Wentylatory - rozwoj badań i konstrukcji

(1)

Tadeusz CHM IELNIAK Joachim OTTE

Politechnika Ś ląsk a Gliwice

WENTYLATORY - ROZWÓJ BADAŃ I KONSTRUKCJI

S tr e sz c z e n ie . W prezentow anym arty k u le przedstaw iono w ybrane aspek ty b adań i konstrukcji w entylatorów przem ysłowych. Naszkico

wano ocenę zagadnień w ynikających z ak tualnego s ta n u badań nad problem atyką w entylatorów .

IN D U ST R Y -FA N S - STATE OF DEVELO PM ENT IN THE D E SIG N AN INVESTIGATIONS

Sum m ary. In th e p ap er h a s been disscused some problem s of design and calculations of in d u stry fans. The re su lts obtained in In s titu t of Pow er E n gin errin g of Silesian Technical U niversity h a s been presented.

VENTILATOREN - KONSTRUKTIONS - U N D FO RSC H U NG STEND EN ZEN

Z u sa m m en fasu n g . E s w urde h ier derzeitige E ntw icklungsstand der V entilatorenforschung und V en tilato renk onstruktion dergestellt.

Die G asam tlösung In d u strie v e n tila to r b e ste h t som it au s der Lösung vieler Spezialaufgaben, die sich aus den A nforderungen ergeben u nd in die u nterschiedlichsten Fachgebiete h ineinreichen.

1. WPROWADZENIE

Sprawność konw ersji energii, odpowiednie ch arak tery sty k i w ytrzym ało

ściowe (statyczne i dynam iczne) i akustyczne oraz niezawodność eksploatacyj

n a to zasadnicze m iary w ocenie konstrukcji w entylatorów . Ich w aga zależy od funkcji i przeznaczenia instalacji w entylatorow ych oraz s tru k tu ry kosztów

(2)

346 Tadeusz Chmielniak, Joachim Otte

procesów projektow ania, w ytw arzania i eksploatacji. F a k t te n u tru d n ia w zasadniczy sposób jednoznaczną ocenę sta n u rozwoju techniki w entylatoro

wej. Trudno je s t także określić dostatecznie precyzyjnie „potencjał doskonale

n ia ” w szystkich elem entów konstrukcji oraz procesów eksploatacyjnych. Je d n ą z dróg ominięcia tych trudności może być an aliza porównawcza tendencji i efektów rozwojowych innych grup m aszyn przepływowych (sprężarek, turbin cieplnych, pomp).

W nioski z niej w ynikające w skazują, ogólnie mówiąc, n a pewne opóźnienie rozwoju w entylatorów w stosunku do innych m aszyn. W śród różnych przy

czyn tego sta n u rzeczy niepoślednią rolę odegrało trak to w an ie wentylatorów jako urządzeń elem entarnie prostych, nie wym agających b ad ań fizyki zacho

dzących w nich zjawisk przepływowych. Nie bez znaczenia było (przynajm niej w polskich w arunkach) dążenie za w szelką cenę do uproszczeń technologii w ytw arzania kosztem ch araktery sty k energetycznych i eksploatacyjnych.

W o statnim dziesięcioleciu przedstaw iono wiele nowych algorytmów obli

czeń aerodynam icznych i wytrzymałościowych. Ich zastosow anie w procesie konstrukcyjnym w entylatorów powinno przynieść istotny postęp. Konieczne w tym celu b ad an ia num eryczne i eksperym entalne prowadzone już w Insty

tucie M aszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej, w sparte przez zainteresow anych producentów i eksploatatorów , m ogą zaowocować odpo

w iednim i system am i i m etodam i obliczeniowymi w najbliższej przyszłości.

Podobnie ja k w wypadku innych m aszyn przepływowych powinny one:

A. Poszerzać n a szą wiedzę o następujących zjawiskach:

>• konwersji energii w stacjonarnych przepływach trójwym iarowych pły

nów lepkich,

>- niestacjonarnego oddziaływania kanałów stacjonarnych i wirujących,

>- generacji sił i naprężeń dynamicznych w u kładach łopatkowych.

B. Służyć opracowaniu metod:

>- obliczeń aerodynamicznych,

>- obliczeń wytrzymałościowych,

>- optymalizacji konstrukcji.

C. Umożliwić tworzenie bazu informacyjnej:

>- dotyczącej przebadanych w entylatorów modelowych, prototypów itp.,

>- dotyczącej badań elementów w entylatorów .

W artykule naszkicowano ocenę zagadnień w ynikających z aktualnego s ta n u bad ań n ad problem atyką wentylatorów .

(3)

2. STAN I KIERUNKI ROZWOJU WENTYLATORÓW

Obecny sta n rozwoju w entylatorów przem ysłowych scharakteryzow ać moż

n a następująco:

■ U kłady przepływowe w entylatorów pod względem w łasności aerodynam i

cznych osiągnęły dosyć wysoki poziom jakości. Nie m ożna spodziewać się ju ż dużej popraw y spraw ności, niem niej zastosow anie procedur i technik obliczeniowych w ykorzystyw anych w sp rężark ach lub tu rb in a ch pozwoli zwiększyć trafność w nioskow ania w zakresie problem atyki przepływu.

