автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных качеств радиальных вентиляторов средней быстроходности для систем вентиляции

РГБ ОД Міністерство освіти України І-, о Донбаська державна академія

будівництва і архітектури

На правах рукопису

МАРКІН Андрій Миколайович

ПІДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ЯКОСТЕЙ РАДІАЛЬНИХ ВЕНТИЛЯТОРІВ СЕРЕДНЬОЇ ШВИДКОХІДНОСТІ ДЛЯ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦІЇ

Спеціальність 05.23.03 - «Теплопостачання, вентиляція,

кондиціювання повітря, газопостачання та освітлення»

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Макіївка - 1997

Дисертація є рукописом

Робота виконана у Донбаській державній академії будівництва і архітектури.

Науковий керівник: доктор технічних наук,

професор ЛЕВІН Е.М.

і гех^скц

Офіційні опоненти: заслужений діяч науки України,

академік Інженерної академії України, доктор технічних наук, професор Пак В.В.

кандидат технічних наук, доцент Данілов М.П.

Провідне підприємство: НДЦ гірничої механіки

ім.М.М.Федорова, м.Донецьк.

Захист відбудеться 2 липня 1997р. о 11— годині на засіданні спеціалізованої ради К 27.01.02 при Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 339023, Донецька обл., м.Макіївка, вул.Державіна 2.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці академії

Автореферат розісланий " ^ " 'травну 1997р.

Вчений секретар спеціалізованої ради, кандидат технічних наук

Шаповалов С.М.

з

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Розробка і створення ефективних, надійних і економічних систем вентиляції і кондиціювання повітря є важливою науково-технічною задачею, У більшості випадків в указаних системах для переміщення газоповітряних сумішей використовуються радіальні вентилятори, причому, вони ж є і основними споживачами електроенергії. Таким чином, економічність системи в цілому у значній мірі залежить від аеродинамічних і енергетичних показників установленого в ній вентилятора.

Серед вентиляторів різних типів, які працюють на даний час у системах вентиляції і кондиціювання повітря, значне місце (біля 20%) займають вентилятори середньої швидкохідності з робочими колесами так званого "барабанного" типу. Харакерними особливостями вентиляторів даного типу є значні відносна ширина робочего колеса (6, =0.5) і відносний діаметр входу у робоче колесо (£>,=0.8). Звичайно робочі колеса мають велику кількість (ЗО-НЗО) лопаток, сильно загнутих вперед у напрямку обертання робочего колеса.

Основними перевагами вентиляторів розглядуваного типу є високі значення коефіцієнтів тиску і розходу, що дає можливість забезпечити задані режими у вентиляційних системах при менших габаритних розмірах венту-становки і більш низьких частотах обертання робочого колеса, а також значна ширина робочої ділянки характеристики, яка дозволяє перекривати необхідний діапазон розходів при меншому числі типорозмірів вентилятора.

Головний недолік даних вентиляторів - низькі значення к.к.д. у порівнянні з вентиляторами, лопатки яких загнуті назад.

У зв’язку з цим, аеродинамічне удосконалення існуючих вентиляторів середньої швидкохідності, підвищення на цій основі їх економічності є актуальною науково-технічною задачею.

Мета роботи. Розробка раціональних змін в аеродинамічній схемі вен-

тиляторів з робочими колесами "барабанного" типу, направлених на зниження інтенсивності зривних явищ на осьорадіальній ділянці течії (у меридіональній площині), а також при вході на лопатки робочого колеса і зниження, таким чином, витрат енергії і розширення робочей зони роботи вентилятора.

Наукова Ідея роботи. Покращення аеродинамічних властивостей вентиляторів розглядуваного типу досягається на основі експериментальних і теоретичних досліджень шляхом конструктивної модифікації окремих елементів проточної частини, направленої на усунення негативних явищ при роботі цих елементів і, зрештою, на економію електроенергії.

Методи досліджень. У дисертації використовуються теоретичні методи лопатевих гідравлічних машин, зокрема, методи гідродинамічної теорії решіток профілів (метод дискретних вихрів), методи математичної статистики, а також експериментальні методи (вимірювання параметрів потоків і визначення аеродинамічних характеристик).

