Z E SZ YT Y N A U K O W E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
Seria: E N E R G E T Y K A z. 72 N r kol. 60k
_______ 1979
Edward WANIEK, Ry szard WYSZ YŃ SK I P o li te ch ni ka W r o c ł a w s k a
A N A L I Z A W P Ł Y W U N I E K T Ó R Y C H PA RA ME TR ÓW K O NS TR UK CY JN YC H N A OS IĄGI AE RO DY N A M I C Z N E W E N T Y L A T O R A POPRZECZNEGO
S t r e s z o z e p i e . W oparciu o uzyskane wy ni ki pomi ar ów ohar akt ery styk w y zn ao zo no p r ze dz ia ł optymalnego w y p e ł n i e n i a w i e ń c a łopatkowego o- raz stwierdzono, że prao a we nt y l a t o r a poprzecznego zależy w głównej mierze od pa ra me tr ów geometryoznyołi obudowy.
Oznaozenia
B .nr s z e r o k o ś ć k o ł a w irn ik o w eg o b - s z e r o k o ś ć w z g lę d n a w i r n i k a o - p r ę d k o ś ć b e z w z g lę d n a
d - s to s u n e k ś r e d n io k o ł a w irn ik o w eg o D - ś r e d n i o a
1 - o ię o iw a
N - moo
n - p r ę d k o ś ć o b ro to w a A p -- s p i ę t r z e n i e R - p ro m ie ń
Re - l i o z b a R e y n o ld sa t - p o d z i a łk a
u - p r ę d k o ś ć obwodowa w - p r ę d k o ś ć w z g lę d n a z - l i o z b a ł o p a t e k w i r n ik a
- k ą t p r ę d k o ś c i b e z w z g lę d n e j P - k ą t p r ę d k o ś o i w z g lę d n e j p * - k ą t ło p a tk o w y
8 - w y p e łn ie n ie w ień o a ło p a tk o w eg o - k ą t łu k u w lo tu
C2 - k ą t łu k u w y lo tu V - sp raw n o ść
<P - w sk a ź n ik w y d a jn o ś o i -0 - le p & o ść k in e m a ty c z n a 1> - w s k a ź n ik s p i ę t r z e n i a
182 E. Waniek, R. .Wyszyński
p - gę stość czynnika
® r e o y r k ” kąt recyrkulacji wewnętrznej.
1. Wprowadzenie
Zasada działania w e n t yl at or a poprzeoznego znana jest od ko ńc a ubiegłe- go wieku. Pi erwszy we nt yl at or poprzeczny op at entowany został w 1892 roku przez Paula Mortiera.
R y s . 1. Obraz przepływu w went yl at or ze poprzeoznym
Obeone znane konstrukcje w e nt yl at or ów poprzecznych dość znacznie od
b i egają od prototypu Mortiera. J e d n a k ż e , mimo dużej ilośoi b a d a ń i stu
diów prowadzonych w różnych zagranicznych ośrodkaoh naukowych, nie udało się dotychczas uz yskać dostatecznie dokładnych metod obliczeniowych tyoh
Analiza k p í t w u niektéryoh parametrów.. 183
maszyn. W związku z tym ko ns trukcje went yl at or ów poprzeczny oh. buduje się prawie wyłącznie n a podstawie ba da ń eksperymentalnych.
V po ró wn an iu z wentyl at or am i promieniowymi lub osiowymi, wentylatory poprzeczne ch ar ak te ry zu ją się zupełnie odmiennym, bardziej skomplikowanym ob ra ze m przepływu. Z rys. 1 wynika, że w y st ęp uj e dwukrotny przepływ czyn- ' n i k a przez kanały mi ędzyłopatkowe wirnika. Przez określoną częśó ułopatko-
w a n i a ozynnik w p ł y w a do w n ęt rz a wirnika, gdzi e z powodu istnienia strefy wi ro we j zmienia k i er un ek i w y p ł y w a przez inną określoną ozęść obwodu w i r nika. Wieniec łopatkowy odpowiadać więc musi w a r u n k o m przepływu do środko
we go i odśrodkowego.