■ Pod względem własności m echanicznych, z uw agi n a zastosow anie w coraz szerszym zakresie techniki CAD w raz z m etodą elem entów skończonych, w entylatory osiągnęły poziom co najm niej dobry. U lepszenia w raz z p ostę

pem technologicznym sukcesyw nie są w prow adzane.

■ Biorąc pod uw agę dotychczasowe osiągnięcia w zakresie pow iększania jednostek, dalszy rozwój w tym względzie bliski je s t pew nych granic, które wyznaczone są przez problem y m ateriałow e, technologiczne, transportow e i eksploatacyjne. W pierwszej kolejności problem y te dotyczą wirników.

■ W ym agane p a ra m etry pracy w entylatorów zm ieniają się w edług trendów w budowie urządzeń kotłowych, instalacji odsiarczania spalin, bloków energetycznych itp. Często w ym agane przyrosty ciśnienia przekraczają możliwości k onstrukcji w entylatorów jednostopniow ych, co wyznacza kie

ru n e k dalszych prac.

■ W ym agane p a ra m etry pracy, szczególnie w zakresie przyrostu ciśnienia, ja k i w wielu przypadkach podobieństwo rozw iązań konstrukcyjnych powo

dują, że coraz częściej zaciera się granica pom iędzy w entylatoram i i dm u

chawami.

■ J e s t praktykow ane, że decyzja o wyborze danej oferty w en ty latora przem y

słowego je s t wynikiem analizy ekonomicznej, której podstaw ą je s t ocena m inim um kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. S tąd w ynika stały nacisk n a doskonalenie regułacyjności w entylatorów .

■ Niezawodność pracy i dyspozycyjność ruchow a doszły ju ż do dosyć wyso

kiego poziomu, niem niej porównując tę dziedzinę w k ra ju i w wysoko rozw iniętych k rajach Europy, dostrzec należy tu w yraźne nasze

„zapóźnienie”.

■ Z pozycji krajowych — a więc subiektyw nych - m ożna zauważyć, że zm iany w system ie gospodarow ania wpłynęły rad y kalnie n a kom fort zachowań krajowych producentów i krajowych eksploatatorów . J e s t ogólną praw idło

wością, że dąży się tu do „uśrednionych” zachow ań europejskich.

(4)

3. ZAGADNIENIA PROJEKTOWANIA WENTYLATORÓW

Wynikiem procesu projektowania jest decyzja o zastosowaniu aktualnej lub potencjalnej konstrukcji. Aby w sposób najbardziej optymalny zaspokoić potrze

by względem żądanych param etrów pracy opisanych przez zestaw wielkości:

wydajność V [m3/s]

przyrost ciśnienia APC [Pa]

gęstość czynnika p [k g /m 3]

tem p e ra tu ra t[°C]

zapylenieczynnika p [g /m 3]

należy rozpatrzyć pole możliwości w szystkich typów w entylatorów , a więc:

- w entylatorów promieniowych, - w entylatorów osiowych, - w entylatorów diagonalnych, - w entylatorów specjalnych.

W tym momencie procesu projektowanego należy odpowiedzieć n a zasadni

cze pytanie, a mianowicie:

(I) czy m a powstać całkiem nowa k onstrukcja (nie m ająca swego prototypu lub modelu),

(II) czy m ając wcześniej zbadany model w entylatora, m ożna zgodnie z zasa

dam i praw dopodobieństwa dokonać doboru w en tylatora (podobnego), (III) czy istnieje opracowany typoszereg w entylatorów , spośród którego moż

n a by dokonać wyboru określonej wielkości.

W tym pierwszym przypadku najw ażniejszym ogniwem w procesie projek

tow ania je s t człowiek, jego wiedza, doświadczenia i um iejętności. Tylko odpo

wiednio duże firm y posiadają zespoły projektow o-badaw cze zdolne do podej

m ow ania zadań opracow ania całkiem nowej konstrukcji. W innych przypad

kach wykorzystuje się wyspecjalizowane placówki badaw czo-projektow e. W k raju są najwyżej trzy tak ie ośrodki.

Bardzo istotne je s t grom adzenie, w formie bank u informacji, doświadczeń w zakresie przebadanych i eksploatow anych w entylatorów . Dla k o n stru kto rów szczególnie przydatnym i nieocenionym w prost narzędziem opracow ania tych informacji je st teoria podobieństwa i w ynikający stą d zestaw liczb (wskaźników) charakterystycznych. Podstawowe z nich to:

- liczba wydajności 9 ,

- liczba przyrostu ciśnienia 9 ,

(5)

- liczba (wyróżnik) szybkobieżności a, - liczba (wyróżnik) średnicy 8.

T ak ą podstaw ow ą zależność pozw alającą ocenić możliwości param etrow e w entylatorów je s t wykres CORDIERA (rys. 1).

