Wentylatory promieniowe opracowane w Instytucie Techniki Cieplnej w Łodzi dla energetyki i przemysłu

(1)

J a n KĘDZIERZAWSKI

In s ty tu t Techniki Cieplnej, Łódź

WENTYLATORY PROMIENIOWE OPRACOWANE W INSTYTUCIE TECHNIKI C IE PL N E J W ŁODZI DLA ENERGETYKI I PRZEMYSŁU

S tr esz c z en ie . Omówiono rozw iązania w ybranych w entylatorów pro

mieniowych opracowanych n a podstaw ie instytutow ych b adań modelo

wych. Podano przykłady w raz z podstaw owym i ch arak tery sty k am i aerodynamicznymi: zmodernizowanego w en ty latora wyciągowego dla energetyki, w entylatora promieniowego z w irnikiem bębnowym do ty poszeregu palników blokowych gazowych oraz w e n ty lato ra prom ienio

wego z tworzyw sztucznych. Opisano przybliżoną m etodę obliczenia optymalnego p unktu pracy w en ty lato ra promieniowego, w ykorzystują

cą dotychczasowe badania w entylatorów modelowych.

CENTRIFUGAL FANS ELABORATED IN THE INSTITU TE OF HEAT EN G IN EER ING FO R POWER EN G IN EER IN G A N D IND USTRY

Sum m ary. Some new designs of selected centrifugal fans elaborated on basis of model investigations in th e In stitu te w ere discussed. The examples of designs supplied w ith aerodynam ic ch aracteristics were given i.e. modernized ex h au st fan for power engineering, centrifugal fan w ith dru m -ty p e im peller for th e series of block-type gas b u rn ers and plastic centrifugal fan. The approxim ate calculation m ethod of centrifugal fan optimum point of operation u tilizing previous investigations of fan models w as described.

BEARBEITETE IN DEM INSTITUT D E R WÄRMETECHNIK IN ŁÓDŹ RADIALVENTILATOREN F Ü R ENERGETIK U N D IN D U ST R IE

Z usam m enfassung. Einige neue E ntw icklungen der R adialventilatoren bearbeiteten a u f der Basis von M odelversuchen w urden beschrieben. Folgende Beispiele m it aerodynam ischen C h arakteristik en wurden gezeigt: m odernisierter S augzugventilator für K raftw erke, R adialventilator m it Trom m elrotor fü r die Reihe von G asbrenner und R adialventilator aus dem K unststoff. Eine

(2)

124 Jan Kędzierzawski

A nnäherungsm ethode zur B erechnung des optim alen A rbeitspunktes, die a u f den U ntersuchungen von M odelventilatoren beruht, wurde beschrieben.

1. W STĘP

W Instytucie Techniki Cieplnej od czterdziestu la t prow adzone są prace zw iązane z w entylatoram i, dotyczące problemów aerodynam icznych, k o n stru kcyjnych i technologicznych, jednostek nowo projektow anych i m oder

nizowanych oraz b ad an ia poznawcze w laboratoriach aerodynam iki w entyla

torów i w ibroakustyki.

W yniki prac przedstaw ione w niniejszym opracow aniu udow adniają, że pomimo trudności n a krajowym ry n ku w entylatorow ym udało się zm ateria

lizować z pozytywnym skutkiem nowe rozw iązania w entylatorów przeznaczo

nych dla energetyki i przem ysłu.

2. WENTYLATORY PROMIENIOW E DLA ENERGETYKI

W entylatory dla energetyki opracowywane i w ykonyw ane są w Instytucie tylko w tru dn ych przypadkach, w specjalnym jednostkow ym w ykonaniu.

W ostatnich trzech latach opracowano i w ykonano m odernizację sześciu w entylatorów wyciągowych i podmuchowych oraz przeprowadzono szereg po

m iarów ch araktery sty k w entylatorów kotłowych w w aru n k ach ruchowych.

Przykładowo można podać modernizację wentylatora wyciągowego dla E C -I w Łodzi [3], w której urząd zenia odpylające (ze względu n a b rak miejsca) zain

stalow ane są za w entylatorem . Zaprojektowano i w ykonano w entylatory wy

ciągu spalin, zapewniające:

- w iększą pewność ruchową,

- przedłużony czas bezaw aryjnej pracy (bez nap raw y w entylatora), w porów

n a n iu z dotychczas eksploatow anym i w entylatoram i, - zm niejszenie w artości pobieranej mocy.

