Jan u sz WALCZAK Ja n u a ry RYBARCZYK
K rystyna TUSTANOWSKA-KAMROWSKA K atedra Techniki Cieplnej, Politechnika P oznańska
WPŁYW KSZTAŁTU KRAWĘDZI WLOTOWEJ ŁOPATEK WIRNIKA NA PRZEBIEG CHARAKTERYSTYK
WENTYLATORA PROMIENIOWEGO
S tr e sz c z e n ie . R eferat dotyczy m etody k ształto w an ia kraw ędzi wlo
towej łopatek, ta k aby zapew niony był napływ styczny po całej szeroko
ści w irnika. K ąty napływ u względnego n a łopatki w irn ik a wyznaczono z rozw iązania przepływ u płynu nielepkiego, czyli bez uw zględnienia w arstw przyściennych. B ad ania wykazały, że w en tylator ta k i może mieć spraw ność o p a rę procent w yższą w porów naniu z w irnikiem o kraw ędzi prostej umieszczonej n a stałej średnicy wlotu.
THE INFLUENC E OF THE SH A PE OF THE IM PELLER INLET BLADE EDGE U P O N THE CHARACTERISTICS
OF THE RADIAL FA N
Sum m ary. The p a p e r concerns th e m ethods of form ing th e im peller in let blage edge in order to assu re th e tan g e n tia l inflow on th e whole im peller w idth. The relative inflow angles on th e im peller blades have been determ ined from solution of th e inviscid liquid flow and boundary leyers have not been ta k e n into consideration. The investigation proved th a t th e fan w ith such im peller can work w ith efficiency of couple p ercent higher com paring w ith im pellers of s tra ig h t edge fixed on the constant in le t diam eter.
E IN FL U SS D E S PR O FIL S VO N SCHAUFELEINTRITTSKANTE D E S RADIALRADES A U F D IE CHARAKTERISTIK
D E S RADIALVENTILATORS
Z u sa m m en fa ssu n g . Es w urde eine M ethode zur A nnahm e der G estalt der S ch au felein trittsk an te darg estellt, die tan g en tiale A nström ung ü b er die ganze Rotorbreite v ersichert. Die relativen A nström ungsw inkel der Rotorschaufeln w urden au s d er Entw icklung
der reibungsfreier Ström ung, ohne Berücksichtigung der G renzschichten. Die U ntersuchungen bewiessen, daß ein Ventilator m it solchem Rotor k an n der W irkungsgrad um p a a r Prozent höher aufw eisen als der Rotor m it g erader K ante fixierter an dem konstanten E intrittsd urchm esser.
1. WPROWADZENIE
Kolejne trzy referaty przedstaw iają wyniki prac związanych z moder
nizacją w entylatora W PW s-40 zleconych przez Fabrykę Wentylatorów OWENT w Olkuszu [1], Poszukując dróg do zw iększenia spraw ności wentyla
to ra w skazano n a możliwość zm niejszenia s tr a t w w irniku poprzez zmianę k sz ta łtu kraw ędzi wlotowej. W wyniku tej zm iany m iały ulec zmniejszeniu s tra ty uderzeniow e przy napływie n a łopatki w irnika.
G eom etrię i wym iary w irnika w entylatora W PW s-40 pokazuje rys. 1.
W w irniku tym krawędź wlotowa je s t p ro sta i leży n a całej szerokości na
=400 mm D2 "720 mm b1 = 175 mm b2 = 95 mm
Rys. 1. Podstawowe wymiary wirnika wentylatora WPWs-40. Trójkąty prędkości w prze
kroju wlotowym w irnika dla wydatku znamionowego: a - przy tarczy przedniej, b - przy tarczy tylnej
Fig. 1. Basic dimensions of impeller of WPWs-40 fan. Inlet velocity triangles for nominal volume: a - near cover disc, b - near disc
średnicy D 1 = 400 mm, a k ą t łopatkowy n a wlocie wynosi pi = 20°. Ze względu n a zmianę k ieru n k u przepływ u w k a n a le wlotowym, m iędzy przekrojam i 0-0 i 1-1, o około 90° n astępuje zróżnicowanie rozkładów prędkości k a n a łu - większe prędkości w ystępują przy tarczy przedniej, a m niejsze przy tarczy tylnej w irnika. S tąd różne będą tró jk ąty prędkości wzdłuż kraw ędzi wlotowej, różne ką ty napływ u względnego Pi - rys. 1.
