Układ przepływowy wentylatora poprzecznego - metoda projektowania

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 118

1993 Nr kol. 1221

J o la n ta STACHARSKA-TARGOSZ P olitechnika Krakowska

UKŁAD PRZEPŁYWOWY WENTYLATORA

POPRZECZNEGO - METODA PROJEKTOW ANIA

S treszczen ie. Przedstaw iono zasady pracy w en ty lato ra poprzeczne

go. Opisano koncepcje konstrukcyjne w entylatorów i rozwój ich kon

strukcji. Na podstaw ie w łasnych doświadczeń oraz danych lite ra tu ro wych opracowano m etodę projektow ania w entylatorów poprzecznych.

D E SIG N IN G METHOD OF CROSS - FLOW FA N S

Summary. Principle of work of cross flow fan h a s been presented.

Development of constructions and constructional ideas h a s been described. Basing an own research es an d lite ra tu re cross flow fans designing method h a s been developed.

STRÖMUNGSYSTEM D E S QUERSTROM VENTILATORS - KONSTRUKTIONSMETHODE

Z usam m enfassung. Das A rbeitsprinzip des Q uerstrom ventilators w urde dargestellt. Die K onstruktionskonzepte von V entilatoren und K onstruktionsentw icklung w urde beschrieben. A uf der Basis von eigenen Erfahrungen die M ethode des Q u erv entilatoren—K onstruieren w urde entwickelt.

1. WPROWADZENIE

W entylatory poprzeczne n ależą do dw ustopniow ych m aszyn przepływo

wych charakteryzujących się dośrodkowo - odśrodkowym przepływem powie

trz a poprzecznym do osi cylindrycznego, ułopatkow anego w irn ik a umieszczo

nego w ew nątrz wyprofilowanej obudowy.

(2)

Rys. 1. Trójkąty prędkości dla wybranych punktów pomiarowych rozmieszczonych na ob

wodzie wieńca łopatkowego

Fig. 1. Velocity triangles for some measure points on blade ring

(3)

Układ przepływowy wentylatora poprzecznego. 215

Pierw sze rozwiązanie k onstrukcyjne w en ty lato ra poprzecznego było przed

m iotem patentu z 1892 roku francuskiego in żyn iera P a u la M ortiera, który zastosow ał tego typu w entylator w system ie w entylacyjnym kopalni. Zapo

m n ia n y niemal przez pół wieku, powrócił n a deski konstruktorów i do labora

toriów , początkowo am erykańskich badaczy projektujących przem ysłowe n a grzew nice powietrza (Anderson), a n astęp n ie europejskich - przystosow ują

cych konstrukcję w entylatora poprzecznego do użycia w urządzeniach klim a

tyzacyjnych oraz w w entylatorow ych system ach grzewczych (Ackeret, S pren

ger, Dätwyler, Coester z Isty tu tu Aerodynamicznego Politechniki Federalnej w Zurichu). Opatentowany w 1953 roku przez E cka k s z ta łt obudowy stanow ił podstaw ę do dalszych udoskonaleń tej m aszyny przepływowej kontynuow a

nych przez Lainga.

Sukcesem współpracujących ze sobą naukowców i konstruktorów niem iec

kich oraz angielskich okazała się m in iatu ry zacja w en ty lato ra poprzecznego przystosowująca go do d ziałania w ręcznych su szark ach do włosów.

Proces projektowania tego ty p u w entylatorów w ciągu stuletniego okresu o p ierał się głównie n a udoskonalaniu znanych rozw iązań przystosowujących

V

5.0 2J0

1.0

0 5

02

0.1

0.02 Q05 0.1 0.2 0.5 1.0 20

Rys. 2. Pola typoszeregów wentylatorów różnych typów [1]

Fig. 2. Series of types for different fans

(4)

je do w ym agań staw ianych przez konkretn e zastosow ania, a n astępn ie prze

prow adzeniu kosztownych, weryfikacyjnych badań doświadczalnych.

