_{s}^{2}-C_{u}^{2})$

• тяги Разница давлений из-за разницы равна площади проекции, умноженной на разницу давлений. Осевое усилие из-за разницы давлений получается:

$F_{x}=A(P_{2}-P_{1})={\frac {1}{2}}\rho A\left(C_{s}^{2}-C_{u}^{2}\right)$

Сравнивая эту тягу с осевой тягой, возникающей из-за изменения количества движения воздушного потока, обнаруживается, что:

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

Параметр что «а» определяется так, -

$C=(1+a)C_{u}$ где $a={\frac {C}{C_{u}}}-1$

Используя предыдущее уравнение и «a», выражение для C _s получается:

$C_{s}=(1+2a)C_{u}$

• Расчет изменения удельной энтальпии торможения по диску:

$\Delta h_{o}=h_{od}-h_{ou}=\left(h_{d}+{\frac {1}{2}}C_{s}^{2}\right)-\left(h_{u}+{\frac {1}{2}}C_{u}^{2}\right)={\frac {1}{2}}\left(C_{s}^{2}-C_{u}^{2}\right)$

Теперь идеальное значение мощности, подаваемой на пропеллер = Массовый расход * Изменение энтальпии застоя ;

$P_{i}={\dot {m}}{\Delta h_{o}}$ где ${\dot {m}}=\rho AC$

Если пропеллер использовался для приведения самолета в движение со скоростью = C _u ; тогда Полезная мощность = Осевая тяга * Скорость самолета;

$P=F_{x}C_{u}$

• Отсюда выражение для эффективности выглядит следующим образом:

$\eta _{p}={\frac {{\text{Actual Power}}(P)}{{\text{Ideal Power}}(P_{i})}}={\frac {F_{x}C_{u}}{{\frac {1}{2}}\rho AC\left(C_{s}^{2}-C_{u}^{2}\right)}}={\frac {C_{u}}{C}}={\frac {1}{1+a}}$

• Пусть D _s — диаметр воображаемого выпускного цилиндра. По уравнению непрерывности ;

  ${\begin{aligned}C{\frac {\pi D^{2}}{4}}&=C_{s}{\frac {\pi D_{s}^{2}}{4}}\\\Rightarrow D_{s}^{2}&={\frac {C}{C_{s}}}D^{2}\end{aligned}}$

• Из приведенных выше уравнений известно, что -

  $C_{s}={\frac {1+2a}{1+a}}C$

Поэтому;

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

Следовательно, поток можно смоделировать, когда воздух течет через воображаемый расширяющийся канал, где диаметр диска пропеллера и диаметр выпускного отверстия связаны.

Теория элемента лезвия

Длинная лопасть пропеллерного вентилятора с различным сечением лопастей.

В этой теории небольшой элемент ( dr ) берется на расстоянии r от основания лопасти и анализируются все силы, действующие на элемент, чтобы получить решение. Предполагается, что течение через каждое сечение малой радиальной толщины dr считается независимым от течения через другие элементы.

На рисунке показаны скорости и силы лопаток для потока через элемент dr , где w — средняя скорость в направлении β от осевого направления. Δ L = подъемная сила (перпендикулярно w ) и Δ D = сила сопротивления (параллельно w). Осевые и тангенциальные силы равны Δ Fx и Δ Fy соответственно, а результирующая сила Δ Fr расположена под углом Φ к подъемной силе.

Разрешающие силы на рисунке -

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

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

Коэффициент подъемной силы (CL ₎ и коэффициент сопротивления (CD ₎ определяются как:

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

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

Также из рисунка -

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

Сейчас,

$\Delta F_{x}=\Delta L(\sin \beta -{\frac {\Delta D}{\Delta L}}\cos \beta )=\Delta L(\sin \beta -\tan \phi \cos \beta )={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}ldr{\frac {\sin(\beta -\phi )}{\cos \phi }}$

Количество лезвий (z) и расстояние (s) связаны следующим образом: $s={\frac {2\pi r}{z}}$ а полная тяга элементарной секции воздушного винта равна zΔF _x .

