Analiza kinematyki oraz badania wentylatora promieniowego typu WWOax

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 118

1993 Nr kol. 1221

Janusz WALCZAK Leszek CICHOŃ

Krystyna TUSTANOWSKA-KAMROWSKA Katedra Techniki Cieplnej, Politechnika Poznańska

ANALIZA KINEMATYKI ORAZ BADANIA

WENTYLATORA PROMIENIOWEGO TYPU WWOax

S tr e sz c z e n ie . W referacie przedstaw iono analizę geom etrii i kine

m atyki w irn ik a w entylatorów typu WWoax, które uzyskują wysokie spraw ności. Szczególnie zwrócono uw agę n a relacje m iędzy k ą ta m i n a pływu względnego n a łopatki w irn ik a a k ą ta m i łopatkowym i. Przepro

wadzono bad an ia w entylatora, podobnego geom etrycznie do w entylato

rów WWoax, z dwoma w irnikam i o różnych kraw ędziach wlotowych łopatek. Określono wpływ k sz ta łtu kraw ędzi wlotowej n a spraw ność oraz p rzyrost ciśnienia całkowitego.

ANALYSIS OF KINEM ATICS AN D RE SEA R C H E S CONCERNING THE RADIAL FA N (WWOax TYPE)

Sum m ary. The pap er shows analysis of kinem atics and geom etry of th e im peller used in h igh efficiency fan s (WWOax type). P artic u la r a tte n tio n h as been paid on th e relation betw een th e relative inflow angle on th e im peller blades and th e blade angle. The investigations have been carried on th e fan, geom etrically sim ilar to th e WWOax fan, w ith two im pllers w ith different in let blade edge. Two influence of the shape of th e in le t blade edge upon th e efficiency and th e to ta l pressure increase.

ANALYSE D E R KINEMATIK U N D DIE U N TE R SU C H U N G E N DES RADIALVENTILATORS TYP WWOax

Z u sa m m en fa ssu n g . Die Analyse der K in em atik u nd der geom etrischen P a ra m e te r des Rotors vom hocheffektiven WWOax V entilator w urde dargestellt. D er N achdruck w urde a u f die Zusam m enhänge zwischen den relativen A nström ungsw inkel des Rotors und den Schaufelw inkel gelegt. Die U n tersu chu ng en eines dem WWOax geom etrisch ähnlichen V entilators, m it zwei Rotors m it

(2)

226 Janusz Walczak, Leszek Cichoń, Krystyna T ustanowska-Kamrowska

verschiedenen S ch aufeleintrittsk anten , w urden durchgeführt. Der Einfluß der G estalt von der E in trittsk a n te a u f den W irkungsgrad und den D ruckanstieg w urde bestim m t.

1. WPROWADZENIE

Metody projektow ania w entylatorów promieniowych są jeszcze dalekie od doskonałości. Istnieje jed n a k wiele konstrukcji o dobrej lub bardzo dobrej sprawności. Do tych ostatnich zaliczają się w entylatory ty p u WWOax, które według różnych źródeł osiągają sprawności w granicach od 83 do 92%

[4, 6, 8, 9], W niniejszym referacie przedstawiono wyniki analizy i geometrię tego w entylatora według danych otrzym anych z F abryki Wentylatorów

„OWENT” w Olkuszu. W entylatory WWOax m ają kilka odm ian różniących się szerokością w irnika, liczbą i geom etrią łopatek - to znaczy proste z blachy lub profilowane. Tutaj przeanalizow ano w irniki z łopatkam i prostym i wykonany

m i z blach o stałej grubości. W zorując się n a zasadniczych wielkościach geo

m etrycznych tego w irnika, zaprojektowano i wykonano w entylator wyposażo

ny również w kierownicę w stępną oraz przeprowadzono jej badania. Badania te były wykonane dla dwóch różnych kształtów kraw ędzi wlotowej - mianowi

cie prostej oraz zaokrąglonej. W yniki badań pozw alają n a ocenę wentylatorów typu WWOax oraz wpływu k sz ta łtu kraw ędzi wlotowej n a przebieg charakte

rystyk.

