Procedura badawcza układów przepływowych wentylatorów osiowych

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 118

1993 Nr kol. 1221

Andrzej WITKOWSKI

In sty tu t M aszyn i U rządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej

PROCEDURA BADAWCZA UKŁADÓW

PRZEPŁYWOWYCH WENTYLATORÓW OSIOWYCH

S tr e sz c z e n ie . Przedstaw iono procedurę badaw czą oraz w yniki w ie

loletnich, w zajem nie się uzupełniających b a d ań teoretycznych i do

świadczalnych prowadzonych w Instytucie M aszyn i U rządzeń E nerge

tycznych w zakresie doskonalenia układów przepływowych i opracowa

n ia nowych konstrukcji modelowych w entylatorów osiowych reakcyj

nych oraz z m erydionałnym przyśpieszeniem stru m ien ia. B ad an ia sze

regu konstrukcji modelowych w entylatorów serii MWM - 500/063/067 oraz MWM - 500/056/063/067 um ożliwiły doskonalenie zarówno istn ie

jących m etod obliczeniowych, ja k również zasad doboru podstawowych wielkości geometrycznych z p u n k tu w idzenia pożądanych param etrów pracy. Umożliwiły one również stw orzenie b an k u inform acji niezbęd

nych do szybkiego opracow ania odpowiedniej konstrukcji dla celów praktycznych.

THE INVESTIGATIONS PR O C EDU RE OF AXIAL FA N S FLOW SYSTEMS

Sum m ary. The investigations procedure and re su lts of m any years theoretical and experim ental research conducted in th e In stitu te of Power M achinery of Silesian Technical U niversity in Gliwice in a re a of im provem ents of flow system s and developm ents of a new constructions of axial flow fans as well as of norm al types an d w ith m eridional stream acceleration h a s been presented. The testin g of m any model axial flow fans of MWM - 063/067 and WMO - 500/056/063/067 series m ade it possible to asses th e calculating m ethods an d to d eterm ine th e selection principles of basic geom etrical q u a n titie s in th e aspect of required operation p aram eters. T h a t also enabled to create a b a n k of inform ation necessary for a quick elaboration of construction for practical purposes.

(2)

294 Andrzej Witkowski

UNTERSUCHUNGSVORGANG F Ü R D IE STRÖMUNGSSYSTEME D E R AXIALVENTILATOREN

Z u sam m en fassu n g. Ein V organg u n d die E rgebnisse vieljähriger theoretisch er und experim entelier U ntersuch un gen die im In stitu t für Energetische M aschinen u n d A nlagen du rchg eführt worden sind wurde dargestellt. Ziel dieser U n tersu ch u n gen w a r die V erbesserung der Strömungssysteme und bearbeitung von neuen Modell-Axialventilatoren m it R eaktionsstufe u n d m it der m eridioneler Beschleunigung der Strömung. Die Untersuchungen der Ventilatoren aus der Reihe MWM - 500/063/067 und MWM — 500/056/063/067 erlaubten die Berechnungs

methoden als auch die G rundlagen der A nnahm e d er geometrischen Größen vom S tan d p u n k t der A rb eitsp aram etern zu verbessern. Es w urde auch möglich eine Inform ationsbank zu schaffen, was für schnelle E ntw urfbearbeitung unerläßlich ist.

1. W STĘP

Istniejące m etody obliczeń aerodynam icznych w entylatorów osiowych nie g w aran tu ją wciąż m aksym alnych, możliwych do u zy skan ia spraw ności oraz w ystarczającej dokładności przew idyw ania param etró w pracy bez uzupełnia

jących badań modelowych. W ynika to zarówno z b rak u szczegółowo sprecyzo

wanych kryteriów doboru wskaźników, ja k również z nieadekw atności, przyj

mowanego do obliczeń n a poziomie inżynierskim , m odelu przepływ u rzeczywi

stego. Dalsze doskonalenie metod obliczeń aerodynam icznych osiowych stopni sprężających wym aga weryfikacji stosow anych modeli przepływu oraz w skaźników pracy n a drodze w zajem nie uzupełniającej się analizy teoretycz

nej i doświadczalnej.

Przyjęty stosownie do tego przez au to ra [1] sekw encyjno-iteracyjny pro

gram badawczy przedstaw iony został w postaci schem atu blokowego n a ry

su nk u 1. Prowadzone sukcesywnie zgodnie z tym schem atem badania w zakresie szczegółowego rozpoznania s tru k tu ry przepływ u [2], [3], [4], [5], jak i pełnych ch arak terystyk pracy w entylatorów modelowych [6], [7], [8] dały podstaw ę weryfikacji i doskonalenia algorytmów i program ów obliczeń aero

dynam icznych stopni sprężających i w entylatorów osiowych. Opracowanie w ram ach tego program u badań ch arak tery sty k aerodynam icznych szeregu w entylatorów modelowych o różnych w skaźnikach geometrycznych i kinem a

tycznych i o różnej konstrukcji stworzyło bogaty zbiór inform acji, które mogą znacznie ułatw ić dobór właściwego typu w en tylatora do w ym aganych p aram e

trów pracy, n a przykład w procesie m odernizacji istniejących stacji w entylato

rowych.