Na rozkład prędkości w przekroju wlotowym w irn ik a m a wpływ przede wszystkim geom etria k a n a łu wlotowego oraz geom etria kanałów poprzedzają
cych kanał wlotowy - lej wlotowy, kierow nica w stępna, skrzyn ia wlotowa. Do tego dochodzi oddziaływanie ścianek - n a ra s ta n ie w arstw przyściennych, w tym także wpływ wirującej tarczy przedniej i tylnej w irnika. W rzeczywistości zatem rozkład prędkości je s t bardzo złożony i tru d n y do przew idzenia n a etapie projektow ania. S tąd też tru d n o ustalić k s z ta łt kraw ędzi wlotowej za
pewniającej bezuderzeniowy napływ n a łopatkę. W tej pracy przyjęto uprosz
czony model przepływu, pomijając efekty lepkościowe. Rozkład prędkości w obszarze kraw ędzi wlotowej ustalono z rozw iązania przepływ u potencjalnego w kanale ograniczonym ściankam i osiowego rurociągu dolotowego, leja wloto
wego oraz tarcz w irnika.
2. METODA WYZNACZANIA KSZTAŁTU KRAWĘDZI W LOTOW EJ ŁOPATEK W IRNIKA
Ja k podano powyżej, w m odelu przepływ u pom inięto lepkość, a tak że ściśli
wość płynu. K ształt k a n a łu przedstaw ia rys. 1. Zagadnienie rozw iązania przepływu w tym kanale, m iędzy przekrojam i r l -2, sprow adza się do rozw ią
zania ta k zwanego przepływ u osiowego sym etrycznego, opisanego rów naniem n a funkcję p rąd u \p:
Równanie to rozw iązano m etodą elem entów skończonych [6]. S iatka ele
mentów generow ana była autom atycznie. W ynikiem obliczeń są następujące wielkości podaw ane dyskretnie, w węzłach siatki: funkcja p rą d u \|/, prędkości c, cr, cz oraz k ą ty przepływu:
p = arc tg = f(r, z) (2)
Łopatki w irnika były proste, stąd zm ianę k ą ta łopatkowego wzdłuż promie
n ia opisuje n astępująca zależność:
Pîx = arc cos
l x
COS P2 (3)
gdzie D lx je s t średnicą w otoczeniu kraw ędzi wlotowej łopatek.
N a rys. 2 naniesiono izokliny w artości kątów przepływu [1 (r, z). Obliczenia przeprowadzono dla w ydatku znamionowego V = 2,5 m3/s.
Rys. 2. Izokliny kąta w otoczeniu krawędzi wlotowej w irnika:--- krawędź prosta, krawędź zaokrąglona
Fig. 2. Isiclinic line for angle near impeller inlet edge straight edge curved edge
W dotychczasowym w ykonaniu łopatek z kraw ędzią p ro stą n a średnicy D1 k ą t łopatkowy wynosił pj = 20°. Przy takiej kraw ędzi rozkład kątów natarcia n a łopatkę przedstaw ia rys. 3. Dobór k ą ta k ą ta łopatkowego Pi n a wlocie palisady je s t w ażny ze względu n a stra ty w w irniku, czyli stra ty napływu niestycznego (straty uderzeniowe) oraz s tra ty ta rc ia w k an ale międzyłopatko- wym. Problem ten, zdaniem autorów, nie je s t do końca w yjaśniony i nie są jasno sformułowane zasady doboru k ą ta wlotowego. W pozycjach literatury
gdzie Pi je s t kątem napływ u względnego n a wieniec ło
patkow y z uwzględnieniem grubości łopatek. Tutaj od
stąpiono od tych zasad, przyjm ując, że k ą t łopatko
w y powinien być rów ny kątow i napływ u Pi = pj wzdłuż całej szerokości łopatki podobnie ja k w pracy [5]. T ak określony k sz ta łt kraw ędzi wlotowej pokazano n a rys. 2.
