Характеристики вентиляторов
Конструкция вентилятора, эксплуатационный режим и основные рабочие элементы рассчитываются для определенного соотношения его параметров: производительности (подачи), полного давления вентилятора и частоты вращения. Такое соотношение этих главных параметров называют расчетным режимом. Причем форма и размер рабочих полостей вентилятора выбираются и проектируются таким образом, чтобы все аэродинамические потери при работе на этом режиме были минимальными, а коэффициент полезного действия, соответственно, максимальным.
В процессе эксплуатации режим работы вентилятора может отличаться от расчетного и изменяться в некотором диапазоне. Например, регулируя задвижку на выходном воздуховоде вентилятора, можно менять его производительность, что приводит автоматически и к изменению полного давления. Поэтому для правильной эксплуатации вентилятора на разных режимах очень важно знать, как меняется полное давление вентилятора, к.п.д. и потребляемая им мощность при изменении подачи газопотока, то есть важно знать характеристики вентилятора. На характеристики вентиляторов ориентируются и при выборе вентилятора для решения конкретных задач.
Под характеристиками вентилятора понимают зависимость полного давления, мощности и к.п.д. от производительности вентилятора при постоянной частоте вращения.
Основные параметры вентиляторов
Согласно ГОСТ 10616 - 90 (СТ СЭВ 4483 - 84) аэродинамические параметры вентиляторов требуется понимать следующим образом.
Производительность (подача)
Под производительностью (подачей, объемным расходом) вентилятора Q понимается объем газа, проходящий через вентилятор за единицу времени. Измеряют (м3/с).
Полное давление вентилятора
Полное давление вентилятора PV (Па) это разность между абсолютным полным давлением газопотока на выходе и абсолютным полным давлением на вход вентилятора, соотнесенное с определенной плотностью газа.
Динамическое давление вентилятора
Динамическим давлением вентилятора Pdv (Па) называют динамическое давление газопотока на выходе вентилятора, определенное в соответствии со средней скоростью в выходном сечении.
Статическое давление вентилятора
Под статическим давлением Psv (Па) понимают разность между полным и динамическим давлениями вентилятора.
Psv = PV - Pdv
Полезная мощность вентилятора
Полезная мощность вентилятора Nsv (кВт) – энергия, приобретенная прошедшим через вентилятор газом за единицу времени, измеряют в кВт. Определяется как произведение полного давления на производительность вентилятора.
Nsv = PV Q
Мощность, потребляемая вентилятором
Потребляемая мощность вентилятора, N (кВт) это – мощность, подводимая к вентилятору от приводного блока за единицу времени без учета потерь на трение и аэродинамических потерь при прохождении газа через рабочие элементы вентилятора.
Полный к.п.д. вентилятора
Полный к.п.д. вентилятора η – отношение полезной мощности вентилятора к потребляемой.
η = Nsv / N
К.п.д. оценивает потери в вентиляторе. Поэтому полный к.п.д. может быть также определен через три основных вида потерь:
η = ηп ηз ηтр,
где:
ηп – аэродинамический к.п.д., оценивающий аэродинамические потери в газопотоке на преодоление сопротивлений во входной полости вентилятора, в рабочем колесе и в выходной полости;
ηз – объемный к.п.д., оценивающий потери, связанные с утечками газа через зазор в уплотнении между рабочим колесом и корпусом вентилятора;
ηтр – механический к.п.д., связанный с потерями на трение в подшипниках, в уплотнениях вала и потерями на так называемое дисковое трение (трение наружной поверхности рабочего колеса о частицы перемещаемой вентилятором среды).
В многоступенчатых вентиляторах секционного типа к этим трем основным потерям еще добавляются потери, связанные с утечками через зазор между валом и перегородками, отделяющими ступени. Они также делятся на аэродинамические и механические потери.
Полный к.п.д. радиальных вентиляторов находится примерно в диапазоне η = 0,65 - 0,85, а осевые вентиляторы имеют полный к.п.д. порядка 0,9.
