8.1. Podsumowanie pracy
Z przeprowadzonej analizy literatury, wyraźnie wynika, że pomimo dużej ilości in-formacji na temat konstrukcji wysokosprawnych wentylatorów promieniowych, brak jest opracowań dotyczących wentylatorów promieniowych montowanych w zabudowach osio-wych. Podejmowane wcześniej próby w zakresie poprawy ich sprawności energetycznej, jak to czyniono w pracy [96] nie przyniosły znaczącego efektu.
Badania przedstawione w niniejszej pracy, prowadzone z użyciem nowoczesnych me-tod pomiarowych i symulacyjnych w zakresie przepływów, pozwoliły zidentyfikować, opisać i wyeliminować silnie niekorzystne zjawiska przepływowe, za sprawą właściwego ukształto-wanie geometrii łopatkowego kolektora promieniowo-osiowego. Ponieważ ostateczna spraw-ność zaprojektowanej konstrukcji przekroczyła sprawspraw-ność referencyjnego wentylatora pracu-jącego w zabudowie spiralnej, należy stwierdzić, że słuszność postawionej tezy pracy została potwierdzona:
„Możliwe jest zastąpienie obudowy spiralnej wysokosprawnego wentylatora promie-niowego obudową osiową bez zmiany parametrów i wskaźników pracy maszyny, w szczególności bez spadku sprawności energetycznej, przy jednoczesnej poprawie walorów użytkowych, takich jak: gabaryty maszyny, liniowy montaż lub możliwość prostej budowy układów wielostopniowych.”
Udowodnienie postawionej tezy, było możliwe poprzez realizację celów sformułowa-nych w niniejszej pracy. W pierwszej kolejności, prowadzono badania poznawcze, w wyniku których zidentyfikowano i opisano mechanizmy konwersji energii ruchu obrotowego wirnika na przyrost ciśnienia i wydajność wentylatora, a w szczególności ich istotne związki z aero-dynamiką przepływu.
W procesie badań bilansowy poddano ocenie energetycznej 54 konstrukcje wentylato-rów. Na podstawie uzyskanych charakterystyk pracy określono wpływ zmiany konfiguracji pracy na sprawność całkowitą układu. Dokonano matematycznego ujęcia zależności sprawno-ści wentylatorów w prostych zabudowach kanałowych od ich charakterystycznych wymia-rów. W tym celu wprowadzono zupełnie nową liczbę bezwymiarową, nazywaną przez autora wskaźnikiem zabudowy kanałowej Θ, który zdefiniowano w równaniu (5.20). Za pomocą tej liczby wyrażono względny spadek sprawności całkowitej określony przez równanie (5.21).
W oparciu o wyniki badań bilansowych przeprowadzono analizę pracy wirnikowej. Zbadano odstępstwa rzeczywistej maszyny pracy od teoretycznej pracy Eulera, określanej dla projektowych warunków. Analizę przeprowadzono w oparciu o teorię niedoboru mocy zapro-ponowaną przez Fortunę [44], który wprowadził współczynnik korekcji mocy. W zaproponowanej metodologii obszar potęgowego przyrostu pracy rzeczywistej dla prze-pływów zdławionych, zastąpiono prostą aproksymacją w formie liniowej zależności. Badania
S t r o n a | 136
wykazały, że na stopień niedoboru mocy w wirniku (poślizg prędkości), ma również wpływ rodzaj zabudowy, co nie było dotąd brane pod uwagę w żadnym spośród modeli przepływu przez wirnik przytoczonych w rozdziale 4.1.
Wniosek ten potwierdzony został w szczegółowych badaniach jakościowych za po-mocą trójwłóknowych sond termoanemometrycznych. Sytuacja za wirnikiem ma istotny wpływ na kształtowanie się przepływu na wylocie z kanału międzyłopatkowego, zmienia się bowiem udział poszczególnych prędkości składowych w przepływie, co przedstawiono na rysunkach 6.16 i 6.17 oraz podsumowano na rysunku 6.20. Stwierdzono więc pewną lukę w wiedzy, którą należy uzupełnić o opracowanie wiarygodnej relacji pomiędzy poślizgiem prędkości w kanale międzyłopatkowym a zabudową.