Z pr ze pł yw em po pr ze cz ny m ni er ozerwanie związana jest strefa wirowa,zaj
mu ją ca ozęśó przestrzeni we wn ęt rz ne j w i rn ik a i powodująca recyrkulację czynnika n a pewnym odcinku luku wyloto we go w i e ń o a ło pa t k o w e g o .Ze wzrostem dł aw ie ni a obszar recyrk ul ac yj ny powiększa się i równocześnie jądro wi ru przemieszcza się w z d ł u ż kr awędzi we wn ęt rz ne j wi r n i k a w kierunku pr zeciw
n y m do ki erunku obrotów. Dotychczas nie zostało jeszcze rozwiązane istot
ne dla przepływu poprzecznego zagadnienie, ozy w i r tworzy się w wyniku przepływu dośrodkowo-odśrodkowego, ozy też pr ze pł yw jest skutkiem istnie
n i a jądra wirowego. Ni ez al eż ni e od tego n a le ży stwierdzić, że ws ku te k ist
n i e n i a strefy wirowej, k s zt ał tu je się specyficzny dla we nt yl at or a poprze- oznego obraz przepływu.
Mi mo śr od ow y we wn ęt rz ny w i r mocno przeoina układ łopatkowy i dooyduje o przepływie n a zewnątrz i w e wn ąt rz wirnika. N a rys. 2 przedstawiono przy
kł adowo rozkład prędkości i k ą t ó w wz dł uż obwodu zewnętrznego wi rn ik a [1].
aznaczyć należy, że ob ec no ść przepływu re cyrkulacyjnego oraz bardzo sil
n i e zróżnicowanego po la prędkości i olśnień powoduje, że o k r e ś l e n i e m dro
dze teoretycznej zw iązków zachodzących mi ędzy k i ne ma ty ką przepływu poprze
cznego i w i el ko śc ia mi geometryoznymi układu łopatkowego na po ty ka n a dtiże trudności.
Wentylatory poprzeczne posi ad aj ą jednak liczne korzystne w ł a s n o ś c i ,jak wy so ki e w s ka źn ik i spiętrzenia i wydajności, małe w porównaniu do mocy g a baryty, m o żl iw oś ć zwiększenia w y m i ar ów osio wy ch wi rnika oraz proporcjo
naln e do szerokości wirnika n a tę że ni a przepływu.
Szozególnie cenną zaletą jest możliwość uzyskania zmia n wydajności li
niow o pr op or oj on ał ny ch do zmia n szerokości k o ł a wirnikowego. W y ni ka to z charakteru przepływu poprzecznego, ma jącego własności przepływu płaskiego.
Je dn ak w s k u t e k oddziaływania n a przepływ rzeczywisty taroz booz ny oh w i r n i k a nie wy st ę p u j ą liniowo proporojonalne zmiany objętościowego natężenia przepływu w oałym zakresie zmian szerokości wieńca. Zjawisko to występuje w w i rn ik ac h o szerokośoi względnej b = BD^ ^ < 0 , 8 [i]’.
Mimo ni ew ąt pl iw yc h zalet, we nt yl at or y poprzeozne n i e są rozpowszechnio
ne w kraju. Dysponujemy b o wi em zbyt ubogim m a te ri ał em teoretycznym i d o świadczalnym, ma ją cy m stanowić punkt wy j ś c i a pr zy wy zn aczaniu optymalnych wi el k o ś c i ko ns tr uk oy jn yo h tyoh maszyn. Zaohodzl więo konieczność prowadze
n i a systematycznych prac badawozyoh.
E. Waniek, R. Wyszyński
m u m u
HYLOT
Rys. 2. Rozkład prędkośoi i k ą t ó w w z d ł u ż obwodu zewnętrznego wi r n i k a wg badali Engelhard ta [1]
¥ Instytucie Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki W r o c ł a w sklej opracowany został program obejmujący ba dania teoretyozne i do św ia d
czalne nad optymalizacją konstrukoji went yl at or ów poprzecznych. 'Z w y n i k a m i ni ek tó ry ch prao do świadczalnych zapoznaje n i ni ej sz a praoa, w której przedstawione w p ł y w stosunku średnio wirnika, liozby łopatek, kształtu o- budowy oraz prędkośoi obrotowej n a przebieg charakterystyk we nt yl at or a po- przeoznego.
