Особенности установки и выбора осевых вентиляторов

Т. С. Соломахова, доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник ФГУП «ЦАГИ», председатель ТК 061 «Вентиляция и кондиционирование», otvet@abok.ru

Среди различных вариантов установки осевых вентиляторов в вентиляционной сети можно выделить две принципиально разные схемы компоновки:

– Компоновка 1 (рис. 1а). Вся сеть с сопротивлением R₁ располагается перед входом в вентилятор (вытяжная система). Выход воздуха осуществляется в атмосферу или в большой объем.

– Компоновка 2 (рис. 1б). Основная сеть с сопротивлением R₂ находится за вентилятором (нагнетательная система). Перед вентилятором также может располагаться участок сети с сопротивлением R₁. Такая компоновка осевого вентилятора, встроенного в систему воздуховодов, наиболее широко применяется в вентиляционных системах.

Рисунок 1. Схемы компоновки осевых вентиляторов в вентиляционной сети: а) сеть располагается на стороне всасывания; б) сеть располагается на стороне нагнетания

Существуют определенные требования к системе воздуховодов, которые непосредственно примыкают к входному и выходному сечениям осевого вентилятора [1]. Эти воздуховоды должны иметь прямолинейные участки длиной не менее 3 калибра перед и не менее 2,5 калибров за вентилятором. За калибр принимается диаметр D корпуса вентилятора. Поперечные сечения примыкающих воздуховодов должны совпадать с поперечным сечением корпуса вентилятора. Несоблюдение указанных выше условий приводит к нарушению устойчивой работы вентилятора и к существенному снижению его паспортной аэродинамической характеристики.

При выборе вентилятора, установленного в сети, кроме его производительности необходимо задавать создаваемое вентилятором давление, которое должно соответствовать сопротивлению сети. Указанные выше схемы установки осевого вентилятора предусматривают различные способы задания необходимого давления.

Полным давлением вентилятора p_v в соответствии с ГОСТ 10616–90 [2] называют разность полных давлений при выходе р₂ из вентилятора и при входе р₁ в него:

p_v = р₂ – р₁. (1)

Полное давление вентилятора складывается из статического p_sv и динамического давления p_dv:

p_v = p_sv + p_dv. (2)

Именно статическое давление является полезным, поскольку оно расходуется на преодоление сопротивления системы. Поэтому очень важно, чтобы вентиляторы имели высокие значения статического давления. Полное или статическое давление определяется фактически непосредственно из испытаний вентилятора на стенде. Динамическое давление является условной величиной и рассчитывается по среднерасходной осевой составляющей скорости v₂ по площади F₂ выходного сечения вентилятора:

p_dv = 0,5ρv₂² ; v₂ = Q/F₂. (3)

В соответствии со стандартами [3, 4] для определения аэродинамических характеристик вентиляторов существует четыре типа стендов (рис. 2), соответствующих стандартным компоновкам вентиляторов в сети:

• А – свободный вход и выход;
• В – свободный вход и выход в нагнетательный трубопровод;
• С – вход из всасывающего трубопровода и свободный выход;
• D – вход из всасывающего трубопровода и выход в нагнетательный трубопровод.

Рисунок 2. Четыре типа стендов для определения аэродинамических характеристик вентиляторов

При испытаниях осевых вентиляторов все стенды должны иметь вспомогательный вентилятор наддува для получения характеристики вплоть до режимов, близких к нулевому статическому давлению или даже к отрицательному статическому давлению.

В соответствии с европейским регламентом [5], определяющим критерии эффективности вентиляторов, при испытаниях на стендах типа А и С со свободным выходом потока из вентилятора должно рассматриваться измеренное статическое давление. А при испытаниях на стендах типа B и D с трубопроводом на выходе должно рассматриваться измеренное полное давление.