W badaniach termoanemometrycznych badano poślizg rzeczywisty nie tylko w zależności od punktu pracy maszyny, czy jej konfiguracji (rodzaj zabudowy), ale dokonano również jego opisu względem szerokości wirnika b2. W oparciu o wyniki sformułowano wzór (6.8) - nazwany równaniem „dopasowania funkcji rozkładu poślizgu” (liczby zmniejszenia mocy) wzdłuż szerokości wirnika. Równanie to może być traktowane jako narzędzie wyko-rzystywane w dostosowywaniu kąta wlotowego do osiowosymetrycznego układu łopatek dy-fuzora znajdującego się za wirnikiem. Autor nie spotkał się dotychczas z narzędziami wspar-cia w zakresie projektowania tego typu łopatek kierowniczych dyfuzorów do zastosowań w układach „in-line” wentylatorów promieniowych.
Kolejną ważną analizą, którą przeprowadzono w oparciu o wyniki termoanemome-tryczne było wyznaczenie rzeczywistych torów cząstek za wirnikiem. W tym celu napisano autorskie oprogramowanie w środowisku Matlab. Dla łatwiejszej interpretacji wyników w układzie przestrzennym, tor cząstki zapisano jako superpozycję dwóch funkcji, co wyraża równanie (6.15). Następnie ustalono zależności na funkcje składowe toru cząstki, tj. równanie (6.16a) ruchu cząstki w układzie promienowo-obwodowym i równanie (6.22) ruchu cząstki w układzie osiowo-obwodowym. Stworzony model ruchu cząstek za wirnikiem, jest kolejnym dobrym narzędziem do prognozowania geometrycznego kąta natarcia na łopatki kierownicze. Daje on możliwość uwzględnienia dystansu pomiędzy krawędzią spływu z łopatek wirnika, a krawędzią natarcia łopatek nowego typu kierownic.
W badaniach CFD, w oparciu o zweryfikowany zarówno pod względem bilansowym (rysunek 7.7), jak i jakościowym (rysunek 7.8) model numeryczny, zbadano struktury prze-pływowe niemożliwe do identyfikacji badaniami stanowiskowymi. Dokonano szczegółowej analizy przepływu w kanałach międzyłopatkowych. Porównano strefy występowania oderwań i wirów oraz rozkłady ciśnień statycznych, w dwóch układach pracy wirnika tj. zabudowie osiowej i spiralnej. Stwierdzono, że zabudowa osiowa gwarantuje symetrię przepływu, a tym samym równowaga sił utrzymuje się w znacznie większym zakresie charakterystyki, co ko-rzystnie wpływa na parametry eksploatacyjne maszyny. Problemem natomiast jest wysoka wartość składowej obwodowej prędkości w przepływie za wirnikiem i brak jej właściwego wyhamowania energii kinetycznej wiru (rysunek 7.19).
Istotnym osiągnięciem jest wyznaczenie w oparciu o badania CFD sprawności wolu-metrycznej wentylatora, której zależność od punktu pracy przedstawiono na rysunku 7.15. Badania stanowiskowe i inne konwencjonalne metody pomiarowe nie dają możliwości precy-zyjnego określenie tego parametru.
Podsumowanie, wnioski i osiągnięcia naukowe zawarte w pracy
S t r o n a | 137
Dalsze badania numeryczne dotyczyły realizacji celu praktycznego niniejszej rozpra-wy i obejmowały opracowanie rozpra-wysokosprawnego układu łopatkowego kolektora promienio-wo-osiowego. Opracowano metodę opisu geometrii przekroju merydionalnego dla przedmio-towego kolektora i jego oceny aerodynamicznej. Po przeprowadzeniu wstępnych analiz w trakcie dalszych badań do kolektora bezłopatkowego, dodano układ kierowniczy. Zapropo-nowano opis geometrii łopatek kierowniczych w oparciu o krzywe Béziera, definiowane na warstwach rozmieszczonych po szerokości łopatek, co umożliwia ich elastyczne kształtowa-nie przestrzenne. Do prognozowania kątów geometrycznych łopatek wykorzystano, narzędzia i dane zgromadzone podczas badań termoanemometrycznych.
Z porównania sprawności i aerodynamiki przepływu dla kolektora łopatkowego i bezłopatkowego można postawić wniosek, że niemożliwe jest zbudowanie wysokosprawne-go wentylatora o wirniku promieniowym pracującewysokosprawne-go w zabudowie osiowej bez wprowadze-nia odpowiedniego układu prostownic. Przyczyną niskich osiągów wentylatorów w zabudowach osiowych bez układu kierowniczego, jest zidentyfikowany i opisany w ostatnim rozdziale pracy tzw. „korek wirowy” (rysunek 7.30 i 7.31).