Rys. 3. Różnice kątów napływu względnego oraz kątów łopatkowych dla wirnika z krawędzią prostą Fig. 3. Differences between angles and blade angles for
impeller with straight edge
[2, 3, 4] uw aża się, że ze względu n a oddziaływanie wirującego w ieńca łopatko
wego, k tó ry powoduje od
chylenia stru m ie n ia spowo
dowane przepływem wiro
wym, k ą t łopatkow y należy zwiększyć o popraw kę 5p, np. w yznaczoną przez Buse- m an n a [2], Poza tym n a le żałoby uw zględnić przew ę
żenie przekroju spowodo
w ane skończoną grubością łopatek. Zatem k ą t łopatko
wy, przy ta k zwanym n a pływie stycznym , powinien wymieść:
P! = pi + 5p (4)
3. WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH
B adania w irn ik a z kraw ędzią p ro stą oraz zaokrągloną przeprowadzono w tym sam ym egzem plarzu w enty lato ra W PW s-40, zachowując te n sam kole
kto r oraz wielkość szczeliny przywlotowej. N ajpierw wyznaczono c h a ra k te ry styki w entylatora z w irnikiem o kraw ędziach prostych - w irn ik w l, a n a s tę pnie w tym sam ym w irniku dokonano wyłącznie zm iany k sz ta łtu kraw ędzi wlotowej - w irnik w2. Tym sam ym wyeliminowano wpływ tolerancji w ykona
n ia poszczególnych elem entów w entylatora. W yniki b ad a ń w entylatora, z obydwoma w irnikam i, dla dwóch różnych prędkości obrotowych n = 1470 i 940 obr/min oraz dla dwóch kątów n astaw y kierownicy wstępnej - y = 0 i 40°, pokazano n a rys. 4.
Ogólnie m ożna stwierdzić, że dla dla w ydatków znamionowych - V\ = 2,5 m 3/s (dla n = 1470 obr/min) oraz V j = 1,6 m 3/s (dla n = 940 obr/min) oraz dla wydatków mniejszych zauw aża się w yraźny w zrost spraw ności wentylato
ra z w irnikiem o zaokrąglonej kraw ędzi łopatek. T a różnica w sprawnościach w pobliżu p u n k tu znamionowego wynosi Aąe = 3,5 - 4%. N atom iast dla wydatków większych od znamionowego ten p rzyrost spraw ności m aleje pra
wie do zera. Dotyczy obu prędkości obrotowych i kątów n astaw y kierownicy.
Przyrosty ciśnienia całkowitego w zasadzie nie różnią się, nato m iast pobór mocy w entylatora z w irnikiem o kraw ędzi zaokrąglonej je s t m niejszy w tej mniej więcej relacji co sprawność.
4. WNIOSKI
Przedstaw ione wyniki bad ań świadczą, że w artości k ą ta wlotowego łopatek i jego dopasowanie do k ą ta napływ u względnego są isto tn e i m ogą dać paro- procentowy przyrost sprawności.
Zm iana k sz ta łtu kraw ędzi wlotowej w płynęła n a pobór mocy. W ynika to ze zm iany rozkładów prędkości n a łopatkach oraz ilości przekazanej pracy. P ra
ca ta została zmniejszona dla w irn ika z kraw ędzią zaokrągloną, ale przetwo
rzona n a przyrost ciśnienia całkowitego z lepszą spraw nością.