Наукові положення, що захищаються в дисертаційній роботі:

- способи вирівнювання течії у меридіональній площині поруч з переднім диском робочого колеса для підвищення аеродинамічної ефективності вентиляторів (збільшення внутрішнього діаметра покривного диска, конічна вихідна ділянка вхідного патрубка, кільцева щілина у покривному диску робочого колеса);

- спосіб забезпечення безударного входу потоку на лопатки робочого колеса. Теоретичний метод профілювання вхідних ділянок лопаток, який забезпечує вказані умови входу;

- одержані регресивні залежності аеродинамічних параметрів на номінальному режимі існуючих вентиляторів з робочими колесами "барабанного" типу від геометричних параметрів лопатної системи на основі статистичного аналізу відомих експериментальних результатів.

Достовірність наукових положень обгрунтована:

- використанням фундаментальних положень гідродинамічної теорії решіток, а також застосуванням теоретично і емпірично обгрунтованого методу дискретних вихорів;

- застосуванням при проведенні аеродинамічних випробувань вентиляторів добре апробованих стандартних (ГОСТ 10921-90) методик, стендового обладнання і вимірювально-реєструїочої апаратури;

- порівняльними аеродинамічними випробуваннями існуючих вентиляторів з вентиляторами, у яких були реалізовані запропоновані зміни конструкції.

Наукове значення роботи і новизна. Наукова цінність роботи полягає у подальшому розвитку теорії радіальних вентиляторів з робочими колесами "барабанного" типу, який дає можливість установити ряд закономірностей робочого процесу і взаємозв’язку аеродинамічних і геометричних параметрів. Наукова новизна полягає у тому, що розроблені методи аеродинамічного удосконалення привели до пошуку нових технічних рішень, захищених авторськими свідоцтвами на винахід:

- спеціальне профілювання вхідних ділянок лопаток робочого колеса вентилятора;

- кільцева щілина з раціональними розмірами у передньому диску робочого колеса вентилятора.

Реалізації! результатів роботи. Результати роботи були застосовані в інституті НДІковдиціонер (м.Харків) при проведенні конструкторських робіт по модернізації радіальних веігтиляторів середньої швидкохідності типу Ц14-46 номерів 2...4, а також в системах вентиляції, які монтуються регіональним управлінням "Донбасмонтажспецбуд".

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи були повідомлені: на всесоюзній науково-технічній конференції з питань розвитку стаціонарних установок вугільних шахт (м.Донецк, ДПІ, 1988р.); на науко-

вому семінарі кафедри "Гідравлічні машини" Харківського технічного університету (м.Харків, ХТУ, 1994р.); на засіданні секції "Екологія і ресур-созберігання" Міжнародної науково-технічної конференції "Ресурсозберігаючі технології у виробництві будівельних матеріалів" (м.Макіївка, ДонДАБА, 1995р.); на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДонДАБА (м.Макіївка, МакІБІ, 1988р.; ДоіііБІ, 1993р., 1995р., ДонДАБА, 1996р.). ,

Публікації. По темі дисертації опубліковано три друкованих роботи і одержано два авторських свідоцтва на винаходи.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновку, викладених на 108 сторінках машинописного тексту, у тому числі 29 рисунків, 10 таблиць, містить список 43 використаних джерел і три додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

Неодмінною умовою ефективної роботи всіх систем вентиляції і кондиціювання повітря є застосування економічного, малогабаритного вентилятора. Вентилятори є основними, а інколи єдиними споживачами електроенергії при роботі цих систем. У масштабах України вентилятори систем вентиляції і кондиціювання повітря споживають не менше 10% всієї вироблюваної електроенергії. Таким чином, економічність даних систем багато в чому визначається ступенем удосконалення вентиляторів, які у них застову-ються.

На розвиток теорії радіальних вентиляторів, зокрема з "барабанним" ротором, зробили значний вплив такі вчені, як М.М.Федоров, В.І.Полі-ковський, В.С.Пак, К.О.Ушаков, М.І.Невельсон, Б.Екк, О.І.Степанов, Г.О.Ба-бак, В.В.Пак, Т.С.Соломахова., О.Г.Бичков, І.Л.Локшин та ін.