Быстроходность и габаритность вентилятора
По быстроходности ny и габаритности Dy оценивают способность вентиляторов работать на расчетных режимах, связанных с конкретными величинами подачи, полного давления, формой и геометрией рабочего колеса. С помощью ny и Dy сравнивают вентиляторы разных типоразмеров и разного исполнения.
Центробежные вентиляторы обладают обычно коэффициентом быстроходности в районе ny = 40 - 80.
Осевые вентиляторы, как правило, имеют быстроходность в ny = 80 - 300.
Другими важными параметрами являются: коэффициент производительности φ, коэффициент полного давления ѱ, статического давлений ѱs и коэффициент потребляемой мощности λ.
Определяются данные коэффициенты следующим образом:
φ = Q / F,
где F – величина площади круга диаметром равным диаметру рабочего колеса D.
Ѱ = 2PV / ρu2
где
ρ – плотность перемещаемой среды, кг/м3;
u – значение окружной скорости рабочего колеса, м/с, определяемое как:
u = πDn / 60,
D – величина диаметра рабочего колеса;
n – значение частоты вращения рабочего колеса.
Коэффициент статического давления:
ѱs = 2Psv / ρu2;
λ = 2000 N / ρFu3
Значения быстроходности и габаритности можно определить и с помощью размерных, и с помощью безразмерных параметров:
ny = Q1/2 n /( PV / 9,8)3/4;
ny = 138 φ1/2 / Ѱ ¾;
Dy = ( PV / 9,8)1/4D / Q1/2;
Dy = 0.56 Ѱ1/4 / φ1/2.
Характеристики центробежных вентиляторов
Характеристики вентиляторов любого типа обычно выстраивают, опираясь на экспериментальные данные их аэродинамического испытания, проводимые в специальных лабораториях. Это связано с тем, что таким образом получают более близкие к реальным эксплуатационным условиям параметры вентиляторов, чем при теоретических расчетах. Теоретические расчеты могут дать только приближенные результаты, поскольку при их проведении невозможно учесть целый ряд факторов, влияющих на давление и мощность. Так, например, трудно учесть вторичные токи, возникающие при малых подачах, неустановившиеся движения газопотока в каналах колеса при нерасчетных режимах и другие. В связи с этим характеристика, полученная теоретически, не в полной мере согласуется с результатами реальных испытаний.
Но использование опытных данных на практике удобно еще и тем, что данные, полученные в ходе испытаний вентилятора для определенного числа оборотов рабочего колеса можно при необходимости пересчитать на другой режим, с другим числом оборотов. И кроме того результаты одного такого испытания могут быть взяты за основу для выстраивания характеристики другого вентилятора, имеющего геометрически подобные рабочие полости.
Аэродинамические характеристики вентиляторов выстраивают по размерным и безразмерным параметрам.
Из первых можно получить представление о том, как зависит полное, статическое и динамическое давление вентилятора, потребляемая им мощность и к.п.д. от его производительности при определенных величинах плотности перемещаемой среды и частоты вращения колеса.
Если вентилятор работает на разных частотах вращения, то для него приводятся участки характеристик, построенных в логарифмическом масштабе, с нанесением линий, соответствующих постоянным значениям к.п.д., мощности, с указанием окружной скорости рабочего колеса и его частоты вращения.
В сопроводительном каталоге к вентилятору можно встретить такую его аэродинамическую характеристику в логарифмическом масштабе. На ней две более жирные кривые обозначают графики полного давления вентилятора, соответствующие двум режимам вращения с оборотами 930 об/мин и 1440 об/мин. Прямые линии под наклонным углом отражают разные значения к.п.д. Сетка дугообразных линий – это так называемые кривые мощности, возле каждой их верхней точки приведены значения мощности приводного двигателя.
