автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Методика проектирования и разработка энергоэффективных осевых вентиляторов с профилями лопаток специальной формы

^ к/

МОСКОВКО Юрий Георгиевич

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ОСЕВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ С ПРОФИЛЯМИ ЛОПАТОК СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ

Специальность: 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

1 О НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург- 2011

4859458

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Галеркин Юрий Борисович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Сухомлинов Игорь Яковлевич

Кандидат технических наук Прокофьев Алексей Юрьевич

Ведущая организация:

ЗАО «РЭП ХОЛДИНГ»

Защита состоится 29 ноября 2011 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212.229.09 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, в ауд. 225 главного здания.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « Ж » октября 2011г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.09 ' -

доктор технических наук, профессор

Хрусталев Б.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Осевые вентиляторы являются неотъемлемой частью энергетических, транспортных и технологических установок. Основным требованием к разрабатываемым вентиляторам является высокая эффективность как на расчетном режиме, так и в широком диапазоне производительности. Существующий метод проектирования осевых вентиляторов, разработанный И.В. Брусиловским, предполагает использование стандартных профилей, имеющих среднюю линию в виде дужкн окружности. Метод был апробирован на множестве оссвых вентиляторов и показал высокую точность получения расчетного режима, при этом полный КПД вентиляторов может достигать 0,86...0,9. Однако при проектировании осевых вентиляторов наряду с получением высокого КПД на расчетном режиме, могут выдвигаться и дополнительные требования: обеспечение эффективной работы в широком диапазоне режимов, значений углов установки лопаток колеса, 100% реверсирование потока изменением направления вращения колеса без изменения положения лопаток колеса и т.д. Широко используемые в вентиляторах стандартные профили типа NASA-65, ЫАСА-500, ОС-10, С-4 не обеспечивают специфических требований к вентиляторам. Поэтому разработка новых классов профилей и метода профилирования является актуальной задачей, особенно в связи с современными требованиями повышения энергоэффективности оборудования. Объектом диссертационного исследования являются осевые вентиляторы, в том числе и реверсивные.

Предметом исследования являются разработка новых классов профилей и создание методики профилирования лопаточных венцов с нестандартными профилями.

Цель диссертационной работы:

1. Разработка методики профилирования оссвых вентиляторов с целыо возможности использования профилей произвольной формы.

2. Поиск оптимальной формы профилей обеспечивающих:

- эффективную работу вентиляторов в широком диапазоне углов установки лопаток колеса;

- эффективную работу осевых вентиляторов при прямой и реверсивной работе

и возможность управления реверсивными свойствами вентиляторов. Научная новизна работы состоит в следующем:

а) усовершенствован метод и разработана программа профилирования лопаточных венцов осевых вентиляторов с профилями произвольной формы;

б) разработана универсальная формула для описания средней линии профилей, которая дает возможность применять единый метод профилирования лопаточных венцов с профилями традиционной и произвольной формы;

в) предложены профили с увеличенной нагрузкой в районе выходной кромки, применение которых приводит к увеличению диапазона эффективной работы осевого вентилятора;

г) предложен новый класс реверсивных профилей с несимметричной Б-образной формой средней линии, применение которых приводит к увеличению эффективности работы осевого вентилятора, как при нормальном, так и реверсивном режимах и дает возможность управления степенью реверсивности вентилятора за счет соответствующей установки лопаток колеса.

Практическая значимость

1. Разработанная методика может быть использована для профилирования лопаточных венцов осевых вентиляторов с профилями произвольной формы.

2. Предложенные профили с увеличенной нагрузкой в районе выходной кромки могут быть использованы для разработки высокоэффективных осевых вентиляторов с широким диапазоном эффективной работы.

3. Новый класс несимметричных Б-образных профилей и рекомендации по их применению при профилировании могут быть использованы для разработки высокоэффективных осевых реверсивных вентиляторов с управляемыми реверсивными свойствами.

Основные научные результаты диссертационного исследования.

выносимые на защиту.

1. Методика профилирования лопаточных венцов с любыми, в том числе и с нестандартными профилями, основанная на методе дискретных вихрей (МДВ), позволяющая получать рабочий режим вентилятора с высокой точностью.

2. Универсальная формула для описания средней линии профилей, которая дает возможность применять единый метод профилирования лопаточных венцов с профилями традиционной и произвольной формы.

3. Результаты численного моделирования обтекания плоских решеток, состоящих из профилей с различным положением аэродинамической нагрузки по хорде, обтекаемых вязким потоком при наличии отрывов, положение которых определяется при совместном использовании метода дискретных вихрей и численного расчета пограничного слоя.

4. Результаты аэродинамических исследований осевого вентилятора с лопатками, имеющими профили с увеличенной аэродинамической нагрузкой в районе задней кромки, и сравнение с вентилятором со стандартными профилями.

5. Новый класс реверсивных профилей с несимметричной Б-образной формой средней линии, особенностью которых является возможность управления реверсивными свойствами вентилятора за счет соответствующей установки лопаток колеса.

6. Результаты аэродинамических исследований осевого реверсивного вентилятора с лопатками, имеющими несимметричные Б-образные профили, и его сравнение с реверсивным вентилятором с профилями, имеющими уменьшенную кривизну профилей.

Достоверность и обоснованность результатов:

а) обоснованность численного метода дискретных вихрей подтверждена методическими и теоретическими фундаментальными исследованиями, проведенными представителями научной школы С.М.Белоцерковского;

б) достоверность разработанной методики профилирования осевых вентиляторов с лопатками, имеющими профили произвольной формы, подтверждена путем сравнения результатов расчета с данными, полученными экспериментально на моделях вентиляторов;

г) достоверность представленных экспериментальных данных вытекает из апробированных методик испытаний согласно соответствующему ГОСТу, а также сертифицированным стендам, на которых эти испытания проводились. Аиробация результатов работы. Представленные в диссертации результаты расчетио-теоретических и экспериментальных исследований докладывались

на: семинаре «Современное оборудование вентиляционных систем» (Москва, МДНТП, 1990); X международной научно-технической конференции по компрессорной технике, Казань, 1995; представлены в материалах: 5lh International Conference on Air Distribution in Rooms. Yokohama, JAPAN, July 17-19, 1996; а также Proceedings of the 3lh international symposium of experimental and computational aerothermodynamics of internal flows. -Beijing, China. - 1996.

Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 7 работах, в том числе в 3 статьях перечня изданий, рекомендованного ВАК РФ. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем основной части составляет 134 страницы, библиография включает 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены: цели диссертационной работы, актуальность, практическая ценность полученных результатов, научная новизна, обоснованность и достоверность представленных результатов, приводится список опубликованных работ автора и формулируются положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается краткая история развития методов проектирования осевых вентиляторов, проводится обзор современных работ по теме исследования.

Во второй главе излагается теория осевых вентиляторов в ее классической постановке, опубликованной в работах И.В.Брусиловского. Исходными для расчета лопаточной системы вентилятора являются полное давление ру и производительность вентилятора Q. На первом этапе выбираются: диаметр, частота вращения вентилятора и определяются безразмерные параметры: расчетный коэффициент теоретического давления у/Тр, коэффициент осевой скорости фа относительный диаметр втулки v и

проверяются условия безотрывного течения в привтулочных и периферийных областях. На втором этапе производится расчет течения в межвенцовых зазорах. На третьем этапе производится профилирование, то есть определение

в каждом расчетном сечении геометрии плоской решетки профилей, обеспечивающей при заданных значениях угла входа потока Д, густоты г и угла атакн а, необходимый угол выхода потока или коэффициент силы Жуковского сж. В существующем методе профилирования используются теоретические характеристики решеток профилей, близких к профилю С-4, полученные методом конформного отображения.

В третьей главе излагается метод расчета характеристик решеток профилей при потенциальном отекании невязкой несжимаемой жидкостью. Используется метод дискретных вихрей, при котором N дискретных вихрей располагаются непосредственно на поверхности профилей решетки (рис.1).

Рис. 1. Распределение дискретных вихрей на профилях решетки Расположенные соответственным образом дискретные вихри на других профилях решетки образуют бесконечные цепочки вихрей. Между дискретными вихрями располагаются контрольные точки, в которых выполняется граничное условие о непротекании поверхности профиля:

= 0. (1) Скорость потока в любой точке плоскости течения представляет собой сумму скорости набегающего потока IV, и скорости IV , индуцируемой вихревыми

цепочками: _ _ _

]¥ = ^ +}¥'.