2,0

1.8 16

W

1.2

1.0

0 ,9

0,8

§

V

°-7 w o,c

II 0 .5

b 0 }

0 .3

0,2

0 1 8

o (! WENTYLATORV:

?n*ow£>

Q

py/onof/npm i •sfrafn/'&iia QCZDQ

\

\i \

X

^V ^O^•^{~OS i o w}^-promii

\ \

A

<*-z m en

\

\<

\ \ s \ \

przy4

\

^ _A

\

^\ ^{- x}^w^{- tębno}^{LJEJDf ¿u}

\ N d YVt=i

\

A \

'v \

\

^\

•\

X X

\

V d

A

\

\ \

\ \ w ' V

V s\ \ \

1 ,0 1.2 U 1 ,6 1 8 2 3

Ó = IfJ 0 1 ! ( p 112

Rys. 1. Wykres zbiorczy wskaźników bezwymiarowych a = f(a) Fig. 1. Cumulative diagram of dimensionless indexes a = f(a)

5

(6)

Podobną w sensie zastosow ania zależność

y = (1,27 ± 0,03) - 0,9a

dla w entylatorów promieniowych wysoko spraw nych (r| > 80%) opracowano n a podstaw ie w łasnych doświadczeń w Instytucie M aszyn i U rządzeń Energe

tycznych [1]. Odm ianę tego postępow ania m ożna zadem onstrow ać n a przykła

dzie w entylatorów osiowych, dla których opracowano pola param etró w pracy [2], Jak o ilustrację podano wykres n a rys. 2 w układzie y = f(cp) dla stosunku

Fig. 2. Desinging param eters area of axial fans with diam eter ratio v = 0,63

(7)

średnic v = 0,63. Odpowiednie doświadczenia dla wentylatorów diagonalnych (osiowe z merydionalnym przyśpieszeniem strum ienia) przedstawiono w pracy

[3],

Pewnym uogólnieniem zad ania (I) je s t stw orzenie typoszeregu w entylato

rów. W sytuacji gdy w entylatory przem ysłowe zam aw iane s ą n a konkretny p u n k t pracy, pierw otne pojęcie typoszeregu w entylatorów tra c i sens i może się odnosić do w entylatorów m ałych i średnich ogólnego przeznaczenia. N ato

m iast w nowszym rozum ieniu tego słowa chodzi o możliwości stw orzenia dowolnej wielkości m aszyny n a bazie charakterystycznego zespołu cech (naj

częściej geometrycznych), gdzie niektóre elem enty m aszyny we w łasnym za

kresie tworzą typoszereg wielkości (np. skrzyń wlotowych, aparatów kierow niczych, opraw łożyskowych, p ia st itp.).

Najważniejsze kryteria brane pod uwagę w procesie tworzenia typoszeregu to:

- kryterium długiej aktualności zunifikow anych w artości cech c h a ra k te ry stycznych,

- kryterium m inim alnej liczby konstrukcji typowych należących do typosze

regu,

- kryterium m inim um kosztów w ytw arzania i eksploatacji w entylatorów typoszeregu.

W Instytucie M aszyn i U rządzeń E nergetycznych opracowano typoszereg promieniowych w entylatorów przem ysłowych [4]., którego pole pracy przed

stawiono n a rys. 3. Przykładow ą ch arak tery sty k ę pracy prototypu jednego z wentylatorów tego typoszeregu, a m ianowicie w en ty lato ra W PXD71-502, po

kazano na rys. 4.

Zagadnienie w yboru określonej wielkości w en tylatora spośród typoszeregu wentylatorów (zadanie III) je s t zadaniem najprostszym . Przyjm ując odpo

wiednie kryteria, zadanie to m ożna doskonale skom puteryzow ać.

Zagadnienie pośrednie (zadanie II) zasadza się n a tym , że w istocie m am y do dyspozycji zbadany modelowy w entylator i zestaw c h a ra k te ry sty k bezwy

miarowych. W tym przypadku procedurę doboru wielkości w en tylato ra i obli

czenia jego c h a rak tery sty k rzeczywistych najlepiej ująć w ram y system u komputerowego.

W procesie projektow ania jednym zasadniczych p y tań je s t p ytanie o k ry te

ria projektowe. W zależności od potrzeb u k ład ich może być różny. Dla przy

k ładu dla w entylatorów m ałych mocy ogólnego przeznaczenia hiera rc h ia w aż

ności może przedstaw iać się następująco:

m ała hałaśliwość, m ałe gabaryty i m asa, dobra niezawodność ruchu, niskie koszty w ytw arzania, szeroki zakres dobrej spraw ności, wysoka spraw ność m aksym alna,

(8)

— V['m3/s) Rys. 3. Pole pracy typoszeregu wentylatorów WPX i WPXD

Fig. 3. Air flow - pressurerise - General survey charts of WPX and WPXD Fans

n ato m iast dla w entylatorów przemysłowych dużej mocy zazwyczaj uk ład a się w edług kolejności:

bardzo dobra niezawodność ruchu, wysoka spraw ność m aksym alna, szeroki zakres dobrej sprawności, m ała hałaśliwość,

m ałe gabaryty i m asa, niski koszt w ytw arzania.

Rozwiązanie problemów narzuconych w ym aganiam i staw ianym i w entyla

torom należy poszukiwać m .in. w tak ich dyscyplinach wiedzy jak: aerodyna-

(9)

WPXD-71/502 980 min

P o m iar O B R B a ro w e n t

84,2%

ij> = 0,19 ij. = 1, 115

6 = 0,432

A

= 0,252

Rys. 4. Charakterystyka pracy prototypu w entylatora WPXS71-502 Fig. 4. Perform ance characteristic of W PX S71-502 fan (prototype)

(10)

m ika, m echanika, techn ika cieplna, wytrzym ałość i dynam ika m aszyn, pod

staw y konstrukcji m aszyn, akustyka, inżynieria m ateriałow a.

