Analiza współpracy wirnika promieniowego z kolektorami o różnej geometrii

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 118

1993 Nr kol. 1221

Leszek CICHOŃ, R yszard PIĄTKOWSKI

K atedra Techniki Cieplnej, Politechnika Poznańska W itold OLEJARCZYK

F abryka W entylatorów OWENT, Olkusz

ANALIZA W SPÓŁPRACY WIRNIKA PROMIENIOW EGO Z KOLEKTORAMI O RÓ ŻNEJ GEOMETRII

S tre s z c z e n ie . P raca przedstaw ia hipotezę dotyczą w spółpracy pro

mieniowego w irnik a w enty lato ra z kolektoram i o różnych geom etriach oraz ocenę b ad ań w tym zakresie. P odstaw ą do jej analizy są w łasne wyniki b ad ań oraz wnioski z b ad ań innych autorów . Treść hipotezy zasadza się n a przyjęciu, że oddziaływ anie kolektora n a ru sz a osiową symetrię przepływu w poszczególnych k a n a ła c h w irn ik a powodując zmianę optym alnego p u n k tu pracy odpowiadającego najwyższej w arto

ści sprawności w danym rozw iązaniu całego w entylatora.

ANALYSIS OF THE COOPERATION BETW EEN THE CENTRIFUGAL ROTOR AND COLLECTORS WITH D IFF E R E N T GEOM ETRIES

Sum m ary. In th is p a p e r th e hypothesis about th e cooperation between th e centrifugal rotor and collectors w ith different geom etries is discussed. She is based on th e own an d others researches. The m ain idea of th is hypothesis is th a t different collectors in different way disturb th e axial sym m etry outflow from th e rotor. These disturbances change th e characteristics of th e centrifugal ro to r an d th e ventilator.

ANALYSE D E R ZUSAM M ENARBEIT ZW ISCHEN DEM RADIALVENTILATOR U N D D E N KOLEKTOREN VERSCH IEDENER GEOMETRIE

Z u sam m en fassu n g. Die A rbeit e n h ä lt eine H ypothese üb er die Zusam m enarbeit zwischen dem Rotor des R adialv entilators u n d geom etrisch verschiedenen K olektoren als auch die B ew ertung der U ntersuchungen in diesem Bereich. Die A nalyse b e ru h t a u f eigenen M eßergebnissen als auch a u f den R e su lta te n von anderen A utoren.

Nach der Hypotese die Einwirkung des Kolektors stört die A xialsym etrie

(2)

336 Leszek Cichoń, Ryszard Piątkowski, Witold Olejarczyk

der Rotorström ung w as den optim alen A rb eitspunkt v erän d ert, der dem höchsten W ert des W irkungsgrads entspricht.

1. WPROWADZENIE

W entylator promieniowy o typowym, najczęściej spotykanym , rozw iązaniu konstrukcyjnie je s t m aszyną nieskom plikow aną. Pom ijając napęd, tw orzą go trz y m echanicznie nie współpracujące elem enty: w irnik promieniowy, obudo

w a sp iraln a (kolektor) oraz a p a ra t kierownicy dolotowej z nastaw nym i łopat

kam i aerodynam icznie oceniając tę m aszynę, przypływ w tak im w entylatorze je s t tru d n y do teoretycznego opisu. Wiele trudności pojaw ia się również w badaniach ze względu n a relatyw nie nieduże w artości m ierzonych wartości oraz złożoność przepływu. To kolektor je s t elem entem kom plikującym teorety

czne i eksperym entalne badanie przepływu w całym w entylatorze. Za jego przyczyną przew idzenie rzeczywistych ch arak tery sty k w czasie projektowa

n ia obarczone je s t dużą niepewnością.