Радіальні вентилятори з колесами "барабанного” типу займають важли-

ве місце у парку нагнітачів для систем вентиляції і кондиціювання повітря промислових і громадських будівель (біля 20% всіх вентиляторів), забезпечуючи широкий діапазон розходів і тисків, що розвиваються. Поряд з недоліками (низький к.к.д.) такі вентилятори мають ряд істотних достоїнств -високі значення коефіцієнтів розходу і тиску, більша порівняльна ширина робочої ділянки характеристики, відносна простота конструкції і т.п. Найбільш широко поширена у нас схема Ц14-46 (створена больш 20 років тому) довгий час практично не модернізувалась (виняток становить введення колес з проміжними діаметрами). Аналіз конструкції початкової схеми і особливостей течії дозволяє виділити окремі елементи проточної частини, відповідальні за високий рівень витрат енергії, і намітити основні шляхи їх удосконалення. Ураховуючи сказане вище, можна зробити висновок:

- необхідна розробка комплексу заходів, направлених на удосконалення вентиляторів з колесами "барабанного" типу (у першу чергу схеми Ц14-46);

- для вентиляторів, які розглядаються, існує потенціальний резерв підвищення аеродинамічних якостей, обумовлений, з одного боку, недоліками початкової схеми, з другого - відшуканням нових технічних рішень, які відповідають умовам поставленої задачі.

Таким чином, мета роботи полягає у розробці раціональних змін в аеродинамічній схемі вентиляторів з робочими колесами "барабанного" типу, направлених на покращення їх аеродинамічних і енергетичних параметрів і розширення робочої зони характеристики.

Для досягнення указаної мети основні задачі досліджень полягають у наступному:

- на основі існуючих експериментальних матеріалів досліджувати характер залежностей між основними геометричними параметрами лопатної системи і аеродинамічними параметрами вентилятора на номінальному режимі

і, на основі їх аналізу, спробувати встановити раціональну область геометричних параметрів робочого колеса;

- дослідити течію у меридіональній площині (на ділянці руху потоку в області переднього диска робочого колеса) і розробити ефективні способи модифікації окремих елементів конструкції з метою зменшення інтенсивності зривних явищ;

- на основі використання методу дискретних вихрів проаналізувати можливість реалізації умов безударного входу потоку у лопатну систему і розробити метод профілювання вхідних ділянок лопаток, який забезпечує указані умови;

- розглянути питання з’єднання вентиляторів з вентиляційними мережами і розробити рекомендації, направлені на зниження витрат тиску, зв’язаних з перетворенням у вихідних дифузорах динамічного тиску у статичний при рухові потоку повітря із корпусу вентилятора у повітроходи вентиляційної системи, що особливо важливо для вентиляторів типу, який розглядається.

Поширеним щляхом розробки і удосконалення вентиляторів на початковому етапі є використання статистичної обробки експериментальних даних як основи для розробки математичної моделі, яка зв’язує аеродинамічні параметри вентиляторів з геометричними параметрами проточної частини робочого колеса. Найбільш широкі експериментальні дослідження вентиляторів з загнутими вперед лопатками проводились у ЦАГІ і НДІкондиціонері. У даній роботі на основі існуючих експериментальних даних виконаний регресивний аналіз з метою установлення залежностей між аеродинамічними і геометричними параметрами вентиляторів розглядуваного типу.

Як вихідні дані для регресивного аналізу був використаний обширний експериментальний матеріал, одержаний у процесі розробки схеми Ц14-46 в інституті НДІкондиціонер (м.Харків). Основні геометричні параметри проточної частини у процесі модельних випробувань варіювались у досить широких межах, характерних для вентиляторів з колесами "барабанного" типу. У результаті проведених розрахунків встановлено, що із прийнятих до роз-

гляду функцій найкращим чином описує зв’язок аеродинамічних і геометричних параметрів поліном другого степеня. За методом найменших квадратів одержані коефіцієнти поліномів. Виконана оцінка адекватності математичної моделі, яка підтвердила її достовірність. Аналіз знайдених функціональних залежностей дозволив визначити оптимальні значення відносного діаметра входу £>і=0.8 (це значеній співпадає з існуючим у вентилятора В-Ц14-46) і числа лопаток робочого колеса г=48.. Значення г=48 (замість 32) може бути рекомендовано для використання при проведенні модернізації аеродинамічної схеми вентиляторів В-Ц14-46.