2. ANALIZA GEOMETRII I KINEMATYKI W IRNIKA WENTYLATORA W W Oax-56

W edług katalogów [8,9] p a ram etry znamionowe tego w entylatora są nastę

pujące: w ydatek V = 5 m3/s, spiętrzenie całkowite APc = 2000 Pa, przy prędko

ści obrotowej n = 1445 obr/min. W ym iary w irn ik a pokazuje rys. 1. Zamieszczo

no tam również podstawowe w skaźniki geometryczne i kinem atyczne. Poza tym i w skaźnikam i w niniejszej analizie in te resu ją n a s relacje między kątam i przepływu a k ątam i łopatkowymi dla średniej prędkości oraz wzdłuż krawę

dzi wlotowej, wartość w skaźników pracy v|/p lub y c oraz konfrontacja z metoda

m i obliczeniowymi, a także s tra ty w poszczególnych k anałach w entylatora.

(3)

Analiza kinematyki oraz badania wentylatora. 227

n r2 r0 bi b 2 r ,/ r 2 t y b 2 tyQ z R R / ą A 0 Ai A cA

m m m m m - - - m - m 2 m 2 -

0,200 0 A 0 0 0,25 95 0,189 0,1 UO 0,70 1,35 0,175 0,0955 0,187+ 0,2116 0,3325 Q 6365

Co,śr Pr,śr C2rśr u 2 f 2r _K Ui Pl,śr W i3* ^Z ^- ^-

m/s m/s m/s m / s - - m /s stop stop stop szt - -

22163 15,0*. 1*.,21 60 ,5 3 0.23A8 0,16*ł3 7+2,37 19,55 9,2 7+6,0 9 - -

Rys. 1. Szkic wirnika z zasadniczymi wielkościami geometrycznymi i kinematycznymi Fig. 1. Impeller’s scheme with main dimensions

W celu określenia relacji między kątam i przepływu a k ątam i łopatkowymi dokonano rozwiązania przepływu osiowosymetrycznego dla modelu płynu nielep- kiego [7], Szkic k anału dla rozwiązania przepływu podano n a rys. 2, wraz z zaznaczonymi przekrojami, dla których wydrukowano wyniki obliczeń. W po

szczególnych przekrojach wyznaczano rozkłady prędkości: promieniowej cr, osio

wej cz, a w pobliżu krawędzi wlotowej k ąty napływu względnego n a łopatki:

n + <'r p = arc tg —

u ⁽¹⁾

(4)

Rys. 2. Szkic kanału dla rozwiązywania przepływu osiowo-symetrycznego. Kształt krawę

dzi wlotowej dla wyróżnionych kątów natarcia - gruba linia Fig. 2. Channel’s scheme for axi-symmetric flow solution

N a rys. 3 podano rozkład prędkości przy opływie tarczy przedniej między przekrojam i 0 -0 a wlotem n a łopatki 1-1. M iędzy tym i przekrojam i stosunek prędkości m inim alnej do m aksym alnej wynosi:

— = 0,823 (2)

N a rys. 4 podano rozkład składowej promieniowej prędkości cr wzdłuż kraw ędzi wlotowej łopatki. Zaznaczono tam śred n ią prędkość crśr oraz miej

sce, gdzie ta prędkość przypada, określone odległością z = 113 mm od tarczy

(5)

Rys. 3. Rozkład prędkości wzdłuż tarczy przedniej Fig. 3. Velocity distributioncovwr discwise

tylnej. N a wykresie - skala dolna - danej odległości z m iędzytarczam i przypo

rządkowano w artość k ą ta napływ u n a w irnik, który zm ienia się od pt = 16,4°

(tarcza tylna) do Pi = 25,88° (tarcza przednia). Dla porów nania - k ą t łopatko

wy na wlocie PI = 9,2° - rys. 1.

Rys. 4 przedstaw ia również tró jk ąty prędkości w trzech p u n k tac h wzdłuż krawędzi, mianowicie przy tarczy tylnej, w m iejscy gdzie clr przyjm uje w ar

tość śred nią w przekroju 1-1 oraz przy tarczy przedniej. W artości z k re sk ą u góry dotyczą prędkości cr po uw zględnieniu przew ężenia przekroju grubością łopatek. Przez AP oznaczono różnicę m iędzy k ątam i napływ u a k ą ta m i łopat

kowymi.