Kolektor w kształcie spiralnej obudowy (rys. 1.) służy do zebrania i odpro

w adzenia gazu wypływającego z w irnika w kieru n k u króćca wylotowego oraz do zam iany części ciśnienia dynamicznego w ciśnienie statyczne. Z adania te powinny być zrealizowane w kolektorze w ta k i sposób, aby spełnione były następujące, w ażne wym agania:

- osiągnięcie wym aganego przyrostu ciśnienia całkowitego przy danym s tru m ieniu objętości, tj. projektowym punkcie pracy,

- zapew nienie m aksym alnie możliwych w artości spraw ności całkowitej i statycznej całego w entylatora,

- zapew nienie wym aganego k sz ta łtu i ekonomicznego zakresu zmienności podstawowych ch arakterystyk, tj. p rzyrostu ciśnienia całkowitego oraz sprawności.

Najczęściej w entylator promieniowy posiada kolektor o geom etrii pokaza

nej n a ry su n k u 1. W ażniejsze cechy takiego rozw iązania to:

- sta ła szerokość B - zwykle znacznie w iększa od szerokości w irnika b2, - zbliżony do k sz ta łtu spirali logarytmicznej zew nętrzny, promieniowy obrys

kolektora,

- występowanie ta k zwanego języczka, od którego rozpoczyna się „zbieranie”

stru m ien ia gazu wypływającego z w irnika.

Przepływy w w irniku i kierownicy, mimo złożoności nie mniejszego stopnia, opisane zostały wieloma m etodam i ta k teoretycznym i, ja k i eksperym entalny

mi. Pozw alają one przewidywać, z dużą stosunkowo pewnością, ch araktery

styki tych elementów oraz ich w zajem ną współpracę w tych przypadkach, gdy

(3)

Analiza współpracy wirnika wentylatora promieniowego.. 337

0°

Rys. 1. Szkic pomocniczy do obliczeń kolektora spiralnego Fig. 1. The scheme of spiral volute

nie naru szo n a je s t osiowosymetryczność przepływu. Dobre re z u lta ty otrzym u

je się w dm uchaw ach i sprężarkach promieniowych, gdy za w irnikiem znajdu

je się dyfuzor bezłopatkowy lub łopatkowy (ten o statn i, gdy nie rozpoczyna się zbyt blisko przekroju wylotowego z w irnika). W arunkiem dodatkowym otrzy

m an ia dobrej zgodności obliczeń z b ad an iam i je s t b rak ograniczeń m ateriało

wych, gabarytow ych lub napędowych (obroty) w ym uszających nietypowe geo

m etrie w irnika.

Z racji ekonomicznych p ro sta k o n stru k cja w en ty lato ra promieniowego z kolektorem ja k n a ry su n k u 1 powoduje, że przepływ w w irniku i kolektorze staje się bardziej złożony. Do najw ażniejszych przyczyn kom plikujących prze

pływ należą:

- stosunkowo duży przeciek od strony tarczy przedniej w sk u tek uszczelnie

n ia typu szczelinowego,

- w ystępow anie wstecznego oddziaływ ania kolektora naruszającego osio

wosym etryczność przepływ u w w irniku,

- w ystępow anie przestrzennego, niestacjonarnego przepływ u z rozległymi sferam i przepływów w tórnych w otoczeniu języczka oraz w dość obszer

nych strefach m iędzy w irnikiem a bocznymi ściankam i kolektora.

(4)

L ite ra tu ra dotycząca badań eksperym entalnych, teorii, konstrukcji i eks

ploatacji w entylatorów promieniowych je s t bardzo obszerna. Spraw y wymie

nione s ą w ielostronnie opisane i ujęte w różne m etody obliczeniowe i projekto

we. F aktem je s t znaczny dorobek teoretyczny i eksperym entalny w dziedzinie w entylatorów promieniowych oraz istn ienie wielu bardzo dobrych rozwiązań tych maszyn. F aktem też je s t również duża niepewność m etod projektowania.

W yraża się ona między innym i w zbyt mocno różniących się rozwiązaniach otrzym ywanych za pomocą różnych m etod oraz niezadowalającej zgodności obliczeń projektowych z w ynikam i badań.