Analiza wpływu niektóryoh parametrów. I85
2. Ch ar ak te ry st yk i b a d a n y o h we nt yl a t o r ó w poprzeczny oh
OBUDOWA KI
Ba da ni a pr ze pr ow ad zo no n a d we ntylatorami o na pływie swobodnym, po z b a w i o n y c h k a n a ł ó w r e o y r k ul ao yj ny oh oraz ur ządzeń we wn ę t r z u wirnika.
Da ne charakte ry st yc zn e b a d a n y o h kół wi rn i k o w y o h są następujące:
- średnica z e wn ęt rz na D z = 0 , 1 5 m, - szerokość w z g l ę d n a E = 0,8,
- kąt łopa tk ow y n a śr odnioy zewnętrznej = 30°, - kąt łopatkowy n a średnicy w e w n ęt rz ne j f?v u 90°,
- s t o s un ek średnio d = 0.7; 0.7 5? 0.8; O.85 (liozba łopatek z = 4 o ) , - li oz ba ło pa te k z = ^2 0; 40; 50 (stosunek średnioy 3 = 0,8).
Zastosowano łopatki o stałej gr ubośoi za gięte do pr zo du (w kierunku zg od ny m z obrotami wirnika); ioh szkieletowe w y g i ę t e są w g łuku kola.
N a rys. 3 przedstawiono 3 r o z w i ą z a n i a ko nstrukcyjne b a d a n y o h ko
lektorów:
a) obudowa K1 o zarysie wykonanym zgodnie z praoą [i] ,
b) obudowa K2 ró&niąoa się od ko
lektora K1 ukształtowaniem ozę- śoi przywlotowej,
o) obudowa K3 o zarysie zaozerpnię- tym z praoy [4] .
Szozegółowe parametry konstruk- oyjne omawianyoh typów obudów za
mieszczono w praoy [6].
Charakterystyki wentylatora po
dano w postaci zalotności lj>o = f(ijj),
X = t ( y ) oraz = f(cp),przy czym
poszozególne wielkości zdefiniowa
no następująco:
- wskaźnik spiętrzenia
a 2 A p o { P " ^ - OBUDOWA K2
- wskaźnik wydajnośoi
P - wskaźnik mocy
k V( JC D2 uz) -1
-1
Rys. 3. Kolektory badanyoh wentyla
torów poprzeoznyoh
» ■ P ł 0 V « - sprawność wentylatora
V J p oJ,-1
186 E. Waniek, R. Wyszyński
N a rys. i» przedstawiono charakterystyki obrazujące wp ł y w stosunku śred
nio D^/D^ k ó ł wirnikowych, w s pó łp ra ou ją cy oh z obudową KI. Uzyskane w y niki wskazują, że na jk or zy st ni ej sz y (opadający w całym zakresie zmian wskaż ws ka źn ik a wydajnośoi (p ) przebieg charakterystyki l|>c = f ((p) wy st ęp u je tyl
ko przy stosunku średnio d = 0,8. ¥ po zo stałych przypadkach, obszar p r a
cy statecznej przesunięty jest poza przedział ma ks ym al ny ch sprawności. 2 równania sprawności ba da ny ch we nt yl at or ów wynika, *e najwyższą sprawność ma ks ym al ną osiąga w i r n i k przy stosunku średnio d = 0,85, najn iż sz ą zaś przy d = 0,8. Na le ży zaznaczyć, że przebieg charakterystyki “¡¡J = f(tp) o- raz sprawności wi rn ik a o d = 0,8, w porównaniu z charakterystykami po zo
stałych wirników, jest pewnym zaskoczeniem. Jednakże powtórnie prze pr ow a
dzone pomiary potwierdziły uzyskane poprzednio wyniki. Stąd wniosek, że w we ntylatorach po pr ze cz ny ch bardzo trudno przewidywać wy niki badań.
N a rys. 5 na ni es io no oharakterystyki przedstawiające wp ły w łiozby ło pa
tek k o ł a wi rn ikowego o stosunku d = 0,8, ws półpraoująoego z obudową KI.