Компоненты скорости, индуцируемые вихревыми цепочками,

5

определяются по формуле Био-Саварра через циркуляции составляющих их вихрей, далее записывается граничное условие (2) в контрольных точках, расположенных на поверхности профиля, в результате определение циркуляций Г(, дискретных вихрей цепочек сводится к решению следующей системы линейных алгебраических уравнений

"г 1

V = 1,2,..., N + 1

Безразмерные компоненты скорости потока в любой точке плоскости течения определяются по формулам

дФ ы —

ОУ

Рассчитав компоненты скорости, можно построить поле скоростей в окрестности решетки, рассчитать давление на контуре профиля, определить действующие на него аэродинамические силы, а также значение среднего угла выхода из решетки и другие параметры. В этой же главе впервые формулируется методика и алгоритм профилирования лопаточных венцов с использованием МДВ, который состоит в следующем. Определяется множество решеток профилей, имеющих различные прогиб f и углы установки вг, обеспечивающих при заданном значении густоты г необходимое значение коэффициента подъемной силы С*,. Задаются

начальные значения / и вг. Для поиска используется итерационный процесс, который для /+1-го приближения записывается:

&вгм = вп + ——-, (2) ¿в/'

где /=1,2...М номер итерации.

Процесс вычисления по формуле (3) прекращается при выполнении

условия QrM — 0п < £, где е - заданная точность определения угла установки.

Из полученного множества решеток профилей определяется решетка, имеющая заданный угол атаки аг Геометрические параметры искомой решетки вгп j определяются из совместного решения уравнения, записанного по условию входа, и уравнения, аппроксимирующего полученное множество значений вп = f(f¡),

Í0,.(/) = A+al+0(/);

i- __ (3)

/'(/-./;) ■■dxf-f.y.

j = 1,2...N, где N- число значений f, для которых получены значения б,„0</<0,15.

Полученные из решения системы уравнений (3) значения 0Г и

/ определяют решетку профилей, обеспечивающую при данном г расчетные

значения С , при заданном угле атаки а,. Совокупность значений вг, с и f,

полученных в разных расчетных сечениях по высоте лопатки образуют поверхность лопатки.

В четвертой главе приведены результаты расчетио-теоретического исследования влияния формы профилей на суммарные характеристики плоских решеток. Предложена универсальная формула для средней линии профиля (рис.2):

V входная кромка л /

при прямой 0 работе --V --

Рис. 2. Средняя линия профиля

a) па участке 0 < х < хf, хДх) = х ■ tg%¡ - Ах";

_ - - f kn(x-xf) . .]

b) х,<х<1,0: увыЛх) = ^-^ jcos-^-.lcosHj.

Здесь Хг конструктивный угол входа, а %г~ конструктивный угол выхода.

Параметры п и Л определяются из уравнений:

Г ' — л_ п ■ Xf

X, ■ tgx,

Для средней линии профиля на начальном участке, близком к дуге окружности, угол х, ~ 1arctg(f I х f). Коэффициент к определяет кривизну средней линии профиля в районе задней кромки и его значение может изменяться в пределах к= 0,5...1,5. Так, при (),5<к<\ средняя линия профиля в районе задней кромки имеет перегиб в точке А (S-образная средняя линия). При к=1,0 угол ^2=0°, а при к> 1 угол %г<0° (S- образные реверсивные профили).

На параметры: у/г=0,43, (р= 0,5 и v=0,5 (вентилятор ОВ-247М) по разработанной методике был спрофилирован ряд решеток профилей, отличающихся формой средней линии, положением максимального прогиба xf и максимальной толщины Хс. Профили №1-3 имели среднюю линию —

дугу окружности (ху =0,5) и различное положение максимальной толщины хс =0,3-0,6 (профиль №1 является стандартным). Профиль №4 имел аэродинамически нагруженную переднюю часть (х/ =(),3, А" =0,75), а профиль №6 нагруженную заднюю кромку (1^=0,75, к =0,75). Профиль №5 занимал промежуточное положение (^.=0,5, к= 0,75).

Численные исследования проводились по программе расчета нестационарного отрывного двухмерного обтекания решеток профилей (Котовский В.Н., Ништ М.И., Федоров P.M.). Использован подход, основанный на сочетании модели идеальной жидкости для тела конечной толщины в основной части течения с теорией пограничного слоя в области, непосредственно примыкающей к поверхности тела. Задача решалась в нестационарной постановке: из состояния покоя жидкость начинает натекать

на решетку с заданным полем скоростей (обычно это равномерный поток с заданным углом входа в решетку). По мере развития течения вокруг профиля формируется пограничный слой, образуются точки отрыва потока и вихревые пелены, сходящие с профиля (рис.3).

Количество возможных точек отрыва и их месторасположение на профиле находилось в процессе расчета. Расчеты производились до момента времени, пока положение точек отрыва пограничного слоя не стабилизировалось. В качестве примера на рис. 4 приведены зависимости углов поворота потока в решетке Д/3=/?2-Д (Ди /?, -углы между вектором скорости на входе и выходе из решетки и фронтальной линией решетки) и коэффициентов профильных потерь С, в зависимости от угла входа потока Д на решетку профилей №1,2,3. Как видно, профили с отнесенным к задней кромке положением максимальной толщины (хс=0,5 и 0,6) по сравнению со стандартным профилем имеют меньше угол поворота и на 10% больше коэффициент профильных потерь. Характеристики решеток профилей № 4, 5, 6 приведены на рис. 5. Худшие характеристики имеет решетка №4 (х/ =0,3), а наилучшие характеристики имеет решетка профилей №6 (х. =0,75).

Сравнение распределения давлений по контуру профилей №4,5 и 6 показало, что профиль №6 имеет минимальный градиент давления на верхней поверхности и максимально сдвинутую к задней кромке точку отрыва пограничного слоя, но на верхней поверхности имеется локальная зона с местным ускорением потока. Для корректировки эпюры давления профиля

Рис. 3. Расчетная схема течеиия в решетке профилей

спрофилированы решетки профилей № 7,8 и 10 с х г = 0,65 (к = 0,5) и с различными расчетными углами атаки.

Рис. 4. Характеристики решеток Рис. 5. Характеристики

профилей №1,2 и 3 решеток профилей №4, 5 и 6

Все решетки, за исключением решетки № 8 с расчетным углом атаки а,р= — 4°, на расчетном угле входа потока имели меньше профильные потери, чем базовая. Следовательно, для рассматриваемых решеток смещение максимального прогиба к задней кромке приводит к некоторому уменьшению профильных потерь, по сравнению с решетками со стандартными профилями.

В пятой главе приводится подробное описание экспериментальных стендов, на которых проводились испытания моделей осевых вентиляторов. Даются методика проведения испытаний и формулы для обработки результатов измерений. Приводятся погрешности измерений параметров аэродинамических характеристик моделей вентиляторов.

В шестой главе представлены результаты исследований осевых вентиляторов с лопатками, имеющими профили с увеличенной аэродинамической нагрузкой в районе задней кромки. На одни и те же расчетные параметры: у/т=0,4Ъ, (ра=0,5 и у=0,5 с были разработаны два

вентилятора схемы К+СА. Вентилятор ОВ-247М имел лопатки колеса со стандартными профилями, а вентилятор ОВ-2478 - лопатки с профилями с увеличенной аэродинамической нагрузкой в зоне задней кромки (х7= 0,65). Профилирование лопаточных систем было выполнено по разработанной методике. Вентиляторы имели диаметр 700мм и один и тот же спрямляющий аппарат.

На расчетных углах установки лопаток колеса было получено, что экспериментальное значение коэффициента теоретического давления вентилятора ОВ-247М больше расчетного на 4,6%, а вентилятора ОВ-2478 больше на 1,9%. Такая точность получения расчетных параметров является достаточно высокой и свидетельствует о высоком качестве разработанной методики профилирования лопаточных венцов. Аэродинамические характеристики вентиляторов при различных углах установки лопаток колеса приведены на рис.6, а на рис.7 приведено сравнение зон полных КПД двух вентиляторов.

0.1 0,2 0,3 0,4 0.5 Ч>

Рис. 7. Сравнение полных КПД вентиляторов ОВ-247М и ОВ-2478

0,1 0.2 0,3 0.4 0.5 0.6 0,7 <Рд

Рис. 6. Аэродинамические характеристики вентиляторов ОВ-247М и ОВ-2478

Вентилятор ОВ-2478 с модифицированными профилями имеет выигрыш в КПД на меньших углах установки лопаток колеса, так, при углах установки вк=21°20'(20°) (режим, где кривые теоретического давления Ц/7(сра) вентиляторов совпадают), максимальный полный КПД вентилятора ОВ-2478 выше на 6%, чем у вентилятора ОВ-247М. Анализ результатов испытаний позволяет сделать следующие выводы:

— на расчетном угле установки лопаток колеса применение профилей с увеличенной нагрузкой в районе выходной кромки приводит к более равномерному распределению профиля осевой составляющей скорости по радиусу;

— положительный эффект от применения этих профилей возрастает с уменьшением углов установки лопаток колеса;

— вентилятор с колесом, имеющим лопатки с такими профилями, имеет увеличенный диапазон эффективной работы.