Można jed n a k zauważyć, że lepsze efekty uzyskano w zakresie wydatków w pobliżu p u n k tu znamionowego oraz mniejszych. Przy w ydatkach większych, co wiąże się ze w zrostem kątów napływ u względnego p1; d ają o sobie znać s tra ty napływ u niestycznego - napływ n a stronę ty ln ą łopatek. Można by wysnuć hipotezę, że gdyby zwiększono k ą t łopatkowy P j, wg zasady określonej zależnością (4), mógłby n astąpić efekt istotnej zm iany spraw ności również przy większych w ydatkach. W ymaga to dalszych analiz, a także badań, dla w yjaśnienia zjaw isk kształtow ania się s tr a t uderzeniow ych przy napływie niestycznym n a stronę przednią lub ty ln ą łopatki, a także kształto w ania się rozkładów prędkości wzdłuż łopatek i zw iązanych z tym s tr a t tarcia, oderwań i przepływów wtórnych.
Rys. 4. Porównanie charakterystyk wentylatora z wirnikiem o krawędzi wlotowej prostej - w l i zaokrąglonej - w2 przy dwóch prędkościach obrotowych oraz kątach nastawy kierowni
cy wstępnej 0 i 40°
Fig. 4. Comparison of fan characteristics for impeller with straight inlet edge - w l and with curved inlet edge - w2, for two velocities and two angles (0, 40°) of inlet stator
LITERATURA
[1] W alczak J., Rybarczyk J., Piątkow ski R., Olejarczyk W. i inni: Opraco
w anie nowego w entylatora (zastępczego W PW s-40). B adania akustycz
ne i przepływowe z osiowym ap aratem regulacyjnym n a wlocie. Opraco
w anie w ew nętrzne Zakładu Techniki Cieplnej. Politechnika Poznańska 1987.
[2] T uliszka E.: Sprężarki, dmuchawy, w entylatory. WNT, W arszaw a 1976.
[3] Sołomachowa T.S.: Centrobieżnyje w entylatory. M aszinostrojenije, Mo
skw a 1975.
[4] Piątkow ski R.: Flow angle defection a t a centrifugal im peller inlet.
Cieplne M aszyny Przepływowe SYMKOM p lu s’87. Politechnika Łódzka.
Zeszyty Naukowe 95/1987, s. 173-182.
[5] O tte J .J.: Zastosowanie współczesnych m etod obliczeniowych mechaniki płynów w procesie projektow ania w entylatorów . Zeszyty Naukowe Poli
techniki Śląskiej. Seria E nergetyka z. 72/1979, s. 119-128.
[6] Kam rowska K.: A nalityczno-num eryczna m etoda rozw iązywania ąuasi- trójwymiarowego przepływu płynu rzeczywistego w kołach wirnikowych.
Politechnika Poznańska. P raca doktorska 1990.
A b stra ct
The pap er is formed on the m ethods of form ing th e im peller in let blade edge in order to assu re th e tan g en tial inflow on th e whole im peller w idth. The relative inflow angles on th e im peller blades have been determ ined from the solution of th e inviscid liquid flow and boundary layers have not been taken into consideration.
The distribution of velocities in th e in let edge range w as ra te d from the solution of th e potential flow in th e channel lim ited by axial in let pipeline partions, inlet hooper and rotor discs. The p o tential flow is described by equation (1). This equation w as solved by th e m ethod of finite elem ents. The grid of finite elem ents was generated autom atically. The following quantities given discretly in grid nodes are resu lts of calculations:
- stream function - velocities c, cr, cz - flow angles (formula (2))
Rotor blades w ere straig h t, hence th e change of th e blade angle, w hich is described by relation (3). Fig. 2 p resen ts th e lines of steady flow angle values.
T he investigations proved th a t th e fan w ith such im peller m ay w ork w ith th e efficiency hig her by few percent, com paring th e im pellers of s tra ig h t edge fixed on the co nstant in let diam eter.