Założenia konstrukcyjne m odernizowanego w en tylatora obejmowały n a stę pujące wym agania:

wydajność znamionowa V (Qv) = 121800 m 3/h spiętrzenie całkowite Apc = 1128 P a (115 mm H20 ) przetłaczane spaliny o tem p. t = 130°C (p = 0,9 kg/m 3)

(3)

w ykorzystanie istniejącego ułożyskow ania w entylatora, zaprojektow anie nie dzielonej obudowy spiralnej,

dobranie silnika do napędu w enty lato ra odpowiednio do zapotrzebow ania mocy,

w ykorzystanie istniejącego sprzęgła.

Przed modernizacją wentylatory pracowały z prędkością obrotową 980 min-1.

Po przeanalizow aniu dwu wersji m odernizacji (dla prędkości 980 i 735 m in-1) przyjęto projekt wentylatora z prędkością obrotową n = 735 m in-1. Schem at konstrukcji zmodernizowanego w en ty lato ra W PPD -103/70 w porów naniu z k o n stru k cją dotychczasowego w en ty lato ra przedstaw iono n a rys. 1, n a to m ia st jego przew idyw aną charakterystykę n a rys. 2 (A - p u n k t żądany).

Rys. 1. Porównanie wymiarów gabarytowych wentylatora przed i po modernizacji (linia gruba) Fig. 1. Comparison of fans dimensions before and after modernisation

W w entylatorze W PPD-103/70, w celu p rzedłużenia praw idłowej pracy jego w irn ik a (w porów naniu z dotychczas stosow anym i w irnikam i) zastosowano w ieniec łopatkowy charakteryzujący się następującym i właściwościami:

— łagodnym opóźnieniem prędkości w zględnych w i m erydionalnych cm, za

pewniających korzystny rozkład prędkości n a całej szerokości w ieńca ło

patkowego b,

— łopatka je s t o stałej grubości, jednopowłokowa, o jednej krzyw iźnie, ze stali węglowej,

(4)

Rys. 2. Przewidywana charakterystyka dwustrumieniowego wentylatora wyciągowego WPPD-103/70

Fig. 2. Predicted characteristic of WPPD-103/70 double flow

— n ak ła d k a n a łopatkę je s t ze stali austenitycznej, k tó ra ze względu na jednorodność s tru k tu ry je s t odporna n a korozję i erozję.

Obudowę sp ira ln ą wykonano z grubej blachy węglowej St3s, wyłożonej od w ew nątrz n a prom ieniu R v _ 0-+360’ wraz z języczkiem - płytam i odpornymi na ścieranie, odlanym i z żeliwa niklowo-chromowego.

(5)

Po rok u eksploatacji zm odernizowanych w entylatorów w EC—I stw ierdzo

no, że spełniają one postaw ione w ym agania. W yeliminowano silne drgania u k ła d u , występujące przy poprzednich w entylatorach, uzyskując p aram etry p racy wentylatorów zgodne z założeniam i. Zastosow ane n ak ład k i n a łopatki w irników umożliwiły eksploatację w entylatorów w okresie grzewczym, bez konieczności ich n ap raw (uprzednio w ystępow ała konieczność wykonyw ania k ilk u nap raw łopatek w jednym sezonie grzewczym).

W trak cie przeprowadzania rem o ntu stwierdzono:

— w ylizanie powierzchni n ak ład ek n a całej długości, najw iększe rzędu 2 mm, w p asie szerokości około 100 mm, od strony tarczy,

— całkow ite wytarcie czoła n ak ład k i n a wlocie, n a szerokości około 100 mm, od strony tarczy,

- miejscowe wytarcie n ak ład ek o głębokości 2-5-3 m m, za śrubam i mocujący

m i nakładki,

- b ra k znaczącego w ytarcia w ykładzin obudowy sp ira ln e j.

3. WENTYLATORY PROM IENIOW E Z WIRNIKAMI BĘBNOWYMI

Do typoszeregu palników gazowych blokowych (opracowanych w Instytucie E n erg ety k i i Urządzeń H utniczych Politechniki Śląskiej), w Instytucie Tech

n ik i Cieplnej w Łodzi zaprojektowano, wykonano i przebadano dw a prototypy w entylatorów promieniowych bębnowych o średnicach kół wirnikow ych D 2 = 140 i 200 mm [1], W entylatory przystosow ane n a wylocie do w spółpracy z blokowymi palnikam i gazowymi posiadały wloty kolanow e z kierow nicą żalu- zjow ą (rys. 3).