Седьмая глава посвящена исследованию реверсивных вентиляторов с лопатками, имеющими профили Б-образной формы. Предложены несимметричные Б-образные профили, у которых входная часть (от входной кромки до точки перегиба) имеет большую протяженность и больший прогиб, чем выходная часть профиля (от точки перегиба до выходной кромки). При использовании лопаток с такими профилями за счет различной установки лопаток быть получены вентиляторы с различными реверсивными свойствами при сохранении высокой эффективности как при нормальном, так и при реверсивном режимах работы.

Для исследования аэродинамических свойств несимметричных Б-образных профилей был разработан вентилятор ОВ-2685 схемы К с параметрами: у/г=0,185; у/ =0,14; <р=0,363; =0,405; У=0,35. Лопатки вентилятора имели Б-образные несимметричные профили с параметрами: X; =0,3 и к =1,25, с расчетными углами атаки: у корня +5°, а на периферии 0°.

На эти же параметры был спроектирован осевой вентилятор ОВ-268, имеющий лопатки с обычными профилями (средняя линия - дуга окружности, ^ =0,5), но с уменьшенным изгибом: углы атаки у корня: +25° и на

периферии +7°. В обоих вентиляторах использованы тонкие профили, близкие к листовым. Профилирование лопаточных систем было выполнено по разработанной методике. Вентиляторы имели диаметр 700мм.

На расчетных углах установки лопаток колеса было получено, что экспериментальное значение коэффициента теоретического давления вентилятора ОВ-268 на 2,7% больше расчетного, а вентилятора ОВ-2688 на 2% меньше расчетного, что свидетельствует о высокой точности разработанной методики профилирования. Были проведены обширные аэродинамические исследования этих вентиляторов. Аэродинамические характеристики вентилятора ОВ-2688 с нормально установленными лопатками и с «симметричным» колесом ОВ-2688-С (лопатки поочередно установлены в нормальном и перевернутом положении) приведены на рис.8.

Рис. 8. Аэродинамические характеристики вентиляторов ОВ-2688-С и ОВ-2688

Максимальный полный КПД вентилятора ОВ-2688-С при нормальном и реверсивном режимах достигает 77иа1=0,74, что на 7,5% меньше, чем у вентилятора ОВ-2688 при нормальном режиме течения. Однако степень реверсивности вентилятора ОВ-2688-С на всех режимах равна 11=100%, а производительность составляет 95% от производительности вентилятора ОВ-2688 при нормальном течении.

Если рассматривать параметры вентиляторов в сети, проходящей через расчетный режим, то при нормальном положении лопаток оба вентилятора имеют одинаковую степень реверсивности Я=92%, но при нормальном режиме полный КПД вентилятора ОВ-2688 на 3,4%, а при реверсивном на 8,5% больше КПД, чем у вентилятора ОВ-268. Разница в эффективности более значительная при сравнении вентиляторов с симметричными колесами. Так, вентилятор ОВ-2688-С имеет на 13% больше КПД при реверсивном режиме.

Параметры вентилятора ОВ-2688, полученные при нормальной и симметричной установке лопаток, являются крайними случаями. При иных вариантах установки лопаток с несимметричными 8-образными профилями может быть получена различная степень реверсивности в диапазоне от 92 до 100%. При этом максимальный полный КПД вентилятора при нормальном режиме будет лежать в диапазоне 0,795...0,715, а при реверсивном режиме в диапазоне 0,71.. .0,74.

Восьмая глава иллюстрирует внедрение полученных результатов. В главе приведены аэродинамические схемы и характеристики выпускаемых промышленностью вентиляторов, разработанных диссертантом по заданиям различных отечественных и зарубежных фирм.

Завершается диссертация Заключением, списком цитированной Литературы, а также Приложением.

Заключение и выводы 1. Усовершенствован метод и разработана программа профилирования лопаточных венцов осевых вентиляторов с профилями произвольной формы. Аэродинамические испытания вентиляторов, рассчитанных с помощью данного метода, подтвердили его высокую точность: экспериментальное значение коэффициента теоретического давления укладывается в диапазоне ±4% от расчетного значения.

2. Разработана универсальная формула для описания средней линии профилей, которая дает возможность применять единый метод профилирования лопаточных венцов с профилями традиционной и произвольной формы.

3. В результате численного моделирования вязкого отрывного течения в плоских решетках профилей, отличающихся различным распределением аэродинамической нагрузки по хорде, было определено, что минимальные потери имеют профили с увеличенной аэродинамической нагрузкой в районе задней кромки.

4. На примере высоконагруженного осевого вентилятора с лопатками колеса, имеющими профили с увеличенной аэродинамической нагрузкой в районе задней кромки, была подтверждена эффективность такого типа профилей. Вентилятор имеет более широкую область эффективной работы, чем вентилятор со стандартными профилями.

5. Для лопаток осевых реверсивных вентиляторов предложен новый класс профилей с несимметричной Б-образной формой средней линии, особенностью которых является возможность управления реверсивными свойствами вентилятора за счет соответствующей установки лопаток колеса.

6. Использование профилей этого класса позволяет обеспечить высокую степень реверсивности вентиляторов только за счет изменения направления вращения колеса без перестановки лопаток колеса.

7. Аэродинамические испытания осевого реверсивного вентилятора показали что вентилятор с лопатками, имеющими несимметричные 8-образные профили имеет больше КПД как при нормальном, так и при реверсивном режимах работы, по сравнению с вентилятором, имеющим лопатки со стандартными профилями.

8. Представлены схемы и аэродинамические характеристики высокоэффективных вентиляторов с лопатками специальной формы, разработанных с использованием предложенной методики и серийно выпускаемых отечественными предприятиями и зарубежными фирмами. Список литературы

1. Московко Ю.Г. Разработка и исследование аэродинамических схем реверсивных регулируемых осевых вентиляторов// Промышленная

Аэродинамика. - M.: Машиностроение, 1991. -Вып. 36. -С.240-250.

2. Брусиловский И.В., Вермель В.Д, Митрофович В.В., Московко Ю.Г. Система автоматизированной разработки осевого вентилятора// Химическое и нефтяное машиностроение. -1992. -№3. - С.8-9.

3. Котовский В.Н., Московко Ю.Г. Применение нестандартных профилей для увеличения эффективности осевых вентиляторов// Компрессорная техника и пневматика.-2010.-№ 8.-С.9-13.

4. Московко Ю.Г. Использование несимметричных S-образных профилей в осевых реверсивных вентиляторах// Компрессорная техника и пневматика.-2011 .-№ 3. -С.240-250

5. Брусиловский И.В., Московко Ю.Г., Попова Л.И. Опыт использования нетрадиционных профилей для повышения эффективности осевых вентиляторов при малых углах установки лопаток колеса// Материалы докладов X международной научно-технической конференции по компрессорной технике. -Казань, 1995. - С.216-217.

6. Y.Moscovko, L.Popova, J.Brussilovski, V.Mitrofovich. Method of aerodynamic design of axial fans// Proceedings of the 5th International Conference on Air Distribution in Rooms. Yokohama, JAPAN, July 17-19, 1996.

7. Y.Moscovko, L.Popova, J.Brussilovski, V.Mitrofovich. Method of aerodynamic design of axial fans// Proceedings of the 3th international symposium of experimental and computational aerothermodynamics of internal flows. -Beijing, China. - 1996.

Подписано в печать 25.10.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8223Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Условные обозначения.

Введение.

1 Обзор литературы.

2 Современный метод профилирования осевых вентиляторов.

2.1 Кинематика потока.

2.2 Расчет лопаточной системы осевого вентилятора.

3 Профилирование лопаточных венцов осевых вентиляторов с профилями произвольной формы с использованием метода дискретных вихрей.

3.1 Несжимаемый невязкий поток.

3.2 Определение характеристик решеток профилей методом дискретных вихрей.

3.3 Алгоритм профилирования лопаточных венцов.

3.4 Методические указания по использованию метода профилирования.

4 Численное моделирование обтекания решеток профилей вязким потоком.

4.1 Постановка задачи и метод расчета.

4.2 Численные исследования по оптимизации профилей лопаток севых вентиляторов.

4.2.1 Математическое описание профиля произвольной формы.

4.2.2 Теоретическое исследование влияния формы средней линии профиля на характеристики решетки профилей.

5 Стенд для аэродинамических испытаний осевых вентиляторов.

6 Экспериментальные исследования вентилятора с лопатками с модифицированными профилями.

7 Исследование реверсивных вентиляторов с лопатками с Б-образными профилями.

7.1 Б-образные профили.

7.2 Экспериментальные исследования вентилятора с несимметричными 8-образным профилями.