(3)

Procedura badawcza układów przepływowych.. 295

K O N S TR U K C J E MODELOWE

ME TOO A O E TU CZ EÑ A E R O D Y N A M I C Z N Y C H

N O W E M O D E L E W E N T Y L A T O R Ó W

W C R i FIK A C JA W SK A ŹN IK Ó W B E Z W Y M I A R O W Y C H B A D A N I A P E Ł N Y C H C H A R A K T E R Y S T Y K A E R O D Y N A M I C Z N Y C H

W E R Y F I K A C J A . M O D E L U P R Z E P Ł Y W U B A D A N I A S T R U K T U R Y

P R Z E P Ł Y W U

W Y B Ó R W S K A Ź N I K Ó W B E Z W Y MI A RO WY C H

M O D E L P R Z E P Ł Y W U

O D U C Z E N I A A E R O D Y N A M I C Z N E

Rys. 1. Schemat blokowy procedury badawczej wentylatorów osiowych Fig. 1. Block scheme of investigations procedure of axial flow fans

2. BADANIA STRUKTURY PRZEPŁYWU W OSIOWYCH STOPNIACH SPRĘŻAJĄCYCH

2.1. P ro g ra m b a d a w c z y o s io w y c h s to p n i sp r ę ż a ją c y c h

Rozwój współczesnych badań w zakresie aerodynam iki m aszyn przepływo

wych determ in u ją dwa praktyczne zadania:

(4)

Q U A S l R Z E C Z Y W I S T Y

M O D E L P R Z E P Ł Y W U

W Y N I K I B A D A N

P A R A M E T R Y

P R Z E P Ł Y W U

G E O M E T R I A

S T C P N I A D A N E W E J Ś C I O W E G E O M E T R I A 1 P A R A M E T R Y

S T O P N I A P R Z E P Ł Y W U

B A D A N I A P R Z E P Ł Y W U

P A L I S A D O W E G O B A D A N I A P R Z E P Ł Y W U

O S I O W O S Y M E T R Y C Z N E GO

B A D A N I A PI

W A R S T W Y PF

i rŚc i e n i o w ej

z y s c i e n n e J

B A D A N I A P R O F I L O W E J

W A R S T W Y P R Z Y Ś C I E N N E I

S T R A T Y W P I E R Ś C I E N I O W E J

W A R S T W I E P R Z Y Ś C I E N N E J

S T R A T Y P R O F I L O W E

Rys. 2. Schemat blokowy procedury badawczej osiowych stopni sprężających Fig. 2. Block scheme of investigations procedure of axial compressor stages

- zadanie pierwsze, sprow adzające się do analizy przepływ u i określenia charak tery sty k pracy m aszyn o znanej geom etrii uk ład u łopatkowego, - zadanie drugie, polegające n a optym alnym kształto w aniu u k ład u łopatko

wego zapewniającego uzyskanie pożądanych czy narzuconych z góry p a ra m etrów przepływu.

Dla rozw iązania obu tych zadań konieczne je s t dokładne poznanie rzeczy

w istych zjaw isk w ystępujących w przepływie przez u kłady łopatkowe. Gene

raln e ujęcie m atem atyczne w szystkich rzeczywistych cech przepływ u jest niemożliwe z uwagi n a nie przezwyciężone do dzisiaj trudności zarówno w zakresie racjonalnego ujęcia teoretycznego, ja k i opracow ania m etody rozwią

zania. Stosowanie do tego b adania teoretyczne i doświadczalne w ram ach rozpoznania zadania pierwszego i wtórnego prowadzone były n a podstawie odpowiednio uproszczonego m odelu ta k zwanego quasi-rzeczyw istego prze

(5)

Procedura badawcza układów przepływowych. 297

pływu [9]. Program badawczy oparty n a tym m odelu przedstaw iony został w postaci schem atu blokowego n a ry su n k u 2. Zgodnie z tym schem atem w procesie rozw iązyw ania zarówno pierwszego, ja k i drugiego zadania aerody

nam iki m aszyn przepływowych w yróżnia się cztery podstaw owe zagadnienia badawcze:

1) zagadnienie przepływu osiowosymetrycznego w przekroju m erydionalnym stopnia,

2) zagadnienie przepływu w obszarach pierścieniowych w arstw przyścien

nych,

3) zagadnienie przepływ u palisadowego,

4) zagadnienie profilowych w arstw przyściennych.

W yniki uzyskane z rozpoznania wym ienionych zagadnień badawczych um ożliwiają z kolei doskonalenie algorytmów i program ów obliczeń aerodyna

micznych stopni sprężających i w entylatorów osiowych.

2.2. S to p n ie m o d e lo w e do b a d a ń p o d s ta w o w y c h

Dla u zy sk an ia uzupełniających inform acji dotyczących przepływ u przez osiowe stopnie sprężające oraz dla um ożliw ienia weryfikacji wyników badań teoretycznych skonstruow ano sukcesyw nie stanow iska do b a d ań stopni za

równo osiowych z m erydionalnym przyśpieszeniem stru m ie n ia [2], ja k i re akcyjnych [3], [10], [11], S tanow iska um ożliw iają b a d a n ia stru k tu ry przepły

wu w w ybranych przekrojach kontrolnych stopni dla obciążeń aerodynam icz

nych wirujących wieńców łopatkowych w obliczeniowym i pozaobliczeniowych punktach pracy.

W ykonano jed en układ przepływowy stopnia modelowego w entylatora merydionalnego MWM - 600/075/1 [6] (rys. 3) oraz trzy układy przepływowe stopnia modelowego w enty lato ra osiowego reakcyjnego OSS - 750/06/1 [3], OSS - 750/06/11 [10] oraz OSS - 1000/0,56/1 [11] (rys.4) o różnym stopniu obciążenia aerodynamicznego.