(6)

- Oznaczenie Cr C r P i P i

APi Apt

a

Dla ta rc z y

ty ln e j 12.50 14,05 16,43 18,34 7,23 9,14

b

Dla śre d n ie j

w artości c r 15,09 16,90 19,60 21,75 10,40 12,55

c

Dla ta rc z y

p rz e d n ie j 20,60 23,07 25,93 28,57 16,73 19,37

Rys. 4. Rozkład składowej promieniowej prędkości cr wzdłuż krawędzi wlotowej. Trójkąty prędkości

Fig. 4. Radial component distribution for cr velocity inlet edgewise. Velocity triangles

(7)

Á¡5 = p i-p í

₍₃₎

Jak widać z rys. 4, k ą ty n a ta rc ia zm ieniają się od 9,14° (tarcza tylna) do 19,37° (tarcza przednia), a średn ia w artość wynosi 12,55°. Różnice w rozkła

dzie kątów n a ta rc ia wzdłuż kraw ędzi wlotowej są znaczne, a ich wyrównanie i zmniejszenie mogłoby obniżyć s tra ty uderzeniow e. Czy ta k je s t istotnie, pokażą wyniki badań w en tylatora z w irnikiem o zaokrąglonej kraw ędzi wloto

wej, przytoczone w dalszej części referatu .

Istotną sp raw ą w w entylatorze WWOax je s t to, że k ą ty łopatkowe n a wlocie są mniejsze od kątów napływ u względnego. Poglądy n a te n te m a t w lite ra tu rze [3, 5] są odm ienne, mianowicie uw aża się tam , że k ą ty łopatkow e powinny być większe od kątów przepływ u w edług zależności:

gdzie 8p je s t odchyleniem napływającego strum ienia n a wieniec łopatkowy spowodowanym przepływem wirowym.

Dalej określone zostaną poszczególne s tra ty w en ty lato ra W W Oax-56 we

dług m etod podanych w monografii E. Tuliszki [3], w sk aźnik pracy i|/p oraz sprawność w entylatora. Posłuży to do konfrontacji z w artościam i rzeczywisty

mi podanymi w katalogach oraz z w ynikam i b ad ań własnych.

Poszczególne s tra ty /ą zo staną podane jak o spadki spraw ności stopnia w postaci:

gdzie indeks i odnosi się do i—tej straty . Zestaw ienie tych s tr a t je s t n a stę p u ją ce:

- spadek spraw ności spowodowany przeciekiem przednim - Ar|s _ Pa = 1,4%

- spadek spraw ności spowodowany stra ta m i brodzenia - Ar|s _ b = 1,5%

- spadek spraw ności spowodowany stra ta m i k a n a łu wlotowego - Arj0- i = 0,75%

- spadek spraw ności spowodowany stra ta m i w irn ik a - Ar^ _ 2 = 10%

- spadek spraw ności spowodowany stra ta m i w kolektorze - Aąk = 7,29%

w tym nagłego zm ieszania [5] - Ar|r = 3,34%

oraz ta rc ia - Ar)t = 3,86%

Pi = ]5i + Sp

(4)

100^% (5)

(8)

232 Janusz W alczak, Leszek Cichoń, Krystyna T ustanowska-Kamrowska

Obliczeniowa sprawność ogólna w entylatora:

Ar)s = 1 - Ario _ i - Arii _2 - Ari^ - Ar)s _ b - Aris_ Pa = 79% (⁶)

Sprawność ta w porów naniu z danym i katalogowym i lub cytowanymi w litera

tu rze [4], w zakresie od 83 - 92%, je s t zatem zaniżona, co może świadczyć o niew ystarczającej dokładności m etod używanych tu ta j do obliczeń.