4. PODSTAWY KONSTRUOWANIA WENTYLATORÓW

J e s t oczywistością, że w entylatory jako obiekt identyfikow any w procesie konstruow ania należy rozpatryw ać jako całość n a podstaw ie przesłanek i kryteriów wynikających z racji: celowości technicznej, ekonomicznej i tech

nologicznej. A naliza konstrukcji w sp a rta doświadczeniem „tradycji” pozwala jednakże wyodrębnić następujące podstawowe elem enty konstrukcyjne budo

wy wentylatorów:

■ skrzynie wlotowe,

■ obudowy,

■ koła wirnikowe,

■ dyfuzowy,

■ urządzen ia regulacyjne,

■ wały,

■ łożyskowania,

■ podstaw y - ram y,

■ sprzęgła,

■ silniki,

■ tłum iki.

Takie podejście analityczne do konstrukcji w en ty lato ra je s t bardzo istotne z p u n k tu widzenia producenta, gdyż pozwala n a pew ną ich standaryzację dla określonych zakresów mocy, wielkości itp. N ależy przy tym podkreślić, że w przypadku w entylatorów przemysłowych (a więc w entylatorów średniej i du

żej mocy) w każdym przypadku p anuje „rynek k lie n ta ”, czyli do każdego zam ów ienia podchodzi się indyw idualnie i dobiera bądź k o nstru uje się w enty

latory n a żądany p u n k t (punktu) pracy.

Nagrom adzone doświadczenia ujm ują duży m ateriał dotyczący m etod pro

jek tow ania i konstruow ania poszczególnych elementów. Zawsze jed n a k istn ie

je obszar niepewności, obszar, co do którego b rak danych. W pow iązaniu z tym należy widzieć istnienie określonych trudności i problemów, których dyskusja je s t zawsze ak tu aln a, gdyż tylko problem odpowiednio dobrze postawiony

może być dobrze rozwiązany.

(11)

5. ZAGADNIENIA AERODYNAMICZNE

Przepływy w promieniowych i osiowych m aszynach wirnikow ych należą, ogólnie rzecz biorąc do rodziny przepływów w ew nętrznych. Do analizy tego rodzaju przepływów opracowano wiele m etod num erycznych. Celem sform uło

w ania zadania brzegowego (początkowo-brzegowego) dla geom etrii m aszyn przepływowych należy w pierwszej kolejności dokonać w yboru odpowiedniego matematycznego m odelu przepływu. Różne poziomy aproksym acji, które są aktualnie stosow ane dla opisu ru chu płynu w k an ałach m aszyn przepływo

wych, przedstaw ia rys. 5. W zadaniach podstawowych (analizy), w których poszukujemy pola przepływ u dla danej geom etrii, uw aga skupiona je s t n a wykorzystaniu rów nań E u lera i różnych uproszczeniach uśrednionych rów

n a ń Reynoldsa. Algorytmy o parte n a przybliżeniu E ulera, choć dotyczą płynu nielepkiego, są obecnie bardzo szeroko stosow ane do budowy trójw ym iaro

wych systemów obliczeniowych dla pojedynczych lub wielowieńcowych k a n a łów maszyn przepływowych.

Praktycznie stosow ane kody obliczeniowe dla płynów lepkich w ykorzystują zazwyczaj uśrednione rów nania Reynoldsa z różnym i uproszczeniam i i odpo

wiednie modele turbulencji. D la w entylatorów p rzy datn e m ogą być zwłaszcza aproksymacje zakładające analizę strefow ą, a n a stę p n ie sklejanie rozw iązań lepkich i nielepkich n a granicach rozpatryw anych stref.

W sformułowaniach zadań odwrotnych (syntezy) m ożna tak że w ykorzystać różne modele przepływu, chociaż zastosow anie złożonych rów nań przepływu lepkiego jest jeszcze zbyt kosztowne, aby wprow adzać je do procesu projekto

wego wentylatorów. S tąd w tym procesie stosow ane s ą zazwyczaj prostsze modele i odpowiednia organizacja obliczeń. Algorytm rozw iązań zadań od

wrotnych może być zorganizowany w edług schem atu zilustrow anego n a rys. 6. Istotą postępow ania je s t m inim alizacja funkcjonału zdefiniowanego dla obszaru obliczeniowego 8:

J(S) = M IN (0 - Z)

8

Przez „0” oznaczono (obliczony dla kolejnych iteracji) rozkład danego p a ra m etru (np. ciśnienia w obszarze obliczeniowym); Z - oznacza zadany zbiór tego param etru.

Algorytm zaw iera trz y podstawowe procedury:

A - sposób korekcji geom etrii bazowej, B - rozw iązania z a d an ia analizy dla kolejnych w ersji geom etrycznych k a n a łu , C - procedurę funkcji przejścia wiążącej zm iany geom etrii ze zm ianam i param etró w przepływowych. Dołą

czenie do tego schem atu procedur określenia efektów dyssypacyjnych (D) oraz

(12)

M(P.T)

M p.t)

R ó w n a n i e s t a n u pł y n u

I n f o r m a c j a o m o d e l a c h t u r b u l e c j i

Peł n y ukł a d r ó w n a ń z a c h o w a n i a

R ó w n a n i a R e y n o l d s a ( u ś r e d n i o n e r ó w n a n i a z a c h o w a n i a )