Усі експериментальні дослідження, наведені у даній роботі, були проведені у лабораторії вентиляторів кафедри "Теплотехніка, теплогазопостачання і вентиляція" Донбаської державної академії будівництва і архітектури (деякі контрольні випробування були проведені у лабораторії радіальних вентиляторів інституту НДІкондиціонер м.Харків). Для випробувань у ДонДАБА використовувались серійні вентилятори В-Ц14-46-3,15 Сквірського вентиляторного заводу (м.Сквіра Київської обл.), діаметр робочого колеса - 0.315 м; в інституті НДІкондиціонер - промислові моделі з робочими колесами діаметром 0.5 м, виконані за схемою Ц14^1б.

У процесі досліджень в елементи проточної частини вентилятора і примикаючі до них деталі вентиляційної мережі вносились конструктивні зміни. Дальше проводились випробування з метою одержати аеродинамічні характеристики вентилятора і, при необхідності, досліджувались поля тиску у різних елементах проточної частини. Одержані результати порівнювались з відповідними даними вихідної схеми. Порівняльний аналіз досліджуваних варіантів дозволив зробити висновки про ефективність тих чи інших конструктивних модифікацій, їх впливу на параметри роботи вентилятора, структуру потоків і режими течії.

Для одержання повних аеродинамічних характеристик вентилятора використовувався стандартний аеродинамічний стенд (камера усмоктування),

який відповідає вимогам ГОСТ 10921-90. Для дослідження полів тиску у різних областях проточної частини застосовувались нерухомі насадки повного і статичного тиску.

Проведена оцінка погрішностей визначення виміряних величин і розрахованих по них характеристик вентилятора. Величини розрахункових значень середньоквадратичних відносних погрішностей визначення основних аеродинамічних параметрів вентилятора (коефіцієнтів розходу, повного і статичного тисків, використовуваної потужності) складає менше 1%, для значень повного і статичного к.к.д. вентилятора -1.4%, що відповідає рівню вимог, які пред’являються до точності випробувань вентиляторів. З метою підвищення точності і надійності вимірів систематично проводились повторні випробування, які показали хорошу повторюваність результатів.

Однією із основних особливостей робочих колес "барабанного" типу є значна відносна ширина (дифузорність осьорадіальнї поворотної ділянки-відношення ПЛОЩ циліндрічної поверхні входу В колесо Рі і прохідного перерізу вхідного патрубка - досягає значення 77!/Рп=2 і), чіп г причиною значної нерівномірності структури потоку на виході (по ширині робочого колеса).

У роботі досліджені поля повних і статичних тисків на виході із робочого колеса при різних значеннях коефіцієнта розходу: від 0.1^, до 1.3^. Ядро потоку розташовується в районі середнього перерізу по ширині при малих розходах і поширюється до самого заднього диска при номінальному і великих розходах. У районі переднього диска робочого колеса є відривна зона, яка навіть на номінальному режимі складає 30-35% від ширини колеса (рис. 1).

У вентиляторів з робочими колесами "барабанного" типу вузол спряження вхідного патрубка і переднього диска колеса має нераціональну конструкцію - напрям потоку через зазор перпендикулярний напряму основного потоку. Це приводить до "стиску" основного потоку і сприяє збільшенню зо-

ни відриву у переднього диска.

Для зміни напряму потоку через зазор був збільшений внутрішній діаметр переднього диска, а вхідний патрубок переміщений в осьовому напрямі. При цьому напрям потоку змінюється на 90°, співпадаючи за напрямом з потоком у вхідному патрубку. Для забезпечення більш плавного повороту потоку у зоні, яка безпосередньо примикає до переднього диска, була змінена форма вихідної ділянки вхідного патрубка у вигляді конічного раз-ширення (рис. 2,а).