W rozdziale 7.3 podano szereg szczegółowych informacji, stanowiących wytyczne do projektowania wysokosprawnych systemów zabudowy osiowej dostosowanych do wirników promieniowych. Nie można natomiast powiedzieć, że temat został całkowicie wyczerpany. Jak pokazuje obraz pola przepływu w układzie kierownic za wirnikiem, przedstawiony na rysunku 7.33, można jeszcze bardziej ograniczyć określone struktury odpowiedzialne za dys-sypację energii, a tym samym podnieść sprawność wentylatora.
Ostatecznie zarówno wnioski końcowe, jak i osiągnięcia naukowe zebrano w formie listy numerowanej i przedstawiono odpowiednio w rozdziale 8.2 i 8.3
8.2. Wnioski końcowe
1. Postawiona teza pracy została potwierdzona.
2. Skonstruowanie wysokosprawnej zabudowy kanałowej współpracującej z wirnikiem promieniowym możliwe jest tylko przy zastosowaniu łopatkowych prostownic strugi. 3. W osiowosymetrycznych, wygiętych, dyfuzorach bezłopatkowych, o
niewspółosio-wym położeniu wylotu względem wlotu dochodzi do zjawiska powstawania tzw. „korka wirowego”. „Korek wirowy” powoduje zawężenie czynnego pola przepływu, a tym samym lokalny wzrost prędkości merydionalnej. Całe zjawisko obniża spraw-ność przepływową dyfuzora.
4. Badania wykazały, że na stopień niedoboru mocy w wirniku (poślizg prędkości), ma wpływ rodzaj zabudowy, co nie było dotąd brane pod uwagę w żadnym spośród modeli przepływu przez wirnik przytoczonych w przeglądzie literatury.
5. Możliwe jest prognozowanie spadku sprawności wentylatora na skutek zastąpienia obudowy spiralnej bezłopatkową zabudową osiową. Autor wykazał istnienie zależno-ści pomiędzy względnym spadkiem sprawnozależno-ści, a wprowadzoną przez niego bezwy-miarową liczbą zabudowy kanałowej.
S t r o n a | 138
6. Zabudowa osiowa gwarantuje symetrię przepływu, a tym samym równowaga sił dzia-łających na wirnik utrzymuje się w znacznie większym zakresie charakterystyki, co korzystnie wpływa na parametry eksploatacyjne maszyny.
7. Sprawność wolumetryczna nie zależy od rodzaju zabudowy wirnika, a jedynie od wielkości szczeliny między wirnikiem a lejem wlotowym.
8. Możliwe jest opracowanie wiarygodnego modelu numerycznego CFD, pod warun-kiem utrzymania na odpowiednim poziomie kilku wskaźników, najważniejsze z nich to: odpowiedni wymiar elementów siatki, odpowiednio niski współczynnika Y+ (naj-lepiej równy 1), dostosowanie współczynnika skali czasowej i zmniejszanie go wraz z liczbą iteracji.
9. Współczesne narzędzia CFD przyspieszają projektowanie maszyn przepływowych i zwiększają możliwości poznawcze w zakresie procesów energetycznych i zjawisk przepływowych w nich zachodzących.
10. Minimalizacja wartość energii kinetycznej turbulencji w projektowanym obszarze przepływowym może stanowić funkcję celu w procesie optymalizacji geometrii ogra-niczającej/wymuszającej ten przepływ.
8.3. Osiągnięcia naukowe w pracy
1. Na podstawie danych termoanemometrycznych opracowano model matematyczny rozkładu liczby zmniejszenia mocy względem szerokości wirnika.
2. Opracowano model matematyczny przestrzennego toru cząstek za wirnikiem pracują-cym w zabudowie osiowej.
3. Opracowano wiarygodny model numeryczny CFD wentylatora promieniowego do ba-dań symulacyjnych wybranych parametrów konstrukcyjnych i przepływowych.
4. Opracowano wytyczne konstrukcyjne łopatkowego kolektora promieniowo-osiowego o wysokiej sprawności. Wentylator pracujący w opracowanej zabudowie osiągnął sprawność powyżej 80%. Zaproponowana konstrukcja umożliwia liniowy montaż w przewodach i łatwą budowę układów wielostopniowych. Wymiar promieniowy konstrukcji został zredukowany o około 50%, tj. z wartości 0,97 m dla zabudowy spi-ralnej, do 0,45 m dla zabudowy osiowej.
5. Wprowadzono wielkość kryterialną dla bezłopatkowych zabudów osiowych, nazwaną bezwymiarowym wskaźnikiem zabudowy osiowej Θ.
6. W oparciu o symulację CFD wyznaczono krzywą sprawności wolumetrycznej wenty-latora promieniowego dla dwóch typów zabudów tj. osiowej i spiralnej.
S t r o n a | 139