По представленным характеристикам можно судить о следующем. На графике есть линии мощности, которые пересекаются линиями полного давления. И левая часть линии мощности до точки пересечения соответствует работе двигателя с определенным запасом мощности, а правая часть от точки пересечения – работе двигателя в перегруженном режиме, чего допускать нельзя из-за повышенной вероятности выхода его из строя.
По безразмерным аэродинамическим характеристикам вентилятора можно определить зависимость безразмерных параметров, соответствующих полному ѱ и статическому ѱs давлению, мощности λ, полному η и статическому ηs к.п.д. от коэффициента производительности φ.
Характеристики осевых вентиляторов
На аэродинамическую характеристику осевого вентилятора влияет схема вентилятора, угол установки лопастей и диаметр втулки.
Как видно из графиков на участке малых подач с их снижением происходит резкий рост давления и мощности вентилятора. Это объясняется тем, что на нерасчетных подачах давление, сообщаемое колесом газу, имеет разную величину на разных радиусах, вследствие этих микроперепадов давлений на малых подачах на определенной части рабочего колеса появляются обратные течения газа из отвода в колесо. Из-за такого многократного прохождения газа через колесо происходит добавление ему колесом новых и новых порций энергии. Правда, этот процесс сопровождается и дополнительными аэродинамическими потерями, что приводит к резкому снижению коэффициента полезного действия на этом отрезке подач.
При малых подачах кривая полного давления резко падает вниз. Диапазон рабочих значений производительности вентилятора и его полного давления, в котором осевой вентилятор работает устойчиво и экономично, можно расширить, применяя поворотные лопасти. Изменение угла установки лопасти достаточно сильно влияет на поведение характеристики, при этом оптимальный к.п.д. снижается незначительно.
Малым углам расположения лопастей, порядка 10° - 15°, соответствует монотонно изменяющаяся характеристика полного давления (линия 1). С увеличением угла при малой производительности вентилятора после резкого падения давления на графике появляется своеобразный перегиб-седловина, а после него образуется некоторый пик давления (линия 2). В результате кривая получается разделенной на два участка – рабочий, тот, что слева, и нерабочий справа. Эксплуатация вентилятора в левой области характеристики может привести к образованию неких вращающихся зон срыва на рабочем колесе. Угловые скорости вращения этих зон не совпадают со скоростью вращения колеса, из-за чего на лопастях возникает вибрация и переменные нагрузки. Это негативно сказывается на работе вентилятора. Еще большие углы расположения лопастей могут привести к раздроблению характеристики давления (линия 3).
Работа вентилятора на тех участках характеристик, где имеется перегиб-седловина, или где имеются ее разрывы, отличается неустойчивостью и опасностью появления помпажа, связанного с большими скачками производительности и давления. Эти режимы опасны и чреваты выходом вентилятора из строя. Поэтому при эксплуатации вентилятора с характеристикой давления, имеющей участок разрыва, наименьшую допустимую величину подачи необходимо выбирать по точке разрыва, а наибольшую величину подачи – в соответствии с характеристикой КПД.
По характеристике потребляемой мощности вентилятора видно, что с увеличением подачи мощность понижается. Максимальная мощность при подаче Q = 0. В связи с этим запуск осевого вентилятора требуется делать под нагрузкой – с открытым дросселирующим устройством.
Получение опытным путем характеристики конкретного вентилятора центробежного или осевого типа должно проводиться в соответствии с ГОСТ 10921-90 «Вентиляторы радиальные и осевые. Методы аэродинамических испытаний». Для получения более точных параметров испытания проводятся на уже существующей, смонтированной вентиляционной системе с реально имеющимися всеми видами потерь – аэродинамическими, объемными и другими. Простейший вариант испытательной установки представляет собой: достаточно длинный воздухопровод, дроссель, расходомер и вентилятор, который может быть установлен в любой точке линии. Для получения характеристик используют именно тот двигатель, с которым вентилятору предстоит работать и который предоставляется обычно в комплекте. Опытная установка должна максимально точно имитировать рабочее угловое ускорение и все виды рабочих нагрузок вентилятора.