C haraktery sty k i aerodynam iczne wieńców w irnikow ych stopni modelo

wych uzyskane n a drodze sondow ania przepływ u za pomocą trój otworowych i pięciootworowych sond aerodynam icznych przedstaw ione zostały kolejno n a rysunku 5 dla wieńca m erydionalnego oraz n a ry su n k u 6 dla wieńców reakcyj

nych. C h arak tery sty k i aerodynam iczne tych wieńców, wyznaczone w nom i

nalnym punkcie ich pracy, zestaw ione zostały ponadto w tablicy 1 .

A naliza wyników badań stru k tu ry przepływu w osiowych stopniach spręża

jących um ożliw iła uzyskanie inform acji niezbędnych do racjonalnego proje

ktow ania układów przepływowych w entylatorów osiowych o przeznaczeniu przemysłowym.

(6)

Rys. 3. Układ przepływowy stopnia merydionalnego Fig. 3. Flow system of meridional stage

T ab lica 1 Model M WM-600/075/1

[6]

OSS-750/06/I [3]

OSS-750/06/II [10]

OSS-lOOO/O.56/1 [11]

Stosunek śred

nic na wylocie v 0,75 0,6 0,6 0,56

Wskaźnik wydaj

ności q>* 0,3057 0,24 0,256 0,254

Wskaźnik spię

trzenia vp 0,9221 0,42 0,38 0,3717

Wskaźnik szyb-

kobieżności Kn ^0,5875 ^0,939 ^1,045 ^1,058

Sprawność wew

nętrzna T|i 91,05 0,89 0,838 0,946

(7)

Rys. 4. Układ przepływowy osiowego stopnia sprężającego OSS-1000/056/I Fig. 4. Model axial compressor stage OSS-1000/056/I

Procedurabadawczaukładówprzepływowych...299

(8)

Wskaźnik wydajności f z*Cm/uz

Rys. 5. Charakterystyka aerodynamiczna merydionalnego wieńca wirnikowego Fig. 5. Overall performance characteristic of meridional rotor

W szczególności określone zostały zalecenia dotyczące:

- wielkości geometrycznych charakteryzujących k sz ta łt przekroju merydio

nalnego stopni,

- doboru k sz ta łtu profili łopatkowych z p u n k tu w idzenia wym aganego obcią

żenia aerodynamicznego,

- m etod obliczeń kątów łopatkowych

Poszukiw anie relacji pomiędzy w skaźnikam i geometrycznymi i kinem aty

cznymi układów przepływowych niezbędnych do racjonalnego opracowania

(9)

algorytmów i program ów obliczeń aerodynam icznych odbyło się n a drodze sukcesywnych b ad ań szeregu konstrukcji modelowych w entylatorów .

Wskaźnik przepływu f z=<' mA,z

Rys. 6. Charakterystyki aerodynamiczne wieńców wirnikowych osiowych stopni sprężają

cych OSS-750/06/1, OSS-750/06/II oraz OSS 1000/056/1

Fig. 6. Overall performance characteristics of rotor of axial flow stages OSS-750/06/1, OSS-750/06/II and OSS-1000/056/1

(10)

| S i m u |

| E Ż Y T A N l E ^ D ń N Y C i l I

p u cC iC zE P i i A i i s i i ; r i i i ! |

WYZNACZANIE r OWI En ZCI I Ni PRĄDU

I

ODLI CZANI E KI NEMATYKI PRZETt YWU

> | Fi=nri— ]-

^ą_*J

i * < 5 = 0

= 1 =

p O u L ' i e i o N i r iiui j i i i t i n t 1 f U f - o f F I |

E;l

⁷ ¹ ^{n i g} I ŹFlI KM 1

: --- «

-f FJ=F3T 11---

o i - . o p s t . r u i K A* ORAZ A I

t

Im jLI— -—

[ w y n i f: i 1

J--- KREŚLEŃ¡E

R E OME I R I I LUPA 1KI

IudlIczenIaI

I WLASCIWE I “

s i ur

Rys. 7. Schemat blokowy obliczeń aerodynamicznych kól wirnikowych z merydionalnym przyśpieszeniem strum ienia

Fig. 7. Block diagram for aerodynamic computation of impellers with meridional stream acceleration

(11)

3. AUTOMATYZACJA OBLICZEŃ AERODYNAMICZNYCH I PROCESU PROJEKTOWANIA UKŁADÓW PRZEPŁYWOWYCH WENTYLATO

RÓW OSIOWYCH

3.1. W en ty lato ry z m er y d io n a ln y m p r z y ś p ie s z e n ie m str u m ie n ia Ogólny schem at blokowy algorytm u obliczeń aerodynam icznych u kład u łopatkowego przedstaw iony je s t n a ry su n k u 7 [6], Zgodnie z tym schem atem w pierwszej kolejności wyznacza się rozkład osiowosymetrycznych powierzch

n i prądu (rys. 8) oraz prędkości w przekroju m erydionalnym koła wirnikowe

go. Rozkłady te uzyskuje się z rozw iązania zagadn ienia osiowosymetrycznego przepływu w dwóch kolejnych przybliżeniach.