R ó ż n e a p r o k s y m a c j e r ó w n a ń R e y n o l d s a

( c z ł o n ó w k o n w e k c y j  n y c h i d y f u z y j n y c h ) N p . M o d e l p r z e p ł y w u w c i e n k i e i w a r s t w i e p r z y ś c i e n n e j

r

N i e 1e p k i e m o d e 1e p r z e p ł y w u

P a r a b o l i z a c ia r ó w n a ń

P r o c e d u r y u ś r e d n i a n i a

+

M o d e l e s k l e i an i a r o z w i ą z a ń l e p k i c h X ni e I e p ki ch

i __________

K l a s y c z n y m o d e 1 w a r s t w y p r z y ś c i e n n e j

N i e s t a c i o n a r n e r ó w n a n i a E u l e r a

( R ó w n a n i a h i p e r b o - 1 i c z n e

I

S t a c i o n a r n e r ó w n a  n i a E u l e r a

M > 1 - r ó w n a n i a h i p e r b o l i c z n e M < 1 - r ó w n a n i a

e l i p t y c z n e I

B R o z k ł a d m i a r d y s s y p a c j i e n e r g i i

P r z e p ł y w w k a n a ł a c h m i e d z y ł o p a t k o w y c h P r z e p ł y w m e r y d i o n a l - n y ) - „ r ó w n a n i e r ó w  n o w a g i — p r o m i e n i o w e j "

C

P r z e p ł y w y p o t e n c i a 1 ne

ł

L i n e a r v z a c i a r ó w n a ń p o t e n c j a ł u p r z e p ł y w u -

( M e t o d a m a ł y c h z a b u  r z e ń )

P r z e p ł y w p o d d ż w i ę k o w y t r a n s o n i c z n y n a d d ż w i ę k o w y

Rys. 5. Różne poziomy aproksymacji opisu przepływu Fig. 5. Different lerds of approximation for the flow description

(13)

DOCELOWY GEOMETRIA BAZOWA ALGORYTM PRZY

ROZKŁAD PARAMETRÓW

I GOTOWANIA GEO

AERODYNAMICZNYCH

(NP.CIŚNIENIA) WARUNKI PRZEPŁYWOWE METRII BAZOWEJ

GENERACJA SIATKI NA OBSZARZE OBLICZENIOWYM "<5"

GENEROWANIE NOWEJ GEOMETRII

P - P + AP

KOREKCJA KSZTAŁTU GEOMETR11

AP

OBLICZANIE PARAMETRÓW GAZODYNAMICZNYCH NA

OBSZARZE ” 6"

(NP.CIŚNIENIA)

PORÓWNANIE OBLICZONYCH PARAMETRÓW GAZODYNAMICZ

NYCH "0" Z ZAŁ020NYMI "Z"

OBLICZENIE FUNKCJI

WYNIKOWA GEOMETRIA SPEŁNIAJĄCA ZAŁ020NE WARUNKI PRZEPŁYWOWE

|OBLICZAŃIE D _ DYSSYPACJI

ENERGII W PRZE- I PŁYWIE

I OGRANICZENIA D -»I NATURY WYTRZY

MAŁOŚCIOWEJ

Rys. 6. Algorytm rozwiązań zadań odwrotnych przepływu Fig. 6. Algorithm of flow solutions - reverse problems

(14)

ograniczeń wytrzymałościowych (E) um ożliwia rozw iązanie ogólniejszego za

dan ia syntezy. Jeśli funkcjonał J (8) zastąpić funkcjonałem opisującym wybra

n ą m iarę dyssypacji energii, a docelowy rozkład param etró w traktow ać jak funkcję poszukiw aną, to definiujem y zadanie optym alizacji k a n a łu z ener

getycznego i wytrzymałościowego p u n k tu w idzenia. W szystkie te trzy zadania rozpatryw ane są w wielu w ariantach. Podstaw ą ich rozróżnienia są głównie różne procedury ujęte w blokach A, B, C, określenie geom etrii bazowej oraz sposób i zakres trak to w an ia ograniczeń wytrzymałościowych.

6. ZAGADNIENIE MODELOWANIA CHARAKTERYSTYK PRACY WEN

TYLATORÓW

Przedstaw iona niżej problem atyka m odelow ania c h a rak tery sty k pracy w entylatorów stanow i ilustrację ogólnego podejścia do zagadnień aerodyna

m iki w entylatorów dyskutow anego w rozdziale 5.

Zasadniczym celem b adań aerodynam icznych m aszyn wirnikowych - w tym w entylatorów - je s t określenie c h a rak tery sty k (statycznych) pracy.

Pełna inform acja o energetycznych efektach pracy w en tylato ra zaw arta je s t w zapisie (przy użyciu bezwymiarowych liczb charakterystycznych):

V = f(<P) X = f(cp) T| = f(<P) Re

Jeżeli chodzi o modelowanie ch arak tery sty k pracy w entylatorów (a także sprężarek), to - mimo znacznych postępów ta k w zakresie doświadczalnych, ja k i teoretycznych badań aerodynam icznych przepływ u — zagadnienie to w dalszym ciągu należy do pierwszoplanowych tem atów badawczych. Można naw et napotkać sądy w ątpiące o możliwościach odpowiednio dokładnego (w tym ze względu n a potrzeby techniczne) rozw iązania problem u.

