Wpływ zarysu obudowy na charakterystyki akustyczne wentylatora promieniowego

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 118

1993 Nr kol. 1221

B ronisław a GNIEWEK-GRZYBCZYK K ry sty n a PRYNC-SKOTNICZNY

Z akład Maszyn i U rządzeń Energetycznych A kadem ia Górniczo-Hutnicza, Kraków

WPŁYW ZARYSU OBUDOWY NA CHARAKTERYSTYKI AKUSTYCZNE WENTYLATORA PROMIENIOWEGO

S treszczen ie. W pracy omówiono wpływ k s z ta łtu obudowy w entyla

to ra promieniowego n a em itow any przez niego poziom mocy akustycz

nej. J a k wynika z przeprowadzonych badań, wybór k sz ta łtu obudowy spiralnej wg k w a d ra tu konstruktorskiego g w aran tuje nie tylko m aksy

m aln ą sprawność, ale również m inim um hałasu.

IN FL U E N C E OF A H O U SING PR O FILE ON ACOUSTIC CHARAC

T ER ISTIC S OF RADIAL FA N

Summary. The pap er p resen ts an influence of a ra d ia l fan housing profile on acoustic power level em itted by it. According to th e carried out investigations th e au th o rs have come to th e conclusion th a t the choice of spiral housing profile by u sin g a construction square guaranteed not only th e m axim al efficiency b u t also m inim al noise.

E IN F L U SS DES G EH ÄUSEPR O FILS A U F D IE AK USTISCH E CHA

RAKTERISTIK DES RADIALVENTILATORS

Z usam m enfassung. Die A rbeit e n th ä lt die B eschreibung des Einflußes des R ad ialventilator-G ehäuseprofils a u f die em ittierte akustische Leistung. Die d urchgeführten M essungen zeigen, daß die A nnahm e der G estalt von S p iralgehäuse zum m axim alen W irkungsgrad bei dem m inim alen L ärm führt.

(2)

76 Bronisława Gniewek-Grzybczyk, Krystyna Prync-Skotniczny

W STĘP

K ąt nachylenia prędkości bezwzględnej stru m ien ia płynu wypływającego z w irnika i wartości tej prędkości decydują o ogólnym zarysie obudowy w entyla

to ra promieniowego. Obudowa w entylatora nie zawsze korzystnie oddziałuje n a przepływ w wirujących k an ałach międzyłopatkowych w irn ik a i zm ienia c h a ra k te r tego przepływu. Istnieje więc wzajem ne oddziaływanie obudowy na przepływ przez w irnik i w irnika n a przepływ przez obudowę spiralną.

ZAKRES BADAŃ

Przy projektowaniu obudowy zakłada się, że z wirnika wypływa gaz nielepki o środkowo symetrycznym rozkładzie prędkości. Z zasady zachowania krętu

wynika, że linie p rąd u rozpatryw anego przepływu w obudowie w entylatora promieniowego są krzywymi logarytmicznym i. Wobec tego w ew nętrzna linia kolektora powinna tworzyć spiralę wyznaczoną równaniem :

gdzie:

R 3 - prom ień spirali,

i?2 - zew nętrzny prom ień w irnika, ń - k ą t opisujący krzyw iznę spirali, b2 - szerokość w irnika,

B - szerokość obudowy, a 3 - k ą t rozwinięcia spirali, a 2 - k ą t wypływu stru g i z w irnika,

c2r — składow a promieniowa prędkości bezwzględnej, c2u - składow a obwodowa prędkości bezwzględnej.

r ■ c = r 2 - c2 = const (1⁾

*-2u

(

2

)

(3)

W pływ zarysu obudowy na charakterystyki akustyczne.. 77

tgocsp = tg a 3 = -g tg a 2 (3)

W nominalnym punkcie pracy w en tylatora dla liczby wydajności <p„ = 1 i p rzy założeniu, że m a miejsce całkowite p rzekazanie mocy (energii) przepły

w ającem u czynnikowi (dla współczynnika zm niejszenia mocy p= 1) [1]:

tg a 2 = tg $2

t2 (S - 1) (4)

gdzie:

S - liczba w irnika,

x2 - wskaźnik przesłonięcia przekroju wlotowego w irnika, P2 - k ą t pochylenia łopatki n a wlocie.