Випробування серійного вентилятора В-Ц14-46-ЗД5, у якого внутрішній діаметр переднього диска був збільшений до Би =0.875, а вхідний патрубок зміщений в осьовому напрямі у бік робочого колеса і мав конічну вихідну ділянку, показали більш рівномірні поля тисків по всій ширині робочого колеса (у порівнянні з вихідним варіантом) за рахунок більш інтенсивного заповнення потоком зони поблизу переднього диска (рис.1, пунктирна лінія).

При цьому при деякому зниженні потужності, яка споживається, (за рахунок вирівнювання структури потоку на виході із колеса) зріс тиск, який розвивається вентилятором, і, відповідно, к.к.д.

Для більш інтенсивного заповнення активним потоком всієї ширини робочого колеса пропонується штучно направити додатковий потік у зону відриву - шляхом виконання кільцевої щілини у передньому диску робочого колеса (рис. 2,6). Передбачається, що повітря із корпусу вентилятора під дією різниці тисків у корпусі і колесі буде поступати на внутрішню поверхню диска, надавати потоку додаткового імпульсу і запобігати відриву. При цьому також повніша споживатись додаткова потужність на переміщення рециркулюючого через щілину повітря.

Були проведені експериментальні дослідження вентилятора В-Ц 14-463,15 з кільцевою щілиною у передньому диску робочого колеса. У процесі випробувань змінювались ширина дщ. і розташування щілини у передньому диску. Аналіз одержаних аеродинамічних характеристик дозволив встановити наступне:

- підвищення потужності, яку споживає, і тиску, який розвиває вентилятор, підтвердило припущення про характер впливу щілини у передньому

диску на аеродинамічні параметри вентилятора;

- найбільш істотно параметри роботи вентилятора змінюються у зоні розходів, лівіше номінального (приріст повного тиску 5+7%, повного к.к.д. вентилятора - 1-г1.5%);

- установлені оптимальні геометричні параметри щілини: відносна ширина £щ=0.0254 і розташування щілини у передньому диску, яке характеризується величиною відносного діаметра осі щілини Ощ = 0.9. -

- у випадку практичної реалізації (з метою збереження міцності і жорсткості конструкції робочого колеса) щілину потрібно виконувати не суцільною, а з перемичками, які з’єднують внутрішнє і зовнішнє кільця переднього диску (у місцях примикання лопаток до переднього диска).

Запропоноване технічне рішення - кільцева щілина у передньому диску робочого колеса - захищене авторським свідоцтвом на винахід.

Були проведені дослідження, направлені на зменшення негативних наслідків, викликаних надмірними значеннями кутів атаки аэт, які визначаються як різниця кутів входу лопатки Д і входу потоку Р[: (0^=/?, - Р[ )■ У випадку колес з загнутими вперед лопатками, кути входу лопатки р1 складають 50-^90°. При такій геометрії лопатки кути атаки на номінальному режимі роботи вентилятора можуть досягати 50-^60° (для схеми Ц14-46 розрахунковий кут атаки на номінальному режимі складає -66°). При таких значних кутах атаки виникає відрив потоку у передніх кромок лопаток практично на всіх режимах роботи вентиляторів даного типу, наявність якого обумовлює втрати тиску і зниження аеродинамічних якостей вентилятора.

Зміна кута атаки за рахунок зменшення кута входу лопатки (шляхом збільшення кривизни всієї лопатки) не приводить до покращення аеродинамічних якостей вентилятора (підвищення коефіцієнта тиску, к.к.д.), тому що потік у порівняно короткому міжлопатному каналі (що властиво колесам такого типу) не може змінити напрям на кут (/^-/?і=75-й20°) і відрив потоку

все рівно відбувається, але тепер вже ближче до виходу із робочого колеса.