Do obliczenia podanych powyżej spadków spraw ności użyto wstępnie w skaźnika pracy:

równego \|/p = 1,0. Poniżej zostanie on obliczony dla pewnego zak resu spraw

ności w entylatorów WWOax, z w ykorzystaniem w skaźnika przyrostu ciśnie

n ia całkowitego

obliczonego z danych katalogowych [8, 9] - y c = 0,91. Zależność między wskaźnikiem pracy vpp, przyrostu ciśnienia całkowitego \j/c, spraw nością izentropow ą w entylatora ą s, stra ta m i przecieku przedniego oraz stra ta m i brodze

n ia je s t następująca:

(8⁾

VP =(1 + Aris _Pa + Atis _ b) ris (9)

gdzie spraw ność izentropow a w entylatora:

APCV

(10)

N[ - je s t rzeczywistą mocą sprężania. W yniki obliczeń w skaźnika pracy \|/p dla trzech wartości sprawności w entylatora r|s podaje tablica 1.

(9)

T a b lic a 1

ris 0,83 0,86 0,88

c2u [m/s] 29,96 31,17 32,38

Vp H 0,99 1,03 1,07

Dla porów nania sprawdzono, czy m etoda W iesnera [3] określenia współ

czynnika zm niejszenia mocy może być tu ta j zastosow ana. W edług tej metody kąt wypływu stru m ien ia z w irnik a m ożna obliczyć z zależności:

ctg P2 = ^ + ctg P2 ⁽11⁾

<P2r

Dla P2 = 46 oraz v|/2r = 0,2348 k ą t wypływu wynosi (ł2 = 29,89. Dalej wyznacza

jąc z tró jk ą ta prędkości c2u otrzym ujem y \|/p = 1,18. Zatem m etoda ta daje zawyżony wynik. Spowodowane to je s t tym , że nie je s t tu ta j spełnione k ry te rium długości k a n a łu [3], mianowicie:

i \

£ 1

, r 2

V A

8,16 sin p2

= e = 0,58 ⁽12)

przy rzeczywistym r l/r2 - 0,7. Gdyby zastosować tu ta j m etodę W iesnera do określenia k ą ta łopatkowego n a wylocie z w irnika, otrzym uje się w artość (ł2 = 36,5° wobec rzeczywistej w artości p2 = 46°. Podjęto również próbę określenia

\|/p z rozw iązania przepływ u w palisadzie w irn ik a dla m odelu płynu nielepkie- go [7], otrzym ując wartość \|ip = 1,1, czyli również w ynik zawyżony w stosunku do wartości rzeczywistych.

3. BADANIA WENTYLATORA WWOax

Przyjm ując zasadnicze w ym iary geom etryczne w irników w entylatorów WWOax zaprojektow ano w entylator n a p aram etry: APc = 2300 Pa, V = 6 m3/s.

Wykorzystując teorię podobieństw a przepływów, posługując się w skaźnikam i wydatku <ffy i sp iętrzenia \\ic ustalono, że powyższe p a ra m e try powinny być

(10)

realizow ane w irnikiem o średnicy D2 = 845 mm i prędkością obrotową n = 1465 obr/min.

Prom ień wlotowy w irnika, zachowując stosunek r1/r 2, wynosi r, = 297 mm, n ato m iast łopatkowy k ą t wlotowy, przy łopatkach prostych i kącie p2 = 46°, wyniesie pj = 9,2°. Liczba łopatek w irnik a z = 9. W takiej w ersji został wykonany w irnik pierwszy - w l, gdzie zachowano również kraw ędź wlotową prostą, równoległą do osi w ału napędowego.

N atom iast druga w ersja w irnika - w2 m a zm ienioną kraw ędź wlotową.

Mianowicie, biorąc pod uwagę wyniki analizy k inem atyki w przekroju wloto

wym w irnika WWOax, gdzie k ą ty n a ta rcia n a łopatkę Ap = Pj - pj są duże i znacznie zróżnicowane po szerokości w irnika, co może być powodem powsta

w ania s tr a t uderzeniowych. Zaprojektowano now ą kraw ędź wlotową, gdzie k ą ty n a ta rcia zostały zmniejszone i w yrów nane wzdłuż szerokości. Biorąc dodatkowo pod uwagę, że w projektowanym w entylatorze przewiduje się regulację kierownicą w stępną, przesunięto kraw ędź wlotową n a r 1 = 302 mm, co powoduje, że k ą t wlotowy łopatek przyjm uje w artość Pj = 13,6°. Krawędź wlotową ukształtow ano tak , aby k ą ty n a ta rc ia wzdłuż kraw ędzi były wyrów

n an e i mieściły się w granicach AP = 5 — 7°. W tym przypadku prom ień r : = 302 mm będzie prom ieniem średnim , przy którym średni k ą t łopatkowy Pj śr