Je że li wyrażenie (2) rozłożymy w szereg i ograniczym y do pierw szych czte

rec h wyrazów, otrzymamy:

^3 - ^ 2 1 y 1

B To + 1 2

' V a B r , +

1 2 3 d v Y

b r , (5)

W aerodynamicznych schem atach i obliczeniach spiralnych obudów obo

w iązująca jest w artość rozw arcia spirali w przekroju d = 211:

A - B 2n— -^2 ⁽⁶⁾

D la tego przekroju m ożna napisać:

A - i?2 ^{2 n} ^{^} ^- ^{+ -} ¹

B r , i - 2

2

ⁿ ^v

B r , 1 2 3

' V >' 2PI ——

B To (7)

W licznych przypadkach, przy obliczeniach obudowy spiralnej należy obli

czyć znaczną ilość członów szeregu. W zależności od tego wzór (7) przy przyję

tej w artości rozwarcia i szerokości obudowy może być rów naniem liniowym, kw adratow ym lub trzeciego stopnia w odniesieniu do członu - V / B r 2.

Rozwiązując rów nanie (7) i pam iętając, że F2 = 2 Ilr2 c2u, otrzym am y V /c 2u

= const. J e s t to rów nanie prostej przechodzącej przez początek u k ład u współ

rzędnych. Wiadomo, że wydajność będzie odpowiadać punktom przecięcia

(4)

krzywej z krzyw ą w yrażającą zależność c2u = f(V) dla w irnika. Krzywa c2u = RV) może być w ykreślana n a podstaw ie obliczeń w irnika.

W dobrze zaprojektowanych w entylatorach wym iary obudów powinny być ta k dobrane, aby m inim alna wydajność była rów na wydajności optym alnej dla

Omax-

Dla obliczeń praktycznych m ożna przyjąć jed en człon rów nania (7):

A = ZR2 X\ (8)

D l 2

To rów nanie przedstaw ia sobą rów nanie spirali A rchim edesa, której k o n stru kcję w ykonano przy użyciu k w a d ra tu konstruktorskiego dla a = A/4.

Jeżeli rozwinięcie spirali określim y zgodnie ze w zoram i (2), (3), (6) i (7), to teoretycznie przy ustalonym kącie a 2 nie pow inna ona oddziaływać ujem nie n a przepływ w obudowie i w irniku tylko dla (p = (p„.

A. W szelaczyński [1] w w yniku szeroko przeprow adzonych b adań wykazał, że najw yższą spraw ność uzyskują w entylatory promieniowe w obudowie o zarysie wg k w ad ratu konstruktorskiego, aproksym ującego spiralę A rchim e

desa. Zarys obudowy wykonany wg w iru potencjalnego (spirala logarytm icz

na) nie zapew niał ta k wysokiej sprawności. Wobec powyższego zachodzi p yta

nie, czy ta k wyznaczony zarys obudowy spiralnej w entylatora promieniowego gw arantuje przy najwyższej spraw ności m inim alny hałas.

W celu w yjaśnienia tego zagadnienia przeprowadzono b ad an ia trzech w ir

ników w czterech różnych obudowach.

PARAMETRY GEOMETRYCZNE WIRNIKÓW I OBUDÓW

Do b adań wpływu k sz ta łtu obudowy n a poziom em itow anego ciśnienia akustycznego promieniowego w entylatora użyto trzech wirników o średnicy zewnętrznej D 2 = 720 mm i 12 płaskich jednołukow ych łopatkach, o stosunku średnic Dj/ D 2 = 0,55 i szerokości względnej bI / D x = 0,46. K ąt pochylenia łopatki n a wlocie Pi = 23°, a n a wylocie p2 odpowiednio równym 35°, 43° i 50°.

K ąt pochylenia tarczy przedniej jednakow y dla w szystkich wirników y = 24°.

Każdy z wirników badano w 4 obudowach o spiralach:

- logarytmicznej, o kącie rozwinięcia a 3, liczonej wg (3) i (4), oznaczonej symbolem (a),

- rozwiniętej wg k w ad ratu konstruktorskiego (b),

(5)

W pływ zarysu obudowy na charakterystyki akustyczne. 79

— dla której promień wodzący uzależniono od średnicy zew nętrznej w irnika D 2 (c),

- z luźno rozwiniętą ta śm ą bez języczka (d).