Для прямих решіток профілів відомий спосіб запобігання відриву потоку з передньої гострой кромки профілю при ааІ *0, який полягає у відхиленні носика профілю на кути, що забезпечують при даному куту атаки безударний вхід у передній кромці. У даній роботі досліджується можливість розповсюдження цього способу на кругові решітки профілів з кутами входу лопаток, близькими до 90°. -

Для зменшення кута атаки пропонується спеціальним чином спрофілювати вхідні ділянки лопаток робочого колеса у вигляді відгину радіуса Rm за напрямом обертання робочого колеса на кут (рис. 3). Розташування точки переходу з основної частини лопатки на відігнуту визначає точка М. При цьому довжину ділянки Lm, яку відгинаємо, можна установити, задаючи довжину дуги ОМ (частина лопатки, яку відгинаємо) у долях від довжини дуги ОК (тобто довжини лопатки LR):

І0І = ( 0 + 1)Іл. (1)

Для визначення параметрів кругової решітки, що обертається, із умов

безударного обтікання передніх кромок профілів у роботі застосований метод дискретних вихрів. Вважається, що у колесах вентиляторів В-Ц14-46, завдяки конфузорності міжлопатних каналів, відрив локалізується у районі передніх кромок лопаток. Висовується припущення, якщо з’явиться можливість усунути відрив на вхідній ділянці лопатки, то, завдяки значній кон-фузорності решти частини каналу (ступінь конфузорності 0.2-Ю.З), на розрахунковому режимі може бути реалізована течія, близька до безвідривної. На основі цього припущення є можливість використати метод дискретних вихрів для аналізу умов безударного входу у випадку колес із загнутими вперед лопатками.

Так, як і у відомих роботах, при застосуванні указаного методу поверхні .у профілів решітки моделюються вихровими шарами щільністю^(л). Кожний профіль розбивається на т відрізків кінцевої довжини. Ділянка вихрового шару, що відповідає окремому відрізку, скручується у дискретний вихор з циркуляцією уякий знаходиться у точці і посередині відрізка (і=1,2,...ш). Записані для розташованих на краях відрізків контрольних точок у умови непротікання профілів (крім точок, які співпадають із вхідними кромками профілів) складають систему лінійних алгебраїчних рівнянь для визначення циркуляцій дискретних вихрів уі.

У відповідності до граничних умов (умова непротікання) у будь-якій точці профілю векторна сума нормальних складових швидкостей від вих-реджерела переносної швидкості руху профілю і циркуляційної

течії V ^ повинна дорівнювати 0:

~К>/У + Кїй + = 0' (2)

При прийнятій схемі дискретизації для тонкого профілю умова Чап-лигіна-Жуковського виконується автоматично. У результаті маємо систему із т лінійних алгебраїчних рівнянь при т невідомих (де т - число розбивань профілю). При відомих параметрах потоку і геометрії решітки така система

рівнянь формулює пряму задачу аеродинамічного розрахунку.

Формулювання зворотної задачі полягає у включенні в систему рівнянь для прямого розрахунку ряду додаткових рівнянь, які описують спеціальні вимоги до характеру обтікання і властивостей самої решітки. У нашому випадку такою вимогою є умова безударного входу потоку на лопатки, що має місце при = 0. Як невідома величина у рівняння включався кут відгину відігнутої частини складної лопатки ат.

Прямий і зворотній аеродинамічні розрахунки виконані за алгоритмами та їх програмними реалізаціями для персональних комп’ютерів типу PC ХТ/АТ, розробленими Беззубко І.А. (НДІ гірничої механіки ім. М.М.Федорова, м.Донецьк). Кінцевими результатами розрахунків є епюри дотичних швидкостей по поверхні профілю, графічне представлення структури потоку у межах міжлопатного каналу (лінії струму, вектори абсолютних швидкостей) а також кут ат, який визначає геометрію складної лопатки у випадку реалізації умов безударного входу.

Усі розрахунки проводились для аеродинамічної схеми В-ЦІ4-46. Профіль лопатки розбивався на 40 частин (тобто т=40), для кожного розглянутого варіанта складної лопатки були виконані розрахунки для трьох режимів роботи вентилятора: <р =0.275; 0.55 і 0.825. У результаті розрахунків одержані значення дотичних швидкостей по контуру профілю, а також значення кутів відгину Ооі (таблиця 1), при яких реалізується безударний вхід потоку.

Таблиця 1 - Значення кутів йог, які відповідають безударному входу потоку

<р 0.275 0.550 0.825

СС<уг 156° 142° 130°

Знаючи про те, що при відсутності відгину вхідної ділянки течія явно відривна, ми продовжили розрахунки для вихідної схеми В-Ц14-46 і для схеми за результатами статистичного аналізу.