Поэтому,

$\Delta p(2\pi rdr)=z\Delta F_{x}$

$\Rightarrow \Delta p={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}({\frac {l}{s}}){\frac {\sin(\beta -\phi )}{\cos \phi }}={\frac {1}{2}}C_{D}\rho w^{2}({\frac {l}{s}}){\frac {\sin(\beta -\phi )}{\sin \phi }}$

Аналогичным образом, решение для ΔF _y , ΔF _y оказывается -

$\Delta F_{y}={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}ldr{\frac {\cos(\beta -\phi )}{\cos \phi }}$

и $(\mathrm {Torque} )\Delta Q=r\Delta F_{y}$

Наконец, тягу и крутящий момент можно определить для элементарного сечения, поскольку они пропорциональны F _x и F _y соответственно.

ТТХ

На этом рисунке показана кривая производительности вентилятора с осевым потоком.

Взаимосвязь между изменением давления и объемным расходом является важной характеристикой вентиляторов. Типичные характеристики осевых вентиляторов можно изучить по кривым производительности . Кривая производительности осевого вентилятора показана на рисунке. вертикальная линия, соединяющая точку максимальной эффективности ( Проводится , которая соответствует кривой давления в точке «S»). Из кривой можно сделать следующий вывод:

1. По мере увеличения расхода от нуля эффективность увеличивается до определенной точки, достигает максимального значения, а затем снижается.
2. Выходная мощность вентиляторов увеличивается с почти постоянным положительным наклоном.
3. Колебания давления наблюдаются при малых расходах, а при расходах (на что указывает точка «S») давление падает.
4. Изменения давления слева от точки «S» вызывают нестационарный поток, который возникает из-за двух эффектов: остановки и помпажа.

Причины нестабильного потока

вентилятора Остановка и помпаж влияют на производительность , лопасти, а также на производительность и поэтому нежелательны. Они возникают из-за неправильной конструкции, физических свойств вентилятора и обычно сопровождаются образованием шума.

Эффект срыва/срыв

Причиной этого является отрыв потока от поверхностей лопаток. Этот эффект можно объяснить обтеканием воздушной фольги. При увеличении угла падения (при низкоскоростном потоке) на входе в аэродинамическое крыло картина течения меняется и происходит отрыв. Это первая стадия срыва, и через эту точку отрыва поток разделяется, что приводит к образованию вихрей, обратного течения в отрываемой области. Более подробное объяснение понятий «срыв» и «вращающийся срыв» см. в разделе «Помпаж компрессора» . На рисунке показана зона останова для одиночного осевого вентилятора и осевых вентиляторов, работающих параллельно.

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

Из графика можно сделать следующие выводы:

• Производительность вентиляторов, работающих параллельно, ниже, чем у отдельных вентиляторов.
• Вентиляторы следует эксплуатировать в безопасной зоне, чтобы избежать опрокидывания .

Частотно-регулируемые приводы непрактичны для некоторых осевых вентиляторов.

Многие отказы осевых вентиляторов происходили после того, как осевые вентиляторы с регулируемыми лопастями были заблокированы в фиксированном положении и частотно-регулируемые приводы были установлены (ЧРП). Частотно-регулируемые приводы непрактичны для некоторых вентиляторов Axial. Осевые вентиляторы с зонами сильной нестабильности не следует эксплуатировать при таких углах лопастей, скоростях вращения, массовом расходе и давлениях, которые приводят к остановке вентилятора.

Эффект нарастания/Всплеск

Не следует путать скачок с остановкой. Остановка происходит только в том случае, если в лопасти вентилятора поступает недостаточно воздуха, что приводит к отрыву потока на поверхности лопастей. Пульсирующий или нестабильный поток, вызывающий полный выход из строя вентиляторов, в основном обусловлен тремя факторами.

• Скачок системы
• Скачок вентилятора
• Параллельное выполнение

Скачок системы

Такая ситуация возникает, когда кривая сопротивления системы и кривая статического давления вентилятора пересекаются и имеют одинаковый наклон или параллельны друг другу. Вместо того, чтобы пересекаться в определенной точке, кривые пересекаются в случае скачка системы отчетности в определенном регионе. Эти характеристики не наблюдаются у осевых вентиляторов .