2. WYBRANE WYNIKI BADAŃ

B adany był w irnik prom ienio

wy w spółpracujący z trzem a, róż

nym i kolektoram i oznaczanymi dalej symbolami K 560, K 450 i K 400. Pierw szy z nich (K 560) je s t kolektorem w entylatora WPWs - 40/1.8 produkcji Fabryki W enty

latorów OWENT w Olkuszu. Dwa n astęp n e zaprojektow ane zostały specjalnie n a param etry w irnika W2 (odpowiednika w irnika we

n ty la to ra W PW s-40/1.8). Kole

k to r o symbolu K 450 zaprojekto

wano zgodnie z p racą [1], a kole

kto r K 400 zgodnie z p racą [2].

W każdym z tych trzech zesta

wień w irnika W2 i danego kole

k to ra bad an ia prowadzone były p rzy trzech w artościach szczelin przywlotowych oraz przy w ybra

nych k ątach u staw ien ia kierowni

cy. Kolektory te posiadały tę sam ą szerokość B = 265 mm. Wartości w symbolach kolektorów odpowiadają wymiarowi H (rys. 1.). Zewnętrzne obrysy tych kolektorów porównano n a rysunku 2. Zasadnicze dane geo-

Rys. 2. Szkic porównawczy geometrii trzech kole

ktorów spiralnych o tej samej szerokości B = 265 mm

Fig. 2. The scheme of geometry of three spiral volutes with some width B = 265 mm

(5)

Analiza współpracy wirnika wentylatora promieniowego. 339

metryczne w irnik a W2 prezentuje poniższe zestaw ienie:

- średnica zew nętrzna D 2 = 720 mm,

- średnica w ew nętrzna przy tarczy tylnej D x = 386 mm, - liczba łopatek zw = 12,

- łopatki proste, kraw ędź wlotowa profilow ana, - k ąt łopatkowy wlotowy = 58,5°,

- k ąt łopatkowy wlotowy przy tarczy tylnej Pi=13°, - szerokość w irnika n a wylocie b2 = 94 mm,

- szerokość w irnik a n a wlocie = 188 m m, n a średnicy D\.

Pełny opis badań, wyniki oraz analizy zaw iera p raca [3]. T utaj przedstaw io

ne zostaną jedynie dwa reprezentatyw ne ry su n k i niezbędne dla dalszej an a li

zy. Rysunki 3a i 3b przed staw iają ch arak tery sty k i przy ro stu ciśnienia całko

witego oraz spraw ności efektywnej r|e dla poszczególnych zestaw ień w irnika W2 z różnym i kolektoram i. Rysunek 3a p rezentu je te ch arak tery sty k i dla zerowego k ą ta u staw ien ia kierownicy yk, a ry su n ek 3b dla k ą ta 40°. W szystkie pokazane ch arak tery sty k i zm ierzone zostały przy szczelinie przywlotowej równej 0,8 mm.

Z rysunków 3 widoczny je s t dokładnie odm ienny wpływ kolektorów n a osiągane p a ra m etry pracy całego w entylatora. Dla p rzypadku zerowego k ą ta ustaw ienia kierownicy % = 0 najw yższa spraw ność efektyw na r)e osiągana jest w układzie z kolektorem „najobszerniejszym ” o symbolu K 560. N ajniższą sprawność w tym przypadku uzyskano z „ciasnym ” kolektorem K 400. Równo

cześnie widoczne je s t tak ie oddziaływanie tego k olektora K 400, że c h a ra k te rystyki tra c ą swój gładki przebieg. U żyte pojęcia kolektora obszernego i cias

nego nie określają negatyw nie oddziaływającej p rzestrzen i kolektora. T rudne jest określenie, czy źródłem ujem nego oddziaływ ania je s t nieodpow iednia zew nętrzna krzyw izna obrysu kolektora, czy p rzestrzeń pom iędzy przednią tarczą w irnik a z boczną ściank ą kolektora.