Rys. 8. Siatka obliczeniowa w przekroju merydionalnym kola wirnikowego Fig. 8. Grid of computation of meridional crossection

Szkieletowe łopatki określone zostały n a osiowosymetrycznych powierzch

niach p rąd u po uprzednim odwzorowaniu ich n a płaszczyźnie pomocniczej (rys. 9a). R ysunek 9a w raz z geom etrią przekroju m erydionalnego w irnika (rys. 9b) stanow i podstaw ę w ykreślenia przekrojów modelowych łopatki w płaszczyznach prostopadłych do osi w irn ika (rys. 9c) n a podstaw ie m etody odwzorowania konforemnego. Technologiczność w ykonaw stw a łopatki zapew-

(12)

a. co o

v C U

^{/ / / /}/ /I ^I ⁱ ⁱ ^{" h} ^{- í} ' i I ■ ! .'Łń'

u i T t

! ) ' / / / / / : /

1 Rys. 9. Przekroje konstrukcyjne koła wirnikowego

Fig. 9. Vane p attem sections

Andrzej Witkowski

(13)

S T A R T I

P R O C E D U R A : R Y S I I

I W Y B Ó R R Y S U N K U ! -

C Z Y K O R Y G O W A Ć I -

1---

| t a k

| P R O C E D U R A : K O R E K C J A |

| P R O C E D U R A : R Y S 3 |

Z

D R U K O W A N I E R Y S U N K U P R O C E D U R A : R Y S 4 I

S T O P

P R O C E D U R A : R Y S Z

Rys. 10. Schemat blokowy procedury projektowania łopatki Fig. 10. Błock scheme of procedurę of design of blade

Rys. 11. Rzut aksonometryczny koła wirnikowego Fig. 11. Spatial viev impeller

n ia właściwie dobrany w pro

gram ie iteracyjnym , zbliżony do liniowego, rozkład kątów rozw arcia łopatki (n) wzdłuż jej wysokości. N iezbędną swobodę doboru k ą ta um ożli

w ia przyjęcie parabolicznego k s z ta łtu szkieletowych profi

li. P rzedstaw iony program je s t skojarzony z proce

d u ram i um ożliwiającym i kom puterow e w ykreślenie przekrojów modelowych ło

p a tk i oraz całych kół w irni

kowych w dowolnym, p rze

strzennym usytuow aniu [12], [13], Program n ap isan y je s t w system ie blokowym (rys. 10), w którym w ystępu

j ą cztery procedury:

(14)

tAK

5»OP

Rys. 12. Schemat blokowy wielowariantowych obliczeń wentylatorów osiowych Fig. 12. Block scheme of m ultivariant computations of axial flow fans

(15)

- procedura k reślen ia przekroju m erydionalnego w irn ik a (1), - procedura k reślen ia palisad łopatkowych (2),

- procedura k reślen ia przekrojów modelowych (3),

- procedura kreślen ia w irnika w rzucie aksonom etrycznym (4) - (rys. 10).

Procedura k reślen ia przekrojów modelowych um ożliw ia dodatkow ą korektę kształtu łopatki poprzez w zajem ny obrót sąsiednich przekrojów względem siebie o zadany w trybie konw ersacyjnym k ą t. Ukoronow aniem procedur wykreślnych je s t procedura (4) kreśląca kom pletne koło w irnikow e w dowol

nym rzucie aksonom etrycznym (rys. 11). Procedura ta w sposób szczególnie plastyczny u łatw ia ocenę jakościow ą oraz wybór k sz ta łtu łopatek i kanałów międzyłopatkowych.

3.2. W en ty lato ry o s io w e r e a k c y jn e

Schem at blokowy wielow ariantow ych obliczeń aerodynam icznych układu przepływowego osiowego stopnia sprężającego składającego się z w ieńca w ir

nikowego, kierownicy tylnej oraz dyfuzora końcowego przedstaw iony został na ry su n k u 12.

Algorytm i program obliczeniowy [8] zapew nia wybór sposobu wyznaczania wyjściowych w skaźników i kierowniczych wielkości obciążenia aerodynam icz

nego u k ład u przepływowego oraz m etod obliczeń aerodynam icznych. W ie

low ariantow e prow adzenie obliczeń um ożliw ia optym alizację w skaźników geometrycznych i kinem atycznych z p u n k tu w idzenia dopuszczalnego obcią

żenia aerodynam icznego i spraw ności u k ładu przepływowego.

4. WYNIKI BADAŃ WENTYLATORÓW MODELOWYCH

4.1. W en ty lato ry z m er y d io n a ln y m p r z y ś p ie s z e n ie m str u m ie n ia N a ry su n k u 13 przedstaw iona została konstruk cja w en tylatora modelowe

go MWG - 063 [6] o stosunku średnic w przekroju wylotowym koła wirnikowe

go v = 0,63. Model MWG - 067/11 różni się jedynie stosunkiem średnic w przekroju wylotowym koła wirnikowego v = 0,67. Koło w irnikow e o średnicy zewnętrznej 500 mm posiada p iastę stożkow ą i pierścieniow y elem ent końco

wy. Do p iasty p rzyspaw anych je s t dw anaście blaszanych łopatek o szkieleto

wych parabolicznych. Za kołem wirnikow ym znajduje się kierow nica ty ln a składająca się z trz y n a stu blaszanych łopatek o powierzchni cylindrycznej.

(16)

Fig. 13. Model fan MWM-063/500

C harakterysty ki aerodynam iczne w entylatorów modelowych MWG - 063 i MWG - 067 wyznaczone dla różnych kątów u staw ien ia łopatek wstępnej kierownicy regulacyjnej przedstaw ione zostały n a rysu nk ach 14 i 15.

W skaźniki bezw ym iarow e u zyskane przez b a d an e m odele w punkcie odpo

w iadającym m aksym alnej spraw ności w ew nętrznej zestaw ione zostały w tablicy 2.