Для расчета динамического давления вентилятора необходимо учитывать фактическое его выходное сечение. На стендах типа А и С за выходное сечение следует принимать кольцевое сечение между корпусом вентилятора и втулкой или двигателем, установленным за колесом вентилятора. На стендах типа В и D, когда на выходе из вентилятора установлен воздуховод, за выходное сечение следует принимать сечение воздуховода в виде круга, отстоящее на некотором расстоянии от выхода из вентилятора. На этом участке происходит переход потока из кольцевого сечения в круговое сечение воздуховода (рис. 3): осуществляется выравнивание поля скоростей. Для осевых вентиляторов рекомендуется принимать эффективную длину L этого участка, равную 1,25 калибра [1].

Рисунок 3. Присоединенный участок вентилятора с эффективной длиной L

Будем называть этот участок присоединенным участком вентилятора. Выравнивание поля скоростей сопровождается дополнительными потерями давления, которые могут быть условно рассчитаны как потери на удар, по известной формуле Борда-Карно [6] в виде:

Dp_y = z0,5ρv₂²; z = (1 – F₀/F₁)², (4)

где F₀ и F₁ – площади кольцевого и кругового сечений. Для осевого вентилятора отношение:

F₀/F₁ = (D² – d²)/D² = 1 – n², (5)

где D – диаметр корпуса, d – диаметр втулки, v = d/D – относительный диаметр втулки.

Формулы (4, 5) для расчета потерь давления в присоединенном участке воздуховода могут быть приведены к простому виду:

∆p_у = n⁴ 0,5ρ v₂². (6)

Одновременно присоединенный участок играет роль диффузора, и при его наличии статическое давление вентилятора возрастает (рис. 4). Фактически при таких испытаниях на стендах типа B и D определяется характеристика вентилятора с присоединенным участком сети.

Рисунок 4. Характеристики осевого вентилятора, полученные на стендах типа А и типа В

При выходе из осевого вентилятора, особенно при отсутствии спрямляющего аппарата (СА), установленного за колесом, поток закручен. Кроме осевой имеется окружная составляющая скорости, которая не учитывается при расчете динамического давления вентилятора. Закрутка течения может распространяться на значительное расстояние в воздуховоде. При этом в центре воздуховода возникает возвратное течение по отношению к основному потоку, что сопровождается дополнительными потерями давления на этом участке воздуховода и во всей системе. Поэтому при отсутствии СА установка трубы за вентилятором может привести к значительному снижению полного давления вентилятора без увеличения и даже при возможном снижении статического давления.

Таким образом, при испытаниях одного и того же осевого вентилятора на стендах различных типов можно получить разные характеристики вентилятора (рис. 4). Отличие по величине давления может составлять 10 и более процентов. Поэтому в каталогах, где приводятся характеристики вентиляторов, обычно указывают, на каких стендах получены характеристики и каким образом рассчитывается динамическое давление вентиляторов. Даются дополнительные шкалы со средней скоростью v₂ в выходном сечении и с динамическим давлением p_dv вентилятора, которые должны использоваться при расчете статического давления.

При выборе вентилятора для конкретной вентиляционной системы правильнее всего пользоваться характеристиками, полученными на стенде, соответствующем компоновке вентилятора в этой системе. Если не удается использовать такую характеристику в каталоге, то необходимо вводить корректировку параметров рабочего режима. Рассмотрим особенности выбора осевого вентилятора в указанных выше стандартных компоновках.

Компоновка 1

Поскольку вся сеть располагается на стороне всасывания и динамическое давление вентилятора не используется, то сопротивление системы складывается из потерь давления во всасывающем участке сети

∆p_вс = R₁. (7)

Выбор вентилятора должен осуществляться по характеристике статического давления, полученной на стенде типа А или С.

Если в каталоге приведена характеристика, полученная на стенде типа В или D, то рабочий режим необходимо корректировать, поскольку вентилятор в системе используется без присоединенного участка. И создаваемое вентилятором полное давление должно возрасти на величину потерь давления ∆p_у в присоединенном участке, а динамическое давление должно быть увеличено и рассчитано с учетом кольцевого выходного сечения (рис. 4).