W obszernej litera tu rz e tego tem a tu , tu ta j nie przytaczanej, pokazan a je s t duża liczba możliwych oddziaływań kolektora n a c h a rak tery sty k i całego we

ntylatora. W prezentow anych w niej badan iach i m odelach teoretycznego opisu widoczny je s t b ra k uw zględnienia dwóch — wydaje się istotnych — zja

wisk. Jednym z nich je s t naru szen ie osiowej sym etryczności wypływu gazu z w irnika. D rugim je s t oddziaływanie stosunkow o bezwładnej m asy gazu w przestrzeni m iędzy boczną ścian k ą kolektora a p rzedn ią ścian k ą w irnik a n a przepływ w całej przestrzen i kolektora. Zjaw iska te w ym ienia się jako silnie dyssypatywne, nie podejmując próby ich jakościowego i ilościowego opisu.

(6)

Rys. 3. Sprawność T|e i przyrosty ciśnienia APc dla wentylatorów z wirnikiem W2, szczeli

ną przywlotową UO przy obrotach n = 1470 obr/min dla kolektorów K400, K450 i K560:

a) kąt kierownicy yk = 0°, b) k ąt kierownicy yk = 40°

Fig. 3. Efficiences T)e and preassure vices APc for fans w ith impeller W2: a) inlet stator bla

de angle yk = 0°, b) inlet stator blade angle yk = 40°

(7)

3. WPŁYW ZABURZENIA OSIO W EJ SYMETRYCZNOŚCI WYPŁYWU Z WIRNIKA

Zaburzenie osiowej symetryczności wypływu gazu z w irn ik a n a ru sz a możli

wość stosow ania prostych form wzorów bilansowych. W tak im przypadku każdy k a n a ł w irn ika m usi być trak to w an y oddzielnie, wnosząc swoje udziały do ogólnych rów nań b ilansu stru m ien i m asy i energii. Przyjęto następujące oznaczenia:

m - stru m ień m asy gazu, kg/s, c - prędkość bezwzględna, m/s,

cr - składow a prom ieniow a prędkości bezwzględnej, m/s, cu - składow a obwodowa prędkości bezwzględnej, m/s, Aic - przyrost entalpii całkowitej, J/kg,

Aisc - izentropow y przyrost en talp ii całkowitej, J/kg, Cm _ współczynnik s tr a t m ieszania się strum ieni,

<p2r = c2r/ u2 - współczynnik wydajności, v|/p = 2c2u/ u 2 - w skaźnik pracy,

T|sc = Aisc/A ic - spraw ność izentropow a, całkow ita indeksy:

k - dotyczy k a n a łu w irnika,

2 - dotyczy przekroju wylotowego w irnika, w - dotyczy w irnika,

we - dotyczy w entylatora.

Z rów nania bilansu stru m ien i w k a n ałach wirnika:

£ m k = mw (1)

po rozpisaniu dla przekroju 2 wylotowego z w irnika:

2w ^ P k n b2 c2r k - p w n D2 b2 c2r (2)

po założeniu pk = pw i podzieleniu przez u 2 otrzym ujemy:

^ *P2r,k — ^ 2 r ,w — *P2r (3)

Równanie b ilansu energii stru m ien i wypływających z poszczególnych k a n a łów w irnika:

(8)

X m k ¿c2,k = ic2 (4)

po uw zględnieniu, że:

Aic, k = ¿c2, k — ¿cl, k = c2u, k — clu, k

w — ^c2 — h l = c2u — clu

¿ci, k ¿ci oraz ciu, ^ c ly 0

oraz wprow adzeniu wzorów definiujących w skaźnik pracy \|/p i sprawność izentropow ą całkow itą ą iSC po przekształceniach pozw ala uzyskać dwie zależ

ności:

Vp — Vp, w — Vp, k^2r, k/(Zw^P2r)

fisc ~ >lsc, w ~ Vp, k^2r, khsc, k//(‘^w^P2r^p)

Zależności (3), (5) i (6) pozwalają określić nowy, zmieniony p u n k t pracy w irnika przy niew ystępow aniu tych sam ych wielkości stru m ien ia m asy w poszczególnych k anałach w irnika. W yniki mogą być różne w zależności od rozkładu m k - rzeczywistego lub założonego dla celów obliczeń symulacyj

nych. Strum ienie te nadto intensyw nie się m ieszają, wnosząc do przepływu dodatkowe straty . Intensyw ność m ieszania się tych stru m ien i je s t funkcją geom etrii kolektora oraz współczynnika wydajności. S kutkiem tego je s t prze

sunięcie optymalnego p u n k tu pracy, który nie pokryw a się z oczekiwaniami konstruktorów .