(17)

r

Rys. 14. Charakterystyka regulacyjna wentylatora modelowego MWM-063/500 Fig. 14. Performance curves of the model fan MWM-063/500

(18)

Tablica 2

Model MWM-063 MWG-063 MWG-067

Wskaźnik wydajności 0,37 0,3571 0,3361

Wskaźnik spiętrzenia 0,78 0,7627 0,8672

Sprawność wewnętrzna 88,1 86,27 85,71

Wyróżnik szybkobieżności 0,764 0,7329 0,645

Wskaźnik średnicy 1,491 1,673 1,6645

M od elow y w e n ly la lo r m e ry d io n a tn y M W M -067

Rys. 15. Charakterystyka regulacyjna wentylatora modelowego MWM-067/500 Fig. 15. Performance curves of the model fan MWM-067/500

(19)

W celu rozszerzenia pola pracy w entylatorów a n a lizowanego typu przepro

w adzone zostały również b ad an ia wpływu k ą ta u s ta w ienia łopatek roboczych koła wirnikowego z merydionalnym przyśpieszeniem stru m ie n ia n a c h arak tery stykę aerodynam iczną w en

tylatorów modelowych [12].

W tym celu opracowano n a podstaw ie m odelu MWM - 063/00, przy w ykorzystaniu przedstaw ionej procedury projektowej, konstrukcję ło

p a tk i wykonanej w m atrycy uniw ersalnej o w ym iarach uw zględniających obrys ło

p a te k dla kątów ustaw ienia Aa = +15°, +10°, 0,0°, -0,5°

(rys. 16).

N a ry su n k u 17 p rzed sta

wiono uzyskane obszary pracy w entylatorów z trz e m a w ersjam i kół wirniko

wych o k ą ta c h ustaw ienia łopatek roboczych Aa = 0,0°, + 10° i -5 ° w ykreślone w u kładzie współrzędnych logarytmicznych. Z porów nania w ynika, że obrót łopatki koła wirnikowego o + 10° powoduje w zrost w skaźnika wydajności w punkcie n om inalnym o 21,4%, n ato m iast w sk aźnik a spiętrzen ia o 21% przy spadku spraw ności w granicach 3%. O siągalne graniczne w artości w skaźników wydajności r| > 0,6 wynoszą dla zespołu trzech badanych wirników odpowiednio cp* = 0,225 - 0,5.

i

Rys. 16. Łopatka uniwersalna Fig. 16. Universal blade

(20)

APclPa]

Rys. 17. Obszar pracy w entylatora z kołami wirnikowymi o różnym kącie ustawienia łopatek

Fig. 17. Performance curves of fans with different angles of impeller blades setting

(21)

4.2. W en ty lato ry o s io w e r e a k c y jn e

4.2.1. Konstrukcje modelowe

W celu spraw dzenia zastosow anych m etod doboru w skaźników bezwym ia

rowych oraz m etod obliczeń aerodynam icznych opracowano i przebadano aerodynam icznie dw anaście w entylatorów modelowych, w tym:

1. pięć konstrukcji o stosunku średnic v = 0,56,

2. cztery konstrukcje modelowe o sto su n ku średnic v = 0,63, 3. trz y konstrukcje modelowe o stosunku średnic v = 0,67.

W szystkie w entylatory modelowe p racują w układzie przepływowym: wlot dyszowy, koło wirnikowe, kierow nica tylna, dyfuzor. Średnica zew nętrzna kół w irnikowych 500 mm. W szystkie modele p osiadają koła w irnikow e z k u listy mi piastam i stalowym i osadzonymi w nich obrotowo łop atkam i w ykonanym i z żywic epoksydowych. Szkieletowe profile m ają w rozw inięciu n a płaszczyznę k sz ta łt łu k u lub paraboli (P). Kierownice ty lne posiadają nieprofilow ane ło

patki cylindryczne wykonane z blachy.

4.2.2. B ad an ia aerodynam iczne wentylatorów modelowych i analiza w yni

ków badań

B adania aerodynam iczne prowadzone były n a stanow isku zainstalow anym w laboratorium Zakładu Cieplnych M aszyn Przepływowych In sty tu tu Maszyn i U rządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej [8], W ybrane dla każdego z trzech stosunków średnic (v = 0,56, 0,63, 0,67) ch arak tery sty k i regulacyjne w entylatorów modelowych, wyznaczone dla ośm iu kątów u staw ien ia łopatek roboczych koła wirnikowego Aa = 0,0°, 2,0°, 5°, 10°, 15°, -2,5°, -5°, -10°

przedstaw ione zostały n a ry su nk ach 18, 19, 20.

W yniki b ad ań w p u n k tach ch arak tery sty k i odpowiadających m aksym alnej spraw ności modeli oraz obliczeniowemu w skaźnikow i wydajności cp* zestaw io

no w tablicy 3. N ajwyższą spraw ność r|j = 0,868 uzyskał model MWO — 500/056/16/Ho o stosunku średnic v = 0,56 przy liczbie Reynoldsa Re = 3,93 x 105.

Przy wzroście średnicy do 1000 mm liczba Re osiągnęłaby wartość R = 10,9 x 105, co spowodowałoby wzrost sprawności do około 89%.

N a ry su n k u 21 naniesiono w skaźniki bezwym iarowe w entylatorów modelo

wych n a w ykres K D = fi8). W ykres ten w ykorzystano w algorytm ie i program ie obliczeniowym do w yznaczania kom pletu w skaźników bezwym iarowych nie

zbędnych w obliczeniach aerodynam icznych w entylatorów osiowych.