= 13,6°. K ształt kraw ędzi wlotowej podano n a rys. 2, który dotyczy wirnika w entylatora WWOax—56 o średnicy Z)2 = 800 mm, a później w skali geometry

cznej przeniesiono n a w irnik o średnicy Z)2 = 845 mm. W wyborze miejsca usytuow ania kraw ędzi wlotowej posłużyły m iędzy innym i wyniki obliczeń zamieszczone n a rys. 5. Podano tam przebiegi pj, pśr, Ap, crśr oraz w śr na średniej powierzchni p rąd u wzdłuż prom ienia w irnika r, poczynając od r 1 = 280 mm. N a ry sun ku tym m ożna prześledzić, ja k zm ieniałyby się powyższe wielkości, gdyby wlot n a w irnik zaczynał się n a różnych prom ieniach od r x - 280 do 320 mm.

K ształt kolektora ustalono opierając się n a m etodzie podanej w monografii [3], przy zachowaniu stosunku szerokości kolektora do szerokości wirnika B/b2 = 3. Szacowanie s tr a t wykazuje,że w entylator powinien osiągnąć spraw

ność r|s = 78 - 80.

W yniki bad ań w entylatora z obydwoma w irnikam i przedstaw iono n a rys. 6.

N a ry sun k u tym prezentujem y ch arak tery sty ki w entylatora dla dwóch róż

nych kątów nastaw ien ia kierownicy w stępnej - a k = 0 i 20°. Charakterystyki te to przyrost ciśnienia całkowitego APc, spraw ności efektywnej w entylatora rie oraz mocy n a sprzęgle N e, w funkcji w ydatku w enty latora V. Należy tutaj zaznaczyć, że moc n a wale wyznaczono z pom iaru m om entu momentomierzem indukcyjnym cechowanym statycznie.

(11)

Rys. 5. Przebiegi prędkości cr,śr, wśt oraz kątów Pśr, P*> AP na średniej powierzchni prądu w zależności od promienia wlotu r\ n a wirnik

Fig. 5. cr,śr, Wśr velocities and Pśr, P* angles on mean stream surface in dependence of inlet radius - n on impeller

C h arakterystykę w entylatora z w irnikiem o kraw ędzi prostej, geometrycz

nie podobnego do w entylatorów WWOax, pokazano n a rys. 7.

(12)

Rys. 6. Charakterystyki wentylatora a) dla kąta nastawy kierownicy wstępnej ak = 0°, b) dla ak = 20°

Fig. 6. Fan’s characteristics: a) for angle ak = 0° of inlet stator blades, b) for angle ak = 20°

of inlet stator blades

(13)

Rys. 7. Charakterystyki spiętrzania APc = f(V) oraz linii stałej sprawności T|e = const, przy różnych kątach ak nastaw y łopatek kierownicy wstępnej, wentylatora geometrycznie podo

bnego do WWOax

Fig. 7. Flow characteristics APc = f[V) and T|e = const for different ak angles of inlet stator blades. This tan is geometrically similar to WWOax fan

(14)

4. PODSUMOWANIE

W przedstaw ionej tu ta j analizie geom etrii i k inem atyki w en tylato ra WWO- ax w ykazaliśm y między innym i, że k ą ty wlotowe łopatek w irn ik a Pi są małe i dużo m niejsze niż k ą ty napływ u względnego p 1; a także bardzo zróżnicowane wzdłuż szerokości w irnika. Nie przeszkadza to jed n a k w uzyskaniu przez te w entylatory wysokiej sprawności. Sprawność ta nie je s t je d n a k ta k wysoka, ja k podaje się w k atalogach oraz litera tu rz e [4, 8, 9],