Dwie graniczące sytuacje w yznaczają zakres możliwości tw orzenia modeli m atem atycznych. Pierw sza z nich to sytuacja, gdy model m atem atyczny two

rzony je s t wyłącznie n a drodze analitycznej n a podstaw ie teoretycznych zja

w isk związanych z danym obiektem badań. D ruga sytuacja krańcowo prze

ciw staw na m a miejsce, gdy model tw orzony je s t jedynie n a podstaw ie wyni

ków eksperym entu, pomijając podstaw y teoretyczne zachodzących zjawisk.

J e s t oczywistością, że najw iększe powodzenie w dochodzeniu do akceptowal

nych rezultatów daje podejście pośrednie, tzn. określenie m odelu n a podsta-

(15)

Optymalizacjastrukturymodelu

C

^MODEL MATEMATYCZNY " N CHARAKTERYSTYK PRACY ) WENTYLATORA F = F ( G , X 0) J

Rys. 7. Schemat procesu modelowania charakterystyk wentylatorów Fig. 7. Schema of fan characteristics simulation

(16)

wie znajomości różnych szczegółowych aspektów zagadnienia przepływ u przy korzystaniu z badań eksperym entalnych dla celów identyfikacji param etrów m odelu i weryfikacji modelu.

Również w Instytucie M aszyn i U rządzeń Energetycznych to podejście jest preferow ane [5], [6], [7],

Ogólna koncepcja tw orzenia m odelu m atem atycznego ch arak tery sty k p ra cy wentylatorów przedstaw iona je s t n a rys. 7.

Rys. 8. Schemat układu przepływowego wentylatora promieniowego Fig. 8. Scheme of centrifugal fan flow system

(17)

Na koncepcję tę sk ład ają się n astępujące elem enty:

■ U t w o r z e n i e z b i o r u z m i e n n y c h n i e z a l e ż n y c h { G } m a j ą c y c h w p ł y w n a c h a r a k t e r y s t y k ę p r a c y w e n t y l a t o r a .

Na zbiór ten skład ają się:

► zbiór cech geometrycznych u k ład u przepływowego Cg,

> zbiór cech fizycznych płynu (czynnika) Cf,

>- zbiór cech kinem atycznych stru m ie n ia C^.

Posługując się przykładem [6] w entylatora promieniowego (rys. 8), po prze

prowadzeniu analizy wymiarowej, otrzym ano n astęp u jący zbiór zm iennych niezależnych

G = {D0, D 1( b 2, Kw, y, Pi, p2, z, g, s, Ab, A, B, H, Reu, <p}

■ U t w o r z e n i e z b i o r u w a r t o ś c i p o m i a r o w y c h F p.

■ P r z y j ę c i e p o s t a c i ( s t r u k t u r y ) m o d e l u

F = F(G, X)

gdzie X = {x} - zbiór param etrów modelu.

■ P r z y j ę c i e k r y t e r i u m i d e n t y f i k a c j i p a r a m e t r ó w m o d e l u

Najczęściej tym k ry teriu m je s t sum a kw adratów odchyleń S w artości odpo

wiadających sobie wielkości ze zbioru F i Fp.

■ P r z e p r o w a d z e n i e i d e n t y f i k a c j i m o d e l u

Procedura identyfikacji m odelu sprow adza się do rozw iązania zad ania optymalizacji polegającego n a tym , że ze zbioru p aram etrów m odelu X e D wyznacza się podzbiór w artości Xq spełniający w arun ek

S (Xq) => Min.

Badania przeprow adzone w Instytucie M aszyn i U rządzeń Energetycznych, n a podstawie powyższych koncepcji, dały pozytywne rezu ltaty , jeżeli chodzi o modelowanie ch arak terystyk w entylatorów promieniowych (przykład n a rys. 9) oraz w entylatorów osiowych (przykład n a rys. 10).

Należy podkreślić, że m odelowaniu poddana była część staty czna c h a ra k te rystyk, a więc w praw o od p u n k tu wierzchołkowego charakterystyki.

Obecnie prace główne kon cen tru ją się wokół uogólnienia stru k tu ry modelu i poszerzenia go o nowe ujęcie s tr a t przepływ u wyznaczonych n a podstaw ie różnych modeli przepływów lepkich (rozdz. 5).

(18)

aou 0.06 0.08 0.10 0.12 0.0 0.f6 0.16

Rys. 9. Porównanie charakterystyk pracy wentylatorów promieniowych uzyskanych z pomiarów i obliczeń

Fig. 9. Centrifugal performance characteristics in comparison to measurements and calculations

(19)

Rys. 10. Porównanie charakterystyk obliczeniowych i pomierzonych wentylatora osiowego przy zmianie k ąta ustaw ienia łopatek wirnika

Fig. 10. Axial fans calculation and m easurement characteristics for the different settings of the rotor blade angle

(20)

7. ZAGADNIENIA ANALIZY WYTRZYMAŁOŚCI

Z agadnienia analizy wytrzym ałości elem entów w entylatora odgrywają isto tn ą rolę w procesie konstruow ania. M ając do dyspozycji bardziej pewne i dokładne m etody obliczeń, możemy skonstruow ać w enty lator z mniejszym zapasem bezpieczeństwa, co w konsekwencji daje m niejszy jego ciężar i cenę.