B raku ogólnej m etody obliczania w entylatorów poprzecznych należy upa

tryw ać w niezwykle złożonej stru k tu rz e przepływ u pow ietrza. Niewielkie zm iany geom etrii oraz zew nętrznych w arunków (dławienie) wpływają w spo

sób istotny n a wielkość i lokalizację dających się wyodrębnić s tre f przepływów recyrkulacyjnych, silnej turbulencji oraz w iru głównego. Niestacjonamość przepływ u przez cały obwód w irującego w ieńca łopatkowego, ujaw niająca się zm iennością trójkątów prędkości przedstaw ionych n a rys. 1 dla wybranych punktów pomiarowych, rozmieszczonych po obu stronach w ieńca w możliwie najm niejszej od niego odległości, je s t ch araktery styczną cechą wentylatorów poprzecznych.

D w ukrotny przepływ strugi pow ietrza przez wieniec łopatkowy, odpowia

dający dwom stopniom sprężania, um ożliw ia w ytworzenie przez tego typu w entylator znacznie wyższych spiętrzeń niż przez w entylatory osiowe lub promieniowe. Porównanie w artości w skaźników spiętrzenia uzyskiwanych przez różne jednow irnikowe w entylatory przedstaw iono w formie graficznej n a rys. 2.

2. ZOPTYMALIZOWANY PRZEKRÓJ WENTYLATORA POPRZECZNEGO

Podejmowane przez szereg badaczy próby analitycznego opisu rzeczywis

tych pól przepływu w w entylatorach poprzecznych nie przyniosły oczekiwa

nych rezultatów w postaci adekw atnego m odelu m atem atycznego. Niezgod

ność co do n a tu ry pola przepływu polegała n a zak ład an iu występow ania w tych sam ych strefach przepływowych ru ch u potencjalnego [2] lub wirowego o wirowości stałej [3] czy zmiennej [4]. Założenia upraszczające analizę teorety

czną i pomijające szereg zjawisk przepływowych uw idaczniających się podczas wodnej wizualizacji [5] w znacznym stopniu powodowały oddalenie rozważań teoretycznych od rzeczywistych w arunków przepływowych. Każdy z propono

w anych modeli posiadał zasadniczą w adę polegającą n a konieczności korzy

sta n ia z wyników badan doświadczalnych, co w znacznym stopniu ograniczało możliwości uogólnienia i tym sam ym w ykorzystania do opracow ania metody obliczania w entylatorów poprzecznych.

A naliza wyników badań przeprowadzonych w celu określenia wpływu k sz ta łtu obudowy i geom etrii w irnika, zdeterm inow anych tzw. param etram i konstrukcyjnym i, pozwala n a sporządzenie zoptym alizowanego przekroju po

przecznego tej m aszyny przepływowej, przedstaw ionego n a rys. 3.

(5)

1 , 2 - o d c i n k i s p i r a l i c a ł k o w e j

Rys. 3. Zoptymalizowany przekrój w entylatora poprzecznego [5]

Fig. 3. Optimized fan’s cross-section

Zmienność w artości param etrów , w zakresach uznanych za optym alne [6, 7] lub akceptowalne dla poszczególnych badanych modeli, w ynika z tru d ności konstrukcyjnych, spowodowanych koniecznością uw zględnienia wzaje

mnego oddziaływania tych param etrów podczas projektow ania nowych geo

m etrii. Wytyczne do projektow ania geom etrii w en ty lato ra poprzecznego, za

mieszczone n a rys. 3 , mogą być użyteczne po wcześniejszym określeniu śred

nicy zewnętrznej w irnika, uzależnionej od konkretnego zastosow ania. K ształt

(6)

obudowy pozwala n a uzyskiw anie zw artych konstrukcji, a możliwość bezpo

średniego połączenia w entylatora i urząd zen ia współpracującego, poprzez do

bór adekw atnych prostokątnych przekrojów poprzecznych, znacznie obniża s tra ty przepływu. W ydłużanie w ym iaru osiowego w irnika, ograniczone wzglę

dam i wytrzymałościowymi, pozwala n a zwiększanie stru m ien ia objętości w sposób charakterystyczny jedynie dla w entylatorów poprzecznych.