Заключение.133

Список используемой литературы.135

Приложение.145

Условные обозначения р - плотность воздуха; кг/м3;

V- относительный диаметр втулки; п - частота вращения колеса вентилятора, об/мин; и — окружная скорость конца лопаток вентилятора , м/с ; и - окружная скорость на текущем радиусе, м/с;

Яе - число Рейнольдса;

Л впг диаметр втулки вентилятора, м;

И - диаметр колеса вентилятора, м;

М] 2 - относительная скорость воздуха на входе и выходе из колеса; са,си,сг- осевая, окружная (тангенциальная) и радиальная составляющие скорости, м/с; с = с /и, с = с / и, Сг = сг / И безразмерные: осевая, окружная тангенциальная) и радиальная составляющие скорости; сх, с2 - абсолютная скорость на входе колесо и на выходе из него, м/с; съ - абсолютная скорость потока за спрямляющим аппаратом осевого вентилятора, м/с; а2 - угол между абсолютной скоростью с2 и окружной скоростью и2, град; 3], 32 ,3з~ угол входа потока в абсолютном движении между скоростью С], С2; Сз соответственно, и фронтом решетки осевого вентилятора, град; Д, Д,, - угол входа и выхода потока, средний угол потока в решетке в относительном движении между скоростью м?х, м?2 и н^ соответственно, и фронтом решетки, град; о

0~ производительность вентилятора, расход, м /час; ^ - площадь, ометаемая колесом вентилятора, м2;

Ру , р5У, рау ~ полное, статическое и динамическое вентилятора, Па; N - потребляемая вентилятором мощность, кВт; 7],т]8 - полный и статический КПД вентилятора; р,(ра - коэффициент производительности, коэффициент осевой скорости вентилятора; рх,(р2- угол между касательной в носике профиля и линией, соединяющей носик и хвостик профиля, угол между касательной в хвостике профиля и линией соединяющей носик и хвостик профиля, град; у/,у/5- коэффициент полного и статического давления вентилятора; у/т,у/а- коэффициент теоретического и динамического давления вентилятора;

- максимальный прогиб лопатки, мм, относительный прогиб; 0г,вк- геометрический угол установки (угол между фронтом решетки и линией, соединяющей носик и хвостик профиля по средней линии), конструктивный угол установки (угол между фронтом решетки и касательной к нижней поверхности профиля), град; стах,с- максимальная толщина профиля, мм, относительная толщина профиля; к- параметр средней линии профиля, характеризующий среднюю линию профиля; хс,х/- положение максимальной толщины и максимального прогиба профиля; г - текущий радиус; а\ > а\опт ~~ У™11 атаки на лопатки колеса, оптимальный угол атаки, град; Ъ - хорда профиля.

ВВЕДЕНИЕ

Осевые вентиляторы и компрессоры в настоящее время являются неотъемлемой частью энергетических, транспортных и технологических установок. Основным требованием к вновь разрабатываемым вентиляторам и компрессорам является получение высокой эффективности, как на расчетном режиме, так и в широком диапазоне производительности. Говоря о научных исследованиях по осевым вентиляторам, нельзя не отметить их тесную связь с теоретическими работами в области осевых компрессоров. При малых дозвуковых скоростях обтекание лопаток ступени осевого компрессора и лопаток осевого вентилятора описывается одними и теми же уравнениями, что позволило разработать общую теорию и использовать единые методы расчета. Предложенная в начале XX века Н.Е.Жуковским вихревая теория крыла [37] в совокупности с гипотезой плоских течений [36] позволили на научной основе приступить к разработкам методов аэродинамического расчета и проектирования лопаточных венцов турбомашин. В 1912 г. С.А. Чаплыгин [78] впервые дает точное решение задачи об обтекании решеток, составленных из отрезков прямых линий (пластин). Последующее развитие гидродинамической теории обтекания плоских решеток профилей на долгие годы определило основное направление в разработке методов аэродинамического расчета лопаточных венцов вентиляторов и дозвуковых компрессоров [3, 13, 17, 51, 52, 53, 66, 69, 70, 71, 73, 79] и позволило добиться важных практических результатов при создании конкретных образцов турбомашин, повышения их эффективности и надежности. Метод проектирования (профилирования) лопаточных венцов осевых вентиляторов, основанный на использовании теоретических характеристик плоских решеток стандартных профилей со средней линией дужкой окружности (положение максимальной толщины профиля на расстоянии 0,3 хорды) совместно с обобщениями экспериментальных исследований, изложен в работах Брусиловского И.В.

15, 16, 19]. Теоретические характеристики плоских решеток профилей определяются из расчета потенциального обтекания [6, 7, 8, 32] полученного либо методом конформных отображений, либо методом дискретных вихрей. Метод проектирования был апробирован при разработке множества осевых вентиляторов и показал высокую точность получения расчетного режима, при этом полный КПД вентиляторов достигает 0,86.0,9 вблизи расчетного режима.

Актуальность исследования. При проектировании осевых вентиляторов и компрессоров наряду с получением высокого КПД на расчетном режиме, зачастую выдвигаются и дополнительные требования, например, необходимо обеспечить и эффективную работу в широком диапазоне режимов, значений углов установки лопаток колеса. Существуют также и специальные требования к осевым вентиляторам, например, обеспечение 100% реверсирование потока изменением направления вращения колеса без изменения положения лопаток колеса. Широко используемые в вентиляторах и компрессорах профили типа КА8А-65, КАСА-500, БС-10, С-4 в ряде случаев не обеспечивают специфических требований к вентиляторам. Очевидно, что для обеспечения дополнительных требований к вентиляторам должны быть использованы нестандартные профили. Одним из путей проектирования высокоэффективных вентиляторов является индивидуальная корректировка формы лопаток, проводимая по результатам расчетов 3-х мерного течения в лопаточных венцах или аэродинамических исследований. Расчетные методы в настоящее время бурно развиваются и, следует ожидать, что в ближайшем будущем они частично заменят дорогостоящие эксперименты. Аэродинамические испытания с целью дальнейшей корректировки формы лопаток требуют скрупулезного исследования течения в лопаточных венцах, соответствующее экспериментальное оборудование. И то и другое предполагает индивидуальный подход к проектированию каждого нового осевого вентилятора или компрессора, длительный и дорогостоящий цикл его разработки. Поэтому разработка новых классов профилей и методов профилирования являются актуальной задачей, особенно в связи с современными требованиями повышения энергоэффективности оборудования.

Цель диссертационной работы:

1. Разработка методики профилирования осевых вентиляторов с целью возможности использования профилей произвольной формы и расширения зоны эффективной работы вентиляторов.

2. Поиск оптимальной формы нестандартных профилей обеспечивающих:

- эффективную работу вентиляторов и компрессоров в широком диапазоне углов установки лопаток колеса;

- эффективную работу осевых вентиляторов при прямой и реверсивной работе и возможность управления реверсивными свойствами вентиляторов.

Объектом настоящего исследования являются средненагруженные осевые вентиляторы, в том числе и реверсивные вентиляторы.

Предметом исследования являются разработка новых классов профилей и создание методики профилирования лопаточных венцов с нестандартными профилями.

Положения, выносимые на защиту

1. Методика профилирования лопаточных венцов с любыми, в том числе и с нестандартными профилями, основанная на методе дискретных вихрей (МДВ), позволяющая получать рабочий режим вентилятора с высокой точностью.

2. Универсальная формула для описания средней линии профилей, которая дает возможность применять единый метод профилирования лопаточных венцов с профилями традиционной и произвольной формы.

3. Результаты численного моделирования обтекания плоских решеток, состоящих из профилей с различным положением аэродинамической нагрузки по хорде, обтекаемых вязким потоком при наличии отрывов, положение которых определяется при совместном использовании метода дискретных вихрей и численного расчета пограничного слоя.

4. Результаты аэродинамических исследований осевого вентилятора с лопатками, имеющими профили с увеличенной аэродинамической нагрузкой в районе задней кромки, и сравнение с вентилятором со стандартными профилями.

5. Новый класс реверсивных профилей с несимметричной Б-образной формой средней линии, особенностью которых является возможность управления реверсивными свойствами вентилятора за счет соответствующей установки лопаток колеса.

6. Результаты аэродинамических исследований осевого реверсивного вентилятора с лопатками, имеющими несимметричные 8-образные профили, и его сравнение с реверсивным вентилятором с профилями с уменьшенной кривизной.

Научная новизна Научная новизна работы состоит в следующем: а) усовершенствован метод и разработана программа профилирования лопаточных венцов осевых вентиляторов с профилями произвольной формы; б) разработана универсальная формула для описания средней линии профилей, которая дает возможность применять единый метод профилирования лопаточных венцов с профилями традиционной и произвольной формы; в) предложены профили с увеличенной нагрузкой в районе выходной кромки, применение которых приводит к увеличению диапазона эффективной работы осевых вентиляторов; г) предложен новый класс реверсивных профилей с несимметричной 8-образной формой средней линии, применение которых приводит к увеличению эффективности работы осевого вентилятора, как при нормальном, так и реверсивном режимах и дает возможность управления степенью реверсивности вентилятора за счет соответствующей установки лопаток колеса.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработанная методика может быть использована для профилирования лопаточных венцов осевых вентиляторов и дозвуковых компрессоров с профилями произвольной формы.