Li cz ba ło patek wy wi er a znaoznie wi ę k s z y w p ł y w n a przebieg charakterystyki ip = f(<p) n i ż n a przebieg krzywej sprawnośoi. Dl a ogólnej orientacji po
daje się wart oś ci w y p e łn ie ni a (na promieniu średnim) w i e ń c a łopatkowego dla z = 20,40 i 50, w y no sz ąc e odpowiednio ó = 0,816; 1,632 oraz 2,04.N a tomiast d l a wi rn ik a o d = 0,8 5, któr y osiągnął n a jw yż sz ą sprawność (rys.4) wy pe łnienie l/t^r wynosi 1,19. ¥obeo tego możn a w s t ę pn ie przyjąć,że opty
malne wypełnienie (l/i^r ) mieści się w zakresie 1,19 - 1 ,63.Uzyskanyoh wy nikó w ni e możn a oozywiśoie uogólniać. Celem rozwiązania zagadnienia d o b o ru optymalnego wy pe ł n i e n i a wi e ń c a łopatkowego na le ży przeprowadzić do d a t kowe ba da ni a w p ły wu liozby łopatek, przy różnych stosunkach średnio ko ła wirnikowego.
¥Tyn ik i ba d a ń k o ł a wirnikowego o stosunku średnio d = 0,85 w s p ó ł p r a c u jącego z 3 kolektorami podane na rys. 6, W trakcie badań, w ozęśei przy- wl otowej obudowy K1 zastosowano na kładkę zmniejszająoą szozelinę przywlo- tową z wart oś ci 7,5 m m do 1,5 mm. Obudowę tę oznaczono symbolem K2.
Dokonana zmienna ozęśoi przywlotowej obudowy K1 spowodowała wyraźny wzrost sprawności maksymalnej (do ck. 52%); zmianie uległ również prze
bieg linii = f((p). Należy jednak zaznaczyć, że uzyskanie na jw yższych w s k a ź n i k ó w spiętrzenia zapewnia obudowa K3. Parametry konstrukcyjne k o lektora wywi er aj ą wi ęo zasadniczy w p ł y w n a osiągi aerodynamiczne w e n t y l a tora poprzecznego.
Charakterystyki we nt yl at or a składającego się z w i rn ik a o d = 0,85 oraz obudowy K3 podano n a rys. 7. Najkorzystniejsze rezultaty osiągnięto przy prędkości obrotowej n = 18,3 s dla Re = u 1"? ~ = 7,6 . 10 . Pr zedsta
wi on e wyniki po mi ar ów potwierdzają stwierdzenie, że w wentyl at or ac h p o przecznych nie obowiązuje prawo podobieństwa kinematyoznego.
Analiza wpływu niektórych parametrów. 18?
Rys. . Charakterystyki wentylatora przy różnyoh stosunkach średnic prędkość obwodowa u z - 15,7 ®s , obudowa K1
188 E. Waniele, R. Wyszyński
Rys. . Charakterystyki wentylatora przy ró&nyoh liozbaoh łopatek prędkość obwodowa u^, s 15#7 ®s ^ , obudowa K1
Analiza wpływu niektórych parametrów. 189
Rys, 6, Charakterystyki wentylatora o różnych kolektorach prędkość obwodowa uz = 1 5 , 7 ms-1, stosunek średnio d = 0,85
190 E. Waniek, R. Wyszyński
Rys. 7. Charakterystyki wentylatora przy różnych prędkościach obrotowych stosunek średalo d a 0,85, obudowa KJ .
Analiza wpływu niektórych parametrów. 191
3. Podsumowanie
Pr ze ds ta wi on y m a t e ri ał do św iadczalny potwie rd za złożony charakte pr ze
pływu p o p r z e o z n e g o .
Przeprowadzone b a d a n i a wykazały, że przebieg ch ar ak te ry st yk zależy w znacznie w i ę k s z y m stopniu od k s zt ał tu obudowy n i ż od konstrukoji wirnika.
Stwierdzono również, że uzyskane w a rt oś ci w s ka źn ik ów spiętrzenia i w y d a j ności znacznie pr ze wy ż s z a j ą wa rt oś oi osiągane w we n t y l at or ac h p r om ie ni o
w y c h lub osiowyoh.