W entylatory badano n a stoisku przystosow anym do pom iarów po stronie tłocznia, co odpowiadało w arunkom ich współpracy z palnikam i. W yniki po

m iarów sprowadzono do wspólnej w artości gęstości pow ietrza p = 1,2 kg/m 3 oraz rzeczywistych, w ystępujących w czasie pom iarów prędkości obrotowych w irn ik a (nznsilnika = 2970 m in-1). W yniki pom iarów przeliczono n a kom pute

rze IBM.

C harakterystyki w entylatorów , współpracujących z regulacją, przedstaw io

no w postaci pagórków spraw ności (rys. 4), gdzie: a - k ą t u staw ien ia łopatek kierow nicy żaluzjowej we wlocie kolanowym.

Przez optymalne p a ra m etry w entylatorów przeprow adzono parabole opo

rów, wyznaczające zm iany param etrów : V(Qv), Ap c, rjc, w funkcji k ą ta u s ta  w ienia łopatek kierowniczych a lub odległości tarczy od w en ty lato ra L. Zm ia

n ę wydajności, spiętrzen ia i spraw ności dla paraboli oporów, przechodzącej

(6)

Fig. 3. WPB-140 centrufugal drum fun

przez optym alny p u n k t pracy w entylatora, przykładowo przedstawiono (rys. 5) dla w entylatora W PB-200.

W yniki b adań prototypów pozwoliły n a dobór trzech wielkości w entylato

rów (o średnicach D2 = 100, 150 i 200 mm) do typoszeregu pięciu wielkości palników gazowych blokowych. Przeprowadzone Politechnikę Ś ląsk ą badania prototypu w entylatora D2 = 140 mm we współpracy z palnikiem blokowym w pełni potwierdziły w alory techniczne zaprojektowanego w entylatora. Uzyska

no odpowiednie strum ienie pow ietrza i prędkości wylotowe z dyszy powietrz

nej p alnik a oraz stwierdzono możliwość precyzyjnej regulacji stru m ien ia po

w ietrza za pomocą żaluzji we wlocie kolanowym [6].

B adania potwierdziły prawidłowość przyjętego rozw iązania aerodynamicz

nego i konstrukcyjnego w entylatorów , spełniających założone wysokie w arto

ści spiętrzeń (VFC ~ 2,0) i spraw ności (dla D2 = 200 m m, r|c = 60%), przy zagw arantow aniu wym aganych wydajności objętościowych.

(7)

Rys. 4. Pagórek sprawności całkowitej w funkcji wydajności z przebiegiem zadanych para

bol i oporów: a) dla £>2 = 140,

Fig. 4. Efiiciency in fauction ofvolume with resistance parabolas a) for £>2 = 140 b) for £>2 = 200

4. WENTYLATOR PROMIENIOWY Z TWORZYW SZTUCZNYCH

W entylatory promieniowe z tworzyw sztucznych (PCV) w ykonyw ane w k ra ju charakteryzują się niskim i spraw nościam i, bardzo pracochłonną tech

nologią w ykonania obudów spiralnych oraz w ysokim hałasem .

N a zlecenie i we współpracy (w w ykonaniu prototypu) ze spółdzielnią ELE- KTROMONT w Łodzi zmodernizowano w entylator W B-40. W w yniku zm iany aerodynam iki, konstrukcji oraz technologii w ykonania koła wirnikowego (spe

cjalne oprzyrządowanie) i obudowy spiralnej w en ty lato ra uzyskano (dla tych sam ych prędkości obwodowych i nie większych wym iarów zew nętrznych) cha

rak te ry sty k i w entylatora W PST-40 [3] przedstaw ione n a rys. 6 i 7. Przybliżo-

(8)

Rys. 5. Zmiana parametrów wentylatora WPB-200 dla kątów a = 0° + 60°:

a) wydatek, b) spiętrzenie, c) sprawność

Fig. 5. Change of WPB-200 fan param eters for angles a = 0° + 60° a) volume b) pressure rise c) efficiency

(9)

Rys. 6. Charakterystyki wentylatora WPST-40 w funkcji wydajności: a) spiętrzenie, b) moc i hałas, c) sprawność

Fig. 6. Characteristics of WPST-40 fan in function of volume a) pressure rise, b) power and noise, c) efficiency

(10)

Rys. 7. Charakterystyki wentylatora WPST-40 w funkcji wskaźnika wydajności:

a) wyróżnik szybkobieżności, b) wskaźnik średnicy, c) wskaźnik jakości Fig. 7. Characteristics of WPST-40 fan in function of volume index a) shape number,

b) diameter index, c) quality index

(11)

ne widmo poziomu dźwięku w optym alnym punkcie pracy w entylatora W PST-40, określające liczbę h a ła su N , p rzed staw ia rys. 8.