2. Предложенные профили с увеличенной нагрузкой в районе выходной кромки могут быть использованы для разработки высокоэффективных осевых вентиляторов (компрессоров) с широким диапазоном эффективной работы.

3. Новый класс несимметричных Б-образных профилей и рекомендации по их применению при профилировании могут быть использованы для разработки высокоэффективных осевых реверсивных вентиляторов с управляемыми реверсивными свойствами.

Область использования. Областью использования являются средненагруженные осевые вентиляторы и в частности, их рабочие колеса. Безразмерные параметры вентилятора определяются как:

- коэффициент производительности ф = 0^1 Ри;

- коэффициент осевой скорости (ра = (р{ 1 — V2);

- коэффициент полного давления у/ = 2ру/ ри1;

- коэффициент статического давления у/з = 2рп /ри2;

- коэффициент мощности Л = 2Л/7р¥иъ

Для удобства изложения принята следующая условная классификация осевых вентиляторов:

- слабонагруженные вентиляторы схемы К, \// = 0,05-0,15 (плоские стенные вентиляторы, струйные реверсивные вентиляторы и т.д.);

- средненагруженные вентиляторы схемы К, 0,1-0,2; схемы К+СА, ц/= 0,15-0,3 (общепромышленные вентиляторы, вентиляторы охлаждения теплообменных аппаратов защиты и т.д.);

- сильнонагруженные вентиляторы схемы К, ^=0,2-0,4; схемы К+СА, у/= 0,3-0,5; схемы ВНА+К+СА , у/= 0,5-1,0 (специальные вентиляторы).

Обоснованность и достоверность полученных результатов. Отметим следующие аспекты обоснованности и достоверности представленных результатов: а) обоснованность собственно численного метода дискретных вихрей для решения задач аэрогидродинамики подтверждена многочисленными методическими и теоретическими фундаментальными исследованиями, проведенными представителями научной школы С.М.Белоцерковского; б) обоснование использования МДВ для расчета решеток телесных профилей в вязком потоке при наличии отрывов дано в работе [46]; в) достоверность разработанной методики профилирования осевых вентиляторов с лопатками, имеющими профили произвольной формы подтверждена путем сравнения результатов расчета с данными, полученными экспериментально на моделях вентиляторов (главы 6 и 7). г) достоверность представленных экспериментальных данных вытекает из апробированных методик испытаний согласно соответствующему ГОСТу, а также сертифицированным стендам, на которых эти испытания проводились (глава 5).

Апробация результатов исследования. Представленные в диссертации результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований докладывались на: X международной научно-технической конференции по компрессорной технике, Казань, 1995; представлены в материалах 5th International Conference on Air Distribution in Rooms. Yokohama, JAPAN, July 17-19, 1996; а также Proceedings of the 3th international symposium of experimental and computational aerothermodynamics of internal flows.

-Beijing, China. - 1996.

Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 7 работах, в том числе в 3 статьях перечня изданий, рекомендованного ВАК РФ [45, 58, 59].

Аннотация диссертационной работы по главам

Во введении - формулируются: актуальность темы диссертационной работы, ее цель, практическая ценность полученных результатов, научная новизна, приводится список опубликованных работ автора и показывается обоснованность и достоверность представленных результатов.

В первой главе дается краткая история развития методов расчета осевых вентиляторов, проводится обзор современных исследований по выбранной тематике.

Во второй главе вначале излагается теория осевых вентиляторов. Приводятся основные положения и уравнения этой теории, необходимые при проектировании (профилировании) лопаточных венцов. Излагается существующая методика профилирования осевых вентиляторов.

В третьей главе излагается метод расчета характеристик решеток профилей произвольной формы в несжимаемой жидкости при безотрывном обтекании. Задача решается с помощью метода дискретных вихрей (МДВ). Приводятся основные уравнения для невязкой несжимаемой среды при потенциальном безотрывном обтекании. Впервые формулируется методика и алгоритм профилирования лопаточных венцов с использованием метода дискретных вихрей и даются методические указания по профилированию лопаток.

В четвертой главе описывается метод численного моделирования обтекания плоских решеток профилей вязким потоком. Используется подход, основанный на сочетании модели идеальной жидкости для тела конечной толщины в основной части течения с теорией пограничного слоя в области, непосредственно примыкающей к поверхности тела. Задача решается в нестационарной постановке: по мере развития течения вокруг профиля формируется пограничный слой, образуются точки отрыва потока и вихревые пелены, сходящие с профиля. Количество возможных точек отрыва и их месторасположение на профиле заранее не постулируется, а находится в процессе расчета. С течением времени структура обтекания стабилизируется, параметры потока выходят на свои асимптотические значения, которые в итоге и принимаются за характеристики установившегося потока.

Предложен способ математического описания профиля произвольной формы. Приводятся результаты расчетов ряда решеток профилей, получено что решетки, составленные из профилей с увеличенной аэродинамической нагрузкой в районе выходной кромки имеют меньшие профильные потери, чем решетки со стандартными профилями со средней линией - дужкой окружности.

В пятой главе приводится описание экспериментального стенда, на котором проводились испытания моделей осевых вентиляторов. Даются методика проведения испытаний и формулы для обработки результатов измерений. Приводятся погрешности измерений аэродинамических характеристик моделей вентиляторов.

В шестой главе представлены результаты исследований осевых вентиляторов со стандартными лопатками и с лопатками, имеющими нестандартные профили (с увеличенной нагрузкой в районе задней кромки). Представлены сводные аэродинамические характеристики вентиляторов, показано, что использование модифицированных профилей привело к увеличению эффективности вентилятора при малых углах установки лопаток и, соответственно, к увеличению диапазона эффективной работы вентилятора.

Седьмая глава посвящена исследованию реверсивных вентиляторов с лопатками с профилями 8-образной формы. Описаны способы реверсирования осевых вентиляторов. Представлены данные экспериментальных исследований реверсивных вентиляторов со стандартными и с несимметричными Б-образными профилями. Показано, что использование лопаток, имеющих несимметричные 8-образные профили, приводит к увеличению эффективности вентилятора на реверсивном режиме, при сохранении высокой эффективности при нормальном режиме работы вентилятора.

Восьмая глава иллюстрирует внедрение полученных результатов. В главе приведены аэродинамические схемы и аэродинамические характеристики серийно выпускаемых вентиляторов, разработанных диссертантом по заданиям различных отечественных и зарубежных фирм, в которых использованы результаты диссертационной работы.

Завершается диссертация Заключением и выводами, списком Литературы, а также Приложением.

1. Обзор литературы

Современное состояние проблемы. Развитие вычислительной техники и численных методов аэрогидродинамики открыли новые большие возможности по дальнейшему совершенствованию методов аэродинамического расчета и разработкам более эффективных схем вентиляторов. Прежде всего, усилия были направлены на возможность с помощью ЭВМ осуществить расчет обтекания гидродинамических решеток любых параметров, составленных из профилей произвольной формы [39, 38]. Одним из расчетных методов является метод дискретных вихрей (МДВ), основоположником которого является Белоцерковский С.М. Расчеты потенциального обтекания решеток профилей произвольной формы методом МДВ изложены в работе [11]. С помощью этого метода Белоцерковским С.М., Гиневским А.С [8] были определены аэродинамические характеристики решеток профилей. Численное моделирование вязкого отрывного обтекания тел произвольной формы, при котором течение в основной области рассчитывается методом МДВ приведено в работах Белоцерковского С.М., Ништа М.И., Федорова P.M., Котовского В.Н. [10,9,11]. Нестационарное отрывное обтекание плоских решеток профилей формы представлено Котовским В.Н. в работе [46].

Стандартные профили хорошо изучены, экспериментальные данные обобщены в работах Комарова А.П. [42], Бунимовича А.И. и Святогорова A.A. [12], Брусиловского [19], Гегина Ф.Д. [31] и Галеркиным Ю.Б. и Попова Ю.А. [ 25, 26, 30].

Рассмотрим работы, в которых представлены результаты поиска оптимальной формы профилей. Вандерплаатс'ом [20] для определения формы профиля, имеющего максимальную подъемную силу (при заданных ограничениях) предложен эффективный алгоритм численной оптимизации, при котором существенно снижается количество обращений к решению прямой задачи обтекания профиля. В работе Реджа П. и др. [64] приведен алгоритм определения конфигурации профилей, которые реализуют бесскачковое обтекание крыла. Хасан и др. привели алгоритм построения профилей, которые имеют распределение давления, близкое к заданному [75]. Приведенные работы, а также [23, 24, 60, 76], демонстрируют изящные методы решения обратной задачи, однако, положительный эффект не подтвержден экспериментом.

