Основы гидравлики





Вентиляторы



Классификация вентиляторов

Вентиляторами называют устройства, служащие для перемещения воздуха или других газов при давлении не более 0,15×105 Па.
Они, как и насосы, находят применение во многих отраслях народного хозяйства и, в частности, в системах теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха.
расчет и подбор вентиляторов Автомобильная, дорожная и сельскохозяйственная техника применяет в своей конструкции, например, вентиляторы системы охлаждения двигателей, вентиляторы системы отопления и кондиционирования воздуха в салоне. Аэромобили, суда на воздушной подушке и подобные машины используют вентиляторы в качестве движителя.

Следует отличать вентиляторы от воздуходувок и компрессоров, способных перемещать газы при давлении более 0,15×105 Па. Компрессоры, в отличие от вентиляторов, чаще всего являются аэромашинами объемного типа, использующими принцип вытеснения вещества по аналогии с объемными насосами. Если же в качестве компрессора применяются динамические аэромашины (центробежные, осевые турбины и т. п.), то сжатие воздуха в них осуществляется в несколько ступеней, т. е. поэтапно.

Вентиляторы разделяют на центробежные и осевые. Эти два типа вентиляторов используют непосредственное силовое воздействие рабочими органами (крыльчатками) на потоки воздуха или газов для увеличения их кинетической энергии, т. е. являются аэродинамическими машинами.

Как в конструкциях насосов, среди вентиляторов лопастного типа иногда выделяют тип диагональные вентиляторы, у которых лопасти изогнуты по схеме, не позволяющей классифицировать их как центробежные или осевые (рис. 1). В диагональных вентиляторах лопатки расположены под углом 45˚ к оси колеса либо они имеют сложную геометрическую форму, придающую диагональное направление перемещаемому потоку газа.
Перемещение рабочей среды (газа, воздуха) в таких вентиляторах осуществляется и вдоль оси рабочего колеса (как у осевых вентиляторов), и радиально (как у центробежных вентиляторов) вдоль внешней стенки кожуха.
Подобная конструкция имеет некоторые достоинства по сравнению с вентиляторами осевого типа, так как возникающие центробежные силы способствуют повышению давления в потоке.
Кроме того, лопасти диагональных вентиляторов в меньшей степени подвержены поперечной изгибающей нагрузке, поскольку значительная часть энергии передается потоку в осевом направлении, что выгодно отличает их от центробежных (радиальных) вентиляторов.

В отдельную группу можно выделить так называемые диаметральные вентиляторы, в которых схема перемещения воздушных потоков отличается от таковой у центробежных вентиляторов – и входящий, и нагнетаемый потоки перемещаются по внешнему периметру рабочего колеса (рис. 1).
Рабочее колесо диаметральных вентиляторов оснащено длинными, но очень узкими лопатками.
Отличается у таких вентиляторов и конструкция кожуха – вдоль внешнего участка рабочего колеса имеется широкое окно, из которого лопасти захватывают газ (воздух), перемещают его вдоль закрытой части кожуха и выбрасывают в выходное отверстие (раструб). Иногда конструкция диаметральных вентиляторов вообще не предусматривает кожуха – остатки его функции выполняет раструб.

классификация вентиляторов

Поскольку диагональные и диаметральные вентиляторы представляют собой некоторую разновидность основных типов вентиляторов - центробежных и осевых, в этой статье более подробно рассмотрены характеристики двух последних конструкций.

***

Центробежные вентиляторы

Центробежные вентиляторы иногда называют радиальными вентиляторами, поскольку перемещение воздушного потока при контакте с лопастями осуществляется от центра к внешнему периметру, т. е. радиально.

Общий вид и схема устройства центробежного вентилятора (рис. 2) напоминают конструкцию центробежных насосов. Он состоит из рабочего колеса (ротора) 2 с лопатками, спирального корпуса 2 (кожуха) и станины 1. Рабочее колесо насажено на вал 4, который установлен в подшипниках на станине. Ротор центробежного вентилятора состоит из двух дисков, между которыми располагаются лопатки. Их число колеблется от 6 до 36.

центробежные или радиальные вентиляторы

Кожухи вентиляторов выполняют из листового металла сварными или клепаными. У центробежных вентиляторов кожух обычно имеет форму логарифмической спирали (улитки). В нем имеются круглое входное и квадратное или прямоугольное выходное отверстия.

Принцип работы центробежного вентилятора аналогичен принципу работы центробежного насоса.
Воздух, поступивший через входное отверстие вентилятора в полость рабочего колеса, захватывается лопатками и приводится во вращение. Под действием центробежных сил он сжимается, отбрасывается к внешней стенке спирального кожуха, и, двигаясь по спирали, попадает через выходное отверстие в воздуховод.
Основное назначение кожуха – собрать поток воздуха, сбегающего с ротора и понизить его скорость, т. е. преобразовать кинетическую энергию потока газа (динамическое давление) в потенциальную энергию (статическое давление).
В среднем скорость движения воздуха или газа в кожухе центробежного вентилятора принимается равной половине окружной скорости рабочего колеса.