Te elem enty oferty producenta powodują, że k ażd a z liczących się firm zabiega o oprogram owanie pozwalające w sposób wyczerpujący analizow ać konstru

kcję w entylatora.

a - a

Fig. 11. Rotor scheme for the strength calculations

(21)

Rys. 12. Schemat blokowy systemu komputerowego WIRMES Fig. 12. Black diagram for WIRMES Computer program

S /! / ! / . V - " / / i S / / / ,' / / / I

S \ / i £ s A / S A / /

/ \ / >-? 1/ / / \ / i

S \ / S \ / AS / • i I

A S ---- f-A— T--- S i i

/ 1 S/i /) SĄ / S/j I .A S \ S / i IS7 \\ / S /I L--" i

s W / i s r / I s / / , s \ I

\ S\ / S i \\ / \'f\ ! S I /

\ / \ / ^{S \} / 1/ s Ź S J S , ---i--- /

\ ■' \is v A SA y s r A s~A r y £ — s s f ; . n s . k A s f / \

\ \ y / i ¡s\ / i/«/ W / )/ A ' -i/ y / i / s / 1 v / 1 . / / / %s ? I / \\

y / i s I / , f . v r /' A \

\ / -'I / I / / i / V7 / A / \ / \ \

\ / / y K / / /v / / \ / \ / \ '.

\ s

,1 ,1/

r / j j y / v w \

v l .1 i. ■ i * TT

I / 1 / / \ / \ / \ i ', / I / > " 7 / \ / \ / x

'y ^ / 1 ZT. K __ y

\ \

\ / K !/ i I / i - f i

\ l / l I I

\ A 1 1 /

n u

\

' n r /

\ ą \ s

\ s

Pociziai wycinka w irnika

\\

na eienenty skończone

1.1.1990 (O PP0-?CfT 198?

Rys. 13.1. Podział wycinka wirnika na elementy skończone Fig. 13.1. Fan sector section on ftnite elements

(22)

Uariant nr : i Skala : 20 gl

n

s f ^ Z n J J

. r . - : y i . i

Max !cia! 1.002

X

\

/..¿ r .J f"

! /

: i

/

-,\ ^ á ■

\ ,>'X -\¿x 'XX .& ;

■\ . m •

W ^■A " " " ^{-7 :,l} 1^\ ^{- l '} '".f A

Ä

\ \ / ''A,

•X \ \ A

■\ :/ \

■ > \

' \

• l \

X K

-\ M 'íXw. .x"

'•X' I

,- y

üdksztaicenia poosiowe t , nakrywającej wirnika

1.1.1980 ( O PR0-SQFT 199?

Rys. 13.2. Odkształcenia poosiowe tarczy nakrywającej Fig. 13.2. Axial strains for cover plate

Rozwój m etod analizy sta n u n aprężen ia następow ał n a podstaw ie pewnych modeli, przy czym wykorzystywano w tym celu różne modele tarcz i łopatek itp. [8], J e st spraw ą oczywistą, że postęp w dziedzinie kom puterów (szybkość operacji, pojemność pamięci) umożliwił przejście do m odelow ania bardziej złożonych obiektów geometrycznych i zastosow anie do analizy w ytrzym ało

ściowej m etody elem entów skończonych.

Dla przykładu w Instytucie M aszyn i U rządzeń Energetycznych pow stała koncepcja komputerowego system u analizy n ap rężeń w w irniku w entylatora promieniowego [15]. Schem at w irnika przedstaw iono n a rys. 11.

(23)

Uari ant nr ! 1 u-0 = 40 u-7 = 190 dalia = 20 (+> k

i / X r '■ 11 / \ 1 ' / X

/ c...%

! ''

,

;

...• •' O -O,. 1.. 2-, 3. ; v 5/ 5 / 7

•i : /

i \ ' ;

i

• ’• ’■ ■ .«•"* 'i ' '• * *» /■* 7

: 0 : ;

i «■* «* **. **l

' *, \%

i : 3 t > *, • • • 6

\

^} ^• \

U

) • '» > ,*

w ... ‘‘ * (’ l'

Ł * "i • • tr

a - ,** ; ’

\ i i • '**⁸

I : k . r'.-x.--;

\ ! j ,\m \ * * •

\ \

/ i i i ;; C 7

¡■iarstwice nao. red. na s t r . ciśnieniowej ionatki wirnika

1.1.1900 .t> con-errr

Rys. 13.3. Warstwice naprężeń redukowanych na stronie ciśnieniowej łopatki Fig. 13.3. Reduced stress contour for the pressure blade side

Ogólną koncepcję system u przedstaw iono n a rys. 12.

Dla zadem onstrow ania możliwości graficznej prezentacji wyników przed

staw iono n a rys. 13 niektóre przykładow e w yniki dotyczące w irnika w entyla

to ra o średnicy 2000 mm. Obecnie system W IRMES je s t rozbudowywany o m oduły dotyczące dynam iki.

N ależy jed n a k podkreślić, że w raz ze w zrostem inform acji otrzym ywanych z k o m putera rośnie trudność ich interpretacji.