Аналогичные подходы используются при проектировании профилей для решеток. Так, Рехтер'ом и др. [65] представлены результаты разработки сверхкритических профилей и получен определенный положительный эффект при испытаниях компрессора с разработанными профилями. В работе Хобса и Вайнголца [77] сформулированы требования к распределению скорости на поверхности профиля для режима сверхкритического обтекания, приведены примеры сверхкритических профилей. Дункер и др. [35] привели результаты исследования одноступенчатого трансзвукового компрессора с двумя вариантами лопаток направляющего аппарата, серии NACA и с лопатками с откорректированной диффузорностью. Экспериментально получено снижение потерь в направляющем аппарате с модифицированными лопатками. В работе Кравца М.Б. и Савина Н.М. [49] приведены результаты расчетно-теоретического сравнения сверхкритических профилей с откорректированной диффузорностью с профилями серии ВС-10. Получено, что на расчетном режиме модифицированные профили имеют бесскачковое обтекание, но на расчетных режимах не имеют преимуществ перед профилями серии ВС-10. В работе Картера A. (Carter) [85] приведены результаты продувок плоских решеток серии С-4, имеющих различное положение максимального профиля xf (при постоянных значениях хс=0,3 и с =10%). Решетки были спрофилированы на одни и те же треугольники скоростей. В диапазоне значений 3^=0,3. 0,6 получены следующие результаты: а) перемещение положения максимального прогиба xf вперед по хорде приводит к увеличению диапазона устойчивой работы решетки; б) перемещение xf назад по хорде приводит к увеличению поворота потока в решетке и увеличению критического числа Маха (что, однако, сопровождается увеличением потерь); в) лучшие интегральные характеристики имеет решетка, составленная из профилей с 3^=0,5.

В работе Монелло и др. [55] представлены результаты использования модифицированных профилей для профилирования спрямляющих аппаратов сильно нагруженных турбин. Профили лопаток проектировались прямым методом, путем подбора распределения кривизны и толщины, при которых уменьшается вероятность отрыва потока на верхней поверхности профиля. Полученные профили характеризовались сдвинутыми к выходной кромке положением максимальной толщины и максимального прогиба. Экспериментальная проверка разработанных профилей на плоских и кольцевых решетках показала некоторое улучшение аэродинамических характеристик. В работе приведено обобщение продувок различных диффузорных решеток в поле параметров Qeq - rjD: где Qeq эквивалентный угол раскрытия диффузора, a rjD- эффективность торможения. Местоположение точек оптимальной эффективности для каждого эквивалентного относительного расширения показано в виде линии оптимальной величины 7]0. Полученные корреляционные зависимости для эквивалентного угла раскрытия Qeq использовались авторами при выборе конфигурации решетки.

В работах Бекнева B.C. и Огнева В.В. [22, 5] приведены результаты продувок плоских компрессорных решеток, имеющих различную нагрузку по длине (S- образные профили) и равномерное распределение скорости по шагу на выходе из межлопаточного канала. Получено, что смещение максимума нагрузки к входной кромке приводит к некоторому снижению профильных потерь, а смещение нагрузки в сторону выходной кромки — к снижению концевых потерь на 50%. Была разработана методика профилирования лопаток, при которой форма профилей определяется в соответствии с таким законом распределения аэродинамической нагрузки по длине межлопаточного канала, при котором минимизируется градиент скорости на выходе из межлопаточных каналов. Средняя линия профилей в этом случае имеет S-образный вид из-за вогнутости (перегиба) в районе выходной кромки. Метод профилирования лопаточных венцов использован разработках компрессоров (21, 80).

В работе Гото A. (Goto) и др. [83] приведено сравнение аэродинамических характеристик вентилятора с профилями NACA-65 и вентилятора, в котором использованы оптимизированные профили. Использован метод индивидуального построения профилей по заданному распределению скорости, при котором отсутствует отрыв пограничного слоя. В отличие от профилей серии NACA-65 модернизированные профили имеют меньшую кривизну средней линии вблизи задней кромки, соответственно, меньше и аэродинамическая нагрузка в районе выходной кромке. Сравнение характеристик показало, что вентилятор с модифицированными лопатками имеет КПД на 1,5-2% больше, чем вентилятор с профилями серии NACA-65.

Работа Уислера [72] требует более детального рассмотрения, т.к. в ней продемонстрирован совершенно иной подход к проектированию высокоэффективных многоступенчатых компрессоров. Этот подход заключается в следующем: на низкооборотной модели ступени исследуется течение в межлопаточных каналах, как в абсолютном, так и относительном движении, измеряется распределение статического давления на поверхности лопаток. Эти данные являются исходными для индивидуальной корректировки профилей, и, в случае, если изменения формы профилей дают положительный эффект, они используются в натурном образце. Детальное исследование модели ступени показало, что на поверхности разрежения в корневой зоне существует отрыв потока. Была проведена индивидуальная корректировка профилей корневых сечений, которая заключалась в увеличении нагрузки на переднюю кромку и, соответственно, уменьшению нагрузки в районе задней кромки. Измененный профиль имеет большую кривизну в зоне передней кромки, положение максимальной толщины профиля также расположено ближе к передней кромке. В результате корректировки профилей КПД компрессора в расчетной точке увеличился на 0,8%, увеличилось также и его давление. В ходе проектирования высокоэффективного многоступенчатого компрессора были разработаны профили с минимальным профильным сопротивлением. Модифицированные профили имели сдвинутое к выходной кромке положение максимальной толщины. Испытания компрессора с такими лопатками, показали, что КПД компрессора в расчетной точке увеличился на 1%, но сама расчетная точка оказалась вблизи точки срыва (что связано с отрывом потока в привтулочных зонах).

В работах Сарена В.Э. Смирнова С.А [67, 68] приведены методы решения обратной задачи поиска оптимальной формы профилей лопаток дозвукового компрессора. Суть метода сводится к последовательной коррекции средней линии исходного профиля с целью получения минимума функции диссипации энергии несжимаемого потока. Откорректированный профиль отличается от исходного более вытянутым входным участком и смещением максимальной толщины к выходной кромке.

Анализ результатов экспериментальных и теоретических работ приведенный выше показывает, что среди авторов нет единой точки зрения на оптимальную форму профиля и требуются дополнительные исследования.

Обратимся к реверсивным осевым вентиляторам. Способы и аэродинамические особенности реверсивных вентиляторов со стандартными профилями подробно приведены в работах Брусиловского И.В. [15,16, 19], исследования способов реверсирования со стандартными вентиляторами приведены в работах Московко Ю.Г. [58], Красюка A.M. [50], Попова Н.А. [63]. При реверсировании течения изменением направления вращения (без поворота лопаток колеса) наиболее часто используются лопатки с S-образными профилями. Результаты разработок и исследований вентиляторов с такими лопатками приведены в работах Чаоджин (Chaojun) [89], Богдановича (Bogdanovich) [84], Дианжу (Diangui) [86].

Современные методы проектирования лопаточных венцов вентиляторов и компрессоров можно разделить на две основные группы: решение обратной задачи, то есть профилирование лопатки по заданным исходным параметрам и решение серии прямых задач, из которых выбирается оптимальный вариант лопатки. Метод профилирования лопаточных венцов осевых вентиляторов, основанный на использовании теоретических характеристик плоских решеток стандартных профилей, представлен в работах Брусиловского И.В. [15, 16, 19].

В современных методах проектирования лопаточных машин широко используются стандартные программные комплексы расчета трехмерных течений CFD (Computational Fluid Dynamics). Это уже упомянутый метод профилирования, разработанный Бекневым B.C., Огневым В.В., который дополнен анализом газодинамических параметров компрессора, полученных расчетом трехмерного вязкого течения [80].

Аналогичный метод проектирования (обратный метод) лопаточных машин представляет английская фирма фирма ADT (Advanced Design Technology). Метод был разработан Зангеном (Zangeneh) и изложен в работе [95]. Согласно этому методу задается различное распределение давления (нагрузки) по хорде профиля для ряда расчетных сечений, а также распределение аэродинамической нагрузки по высоте лопатки (циркуляции). Форма профилей не задается, а выбирается из ряда рассчитанных вариантов лопаточных систем. На каждом этапе проводится расчет лопаточной системы с использованием программы CFD (TASCflow) с целью выявления отрывов потока, зон повышенных потерь, и т.д. В работе Окамото (Okamoto) и др. [92] приведены результаты разработки малошумного осевого вентилятора с диаметром колеса 182мм с использованием метода ADT. Было рассчитано 22 варианта (!) колес, изготовлены и испытаны 14 колес(!). Аэродинамические испытания оптимального варианта вентилятора показали, что он имеет на 5,7% больше КПД и на 2,6 dB(A) меньше уровень шума, чем прототип.