Bardzo istotne znaczenie z p u n k tu w idzenia uzyskiw anych param etrów pracy przez układ łopatkowy m a wybór właściwej relacji pom iędzy stosun

kiem średnic v, w skaźnikiem sp iętrzen ia vp oraz wydajności (p*. W niniejszej pracy dla w yznaczenia tej relacji posłużono się zależnością zapew niającą pracę u kład u przepływowego bez oderw ania bezwładnościowego:

(22)

Rys. 18. Charakterystyka regulacyjna wentylatora modelowego MWO-500/056/16 Fig. 18. Performance curves of model fan MWO-500/056/16

T ab lica 3 Wyniki pomiarów

Lp. Model punkt odpowiadający t|max

MWO-500 Tli % *

<P ¥ Kn 5

1 056/20/1 82,7 0,2136 0,2517 1,3 1,5325

2 056/16/1 83,12 0,2259 0,367 1,008 1,6377

3 056/20P/II 80,4 0,256 0,3817 1,00 1,5535

4 056/16/We 0,861 0,2371 0,3573 1,0536 1,588

(23)

T a b lic a 3 cd.

Wyniki pomiarów

Lp. Model punkt odpowiadający t|max

MWO-500 Tli% *

<P V k n 8

5 056/16/Ho 0,8685 0,2485 0,3787 1,0339 1,5729

6 063/16/WeI 0,8366 0,24 0,4178 0,9426 1,6413

7 063/16/HoI 0,8453 0,2064 0,4029 0,8985 1,7536

8 063/16/WeII 0,8452 0,2287 0,436 0,8803 1,6991

9 063/16/HoII 0,8355 0,2605 0,4188 0,9804 1,5761

10 067/20/1 76,0 0,2309 0,4123 0,9339 1,6676

11 067/16/1 79,0 0,2482 0,5279 0,7625 1,777

12 067/20P/II 78,0 0,2465 0,54 0,7877 1,727

V

Rys. 19. C h a ra k te ry sty k a regulacyjna w en ty lato ra modelowego M W O-500/063/16 Fig. 19. Perform ance curves of model fan MW O-500/063/16

(24)

V 2,5* + 4 ^ ²

D i 9

v = 7t1 = - 2 , 5 +---+ K ⁽¹⁾

Dz 9t

<P*

gdzie: v|/t = — - teoretyczny w skaźnik spiętrzenia,

Tli

K = K I — — s ta ła wyznaczona w niniejszej pracy n a drodze doświadV t

czalnej.

Rys. 20. C harakterystyka regulacyjna w enty lato ra modelowego MW O-500/067/16 Fig. 20. Perform ance curves of model fan M W O-500/067/16

(25)

1 M V rO 5 U 3 /0 5 6 /2 (l/l 2 MV/O 500/056(1611 3 H W 0 5 0 0 (0 5 6 / JO P /II (M W O 5 0 0 /06 7/7 0/1 5MW O 5 00 10 6 7/1 6/1 6 M W 0 500/067/ 70 0 / II 7 M W 0 5 U )(0 5 6 /1 6 /W t 8 M V /0 5 O J /0 S 6 't6 /H c 9 M V /0 5 T O /0 6 3 /1 6 /W r I I0H V /O 500 /06 31 1 6/1 In I IIM W O 5 0 0 /0 6 3 /1 6 /W c II I? MWO 5 0 0 /0 6 3 /1 6 / Ho II

Rys. 21. Wykres zbiorczy wskaźników bezwymiarowych Rn = RS) Fig. 21. Overall nondimensional characteristics of axial flow fans K„ = F(8)

Sprawdzono również rzeczywiste obciążenie aerodynam iczne palisad łopat

kowych Cr Z / 1.

Wymienione kluczowe dla projektow ania układów przepływowych w entyla

torów osiowych w skaźniki zestaw ione zostały w tablicy 4 w funkcji stosunku średnicv.

T a b lic a 4

V = D1/D2 y t /< p * C r l / t K

równ. (1)

Ki równ. (1) obliczenia pomiar obliczenia pomiar

0,56 1 ,6 -1 ,7 1 ,5 9 -1 ,8 1,329-1,409 1,462-1,49 0,054-0,0722 0,037-0,045 0,63 1 ,7 -2 ,0 1 ,6 5 -1 ,8 1,208-1,4 1,012-1,159 0,077-0,12 0,0378-0,07 0,67 2,24 2,6 1,24-1,398 1,557-1,598 0,0829 0,037

(26)

Z zestaw ienia tego wynika, że w ystępuje w yraźna prawidłowość w zacho

w aniu się stosunku v|/t/<p* w funkcji stosun k u średnic v. Ze w zrostem v teore

tyczny w skaźnik spiętrzenia rośnie w stopniu znacznie większym niż w skaźnik wydajności cp*. W zrost stosu n ku średnic powoduje również wzrost w spółczynnika K występującego w rów naniu (1). B ad ania w ykazały również równorzędność obu zastosowanych w pracy m etod projektow ania.

5. ZASTOSOWANIE PRZEMYSŁOWE

5.1. Z a s to s o w a n ie w e n ty la to r ó w m e r y d io n a ln y c h do w e n ty la c ji p o m o cn iczej

Najwyższa wydajność nom inalna w en ty lato ra typu WLE 1004/1 z typosze

regu w entylatorów lutniowych [14] wynosi 10.5 m3/s, n atom iast najniższa wydajność nom inalna w entylatora typu WOK 1.6/P stosowanego w wentylacji głównej wynosi 40 m3/s. W ystępująca tu duża luka w zakresie wydajności w ym agała uzupełnienia przez nowe konstrukcje w entylatorów . W szczególno

ści konieczne stało się w prowadzenie do eksploatacji nowych konstrukcji w entylatorów o wydajnościach 15-20 m 3/s i przyrostach ciśnień 2000- 3000 Pa. Oczekiwania te spełniają obecnie w entylatory typu W PM -1000 A i W PM -1200 A [15], w których zastosow any został uk ład przepływowy w enty

lato ra modelowego MW G-063/500 [6], Podobnie ja k w w entylatorach modelo

wych, zastosowano tu proste technologicznie i trw ałe w eksploatacji koła wirnikowe spaw ane, z łopatkam i w ykonanym i z blachy stalowej (rys. 22).