Центробежные вентиляторы классифицируют по следующим признакам:

  • по создаваемому давлению – низкого давления (до 0,01×105 Па), среднего (до 0,03×105 Па) и высокого давления (свыше 0,03×105 Па);
  • по назначению – общего (для перемещения чистого воздуха и неагрессивных газов) и специального назначения (для перемещения запыленного воздуха, дымовых газов – дымососы, и др.);
  • по числу сторон всасывания – одностороннего и двустороннего всасывания;
  • по числу ступеней – одноступенчатые и многоступенчатые, работающие, как и многоступенчатые центробежные насосы.

***

Осевые вентиляторы

Этот тип вентиляторов иногда называют аксиальными вентиляторами, поскольку перемещение потока в них осуществляется вдоль оси рабочего колеса. Еще одно название осевых вентиляторов, издавна укрепившееся в быту – пропеллеры.

Осевой вентилятор представляет собой расположенное в цилиндрическом кожухе (обечайке) лопаточное колесо, при вращении которого поступающий через входное отверстие воздух под воздействием лопаток перемещается между ними в осевом направлении. На рис. 3 показан простейший осевой вентилятор, состоящий из двух основных частей – осевого лопаточного колеса 1, расположенного на одном валу с двигателем, и цилиндрического корпуса (кожуха) 2.

осевые или пропеллерные вентиляторы

Колесо осевого вентилятора состоит из втулки, на которой закреплены наглухо или в которую встроены лопатки. Число лопаток на колесе обычно от 2 до 32. Лопатки изготавливают симметричного или специального несимметричного профиля, расширяющегося и закручивающегося по мере приближения к втулке. Осевые вентиляторы с лопатками симметричного профиля называют реверсивными, а с лопатками несимметричного профиля – нереверсивными.

Колеса осевых вентиляторов делают сварными из листовой стали или литыми; они бывают также штампованными. В последнее время получили широкое распространение вентиляторы из пластмасс.

Кожух осевого вентилятора имеет цилиндрическую форму (обечайку) и роль его более ограничена, чем у центробежных вентиляторов, так как поток воздуха (газа) проходит вдоль оси вентилятора, и на его движение обечайка почти не оказывает влияние.
Диаметр кожуха не должен превышать 1,5 % длины лопатки колеса, так как большие зазоры между колесом и кожухом резко снижают аэродинамические качества осевого вентилятора.
При отсутствии всасывающего воздуховода на входе устанавливают коллектор, обеспечивающий хорошее заполнение входного сечения вентилятора, а также устанавливают обтекатель.
Для понижения скорости потока (преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию давления) на выходе из вентилятора иногда устанавливают диффузор.

***

Сравнительные характеристики центробежных и осевых вентиляторов

Центробежные вентиляторы, по сравнению с осевыми, способны создавать большее давление на выходе, поэтому их целесообразно применять для подачи воздуха при значительном давлении. Поэтому их часто применяют в системах вентиляции со сложной разветвленной сетью воздуховодов, в системах пневмотранспорта материалов, в котельных установках в качестве тягодутьевых устройств, и в системах кондиционирования воздуха.

Осевые вентиляторы не способны создавать высокого давления, подобно центробежным, но имеют больший КПД, они способны работать реверсивно (т. е. в обратном направлении), более просты в изготовлении (а значит и дешевле), балансировке, монтаже и обслуживании, имеют меньшие габариты и вес. В связи с этим осевые вентиляторы чаще всего применяют для проветривания помещений, вентиляции шахт, тоннелей и т. п. – там, где не требуется создание относительно высокого давления потока воздуха (газа).

Работа вентиляторов сопровождается шумом, интенсивность которого обусловливается типом вентилятора, режимом его работы, качеством изготовления и монтажа. Снижению шумов способствует установка вентилятора на одном валу с двигателем, применение специальных виброгасителей при креплении на станине, качественная балансировка ротора, тщательная обработка и отделка поверхностей лопаток рабочего колеса, мягкое соединение с воздуховодами.

***

Обозначение вентиляторов

В настоящее время промышленность выпускает вентиляторы многих типов и серий. Каждому вентилятору присваивается условное обозначение – индекс, в котором указаны:

  • давление, создаваемое вентилятором: н.д. – низкое, с.д. – среднее, в.д. – высокое давление;
  • назначение вентилятора: Ц – центробежный общего назначения, ЦП – пылевой и т. д.;
  • коэффициент давления при оптимальном режиме – цифрой, соответствующей 10-кратной величине этого коэффициента (с округлением до целых единиц);
  • удельная частота вращения (быстроходность) – цифрой, округленной до целых единиц;
  • номер вентилятора – цифра или число, соответствующее диаметру колеса в дециметрах.

Пример обозначения центробежного вентилятора: н.д. Ц4-70 № 8, что означает центробежный вентилятор общего назначения низкого давления с коэффициентом давления 0,403, быстроходностью 70 и диаметром рабочего колеса 800 мм.

***



Рабочие параметры и характеристики вентиляторов

К основным техническим характеристикам вентиляторов относятся подача, полное давление, КПД, потребляемая мощность, критерий быстроходности.