W nioski z badań w entylatorów szczególnie w zakresie opracow ywania mo

deli i zależności służących projektow aniu kolektorów, a tym sam ym całych w entylatorów , obarczone są tym większym błędem, im m niej zbadany został stopień i c h a ra k te r nierównom iem ości przepływ u w k an ałach w irnika. Tym m ożna tłum aczyć spotykane - czasam i znaczne - różnice w geom etriach kolektorów zaprojektowanych za pomocą różnych m etod.

N a ry su n k u 4 przedstaw iono cztery funkcje dla pewnego w irnika w celu zilustrow ania ich przebiegu. Pokazane zależności w skaźnika pracy l/2v|/p i spraw ności izentropowej, całkowitej r)sc są w yidealizow anym i c h a rak tery sty kam i tego w irnika przy pełnej pow tarzalności przepływ u w kolejnych k a n a łach w irnika. C harak terysty k a spraw ności r|sc sprow adzona została do postaci

(9)

Rys. 4. Zmienność wskaźnika pracy \|/p i sprawności izentropowej tisc oraz odpowiednich iloczynowych funkcji wielkości y p, T|Sc i <P2r w zależności od wskaźnika wydajności <f>2r Fig. 4. Variability of work coefficient y p and isentropic efficiency T|Sc and adequate func

tion xyp, Use, <P2r of flow coefficient q>2r

(10)

symetrycznej względem w artości w skaźnika wydajności cp2r = 0,211. Funkcja l /2\|/p • (p2r j est zależna od stromości charakterystyki w skaźnika pracy l / 2v|/p, a więc głównie od k ą ta łopatkowego p2. M aksim um charakterystyki l /2\yp • cp2r ■ Psc leży znacznie przesunięte od w artości <p2r = 0,211.

Wynikowe w artości l/2\]/p, cp2r i r|sc otrzym ane z zależności (3), (5) i (6) zależne s ą od przyjętego rozkładu strum ien i m asy w k an ałach w irnika. Zależ

ności te - uzupełnione modelem m ieszania się stru m ien i i pow staw ania s tra t w kolektorze - mogą być pomocne do bardziej dokładnych obliczeń projekto

wych w entylatora promieniowego.

LITERATURA

[1] Kuczewski S.: W entylatory. WNT, W arszaw a 1978.

[2] T uliszka E.: Sprężarki, dm uchawy, w entylatory. WNT, W arszaw a 1986.

[3] P raca zespołowa: Opracowanie nowego w en tylato ra (zastępczego W PW s-40/1.8). B adania akustyczne i przepływowe z osiowym aparatem regulacyjnym n a wlocie. P raca w ykonana w Zakładzie Techniki Cieplnej In sty tu tu Techniki Cieplnej i Silników Spalinowych Politechniki Po

znańskiej (obecnie K atedra Techniki Cieplnej), Poznań 1987.

A b stract

In th is p ap er th e hypothesis about th e cooperation betw een th e centrifugal rotor and collectors w ith different geom etry is discussed. The hypothesis is based on th e research carried out by th e au th o rs an d th e other research.

The sim ple construction of th e centrifugal rotor w ith collector (fig. 1) causes m ore complicated flow. The m ost im p o rtan t reasons are:

- relatively big leak from th e front disc side, because of th e sloting seal - reverse reaction of th e collector distu rb ing th e axi-sym etric flow

- th re e dim ensional u n steady flow w ith wide secondary flow spheres in the cu t-o ff a rea and also in wide areas betw een th e rotor an d th e side walls of th e collector

The m ain idea of th is hipothesis is, th a t different collectors d istu rb the axi—sym etric flow from th e rotor in different ways. These disturbances change th e characteristics of th e centrifugal rotor a n d th e fan a t all.