O bszary pracy obu wielkości w entylatorów regulow anych przez zm ianę kątów ustaw ienia łopatek w stępnej kierownicy regulacyjnej przedstaw ione są na ry su n k u 23. Nowe konstrukcje zachow ują wysokie spraw ności zespołu w wym aganym zakresie param etrów pracy; przeznaczone s ą do w entylacji po

mocniczej i przew ietrzania wyrobisk górniczych odrębną w entylacją ssącą w polach I kategorii zagrożenia m etanowego oraz odrębną tłoczącą w polach I,

I I I i ^{I V}kategorii zagrożenia m etanowego [15].

5.2. W y k o rzystan ie w e n ty la to r ó w m e r y d io n a ln y c h w m o d ern iza cji w e n ty la to r ó w g łó w n e g o p r z e w ie tr z a n ia

W związku z w ystąpieniem w obrębie szybu Kokoszyce KWK A nna w Pszowie konieczności eksploatacji pokładów w ęgla kam iennego n a większych głębokościach przeprow adzona została m odernizacja stacji wentylatorowej.

(27)

Rys. 22. Wentylator WPM-1200 A Fig. 22. WPM-1200 A Fan

Procedurabadawczaukładówprzepływowych... 319

(28)

Pa

Wydajność V [_mVs

Rys. 23. Charakterystyki regulacyjne wentylatorów WPM-1000 A i WPM-1200 A Fig. 23. Performance curves of fans WPM-1000 A and WPM-1200 A

Istniejące dotychczas w entylatory typu Turbo W erke M eissen o param etrach:

V = 120 m3/s; APc= 2400 Pa zastąpione zostały jednostopniowym wentylato

rem z m erydionalnym prześpieszeniem stru m ien ia o średnicy zewnętrznej koła wirnikowego 2,6 m i gabarytach (rys. 23) zbliżonych do gabarytów po

przedniej konstrukcji. Umożliwiło to w ykorzystanie istniejącej stacji wenty

latorowej w raz z kanałam i w entylacyjnym i i podstacją elektryczną.

Koszt ta k przeprowadzonej m odernizacji w sto su n ku do kosztu rozw iązania przewidującego wybudowanie nowej stacji w entylatorow ej z wykorzystaniem

(29)

Procedura badawcza układów przepływowych... 321

CD<N

£

§£ ca t*a>

o(X

&

8)Q>

'OH5ł) ta8

£

£S

PS

Fig. 24. Fan WMK-2.6for main ventilation

(30)

SpiętrzeniecatkowiteOPal Sprawnośćwentylatora

W y d a jn o ś ć V [m ^ /s ]

Rys. 25. Charakterystyka regulacyjna wentylatora WMK-2.6 Fig. 25. Performance curves of fan WMK-2.6

(31)

wentylatorów kopalnianych promieniowych typu W PK -3.9 wynosi jedynie 5,3% [9],

N a ry su n k u 15 przedstaw iona została c h a ra k te ry sty k a regulacyjna w enty

lato ra W M K-2.6, z której w ynika, że osiąga on przy w ydajnościach w g ran i

cach 165-200 m3/s ciśnienie od 2500-3200 N /m2 w ym agane przy wentylacji głębokich pokładów szybu Kokoszyce [10].

6. WNIOSKI KOŃCOWE

Przedstaw iono sekw encyjno-iteracyjny proces badaw czy w entylatorów osiowych m erydionalnych i reakcyjnych. Proces polega n a wzajem nie uzupeł

niającej się analizie teoretycznej i doświadczalnej szczegółowej s tru k tu ry przepływu w w ybranych elem entach u k ład u przepływowego oraz badaniach pełnych ch arak tery sty k aerodynam icznych w entylatorów modelowych proje

ktowanych zgodnie z sukcesyw nie doskonalonym i algorytm am i obliczeniowy

mi. R eprezentatyw ny zestaw wyników b a d ań w entylatorów modelowych, o bardzo wysokiej sprawności, pozwolił n a sprecyzowanie zależności pomiędzy podstawowym w skaźnikiem geometrycznym, jak im je s t stosu nek średnic, a podstawowymi w skaźnikam i kinem atycznym i. U zyskane w yniki umożliwiły modyfikację algorytm u obliczeń aerodynam icznych zapew niających bardziej precyzyjne uzgadnianie p aram etrów geom etrycznych i kinem atycznych w en

tylatorów w fazie projektow ania. Pozwoliło to z kolei n a opracow anie w pełni zautom atyzow anych program ów kom puterow ych zarówno w fazie obliczeń aerodynam icznych, ja k również w fazie konstruow ania. Szeroka rep re z en ta cja przebadanych w entylatorów modelowych stw arza ponadto przesłanki w ła

ściwego wyboru w fazie potrzeby u k ład u przepływowego w entylatora dla konkretnych celów praktycznych. Przedstaw ione przykłady w skazują w szczególności n a duże możliwości w ykorzystania opracow anych układów prze

pływowych w pracach m odernizacyjnych w entylatorów głównego i miejscowe

go p rzew ietrzania kopalń.