Подача вентиляторов

Подача вентилятора L 3/ч или м3/сек) – объем газа (или воздуха), перемещаемого вентилятором за единицу времени.
В общем случае подача вентилятора может быть определена, как произведение площади живого сечения потока газа в выходном отверстии вентилятора на соответствующую проекцию абсолютной скорости потока на выходе из рабочего колеса:

L = Sвыхсv2,

где:
Sвых – площадь выходного отверстия, которая принимается с учетом коэффициента стеснения потока лопатками, равного 0,9…0,95;
сv2 – проекция абсолютной скорости потока газа: для центробежных вентиляторов – радиальная проекция, для осевых – осевая проекция.

При выборе вентилятора для конкретных практических нужд используют аэродинамические характеристики-графики, устанавливающие зависимость между основными рабочими параметрами вентилятора и расходом газа (воздуха). Пример такой аэродинамической характеристики вентилятора приведен внизу на рис. 4 .

Полное давление вентилятора

расчет и подбор вентиляторов

Полное давление рп вентилятора зависит от плотности газа (его физическая характеристика), коэффициента давления и скорости потока (кинематические характеристики), и определяется на основе уравнения Эйлера:

рп = ρψv2,

где:
ρ – плотность газа;
ψ – коэффициент давления вентилятора; ψ = ηг φ2 (здесь ηг – гидравлический КПД вентилятора, φ2 - коэффициент закручивания потока, определяемый из отношения проекции скорости потока к его абсолютной скорости);
v2 –скорость потока на выходе из колеса.

Мощность вентилятора

Теоретическая мощность вентилятора, передаваемая перемещаемой среде, определяется по формуле:

NТ = рпL/1000   (кВт).

Действительная мощность N, потребляемая вентилятором, значительно отличается от полезной вследствие гидравлических потерь энергии при протекании воздуха внутри вентилятора. Эти потери складываются из потерь на вихреобразование у кромок лопастей и лопаток, перетекание воздуха через зазоры между колесом и кожухом вентилятора и механических потерь на трение.

КПД вентиляторов

КПД – отношение полезной мощности к потребляемой вентилятором от приводного устройства:

η = Nп/N.

Полный КПД вентиляторов, как и КПД насосов, может быть определен в виде произведения трех составляющих:

η = ηг ηо ηм,

где: ηг – гидравлический КПД (потери в потоке), ηо – объемный КПД (утечка через зазоры), ηм – механический КПД (трение).

Полный КПД центробежных вентиляторов (в зависимости от быстроходности и конструкции лопаток) составляет от 0,65 до 0,85. У осевых вентиляторов он не превышает 0,9.

При подборе электродвигателя для вентиляторной установки используют коэффициент запаса К = 1,05…1,2 для осевых вентиляторов, и К = 1,1…1,5 – для центробежных вентиляторов.

Критерий быстроходности вентиляторов

Центробежные и осевые вентиляторы, как и насосы, удобно классифицировать по удельной частоте вращения (критерию быстроходности). Критерий быстроходности характеризует аэродинамические качества вентилятора – его способность создавать большее или меньшее давление.
Для оптимальной работы вентилятора при ρ = 1,2 кг/м3 критерий быстроходности определяется по формуле:

nуд = 53L1/2ω/рп3/4,

где:
L – подача в м3/с;
ω – угловая скорость в с-1;
рп – давление в Па.

Для геометрически подобных вентиляторов (имеющих одинаковую конструкцию и форму при разных габаритах) критерий быстроходности будет одинаковым. Для центробежных вентиляторов критерий быстроходности составляет 40…80, а для осевых – 80…300. Осевые вентиляторы при прочих равных условиях (в частности, при одинаковой угловой скорости колеса) развивают меньшее давление по сравнению с центробежными, поэтому значение nуд у них выше (т. е. для получения необходимого давления требуется более высокая скорость вращения).

Использование критерия быстроходности облегчает подбор и расчет вентиляторов, так как быстроходность входит в индекс вентиляторов. По индексу можно судить о давлении, развиваемом вентилятором.

На рис. 4 представлена универсальная аэродинамическая характеристика центробежного вентилятора, на которой графически изображены все допустимые или оптимальные для данного вентилятора режимы его работы. Пользуясь универсальной аэродинамической характеристикой, можно выбрать наиболее эффективный режим работы вентилятора, при котором его КПД будет иметь максимальное значение.

аэродинамическая характеристика вентилятора

***

Пример решения задачи на подбор вентилятора

Задача
Определить давление, развиваемое центробежным вентилятором, если коэффициент давления ψ = 0,9, частота вращения рабочего колеса n = 1450 мин-1, наружный диаметр колеса D2 = 0,4 м, а плотность воздуха ρ = 1,2 кг/м3.

Решение.
Окружную скорость на наружном диаметре рабочего колеса определяем по формуле:

vp2 = πD2n/60 = 3,14×0,4×1450/60 ≈ 30,4 м/с.

Определяем давление, развиваемое вентилятором:

рп = ρψvp2 = 1,2×0,9×30,42 ≈ 1000 Па.

***

Компрессоры и газодувки