В результаті виконаних розрахунків встановлено, що наявність відгину вхідних ділянок і зміна параметрів відігнутої частини лопатки (при інших однакових умовах) не впливають на структуру потоку за межами відгину. Значення дотичних швидкостей і форма їх ешор у районі вхідних ділянок свідчать про наявність відриву потоку у цій області, при відсутності відгину.

Були проведені аеродинамічні випробування моделей вентиляторів В-Ц14^6-5 з лопатками, які мають відігнуті вхідні ділянки.

Відігнута частина була виконана у вигляді зогнутої пластини, яка приклеєна до лопатки. Було випробувано три варіанти складних лопаток: /,от-0.15іл> /?|ОТ=45°; 20°; 0°. Результати експерименту у якістному відношенні підтвердили теоретичні передпосилки - у випадку з лопатками, які мали відігнуті вхідні ділянки (у порівнянні з вихідним варіантом) при практично незмінній потужності, яку споживають, зріс повний тиск, що розвивається вентилятором, у діапазоні розходів, які відповідають робочій ділянці характеристики вентилятора (рис. 4). Найкращі результати одержані у випадку /?ІОТ=45°, відносний приріст повного к.к.д. вентилятора при цьому складав до 3% в області номінального режиму і до 6%: в області режимів, праворуч номінального.

Розходження між значеннями а^, при яких виконуються умови безударного входу потоку (розрахунковими), і значеннями, які відповідали найкращим результатам експериментальних досліджень, можуть бути пояснені певною ідеалізацією, яка пов’язана з розглядом течії нев’язкої рідини.

Ураховуючи, що динамічний тиск складає значну частину повного тиску, який развивається вентиляторами даного типу, і його перетворення у статичний (з метою підвищення статичного к.к.д. установки) з малими втратами має істотне значення, була розглянута задача раціонального з’єднання

вентилятора з нагнітальними ділянками вентиляційних мереж. Розроблені рекомендації по підбору геометричних параметрів ступінчатих дифузорів, при їх використанні як перехідного елемента між вентилятором і мережою, з метою зниження габаритів вентустановки і зменшення коефіцієнта втрат у дифузорі порівняно з уніфікованими патрубками.

ВИСНОВКИ

У роботі дано рішення актуальної науково-технічної задачі - розробка методів аеродинамічного удосконалення радіальних вентиляторів середньої швидкохідності для систем вентиляції.

Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. На основі експериментальних досліджень показана доцільність зміни конструкції сполучення переднього диска робочого колеса з вхідним патрубком вентилятора (збільшення внутрішнього діаметра переднього диска, зміна форми вихідної ділянки вхідного патрубка), направлених на зменшення

втрат тиску на осьорадіальній ділянці (у меридіальній площині) і не зв’язаних зі значними змінами в технології виробництва вентиляторів.

Показана доцільність застосування нового елемента - кільцевої щілини у передньому диску робочого колеса. Установлено, що наявність кільцевої щілини сприяє більш ефективному заповненню міжлопатних каналів активним потоком, зменшенню зони відриву у переднього диска, скороченню втрат тиску. Установлені оптимальні співвідношення геометричних параметрів щілини- ширина і місце розташування у передньому диску робочого колеса. Конструкція переднього диска з кільцевою щілиною захищена авторським свідоцтвом на винахід.

2. Досліджене питання можливості застосування спеціального профілювання вхідних ділянок лопаток робочого колеса для забезпечення безударного входу потоку на лопатки. Виконаний теоретичний аналіз процесу обтікання потоком вхідних ділянок лопаток робочого колеса при умові безударного входу потоку на лопатки. Одержані теоретичні залежності параметрів відгину вхідної ділянки лопатки від кута входу потоку.

Па основі теоретичного аналізу і експериментальних досліджень запропонована конструкція робочого колеса вентилятора, вхідні ділянки лопаток якого спрофільовані за пропонованим у роботі методом. При такій конструкції робочого колеса приріст к.к.д. склав -3% на номінальному режимі і до 6% у діапазоні робочої ділянки характеристики, праворуч номінального режиму; при цьому ширина робочої ділянки характеристики вентилятора збільшилась на 15%. Конструкція робочого колеса з лопатками, які мають профільовану вхідну ділянку, захищена авторським свідоцтвом на винахід.