Próby podniesienia tej spraw ności n a drodze zm niejszenia kątów natarcia n a łopatkę Ap oraz ich w yrów nania wzdłuż szerokości w irn ika nie dały oczeki

wanego rezu ltatu . J a k widać n a rys. 6a, przyrost ciśnienia całkowitego oraz spraw ności są wyższe dla w entylatorów z w irnikiem o kraw ędzi prostej - wl (jak w WWOax) od w entylatorów z w irnikiem o kraw ędzi zaokrąglonej - w2, dla którego k ą ty n a ta rc ia zostały wyrów nane i zmniejszone. J e s t to tru d n e do w yjaśnienia, ponieważ tak ie kształtow anie kraw ędzi wlotowej w odniesieniu do w entylatorów WPWs dały podwyższenie spraw ności o 3 - 4%. Wyjaśnienie tych zagadnień wymagałoby głębokiej analizy s tr a t przepływ u w w irniku oraz poszczególnych stra t: uderzeniowych, tarcia, przepływów w tórnych oraz ode- rw ań, co n a tym etapie prac nie zostało zrobione.

LITERATURA

[1] W alczak J., Rybarczyk J., Cichoń L., H aberko M., K am row ska K.: Pro

je k t w entylatora - obliczenia term odynam iczno-przepływ ow e oraz wy

trzymałościowe wybranego w arian tu . Opracowanie w ew nętrzne In stytu

tu Techniki Cieplnej i Silników Spalinowych. Politechnika Poznańska.

Poznań 1990.

[2] W alczak J., Cichoń L., H aberko M., K am row ska K.: B adania przepływo

we prototypowego w entylatora W P-60. Opracowanie w ew nętrzne Insty

tu tu Techniki Cieplnej i Silników Spalinowych. Politechnika Poznańska.

Poznań 1991.

[3] Tuliszka E.: Sprężarki dm uchaw y i w entylatory. WNT, W arszaw a 1976.

[4] Kuczewski St.: W entylatory. WNT, W arszaw a 1978.

[5] Sołomachowa T.S.: Centrobieżnyje w entylatory. M aszinostrojenije, Mo

skw a 1975.

[6] Fortuna S.: Informacja pryw atna dotycząca charakterystyk w entylatora W W Oax-45 z kierownicą w stępną. AGH, Kraków 1990.

(15)

[7] K am row ska K .: A nalityczno-num eryczne m etody rozw iązyw ania ą u a s i- trój wymiarowego przepływ u płynu rzeczywistego w kołach wirnikowych.

Politechnika Poznańska. P raca doktorska 1990.

[8] W entylatory. Tom II, W entylatory promieniowe. W ydawnictwo Przem y

słu Maszynowego „WEMA”, W arszaw a 1980.

[9] W entylatory promieniowe jednostrum ieniow e ty p u WWOax. O lkuska F abryka W entylatorów „OWENT”, Olkusz 1991.

A b s tr a c t

The pap er shows th e analysys of kinem atics and geom etry of th e im peller used in high efficiency fans (WWOax type). P a rtic u la r a tte n tio n has been paid to the relatio n betw een th e relativ e inflow angle on th e im peller blades and th e blade angle.

To define th is relation th e solution of axi-sy m etric flow of inviscid fluid has been achieved. Fig. 2 p resen ts th e outline of th e channel for flow solution w ith cross-sections for w hich calculations w ere u n d e rta k en . In th e cross-section distribution of th e rad ia l velocity cr and axial velocity az and relativ e inflow angle n e a r th e in let edge on th e im peller blades w ere d eterm ined (formula (1)). Fig. 3 p resen ts th e velocity distrib u tio n for fron tal disc flow betw een 0-0 a n d 1-1 cross-sections. Between th em th e m in. to max. velocity ratio is cmin/cm ax = 0.823. Fig. 4 presen ts th e velocity trian g les a t th re e edge points.

T h e resu lt is, th a t th e differences in inflow angles are significant.

The investigations have been carried on th e fan, geom etrically sim ilar to th e WWOax fan, w ith two im pellers w ith different in le t blade edge upon the efficiency and th e to tal p ressu re increase.