3. OBLICZANIE ŚREDNICY ZEW NĘTRZNEJ WIRNIKA

N om inalne w artości spiętrzenia statycznego Aps, stru m ie n ia objętości V oraz ich rozrzut przew idyw any w czasie eksploatacji w y nik ają z wymogów staw ianych przez konkretne zastosowanie w entylatora poprzecznego.

Zakładając w artość w skaźnika spiętrzen ia statycznego \ps (u znaną za opty

m alną) oraz p rzynależną m u w artość w skaźnika przepływ u cp, określające p u n k t leżący n a krzywej r\ = f(<p), odpowiadającej m aksym alnej sprawności (rys. 4), m ożna wyznaczyć średnicę zew nętrzną w irnika D2 oraz częstość obrotów n.

W w yniku przekształcenia wzorów definiujących w skaźnik spiętrzenia sta

tycznego i w skaźnik przepływu otrzym uje się zależności pozwalające n a obli

czenie:

- średnicy zewnętrznej w irnika

Do

i ■ \ 1/2 X

Vzcp

i \1/4

Y s ' P

2/Sp-

v y

(i)

oraz

- częstości obrotów w irnika

n = — 1 n

f \

Z(p 1/2

r

2Aps ^^3/4

\V

(2)

W artość występującej we wzorach wielkości „z”, określonej jako stosunek długości w irnika do średnicy zewnętrznej (z = L/D2), w ynika ze stojącej do dyspozycji przestrzeni do zabudowy w entylatora w urządzeniu. W przypadku gdy z > 3, należy sięgnąć do specjalnych rozw iązań konstrukcyjnych ułopat- kowanego w irnika, gdyż mogą pojawić się problem y dynam iczne i wytrzy-

(7)

U

9

Rys. 4. Charakterystyki bezwymiarowe sporządzone przy ustalonej częstości obrotów Fig. 4. Nondimensichal characteristics for determined velocity

małościowe. N ależy sprawdzić, czy przew idyw any ro zrzu t mieści się w polu p rac y w entylatora i w przypadku negatyw nego w yniku konieczne je s t powtó

rzen ie obliczeń przy przyjęciu innych wyjściowych w artości \ps i (p.

(8)

4. OKREŚLENIE PODSTAWOWYCH WYMIARÓW NA PODSTAWIE DIA

GRAMU CORDIERA

D iagram C ordiera używany je s t we w stępnym etapie projektow ania ma

szyn wirnikowych, w których nie w ystępuje zm iana gęstości płynu w procesie przenoszenia energii. Sporządzony dla w entylatorów osiowych i promienio

wych, celem ilustracji ich optymalnego działania, uogólniony został n a wenty

latory poprzeczne w formie krzywej korelacyjnej pom iędzy dwiem a wielko

ściami nazyw anym i p aram etrem k sz ta łtu AN oraz p a ra m etrem w ym iaru K0, definiowanymi odpowiednio:

Rn^- 1/2

074

z L U/2

Do ⁽³⁾

oraz

1 / 4 7 L V1/2

<h^{1 /2} Do ⁽⁴⁾

Przedstaw iony n a rys. 5 graficzny obraz funkcji K N = f(KD) pozwala na określenie w artości param etrów dla założonego a priori stosu nk u długości w irnika do jego średnicy.

W ykorzystując związki pomiędzy wielkościam i w ystępującym i we wzorach (3) i (4) a w skaźnikiem spiętrzenia całkowitego i w skaźnikiem przepływu:

i» = 7t • (p (5)

(6)

m ożna obliczyć wartości i|/c oraz 9 .

Dla w entylatora poprzecznego o stosunku długości w irn ik a do średnicy L/D 2 = 2 określono na podstawie diagram u Cordiera w artości parametrów

= 0,29 i Kd = 1,1. Obliczone w artości w skaźników spiętrzenia całkowitego oraz w skaźnika przepływu wynosiły odpowiednio: i|/c = 2,68 i (p = 0,48.