(32)

LITERATURA

[1] W itkowski A.: Sekw encyjno-iteracyjny proces badaw czy wentylatorów osiowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śl. seria ENERGETYKA, ze

szyt 83, Gliwice 1983 r.

[2] W itkowski A.: Flow A nalysis in Axial Flow Com pressor Im peller with M eridional Stream Acceleration. Proc. of th e F o u rth Conference on Fluid M achinery, B udapest 1972 r.

[3] W itkowski A.: A naliza teoretyczna i dośw iadczalna stru k tu ry przepływu w osiowym stopniu sprężającym . Zeszyty Naukow e Politechniki Śl. seria ENERGETYKA, zeszyt 93, Gliwice 1986 r.

[4] C hm ielniak T., W itkowski A.: The Theoretical an d E xperim ental Inve

stigations of Losses in a Single Stage Axial Flow Com pressor. 17-th In tern atio n al Congress on Com bustion Engin. Gas T urbines CIMAC’87, W arsaw 1987 r.

[5] W itkowski A.: A New Conception of T heoretical an d E xperim ental Inve

stigations of Losses in Axial Flow Im peller. Proceedings of th e Ninth Conference on Fluid M achinery, B udapest 1991 r.

[6] W itkowski A., O tte J.: Design and T est of Axial Flow F ans w ith Meridio

n al S tream Acceleration. Proc. of th e F ifth Conference on Fluid Machi

nery, B udapest 1975 r.

[7] W itkowski A., Roj L., M irski M.: Zastosow anie w entylatorów osiowych z m erydionalnym przyśpieszeniem stru m ien ia w górnictwie węglowym.

MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA n r 11, Katowice 1991 r.

[8] W itkowski A.: Wpływ param etrów geometrycznych układu przepływo

wego n a w skaźniki kinem atyczne i spraw ność w entylatorów osiowych.

MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA n r 7, Katowice 1992 r.

[9] W itkowski A.: Q uasi-rzeczyw isty model przepływ u w osiowym stopniu sprężającym . Zeszyty Naukowe Politechniki Śl. seria ENERGETYKA, zeszyt 72, Gliwice 1978 r.

[10] W itkowski A., M irski M.: Dośw iadczalna identyfikacja s tr a t przepływo

wych w osiowym stopniu sprężającym . P raca B K -386/M E-2/91, Gliwice 1991 r., nie opublikowana.

[11] W itkowski A., Strozik M., M irski M.: Stanow isko do b adań term oanem o- m etrycznych trójwymiarowego, tu rb u len tneg o przepływ u za kołem w ir

nikowym osiowego stopnia sprężającego m etodą periodycznego, zsyn

chronizowanego z liczbą obrotów próbkow ania. Zeszyty Naukowe Polite

chniki Łódzkiej CMP n r 103, 1993 r.

(33)

[12] Witkowski A., M irski M.: Kom puterowe w spom aganie projektow ania osiowych wieńców sprężających z m erydionalnym przyśpieszeniem s tr u mienia. Zeszyty Naukowe Politechniki Śl. seria ENERGETYKA, zeszyt 91, Gliwice 1991 r.

[13] Intersoft AUTOCAD version 2.17, W arszaw a 1987 r.

[14] CMG KOMAG: Nowy typoszereg w entylatorów lutniow ych z napędem elektronicznym. Gliwice. P raca nie opublikow ana.

[15] CMG KOMAG: W entylatory do w entylacji pomocniczej W PM -1000 A, W PM -1200 A. Gliwice.

A b s t r a c t

The developm ent of contem porary aerodynam ics of turbom achines is determ ined by two practical problems:

- the first problem is reduced to an analysis of th e flow a n d estabilishin g th e characteristics of operation of m achines w ith know n geom etry of th e flow system,

- the second problem consists in th e sh aping of th e optim um blade vane system which ensu res th e desired or assum ed in advance p aram eters.

In order to solve both of these problem s it is n ecessary to lea rn about the phenomena occuring du rin g th e flow th ro u g h th e blade vane system s. A real progress can be achieved here only th ro u g h sim ultaneous developm ent of complementary to each other theoretical an d experim ental studies.

In theoretical p a rt th e problem h a s been solved tak in g into consideration th e simplified so called q u asireal flow model in w hich to m ake th e analysis easier, th e flow h a s been devidied into two regim es.

The seq u en ce-iteratio n research process elaborated a t th e In stitu te of Power M achinery of th e Silesian Technical U niversity m ay be divided into four basic problem s (fig. 1):

1. the problem of axial-sym m etrical flow in m eridional section of th e stage, 2. the problem of flow in th e annulus wall boundary layers,

3. the problem of th e blade cascade flow, 4. the problem of th e profile boundary layers.

The resu lts obtained from th e solution of th e above m entioned research problems m ake it possible in tw in, to im prove th e algorithm s and program s of aerodynamic calculations of com pressor stages and fans. The inform ation obtained from th e studies of th e model constructions elaborated w hile using these algorithm s are th e basis for fu rth e r verification of th e adopted an aly ti

cal methods.

(34)

The presented research program h a s been used in th e process of elaborating new, highly efficient model constructions of axial-flow fans with m eridional acceleration of th e stream , of th e series M W M-500/063 and M W G-500/067, as well as th e reaction ones of th e series MW0-500/056/063/067.

It possible to asses th e calculating m ethods and to determ ine th e selection principles of basic geom etrical q u an tities in th e aspect of required operation p aram eters. T h at also enabled to create a b an k of inform ation necessary to quick elaboration of construction for practical purposes.