(24)

8. PODSUMOWANIE

Naszkicowano pewien p u n k t w idzenia n a spraw y b adań i konstrukcji, głównie n a podstaw ie prac prowadzonych w In sty tucie M aszyn i Urządzeń Energetycznych. Ram y arty k u łu nie pozwoliły n a szersze i w pewnym sensie całościowe przedstaw ienie zagadnienia. N iektóre subiektyw ne stw ierdzenia mogą stanow ić asu m p t do dyskusji, n ato m iast pom inięte zagadnienie jak chociażby:

- b adan ia eksperym entalne [9], - analiza przepływów [11],

- erozja pyłowa w w entylatorach [10],

- projektow anie wirników promieniowych [1] i osiowych [13], - problem y optymalizacji stopni [12],

- zagadnienia diagnostyki [14],

zostaną naśw ietlone w trakcie dyskusji plenarnych Konferencji.

LITERATURA

[1] O tte J.: E inige Problem e des E n tw u rfsp ro zesses fü r L a u frä d e r von rad ialm asch in en . Zeszyty Naukow e Politechniki Śląskiej, E nergetyka z.

98/1987, s. 109-124.

[2] O tte J., Bielecki Z.: Pola optym alnych param etrów projektowych wenty

latorów osiowych. Zbiór prac z VI Konferencji N -T „Technologia przepły

wowych m aszyn wirnikowych”, Rzeszów, 1988, s. 124-130.

[3] W itkowski A., Roj L., M irski M.: Zastosow anie w entylatorów osiowych z m erydionalnym przyśpieszeniem stru m ien ia w górnictwie węglowym.

M echanizacja i A utom atyzacja Górnictwa 7/267, Katowice, 1991.

[4] O tte J.: Koncepcja, konstrukcja i pole pracy nowego typoszeregu przem y

słowych w entylatorów promieniowych. Zeszyty Naukow e Politechniki Śląskiej, E nergetyka z. 113/1990, s. 545-555.

[5] O tte J.: Nowe ujęcie zagadnienia m odelowania ch arak tery sty k pracy m aszyn wirnikowych przedstaw ione n a przykładzie w entylatora prom ie

niowego. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, E nergetyk a z. 83/1983, s. 357-367.

[6] O tte J.: Problem atyka m atem atycznego modelowania charakterystyk pracy wentylatorów promieniowych. Zeszyty Naukow e Politechniki Śląskiej, E nergetyka, z. 91/1985, s. 411-423.

(25)

[7] O tte J., Bielecki Z.: M etem atische M odelierung der K eunlinien von A xialventilatoren. M aschinenbautechnik, 38 (1989) 6, s. 256-260.

[8] Kosm an G.: Termowytrzymałość m aszyn przepływowych. Skrypt Polite

chniki Śląskiej, Gliwice 1985.

[9] C hm ielniak T. i inni: Działalność naukow a i badaw cza In sty tu tu M aszyn i U rządzeń Energetycznych, Gliwice 1990.

[10] C hm ielniak T.: Erozja pyłowa w m aszynach przepływowych. Przegląd zagadnień. Zagadnienia E ksploatacji M aszyn, Zeszyt 4 (76) 1988.

[11] C hm ielniak T.: Podstaw y teorii profilów i p alisad łopatkowych. M aszyny Przepływowe, t. 4, Ossolineum 1989.

[12] C hm ielniak T., O tte J.: M athem atical F orm ulation of an O ptim um De

sign Problem of Stages in Turbom achines. Procees. of SYMKOM 87, Łódź 1987, pp. 77-86.

[13] W itkowski A.: Wpływ param etró w geom etrycznych u k ład u przepływo

wego n a w skaźniki kinem atyczne i spraw ność w entylatorów osiowych.

M echanizacja i A utom atyzacja G órnictw a 11/260, 1991.

[14] W erbowski T.: D iagnostyka eksploatacyjna w entylatorów kotłowych w układach energetyki cieplnej. ZN Politechniki Śląskiej - M ateriały z IV Konferencji „W entylatory Przem ysłow e” 1993.

[15] G rajek K., O tte J.: K om puterow a an aliza w ytrzym ałości wirników we

ntylatorów - System WIRMES. M at. Konferencji „Komputerowo wspo

m agane konstruow anie i b adanie m aszyn wirnikow ych CAD-Rotor”, Kielce 1989, s. 51-59.

A b stra ct

The energy conversion efficiency, suitable s tre n g th characteristics (static and dynamic), acoustic characteristics and operational reliability are th e m ain m easu res for fan construction estim ations. T heir role depends on function, orientation, designing costs, production an d operating of fan installation s. T h a t’s why, it is difficult to estim ate th e developm ent condition and „im provem ent p o ten tial” of fan engineering. In order to obviate th is difficulties it is possible to analyse grow th tre n d s from o ther flow m achine groups (compressors, tu rbines, pum ps).

In th e la s t decade a lot of new algorithm s of aerodynam ic and stre n g th calculations w ere presented. T heir application should generate a real progress in constructional processes. Such a num eric and experim ental investigations are carried out in th e In stitu te of Pow er E ngineering on the

(26)

S ilesian Technical U niversity in cooperation w ith producers and users. There are following expectations from th is investigations:

A. They should enlarge our knowledge about:

- energy conversion in th e th re e dim ensional sta tio n a ry flow of viscid liquids - n on statio n ary reaction of sta to r and ro tatin g channels

- generation of dynam ic powers and stresses in blading system s B. They should provide to w ork out:

- aerodynam ic calculations - stre n g th calculations - construction optim izing

In th is article th e fan investigation problem s h a s been estim ated on th e basis of tem porary sources.