O trzym ane wyniki porównano z rez u lta tam i b ad ań przeprowadzonych dla w entylatora poprzecznego wyprodukowanego przez niem iecką firm ę LTG o w ym iarach: D 2 = 200 [mm] i L = 400 [mm], a zatem o stosunku L/D2 = 2,

(9)

Rys. 5. Diagram Cordiera uogólniony na wentylatory poprzeczne Fig. 5. Cordier diagram for diam etral fans

wykonanym i przy częstości obrotów n - 20 [l/s]. W skaźnik spiętrzenia całko

witego wynosił i|/c = 2,686, w skaźnik przepływ u (p = 0,48. W artości te uzyska

no w w aru n k ach pracy w en ty lato ra z m aksym aln ą spraw nością ą max = 0,39.

Porównanie powyższych wyników w skazuje n a użyteczność d iagram u Cor

diera przy określaniu podstawowych wym iarów w entylatorów poprzecznych posiadających zoptym alizowany przekrój prostopadły do osi w irnika.

(10)

5. PODSUMOWANIE

Niezwykle skomplikowany c h a ra k te r rzeczywistego przepływ u w wentyla

torach poprzecznych w ynikający z przechodzenia w ieńca łopatkowego przez środek w iru, w ystępow ania przepływów recylkulacyjnych, a także z koniecz

ności uw zględnienia wpływu wielu elem entów obudowy i w irn ik a nie pozwoli

ły n a stw orzenie akceptowalnej m etody projektow ania. Przedstaw ione w ni

niejszej pracy propozycje określania podstawowych wym iarów oraz wytyczne do konstruow ania geom etrii w entylatora poprzecznego stanow ią próbę uogól

n ien ia znanych i stosowanych dla innych typów w entylatorów obliczeń - na tę dw ustopniow ą m aszynę przepływową.

LITERATURA

[1] Korovkin A.: Osobiennosti d iam etralnych w entilatorow i oblasti ich ra- boty, W odosnabżenije i s a n ita m a ja tech n ik a, n r 11, 1968.

[2] Ilberg H., Sadeh W.Z.: Flow Theory an d Perform ance on Tangentia Fans. Proc. In stitu te of M echanical Engineers, Vol. 180, No. 19, 1965 - 1966.

[3] H ardoff G.J., W illson D.R.: C ross-Flow Propulsion F a n Experim ental Development and F in ite -E le m e n t Modelling, J. A ircraft, vol. 18, No. 4, 1981.

[4] Lajos T., Szlivka F.: A Simplified M ethod for Dim ensioning of Cross Flow Fans. Proc. of th e V U -th Conference on Fluid M achinery, Buda

p est 1980.

[5] S tach arsk a-T argo sz J.: Identyfikacja przepływów w w entylatorach po

przecznych m etodą eksperym entu sekwencyjnego, M onografia 117, Kra

ków 1991.

[6] Allen D.J.: The Effect of Rotor and Casing Design on Cross Flow Fan Perform ance, Int. Conference on F a n Design and A pplications, J2, Guildford, E ngland 1982.

[7] P o rter A.M., M arkland E.: A S tudy of th e Cross Flow Fan, Journal M echanical E ngineering Science, Vol. 12, No. 6, 1970.

[8] Clayton B.R.: A Review and A ppraisal of Crossflow Fans, Building Services Engineer, Vol. 42, 1975.

(11)

A b s tr a c t

The principle of w ork of th e cross-flow fan h a s been presented. Develop

m ent of constructions and constructional ideas w ere described. On th e basis of experim ents carried out and lite ra tu re th e designing m ethod of cross-flow fans was developed.

In this m ethod, basing on th e defined form ulas of static p ressu re an d flow indicators th e following form ulas w ere derived:

full diam eter (form ula (1)) rotor velocity (form ula (2))

The value of rotor len g th to d iam eter ratio (z ) follows from th e fan free in stallatio n space. If z > 3 special bladed ro to r should be used, becouse of stren g th problem s. CORDIER diagram w as generalized for cross-flow fans.

Correlation curve is created for shape indicator - K n (form ula (3)) and dim en

sion indicator - K d (form ula (4)).

Function K n = HKd) (fig. 5) allows th e definition of th e p a ra m ete rs for assum ed rotor length to d iam eter ratio.