В работе Куенг (Kyoung-Yong Lee) и др. [87] приведены результаты разработки осевого вентилятора для охлаждения радиаторов электронной аппаратуры с использованием метода ADT. Было рассчитано 32(!) варианта колес, а для выбора оптимального варианта был использован метод RSM (response surface method). Аэродинамические испытания показали преимущество разработанного варианта вентилятора по сравнению с прототипом, но рассчитанная методом CFD (ANS YS CFX-11) аэродинамическая характеристика значительно отличается от полученной в ходе эксперимента.

Несмотря на известные трудности, отечественные ученые продолжают сохранять ведущую роль в разработках новых высокоэффективных схем вентиляторов и в совершенствовании теоретических и экспериментальных подходов в их исследованиях. В области разработки и исследования осевых вентиляторов это подтверждают некоторые публикации последнего десятилетия, например, работы Батяева Е.А. [2], Косарева Н.П. [43], Митрофовича В.В. [54], Галеркина Ю.Б. и Попова Ю.А. [27,28,29].

Заключение

1. Усовершенствован метод и разработана программа профилирования лопаточных венцов осевых вентиляторов с профилями произвольной формы. Аэродинамические испытания вентиляторов, рассчитанных с помощью данного метода, подтвердили его высокую точность: экспериментальное значение коэффициента теоретического давления укладывается в диапазоне ±4% от расчетного значения.

2. Разработана универсальная формула для описания средней линии профилей, которая дает возможность применять единый метод профилирования лопаточных венцов с профилями традиционной и произвольной формы.

3. В результате численного моделирования вязкого отрывного течения в плоских решетках профилей, отличающихся различным распределением аэродинамической нагрузки по хорде, было определено, что минимальные потери имеют профили с увеличенной аэродинамической нагрузкой в районе задней кромки.

4. На примере высоконагруженного осевого вентилятора с лопатками колеса, имеющими профили с увеличенной аэродинамической нагрузкой в районе задней кромки, была подтверждена эффективность такого типа профилей. Вентилятор имеет более широкую область эффективной работы, чем вентилятор со стандартными профилями.

5. Для лопаток осевых реверсивных вентиляторов предложен новый класс профилей с несимметричной 8-образной формой средней линии, особенностью которых является возможность управления реверсивными свойствами вентилятора за счет соответствующей установки лопаток колеса.

6. Использование профилей этого класса позволяет обеспечить высокую степень реверсивности вентиляторов только за счет изменения направления вращения колеса без перестановки лопаток колеса.

7. Аэродинамические испытания осевого реверсивного вентилятора показали что вентилятор с лопатками, имеющими несимметричные 8образные профили имеет больше КПД как при нормальном, так и при реверсивном режимах работы, по сравнению с вентилятором, имеющим лопатки со стандартными профилями.

8. Представлены схемы и аэродинамические характеристики высокоэффективных вентиляторов с лопатками специальной формы, разработанных с использованием предложенной методики и серийно выпускаемых отечественными предприятиями и зарубежными фирмами.

1. Аубакиров Т.О., Белоцерковский С.М., Желанников А.И., Ништ М.И. Нелинейная теория крыла и ее приложения. Алматы: Гылым, 1997. -448с.

2. К расчету аэродинамических характеристик решетки тонких лопастей осевого вентилятора Текст. / Е.А. Батяев // Теплофизика и аэромеханика. М., 2002.-том 9. -№4. - С. 543-550.

3. Баулин К.К. Аэродинамический расчет ступени осевого компрессора// Промышленная аэродинамика.-БНТ МАП,-1944.-Вып.2. -127с.

4. Блох Э.Л. Потенциальное обтекание несжимаемой жидкостью решеток из теоретических профилей конечной толщины // Труды ЦАГИ. 1947. -Вып. 611.

5. Блох Э.Л., Гиневский A.C. Безвихревое обтекание решеток кругов и его использование при расчете гидродинамических решеток // Промаэродинамика.-М.: Из-во ЦАГИ, 1961-Вып. 20.-С.89-136.

6. Белоцерковский С.М., Гиневский A.C., Полонский Я.Е. Силовые и моментные характеристики решеток тонких профилей // Промышленная аэродинамика.-М.: Оборонгиз, 1962. -Вып. 22.- 126с.

7. Белоцерковский С. М. , Котовский В. Н. , Ништ М. И. , Федоров Р. М. Математическое моделирование плоско-параллельного отрывногообтекания тел. -М. : Наука, 1988. -232с.

8. Ю.Белоцерковский С. М. , Котовский В. Н. , Ништ М. И. , Федоров Р. М. Моделирование на ЭВМ отрывного обтекания вращающегося цилиндра и реверса силы Магнуса// Инженерно-физический журнал.-1985.-№2. -Т. 48. С.244-250.

9. Белоцерковский С. М., Ништ М. И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. М., Наука, 1978. -352с.

10. Бунимович Ф.И., Святогоров A.A. Обобщение результатов исследования плоских компрессорных решеток при дозвуковой скорости// Лопаточные машины и струйные аппараты. Сб. стат. Вып.2. Машиностроение, 1967. С.36-64.

11. Брусиловский И.В. О выборе параметров осевых вентиляторов// Промышленная аэродинамика. М.: Оборонгиз, 1958. -Вып. 10. -С5-35.

12. Брусиловский И.В. Аэродинамические схемы и характеристики осевых вентиляторов ЦАГИ. -М.: Недра, 1978. -198с.

13. Брусиловский И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов.-М., Машиностроение, 1984. -240с.

14. Брусиловский И.В. Аэродинамический расчет осевых вентиляторов. -М.: Машиностроение, 1986. -288с.

15. Брусиловский И.В., Вермель В.Д, Митрофович В.В., Московко Ю.Г. Система автоматизированной разработки осевого вентилятора// Химическое и нефтяное машиностроение. -1992. -№3. С.8-9.

16. Брусиловский И.В. Аэродинамика и акустика осевых вентиляторов // Труды ЦАГИ. -2004.-Вып.2650.-276с.

17. Вандерплаатс Г.Н. Эффективный алгоритм численной оптимизации профиля// Ракетная техника и космонавтика.-1980.-№9.

18. Василенко С.Е., Спицын В.Е., Шаровский М.А. Совершенствование КНД ГПА 25 применением специального профилирования последних ступеней компрессора. Судовое и энергетическое машиностроение, т.1, Николаев: НПГК "Зоря"- "Машпроект".-2004.-157с.

19. Василенко С.Е., Огнев В.В., Тумашев Р.З. Влияние формы средней линии профилей на потери в концевых областях прямых компрессорных решеток//- Изв. Вузов. -Машиностроение. -1987. -1987. -С.76-79.

20. Вольп Г., Мельник Р.Э. Роль ограничений в обратной задаче проектирования профилей при околозвуковом обтекании// Аэрокосмическая техника-1985 №8. -1985. -С.32-36.

21. Вольп Г., Мельник Р.Э. Метод профилирования замкнутых профилей с произвольным сверхкритическим распределением скоростей// Аэрокосмическая техника. -1987. -№4.

22. Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А. Анализ эффективности пространственных лопаточных решеток осевых компрессоров по данным продувок плоских решеток// Компрессорная техника и пневматика, 2005. №3. -С.33-38.

23. Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А. Расчетный анализ характеристик осевых компрессорных ступеней// Компрессорная техника и пневматика, 2005. №5. -С.26-33.

24. Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А. Оптимизация проточной части осевых компрессоров на стадии вариантного расчета. Часть 1 // Компрессорная техника и пневматика, 2009. №5. -С.2-9.

25. Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А. Оптимизация проточной части осевых компрессоров на стадии вариантного расчета. Часть 2 // Компрессорнаятехника и пневматика, 2009. №6. -С. 11-19.

26. Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А. Оптимизация проточной части осевых компрессоров на стадии вариантного расчета. Часть 3 // Компрессорная техника и пневматика, 2009. №7. -С.6-12.

27. Галеркин Ю.Б., Попов Ю.А., Прокофьев А.Ю. Анализ эффективности элементарных решеток осевых компрессоров по данным продувок плоских решеток// Компрессорная техника и пневматика, 2005. №1. -С. 13-20.

28. Гегин Ф.Д. Расчет оптимального угла атаки диффузорной решетки профилей. В кн.:Промышленная аэродинамика, вып 32. М.: Машиностроение, с. 117-122.

29. Гиневский A.C. Исследование аэродинамических характеристик решеток профилей направляющего аппарата и рабочего колеса осевого компрессора: Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. -М.: ЦАГИ. 1956. -17с.