Поскольку доля динамического давления в полном создаваемом давлении велика, особенно при большом диаметре втулки, то существует возможность снизить величину динамического давления путем установки диффузора [7] за выходным сечением вентилятора (рис. 5). При этом снижается полное и динамическое давление, но возрастет статическое давление вентилятора. При этой компоновке также выгодно использовать вентиляторы со СА (рис. 6). За счет раскрутки потока повышается как полное, так и статическое давление вентилятора.

Рисунок 5. Характеристики вентилятора без диффузора (сплошные линии) и с диффузором (пунктирные линии)

Рисунок 6. Характеристики осевого вентилятора без спрямляющего аппарата (сплошные линии) и со спрямляющим аппаратом (пунктирные линии)

Известны варианты установки осевого вентилятора практически без сети, когда воздуховод на входе и на выходе отсутствует. Например, при установке вентилятора в окне или в стене. В этом случае сопротивлением системы является динамическое давление p_dv вентилятора и рабочий режим соответствует нулевому статическому давлению, то есть максимальной производительности вентилятора.

Компоновка 2

Особенность компоновки состоит в том, что система воздуховодов располагается за выходным сечением вентилятора. Не исключается возможность установки участков сети перед вентилятором. Общее сопротивление системы складывается тогда из потерь давления R₁ и R₂ во входном и выходном участках сети и динамического давления потока р_d при выходе из нагнетательного участка сети:

∆p_вс+нг = R₁ + R₂ + p_d. (8)

Выбор вентилятора должен осуществляться по характеристике полного давления, полученной на стенде типа В или D с учетом динамического давления вентилятора, вычисленного по круговому сечению. Если в каталоге приводится характеристика, полученная на стенде А или С с выходным сечением вентилятора в виде кольца, то характеристику нужно корректировать. Кривая полного давления снизится на величину, соответствующую потерям давления ∆p_у в присоединенном участке вентилятора. В этом случае к сопротивлению сети необходимо добавить величину потерь давления ∆p_у в примыкающем воздуховоде, вычисленную по формуле (6).

Необходимо отметить очень важную особенность осевых вентиляторов: течение за рабочим колесом является закрученным. Кроме отмеченной выше осевой расходной составляющей скорости v₂, существует окружная составляющая, причем величина ее уменьшается от втулки к периферии колеса. Средняя величина этой составляющей скорости c_2u зависит от нагруженности колеса, от коэффициента создаваемого давления. Чем выше коэффициент давления вентилятора, тем больше величина скорости c_2u.

В связи с этим при работе вентилятора с нагнетательным воздуховодом необходимо использовать осевые вентиляторы со спрямляющим аппаратом, особенно в случае высоконапорных машин. Спрямляющий аппарат обеспечивает частичную или полную раскрутку потока, выходящего из колеса. Увеличивается статическое и полное давление вентилятора (рис. 6). Улучшаются условия стабилизированного течения в нагнетательном воздуховоде.

Таким образом, при выборе вентилятора для заданной сети необходимо учитывать, на каком стенде получены приведенные в каталоге или паспорте характеристики, каким образом рассчитывалось динамическое давление вентилятора. В случае несоответствия схемы испытательного стенда с компоновкой вентилятора в сети необходимо осуществлять корректировку параметров рабочего режима вентилятора.

Литература

1. AMCA 201–02 Fans and Systems, Air Movement and Control Associations.
2. ГОСТ 10616–90. Вентиляторы радиальные и осевые. Размеры и параметры.М. : Издательство стандартов, 1990.
3. ГОСТ 10921–90. Вентиляторы радиальные и осевые. Методы аэродинамических испытаний.М. : Издательство стандартов, 1991.
4. ISO 5801. Industrial Fans. Performance Testing using Standardized Airways.
5. Commission Regulation (EU) № 327/2011 оf 30 March 2011. Implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council.
6. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М. : Машиностроение, 1986.
7. Брусиловский И.В. Аэроди-намика и акустика осевых вентиляторов. Труды ЦАГИ. Вып. 2056. М., 2004.