Porów nanie charakterystyk w entylatorów WB—40 i W PST -40 (rys. 9) po

zw ala n a ocenę przeprowadzonej m odernizacji. C h a ra k te ry sty k i w entylato

rów m ierzone były po stronie ssan ia w entylatorów , n a tym sam ym stoisku, a w yniki badań opracowano n a kom puterze IBM. Z porów nania w ynika, że w zmodernizowanym w entylatorze (W PST-40) uzyskano wyższe spiętrzenie całkowite, mniejsze moce i wyższe spraw ności, przy obniżeniu h a ła s u w pobli

żu optym alnego punktu pracy w en ty lato ra o około 11 dB(A).

d B (A)

Rys. 8. Widmo poziomu dźwięku w optymalnym punkcie pracy w entylatora WPST-40 Fig. 8. Sound level spectrum in optimum worling point of WPSR-40 fan

(12)

Rys. 9. Porównanie charakterystyk (w funkcji wydajności) wentylatorów WB-40 i WPST—40: a) spiętrzenie, b) moc i hałas, c) sprawność

Fig. 9. Comparison of WB-40 and WPST-40 fans characteristics a) pressure rise, b) power and noise, c) efficiency

(13)

N ależy nadm ienić, że w entylator W PST—40 posiada n ap ęd bezpośredni, u staw iony je s t n a z trzema w ibroizolatoram i, a jego obudowa sp ira ln a je s t sk rę c a n a z trzech elementów o przetłoczonych ścianach bocznych.

5. O PRZYBLIŻONEJ METODZIE OBLICZANIA OPTYMALNEGO PUNKTU PRACY WENTYLATORA PROM IENIOW EGO

W w ielu przypadkach przy obliczaniu kinem aty k i w en ty lato ra dla nowych p aram etró w aerodynamicznych w ystępuje potrzeba szybkiego przeliczenia geom etrii w irnika w optymalnym punkcie jego pracy.

W tym celu n a podstawie kom puterowej obróbki wyników ch arak tery sty k modelowych wentylatorów promieniowych (około 20 modeli) wyznaczono za

leżność k ą ta n a ta rcia “i” oraz k ą ta odchylenia s tru g i n a wylocie z w irn ik a 0 w funkcji kątów zamocowania łopatek Pi i p2-

Rzeczywiste parametry w entylatora promieniowego określa się z zależności:

V = clmnD 1b 1

gdzie:

V - wydajność w entylatora,

c im = t g Pi

u i ~ prędkość m erydionalna, - szerokość w ieńca łopatko

wego n a średnicy D\.

W prow adzając pojęcie k ą ta n a ta rc ia “i”, odpowiadającego różnicy pom iędzy kątem zamocowania Pi a średnim kątem p rze

pływowym p!:

¿ = P Î - P i

Rys. 10. Trójkąt prędkości na wlocie o trz y m u je s ię z a le ż n o ść (ry s . 10):

do wieńca łopatkowego Fig. 10. Velocity triangle in inlet blade

ring V = nD ibi tg(PÎ - i)

(14)

Spiętrzenie teoretyczne dla w artości k ą ta odchylenia stru g i n a wylocie w ieńca łopatkowego ń = 0 odpowiada:

APcT = P U2p2u

Teoretyczna w artość spiętrzen ia dla w artości ń > 0 wynosi:

APcT = pW2C2u

gdzie c2u je s t rzeczyw istą średn ią w artością składowej obwodowej prędkości c2 n a wylocie z w ieńca łopatkowego.