Zgodnie z rysunkiem 1 i danym i w tab eli 1 odległość języczka obudowy od w irn ik a wynosiła Ar / D 2 = 0,2. J e s t to odległość optym alna dla tego typu w entylatorów ustalona n a podstaw ie b ad ań w łasnych [3] i lite ra tu ry przed

m io tu [4]. Promień zaokrąglenia języczka wynosił r / R 2 = 0,032. Początek sp ira li leżał na prostej nachylonej do prom ienia rozw inięcia spirali R 0 pod k ą te m Oj = 45° we w szystkich obudowach z w yjątkiem obudowy (b), gdzie ńj - 0°. Szerokość względna obudowy B / b 2 - 2,6 (b2 = 94m m, B = 245mm).

obudowa Ca} dla wirnika 1

— — — — obudowa Ca} dla wirnika 2

— — — obudowa Ca} dla wirnika 3 obudowa C b}

obudowa Cc}

obudowa C d}

Rys. 1. Zarys kształtów badanych obudów Fig. 1. Shapes of investgated housings

(6)

Pom iary h a ła su w entylatorów wykonano m etodą przewodową zgodnie z zasadam i opisanym i w pracy [2].

T ab ela 1 P a ra m etry g e o m e tr y c z n e o b u d ó w

Lp. Rodzaj obudowy «i

Promień obudowy ** Wys.

okna wylot.

R900 Rl80° R2700 R36O0 C

1 (a) wirnik 1 45° 63,2 79,9 100,6 127,1 89,6

2 (a) wirnik 2 45° 62,8 78,7 98,9 124,0 85,4

3 (a) wirnik 3 0° 65,7 86,1 113,0 148,5 103,2

4 (b) 45° 64,6 81,9 101,4 119,4 69,4

5 (c) 45° 61,2 72,5 83,7 95,0 66,7

6 (d) - 72,9 105,5 165,3 173,6 122,2

*’ wymiary podano w % D2, D2 = 720 mm

CHARAKTERYSTYKI PRZEPŁYWOWE I AKUSTYCZNE

M aksym alne sprawności badanych modeli w irników w spółpracujących z wyżej wymienionymi obudowami niewiele różnią się m iędzy sobą, ja k to w ynika z krzywych n a ry su n k u 2. N a ry su n k u tym przedstaw iono również poziom dźwięku i poziom mocy akustycznej w funkcji stosu nk u cp/cp„ dla w irnika 3 badanego w poszczególnych obudowach. Podobne przebiegi krzy

wych otrzym ano dla pozostałych wirników 1 i 2. Położenie p u n k tu m inim alne

go h a ła su emitowanego przez w entylator je s t ściśle zw iązane z jego spraw no

ścią. N atom iast położenie p u n k tu m aksym alnej spraw ności zależy nie tylko od param etrów geometrycznych w irnika, lecz również od k sz ta łtu rozwinięcia obudowy. Zm iana k ą ta rozwinięcia spirali powoduje przesunięcie m aksym al

nej spraw ności w kieru n k u większych lub m niejszych wydajności i zm ianę jej wartości. J a k w ynika z przedstaw ionych krzywych, p u n k t m aksym alnej spraw ności nie pokrywa się z p unktem m inim alnego h a ła su emitowanego przez w entylator. Ze zm ianą wydajności ta k w k ieru n k u m niejszych, ja k również w k ieru n k u większych w artości poziom h a ła su rośnie. Z przebiegu krzywych widać, że w artość poziomu h a ła su w m niejszym stopniu niż spraw ność zależy od k sz ta łtu zastosowanej obudowy. N ajniższy poziom dźwięku w punkcie m aksym alnej spraw ności uzyskano dla obudowy (c).

(7)

0.9 -i

0.8

r

0.6

0.5

0.4 J 110

I ' 05 i 100

9 5 -

90 :

85 105

5 . 100 3 95

90

85

80 0.60

I I I

i B i 0

“ " I 1 A B ^{_ ,} ^| + | + + + + # 8 Ć

! ! + ł

t *

n - 1300 o b r/m in Dl / D 2 = ° ' 55 01= 2 3 ° . /32 = 3 5 °

ł

♦ t□

wirnik 3

A

f * + + 9 ł r

*++++ oftt dcwa

n o o o o oby d o w a

&&A64 o b i d c w o

♦ + o b i d c w a

I I I I I I I I I I I II I I II I I | I M I I IT Tl ł I ITT Tl I I I I I I M r r ITT"|

1.00 1.20 1.40 1.60

0.80

f / f

Rys. 2. Zależność poziomu dźwięku, mocy i sprawności od cp/cpn dla wirnika 3 w czterech obudowach

Fig. 2. Relationships between sound level, power, efficiency and <p/cpn for rotor 3 in fou housings

(8)

C echą charak tery sty czną wirników pracujących w obudowie (c) oprócz wy

sokiej spraw ności je s t niski stosunek cp/(p„ i wysoka liczba \\i. W pozostałych obudowach h ałas generowany przez w entylator przyjm uje wyższe wartości.