Zasadniczą w a d ą we nt yl a t o r ó w p o pr ze oz ny oh jest ich ba rd zo n i s k a spra w
ność. W y da je się jednak, że pr oblem sprawności n i e m o ż e by ć czynnikiem ha- m u j ą o y m dalszy rozwój ko ns tr uk oj i w e n t y l a t o r ó w p o pr ze oz ny oh w kraju.
LITERATURA
[1] Engelhardt W. : Experimentalle Un te rs uc hu ng en an Qu er st ro mg eb lä se n bei v e r ä nd er li ch en Reynolds. Zahlen. Diss. K a rl sr uc he 1967.
[2] Lajos T . , Pr eszler L.: Zur Th eo ri e des Querstromgebläses. H Ł H 24(1973) z . 5, ss. 134-140, z.6, s. 189-196.
[3] Kędzie rz aw sk i J. .• W e n t yl at or y poprzeczne i ich właściwości. Prace In
stytutu Techniki Cieplnej, z. 70, ss. 27-60, Łó dź 1977.
£4] M u r a t a S . , Ni s n i h a r a K . : A h Experimental Study of Cross Fl ow Fa n, Bu l
l e ti n of the JSME, Vol. 19, No 129, March, 1976, ss. 314-329.
i [5] W a n i e k E . : Charakterystyki w e n t y l a t o r ó w poprzeoznyoh o różnej szero
k o ś c i k ó ł wirnikowych. Poli te ch ni ka Wrocławska, Instytut Te ch ni ki Ciepj nej i Mechaniki Płynów, Komunikat Nr I-20/K-29Ś, 1977.
£ 6 ] W a n i e k E .: Projekt stanow is ka do b a d a n i a przepływu płaskiego w y m u s z o nego ru c h o m ą pali sa dą łopatkową. Poli te ch ni ka Wrooławska,Instytut Tech niki Cieplnej i Me ch an ik i Płynów, Raport N r I - 2 0 / R - 4 4 / 7 7 , 1977-
f7] W a n i e k E . : Ob li cz en ia aerodynamiczne w e n t y l a t o r ó w poprzeoznyoh dla ty
po sz er eg u we nt yl o k o n w e k t o r ów W K — 400, W K — 800 i W K —1200. Poiiteohnika Wrooławska, Instytut T e c h ni ki Cieplnej i Mech an ik i Płynów, Raport Nr I-20/R-32/77.
AHAJIH3 B J I H H H H H HEK0I0PHX KOHCTPyKUHOHHHX I I A P A M E T P O B
H A A B P O f l H H A M J I R E C K K E X A P A K T E F H C T H K H J H A M E T P A J I b H H X B E H T M H T O P O B
P e 3 10 M e
B c i a T b e o n n c a H H p e s y j i b i a m s K c n e p H M e H T a j i & H ü x H C C J r e a o B a H H ä n o n e p e n H H x B e H T K J x a i o p o B . B p e s y j i Ł t a i e n p o B S A e H H U X K c n H T a H H ö p a j a M O A e j i e ä A n a M e T p a j i B H H X B e H I H J I A T O p O B B KO'IOptäX H 3 M e H Ä J I H C b $ 0 p M H K O p n y C O B H flJIHHa p a ß O ^ e r O KOJieca, Ö u -
jio B B W B J i e n o B A H H H H e H e K o i ’o p ü x r e o M e i p H n e c K a x n a p a M e i p o B H a a a p o £ H H a M K v e c K n e x a p a K i e p H C T H K H .
ANALYSIS OF T H E INFLUENCE OF SOME CO NS TR UC TI ON PARAMETERS O N AERODYNAMIC PE RF ORMANCE OF TANG EN IT AL -F LO W FAN
S u m m a r y
An experimental study w a s oarried out, delind w i t h the effects of main geometrical parameters on the performance ourves of oross-flow fans. C o m
parison of the results of these studies leads to the od no lu si on that o p e
r a ti on of the t&ngenital f l o w fans depends on its h o u s i n g ’s geometry.
192___________________________________ E. Waniek. R. Wyszyriski