Z trójkątów prędkości (rys. 11) otrzym uje się zależność:

C2u = u 2 - ^AU 2 = U 2 - c2m ^{C tg p 2} gdzie:

P2 = P 2 - ^

P2 - k ą t zamocowania łopatek n a średnicy D2,

P2 - k ą t średni stru m ien ia czynnika n a wylocie z wieńca łopatkowego, ń - k ą t odchylenia stru g i n a wylocie z wieńca,

Rys. 11. Trójkąt prędkości na wylocie z wieńca łopatkowego Fig. 11. Velocity triangle in outlet blade ring

(15)

a zatem :

stąd:

C2u = U2 ~ U2m Ctg(p2 ~ ti)

ApcT = p u 2 [ u 2 - C2 m c t g ( p 2 - d ) ]

Rzeczywista wartość spiętrzenia będzie pom niejszona o s tra ty energii, a zatem :

A p c = A p cTr | c

N a podstaw ie wyników obliczeń kątów “i” i “ń ”, c h a ra k te ry sty k aerodyna

m icznych oraz charakterystyk mocy, gdzie:

N = Q vApcT

otrzym ano przebieg zależności “i” oraz “ń ” w funkcji kątów Pi i P2 (rys. 12).

W yniki obliczeń odnoszą się do optym alnego p u n k tu ch arak tery sty k i w entyla-

Rys. 12. Zależność kąta natarcia “i” oraz kąta odchylenia strugi na wylocie z wieńca łopat

kowego “ń ” w funkcji kątów zamocowania łopatek

Fig. 12. Relationslip belween angle of incidence “i” and angle of yaw “ó” in outlet blade ring in fauction of blade retting angles p! and P2

(16)

tora, przy czym każdy z punktów zaznaczonych n a w ykresie je s t średnią z kilku w entylatorów o zbliżonych do siebie charaktery stykach. W yniki analizy obejm ują w irniki o stosunku średnic v = 1,4 2,0 i k ą ta c h pj = 8 h- 45°, a pa = 45 + 82°.

LITERATURA

[1] K ędzierzaw ski J.: W entylatory palników blokowych, Spraw ozdania ITC n r ewid. 5256, 5452, 5593, (nie opublikowane), Łódź 1987-89.

[2] K ędzierzaw ski J.: M odernizacja i unifikacja w en tylato ra promieniowego W B-40, Spraw ozdanie ZORPOT (nie opublikowane, Łódź 1988.

[3] K ędzierzaw ski J.: B adania aerodynam iczne prototypu w entylatora pro

mieniowego z tworzywa typ W PST-40 z 3 kołam i wirnikowymi, Spra

w ozdanie ENERGOITECE n r ewid. 72/JK/89 (nie opublikowane), Łódź 1989.

[4] Kędzierzawski J.: Modernizacja w entylatora wyciągowego n a kotle K-25, Spraw ozdanie ITC n r ewid. 5827 (nie opublikowane), Łódź 1990.

[5] Wzór użytkowy n r W -86588 p t.: Obudowa sp iraln a w entylatora promie

niowego w szczególności winidurowego, zgł. 01. 1988.

[6] P a te n t n r P—279414, pt.: Koło wirnikow e z promieniowym wieńcem łopatkowym, zgł. 05. 1992.

A b stra ct

The pap er p resen ts some new designs of centrifugal fans evolved from models worked elaborated in th e in stitu te. Also, exam ples of designs, together w ith th e aerodynam ic characteristics are given, such as: m odernized exhaust fan for power engineering, centrifugal fan w ith d ru m -ty p e im peller for the series of block-type gas burners, plastic centrifugal fan. Next, the approxim ate calculation m ethod of th e optim um operation point of a centrifugal fan is described, following th e investigations of model fans.

The basis of th e calculation m ethod is provided by th e relation between inflow angle “i” and blade angle “Pi” th a t is by th e function:

(17)

i = m )

a n d by th e relation betw een dow nw ash angle “V” a t th e im peller o utlet and blad e angle “P2”, th a t is by th e function:

ft = f(p2)

A fter introducing th e concept of inflow angle “i”, w hich corresponds to the difference between blade angle “Pi” and average dow nw ash angle “Pi”

¿ = P i - P i

th e following dependence is derived:

V = 7iDx bx tg (pi - i)

N ext, after introducing th e concept of dow nw ash angle V, w hich corresponds to th e difference betw een blade angle p2 and average dow nw ash angle p2

ft = p 2 - P 2

th e dependence determ ining th e rea l value of p ressu re gain is achieved:

Ap c = ppu 2 lu2 - c2m ctg (Pi - ft)]

A fter th e results were analyzed by com puter m ethods, for optim um conditions th e function is

i = f(Pi) an d ft = f(pi) a s it is illustrated in figure 12.