We w szystkich badanych obudowach zarówno większym, ja k i mniejszym wartościom <popt odpowiada w zrost poziomu mocy akustycznej. M inimum h ałasu przesuw a się w k ierun k u m niejszych wydajności. M aksymalnej spraw ności uzyskanej przez poszczególne modele odpowiada m inim um emito

wanego hałasu. W luźniejszej obudowie przepływ je s t dość równom ierny, a w ystępowanie przypadkowych im pulsów oddziałujących n a jego ch arak ter mniejsze. Dla niew ielkich w artości liczby wydajności <p dom inuje dźwięk emi

tow any ze stałych części w entylatora, podczas gdy h a ła s - będący wynikiem przepływ u płynu przez k an ały w irujące - przew aża dla wysokich cp. W wyniku wzajemnego oddziaływ ania obu źródeł w pobliżu otrzym uje się m inim um dźwięku [4],

Zm iana k sz ta łtu zarysu obudowy spiralnej wpływa również w znacznym stopniu n a w artość poziomu mocy akustycznej w częstotliwości przejścia ło

patki. Ilu stru ją to krzywe n a ry su n k u 3. N ajniższy poziom ciśnienia akustycz

nego pierwszej harm onicznej dla = (popt uzyskał w irnik 3 w obudowie (c).

W pozostałych obudowach poziom mocy akustycznej pierwszej harm onicznej w funkcji częstotliwości zm ienia się w sposób nieuporządkow any.

W ynika stąd, że n a poziom mocy w częstotliwości przejścia łopatki zarys obudowy spiralnej nie m a wyraźnego wpływu.

W artości tego poziomu dla różnych kształtów zarysu spirali odzwierciedla w ystępowanie rezonansu obudowy. C h arak tery sty k a częstotliwościowa pod

stawowego tonu łopatki (H = 1) pokazuje w praw ie regularny ch przedziałach w ystępowanie m aksym alnego rezonansu obudowy, czemu n a krzywej odpo

w iadają m aksim a poziomu ciśnienia akustycznego, z równocześnie w ystę

pującym i bardziej lub mniej silnym i m inim am i, których przebieg zależy od k sz ta łtu łopatki w irnika i od obudowy. Zwraca uwagę silnie tłum iący wpływ obudowy n a charakterystyk ę częstotliwościową w ystępującą w punkcie m ini

m alnego hałasu. Ponadto z diagram ów n a rys. 4 w ynika, że pomiędzy ch ara

k terystyk am i częstotliwości pierwszej, drugiej i następnych harm onicznych nie w ystępuje najm niejsza identyczność. N asuw a się przypuszczenie, że przy

czyny należy szukać w kształcie kanałów międzyłopatkowych, które w powią

zaniu z języczkiem i obudową w ielostronnie wpływają n a własności rezonan

sowe obudowy. Silne występowanie efektu rezonansu obudowy m a miejsce w całym zakresie wydajności w entylatora i znacznie rośnie z obrotam i. Na ry su n k u 4 pokazano charakterystyk i częstotliwościowe pierwszej harm onicz

nej otrzym ane dla w irn ika 3 badanego w obudowie (c). W yznaczony w ykład

n ik liczby M acha wynosi (3 = 2,4. Jego w artość w zależności od rodzaju obudowy w aha się od 2,4 do 2,7, czyli mieści się w granicach ustalonych na

(9)

Rys. 3. Poziom mocy akustycznej pierwszej harmonicznej w funkcji częstotliwości Fig. 3. Acoustics power level of first harmonic in function of frequency

(10)

Rys. 4. Przebieg pierwszej, drugiej i trzeciej harmonicznej Fig. 4. First, secound and third harmonie

drodze rozw ażań teoretycznych, tzn. że może zm ieniać się z d ru g ą potęgą (źródło monopolowe) aż do trzeciej (źródło dipolowe) liczby M acha.