30. Довжик С.А. Профилирование лопаток осевого дозвукового компрессора // Промышленная аэродинамика. -М.: Оборонгиз, 1958. -Вып. 11. 139с.

31. Довжик С.А. Исследования по аэродинамике осевого дозвукового компрессора// Труды ЦАГИ. -1968-Вып. 1099. -279с.

32. Жуковский Н.Е. Видоизменение метода Кирхгофа для определения движения жидкости в двух измерениях при постоянной скорости, данной на линии тока. Собрание сочинений. М.: ГТТИ, 1949.T.II. С.489-626.

33. Жуковский Н.Е. Вихревая теория гребного винта. Собрание соч. М.: ГТТИ, 1949.T.VI. С. 494-528.

34. Жуковский М.И., Дураков Н.И., Новиков О.И. Расчет потенциального обтекания несжимаемой жидкостью произвольных решеток лопаточных профилей на электронной вычислительной машине// Теплоэнергетика. -1963. -№5. С.24-26.

35. Калиткин Н.Н Численные методы. -М.: Наука, 1978. -512с.

36. Зеленин В.М., Шилов В.К. Применение электронных вычислительных машин для расчета потенциального обтекания аэродинамических решеток турбомашин//Энергомашиностроение. -1963. -№11.

37. Калиткин Н.Н Численные методы. -М.: Наука, 1978. -512с.

38. Керстен И.О. Измерение расхода воздуха и воды на шахтах: справочник. -М.: Недра. 1963.-138с.

39. Комаров А.П. Исследование плоских компрессорных решеток// Лопаточные машины и струйные аппараты. Сб. стат. Вып.2. Машиностроение, 1967. С.67-109.

40. Косарев Н.П. Математические модели аэродинамики вращающихся круговых решеток аналитических профилей произвольной формы со струйным управлением циркуляцией/ Н.П. Косарев, В.Н. Макаров. — Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. -93с.

41. Косарев Н.П., Московко Ю.Г. , Заслов В.Я. Новый вентилятор главного проветривания метрополитена // Материалы семинара. Современное оборудование вентиляционных систем. -М.: МДНТП, 1990. С.33-36.

42. Котовский В.Н.; Московко Ю.Г. Применение нестандартных профилей для увеличения эффективности осевых вентиляторов// Компрессорная техника и пневматика.-2010.-№ 8.-С.8-12.

43. Котовский В.Н., Ништ М.И., Федоров P.M. Математическое моделирование нестационарного отрывного обтекания решетоктелесных профилей// Доклады АН СССР. 1982. №6. Т. 263. С. 1326-1330.

44. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. -М.: Наука, 1970. -720с.

45. Кочин Н.Е., Кибель H.A., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. Ч.1.М.: ГИТТЛ, 1965. 560с.

46. Кравец М.Б., Савин Н.М. Сравнительное расчетное исследование обтекания компрессорных решеток профилей с откорректированной диффузорностью// Тех. Отчет. ЦИАМ,. инв № 10685. -1986.

47. Красюк A.M. Исследование и разработка тоннельных вентиляторных агрегатов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук. -Ин-т горного дела науч.-исслед. учреждение СО РАН. Новосибирск. -2000. -18с.

48. Лесохин А.Ф., Симонов Л.А. Расчет колеса типа Каплана по выбранному распределению вихрей.- М.: Оборонгиз, 1939. 24с.

49. Марков Н.М. Расчет аэродинамических характеристик лопаточного аппарата турбомашин. М.: Машгиз, 1953. -164с.

50. Мелентьев П.В. Методика расчета лопастей гидротурбин. АН СССР, 1939.-92с.

51. Митрофович В.В. Определение предельных расчетных параметров осевых вентиляторов с высоким статическим КПД// Промышленная аэродинамика. -М.: Машиностроение, 1991. Вып. 4(36). -С.260-280.

52. Монелло, Митчелл, Толл. Расчет и профилирование нестандартных лопаток для выходных спрямляющих аппаратов сильно нагруженных турбин// Энергетические машины и установки.-1979.-№1. -С.37-41.

53. Московко Ю.Г. , Котовский В.Н. (ВВИА). Метод профилирования лопаточных венцов на ЭВМII НТО НИО-4 ЦАГИ. №11548. 1985.

54. Московко Ю.Г. Исследование возможности использования нетрадиционных профилей для повышения эффективности работы осевых вентиляторов// НТО НИО-4 ЦАГИ. №12270. 1989.

55. Московко Ю.Г. Разработка и исследование аэродинамических схем реверсивных регулируемых осевых вентиляторов// Промышленная Аэродинамика. М.: Машиностроение, 1991. -Вып. 34. -С.240-250.

56. Пасконов В.М., Рабинькина Н.Б. Решение уравнений нестационарного пограничного слоя разностным методом// В кн.: Численные методы в газовой динамике, вып. 4, М.: Из-во МГУ, 1965. С. 130-138.

57. Подвидз Г.Л., Степанов Г.Ю. // Изв. АН СССР, Мех. Жидк. и газа, 1978, №3.

58. Попов H.A. Разработка реверсивных осевых вентиляторов главного проветривания шахт: Автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук. Ин-т горного дела Сиб. отд-ния Рос. акад. Наук. -Новосибирск. - 2001. -39с.

59. Редж П., Миранда Л.Р., Сибасе А.Р. Экономический метод решения задачи проектирования применительно к сверхкритическим крыльям// Аэрокосмическая техника.-1983.-№5. С. 21-23.

60. Рехтер, Штайнерт, Леман. Сравнение аэродинамических профилей с управляемой диффузорностью и с обычными профилями NACA-65 для направляющих лопаток многоступенчатого осевого компрессора// Энергетические машины и установки.-1985.-№3.

61. Самойлович Г.С. Расчет гидродинамических решеток. // ПММ. 1950. -Т. XIV.

62. Сарэн В.Э. Задачи обтекания и коррекции формы тонких профилей в

63. Чаплыгин С.А. Теория решетчатого крыла. Собр. Соч. М.: Гостехиздат, 1947.T.II. С.414-430.

64. Ушаков К.А. Аэродинамический расчет осевого вентилятора // Труды ЦАГИ. -1936. Вып. 277. - 58с.

65. Шаровский М.А., Ивченко А.В., Шелковский М.Ю. Расчетный и экспериментальный анализ характеристик ступеней компрессора, спроектированных методом специального профилирования// Общие вопросы двигателестроения. -2006.-№3.-С. 26-31.

66. Шваров В.Г. К определению формы лопатки турбомашины, препятствующей формированию вторичного течения невязкого газа// Труды ЦИАМ. 1975. -№661.

67. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. -711с.

68. Akira Goto. Application of an inverse Cascade design Method to an Axial Fan//JSME. Int. J. -1987. -Vol.30. №267.

69. Bogdanovich В., Bogdanovich-Jovanovich J., Spasich Z ., Milanovich S., Reversible axial fan with blades created of slightly distorted panel profiles// Facta Universitatis. -Series Mechanical Engineering.-Vol.7-№ 1.-2009.-pp.23-36.

70. Carter A.D., Some tests on Compressor Cascades of Related airfoils having Different Positions of Maximum Camber//R&M. №2694. -1953.

71. Huang Diangui. 3D optimum design of reversible axial flow fan with S-type blade// Chinese Journal of Mechanical Engineering. -Vol.41 .-№12. -2005. -pp. 182-185.

72. Kyoung-Yong Lee, Young-Seok Choi, Young -Lyul Kim and Jae-Ho Yum. Design of axial fan using inverse design method// Journal of Mechanical Science and Technology. -2008. 22. -pp. 1883-1888.

73. Karadgy V., Moscovko Y., Brussilovski J., Popova L., Patterson V. Bidirectional Fan having Asymmetric, Reversible Blades. USA Patent N 6,116, 856. Date of Patent: September, 12, 2000.

74. Li Chaojun, Zhao Dewen, Wei Baisuo, Optimal design of two-way axial fan and Experimental Research Chinese// Journal of Mechanical Engineering. -Vol.27. -№5. -1991. -pp.54-60.

75. Moscovko Y., Popova L., Brussilovski J., Mitrofovich V. Method of aerodynamic design of axial fans// Proceedings of the 3th international symposium of experimental and computational aerothermodynamics of internal flows. -Beijing, China. 1996.

76. Schlichting H. Berechnung der reibungslossen, inkompressibeln Stromung fur ein vorgegebener Schaufelgitter. V.D.I. — Forschungsheft, 447, 1955.

77. Van Driest E.R. On Turbulent Flow Near a Wall // J. Aeronaut. Sci. 1956. -vol.23. -№11. -C. 1007-1011.

78. Zangeneh M. A Compressible Three-Dimensional Design Method for Radial and Mixed Flow Turbomashinery Blades// Int. J. Numerical Methods in Fluids. -1991. -Vol.13, pp. 599-624.