Скачок вентилятора

Эта нестабильная работа является результатом развития давления градиентов в противоположном направлении потока. Максимальное давление наблюдается на выходе из лопатки рабочего колеса , а минимальное – на стороне, противоположной стороне нагнетания. Когда лопасти крыльчатки не вращаются, эти неблагоприятные градиенты давления перекачивают поток в направлении, противоположном направлению вентилятора. Результатом является колебание лопастей вентилятора, создающее вибрацию и, следовательно, шум .

Параллельное выполнение

Этот эффект наблюдается только в случае нескольких вентиляторов. Производительность вентиляторов сравнивается и подключается при одинаковых условиях на выходе или на входе. Это вызывает шум , называемый биением в случае параллельного подключения вентиляторов. Чтобы избежать биений, разные условия на входе, разница в скорости вращения вентиляторов используются и т. д.

Методы предотвращения нестационарного потока

Эти эффекты можно уменьшить , спроектировав лопасти вентилятора с правильным соотношением диаметра ступицы к кончику и проанализировав производительность по количеству лопастей, чтобы поток не разделялся на поверхности лопастей. Некоторые из методов преодоления этих эффектов включают рециркуляцию избыточного воздуха через вентилятор. Осевые вентиляторы представляют собой устройства с высокой удельной скоростью, работающие с высокой эффективностью , и для минимизации эффектов их приходится эксплуатировать на низких скоростях . Для контроля и направления потока использовать направляющие аппараты предлагается . Турбулентные потоки на входе и выходе вентиляторов вызывают остановку, поток следует сделать ламинарным путем введения статора . поэтому для предотвращения этого эффекта

См. также

• Механический вентилятор
• Гребной винт (морской)
• Пропеллер (самолет)
• Промышленный вентилятор
• Потолочный вентилятор
• ТРДД
• Канальный пропеллер
• Оконный вентилятор
• Помпаж компрессора
• Компрессорный стенд
• Пропеллерная прогулка
• Кавитация
• Азимутальное подруливающее устройство
• Кухонный руль
• Лопастной пароход
• Порох
• Кливер
• Складной пропеллер
• Модульный пропеллер
• Суперкавитирующий пропеллер

Ссылки

• Теодор Теодорсен (1948). Теория винтов . МакГроу-Хилл.
• Мейер, CJ; Д.Г. Крегер (10 августа 2001 г.). «Численное моделирование поля течения в районе осевого вентилятора». Международный журнал численных методов в жидкостях . 36 (8): 947–969. Бибкод : 2001IJNMF..36..947M . дои : 10.1002/fld.161 . S2CID   123108224 .
• Ланзафаме, Р.; М. Мессина (ноябрь 2007 г.). «Проектирование ветряных турбин гидродинамики: критический анализ, оптимизация и применение теории БЭМ». Возобновляемая энергия . 32 (14): 2291–2305. doi : 10.1016/j.renene.2006.12.010 .
• ДЖОРДЖ В. СТИКЛ; ДЖОН Л.КРИГЛЕР (19 июля 1940 г.). «АНАЛИЗ ВИНТОВ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ» (PDF) . Национальный консультативный комитет по аэронавтике . Проверено 23 мая 2013 г.
• АБ Маккензи (1997). Осевые вентиляторы и компрессоры: аэродинамический дизайн и характеристики . Эшгейт Паблишинг, Лимитед. ISBN  978-0-291-39850-5 . Проверено 23 мая 2013 г.
• Наизи, Саид (июль 2000 г.). «ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОСТАНОВА И СНЯТИЯ ПОМПАСОВ В ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРАХ» (PDF) . Диссертация в Технологическом институте Джорджии . Архивировано из оригинала (PDF) 2 октября 2013 г. Проверено 23 мая 2013 г.
• «Повышение напряжения в системе, помпаж вентилятора и параллельное подключение» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 января 2007 г. Проверено 12 мая 2013 г.
• «Понимание кривых производительности вентиляторов» (PDF) . Проверено 10 мая 2013 г.
• «Скачки, остановки и нестабильность вентиляторов» . Проверено 10 мая 2013 г.