Oddziaływanie obudowy jako źródła dodatkowych im pulsów akustycznych w w entylatorze promieniowym oraz zjawisko w ystępow ania rezonansu obudo

wy m ożna wytłumaczyć występowaniem w tórnych przepływów w obudowie.

O bszary wtórnego przepływu w pobliżu bocznych ścian obudowy, zmiany ciśnień i prędkości są w om awianym p rzypadku źródłam i generow ania im pul

sów akustycznych. Z kolei własności tłum iące obudowy m ożna tłum aczyć jako w ynik częściowej kom pensacji ciśnień akustycznych fali promieniowanej przez wypływ z w irnika z falą odbitą od ścian obudowy. J a k w ynika z przed

staw ionych badań, różnorodność im pulsów m ających wpływ n a poziom mocy akustycznej emitowanej przez w entylator nie pozwala w sposób jednoznaczny w skazać n a dom inujący wpływ jednego z nich. Dlatego w yniki uzyskane w dalszych badaniach będą stanow ić podstaw ę do jakościowego ujęcia zjawiska.

(11)

WNIOSKI KOŃCOWE

N a podstaw ie przeprowadzonych b ad ań stw ierdzono, że zgodnie z krzyw y

m i przedstaw ionym i n a rysunku 2 k sz ta łt zarysu obudowy spiralnej w nie

w ielkim stopniu wpływa na w artość poziomu mocy akustycznej generowanej przez w entylator. Wybór k ształtu obudowy spiralnej wg k w a d ra tu k o n stru ktorskiego praw ie zawsze gw arantuje oprócz m aksym alnej spraw ności m ini

m um hałasu.

Nieznaczne odstępstwa od optym alnych wym iarów obudowy wynikłych z obliczeń nie powodują wzrostu poziomu ciśnienia akustycznego w entylatora.

Zarys obudowy nie wpływa n a poziom mocy akustycznej generow anej przez w enty lator dla ip/cpn > 1. N atom iast rezonansow e w łasności obudowy sp iral

nej w entylatora promieniowego m ożna wykorzystać do obniżenia poziomu ciśnienia akustycznego w częstotliwości przejścia łopatki.

LITERATURA

[1] W szelaczyński A.: Modele wysokospraw nych w entylatorów prom ienio

wych, Przegląd Mechaniczny, 1968, 151.

[2] Prync-Skotniczny K.: Wpływ w ybranych p aram etró w konstrukcyjnych promieniowego w entylatora n a widmo em itow anej przezeń mocy ak u sty cznej, Praca doktorska AGH, Kraków 1981.

[3] Gniewek-Grzybczyk B.: B adanie h a ła su powstającego n a sk u tek nie

jednorodności strum ienia w w entylatorach promieniowych, Zesz. N auk.

AGH, 1981,136.

[4] Bommes L.: L ärm m inderung bei einem R ad ialven tilator kleiner Schnelläufigkeit unter besonderer B erücksichtigung von Zungenform, Z ungenabstand und Schaufelzahl, HLH, 1980, 31, 5, 173-179 Teil 1, 31, 6, 210-218 - Teil 2.

A b stra ct

The paper presents the influence of th e rad ial fan casing profile on the level of acoustic power generated by th e fan.

(12)

The influence of th e casing as a source of additional acoustic im pulses in th e rad ial fan and th e phenom enon of th e casing resonance m ay be explained as resu lts of secondary flows in th e casing. The secondary flow surfaces by the casing side walls and th e changes of pressu re and velocity g en erate acoustic im pulses. The dam ping properties of th e casing m ay be explained as a resu lt of th e p a rtia l com pensation of th e acoustic w ave rad ia te d by th e outflow from th e im peller by th e wave re tu rn in g from th e side of th e casing. The resu lts of tests carried out on th e casing profile show th a t, in accordance w ith curves illu strate d in figure 2, th e spiral casing profile h a s little influence on th e level of acoustic power generated by th e fan. The choice of th e sp iral casing profile by m eans of a construction squ are secures th e achievem ent of m axim al efficiency and m inim al noise. Slight changes of th e casing select dim ensions w hich are resu lts of calculations do n o t influence th e level of th e fan acoustic power. Also, for cp/cpn > 1 th e casing profile h a s no influence on th e acoustic power.