3. У результаті статистичної обробки наявних експериментальних даних, на основі використання регресивного аналізу різного виду функцій, одержані залежності основних аеродинамічних параметрів вентилятора (коефіцієнтів розходу, повного тиску, потужності, яку споживають, к.к.д.) на номінальному режимі роботи вентилятора від геометричних параметрів про-

точної частини. Одержані залежності дозволяють підібрати геометрію проточної частини для заданих аеродинамічних параметрів на номінальному режимі як вихідну схему для наступної експериментальної доводки.

4. Розроблені рекомендації, які дозволяють здійснити раціональне з’єднання вентиляторів розглядуваного типу з нагнітальними ділянками вентиляційних мереж, що забезпечує підвищення ефективності процесу перетворення динамічного тиску у статичний у порівнянні з уніфікованими патрубками, які застосовуються.

Основні положення дисертації опубліковані у роботах:

1. Левин Е.М., Маркин А.Н., Савенко С.М. Аэродинамическое совершенствование вентиляторов ВЦ-14-46. Деп. в ЦНИИТЭстройдормаш 07.12.88 № 115-СД88.

2.Левин Е.М., Маркин А.Н. Снижение потерь давления при входе в межлопаточные каналы радиального вентилятора. В сб.: "Гидравлические машины", Вып. 26, ХПИ, Харьков, 1992.

3. Исследование возможности управления потоком в меридиональном сечении рабочего колеса центробежного вентилятора. А.Н.Маркин, ассист., Е.М.Левин, д.т.н., профессор. Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. Выпуск 95-1 (1), ДГАСА, 1995.

4. А.с. 1626004 СССР, Р 04 О 29/66. Рабочее колесо центробежного вентилятора / Е.М.Левин, А.Н.Маркин, В.А.Васильев, АЮ.Розенберг, А.Т.Пи-хота, Т.Ю.Найденова, Н.П.Каулин, А.А.Давыдов, И.А.Бобровников. - № 4354457/06; Опубл. 07.02.91. Бюлл. № 5.

5. А.С. 1726852 СССР, Б 04 О 29/28. Рабочее колесо радиального венти-лятора/Е.М.Левин, А.Н.Маркин.- №4784231/06; Опубл. 15.04.92. Бюл.№ 14.

21

Аннотация

Маркин А.Н. Повышение эксплуатационных качеств радиальных вентиляторов средней быстроходности для систем вентиляции.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - "Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение". Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 1997.

В диссертации на основе расчётно-экспериментальных и теоретических методов разработаны способы аэродинамического совершенствования радиальных вентиляторов средней быстроходности для систем вентиляции. Предложены способ сокращения зоны отрыва потока у переднего диска рабочего колеса путём модификации узла его сопряжения со входным патрубком; способ обеспечения условий безударного входа потока в лопаточную систему специальным профилирование входных участков лопаток; рекомендации по рациональному подключению вентиляторов к нагнетательным участкам вентиляционных сетей.

Ключевые слова: радиальный вентилятор; колесо "барабанного" типа; испытания; измерения; поля давлений; кольцевая щель; схема; дискретный вихрь; аэродинамический расчёт; диффузор.

SUMMARY

Markin A.N. The improvement of operational qualities of centrifugal fans of medium specific speed for ventilation systems.

Thesis for the Candidate scientific degree of Technical science by speciality 05.23.03 - «Heat supply, ventilation, air conditioning, gas supply and lighting», Donbass State Academy of Building and Architecture, Makeevka, 1997.

The ways of aerodynamic perfection of centrifugal fans of medium specific speed for ventilation systems have been worked out on the basis of calculated, experimental and theoretical methods.

The following ways have been proposed: the way of reduction of flow separation area at the cover plate of a fan impeller through modification of the assembly of its junction with a fan inlet; the way to provide a means for noncirculatory flow into blading through special profiling of input sections of blades; a rational connection of fans to ventilation systems has been recommended.