Badania osłon wirnika i wyrzutni dachowej współpracujących z wirnikami promieniowymi

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 118

1993 Nr kol. 1221

Grzegorz BOKOTKO

Zakład U rządzeń Techniki Pow ietrza „Radwent”, Radom Stanisław FORTUNA

Akademia G órniczo-H utnicza, Kraków Zakład M aszyn i U rządzeń Energetycznych

BADANIA OSŁON WIRNIKA I WYRZUTNI DACHOWEJ WSPÓŁPRACUJĄCYCH Z WIRNIKAMI

PROMIENIOWYMI

S tr esz c z en ie . K onstrukcje w entylatorów dachowych coraz częściej współpracują z różnego rodzaju osłonam i i w y rzutniam i dachowymi.

Podyktowane to je s t koniecznością odpowiedniego zabezpieczenia w ir

nika przed wpływam i atm osferycznym i, skierow ania s tru g zanieczysz

czonych do wolnych p rzestrzen i atm osfery i obniżenia generowanego hałasu. W ymienione elem enty konstrukcyjne w pływ ają n a k sz ta łt cha

rakterystyki przepływowej i akustycznej w entylatora dachowego. W a r

tykule podjęto próbę odpowiedzi n a pytanie, ja k i k sz ta łt w irnika i wy

rzutni dachowej pozwala osiągnąć dostatecznie w ysoką spraw ność.

RESEARCHES OF IM PELLER CASINGS AND ROOF EXTRACT UNIT COOPERATING WITH CENTRIFUGAL IM PELLERS

Sum m ary. Roof fans cooperate m ore and m ore frequently w ith various casings and roof ex tract u n it w hich is caused by th e necessity to protect th e im peller ag ain st th e atm ospheric phenom ena, to direct the pollution to free p a rts of atm osphere an d to decrease th e noise generated. The above m entioned elem ents, w hen introducted into the structure, change th e flow and acoustic characteristics of a fan. The paper is an a tte m p t to answ er th e questions concerning th e shape of the impeller casing which would give satisfying efficiency an d to p resen t the perform ance of an im peller w hen cooperating w ith a roof extract u n it of a p articu lar aerodynam ic shape.

(2)

12 Grzegorz Bokotko, Stanisław Fortuna

UN TERSU CH UN G EN DE R ROTORSCHUTZHAUBEN U N D DES A U SP U F F S ZUSAM M ENARBEITENDEN MIT D E N RADIALRÄDERN

Z u sam m en fassu n g. Die D achventilatoren a rb eiten im m er öfter m it verschiedenen Schutzhauben u n d A uspuffeinrichtungen zusam m en, die vor den atm osphärischen E in b uß en schützen sollen, als auch zur Schallbekäm pfung dienen. Diese E lem ente beeinflußen die A kustische und S trö m u ng scharak teristik des D achventilators. Die A rbeit b eantw ortet die Frage, welche Form der o. e. E lem ente w eist die beste Effektivivät auf.

1. WPROWADZENIE

Rozpoznanie dzisiejszego rynku wentylatorowego w skazuje n a w zrost zain

teresow ania w entylatoram i dachowymi. Tendencje te w ynikają z szybkiego rozwoju m ałych inwestycji przemysłowych średniego biznesu, w których z ekonomicznego p u n k tu w idzenia sensowne je s t stosow anie sieci krótkich ba

zujących n a małych, pojedynczych, często dachowych w entylatorach, rezygnu

jąc tym sam ym z budow ania centralnych systemów wentylacyjnych. Zbudo

w anie m ałych instalacji opartych n a w entylatorach dachowych wydaje się być wygodne i najtańsze. O ferta polskiego przem ysłu w tym zakresie nie zabezpie

cza w pełni potrzeb. Fabryki dostrzegły możliwości zbytu tego typu maszyn.

Podjęły więc prace n a d unowocześnieniem w entylatorów dachowych. Chodzi tu głównie o powiększenie spiętrzeń, gdyż n a krótkiej sieci odciągowej istnieje coraz częściej konieczność zainstalow ania filtrów. Dalszym celem m oder

nizacji są: obniżenie h ałasu , zwiększenie niezawodności i żywotności z uwagi n a niekorzystne w arunki lokalizacji, uproszczenie technologii i obniżka ko

sztów produkcji z uw agi n a tworzący się ry n ek konkurencyjny.

W artyku le przedstaw iono b ad an ia m ające dać odpowiedź n a pytanie, ja k konstruow ać optym alne osłony zabezpieczające w irniki przed w arunkam i meteorologicznymi oraz w yrzutnie, których zadaniem je s t skierow anie powie

trz a do wolnej i najdalszej przestrzeni atm osferycznej. Obydwa elem enty konstrukcyjne oddziaływają n a p a ram etry przepływowe w entylatorów oraz generow any hałas.

(3)

Badania osłon wirnika i wyrzutni dachowej. 13

2. WPŁYW GAZU Z WIRNIKA DO W O LN EJ PRZESTRZENI

W w irniku w zrasta nie tylko ciśnienie statyczne, lecz również dynamiczne.

Gaz wypływa z w irn ika z prędkością znacznie w iększą od prędkości przed wirnikiem. Tory cząstek płynu idealnego są spiralam i logarytmicznym i.

W płynach rzeczywistych n a sk u tek m ieszania i nierów nom iem ości rozkła

dów prędkości m erydionalnych i obwodowych w przekrojach poprzecznych i podłużnych w irn ik a tory sta ją się innym i krzyw ym i przebiegającym i prze

strzennie. Dotychczas nie udało się ich opisać m atem atycznie. Dlatego do rozwiązania zagadnień przepływ u za w irnikiem należy w ykorzystać m etody eksperym entalne.

Na podstaw ie doświadczeń ustalono, że rozkłady prom ieniowych prędkości rzeczywistych są silnie zróżnicowane wzdłuż szerokości w irnika. W badaniach ITC [5] stwierdzono tuż za w irnikiem dw ugarbny profil prędkości, który w odległości 1,3 R2 od osi w irnika staje się profilem wypukłym . Przyjęto więc, że przepływ dopiero w tym m iejscu je s t urów nom ierniony. W sprężark ach za

Rys. 1. Profile prędkości promieniowych w przekroju podłużnym wirnika z osłoną krótką

„2” i bez osłony „1”

Fig. 1. Radial velocity profiles. Leugthwise sectich. 1 - rotor without casing, 2 - rotor with short casing

(4)

dostateczną odległość do w yrów nania stru m ien i przyjm uje się R = (1,12 - 1,2).

R2 [6], a więc m niejszą, co podyktowane je s t koniecznością zachow ania zaw ar

tości konstrukcji. Z powyższych uw ag m ożna wywnioskować, że optym alną odległością w yrów nania strum ien i za w irnikiem w entylatorow ym będzie pro

m ień R = 1,3 R2 i w tym miejscu powinno się usytuować walcowy pierścień osłony ustaw iony równolegle do kraw ędzi spływu łopatek. Ze względu na dw ugarbny profil prędkości powstaje wątpliwość, czy długość walcowej części osłony pow inna objąć jeden wierzchołek profilu, te n przy tarczy nośnej, czy całą szerokość w irnika, a tym sam ym obydwa wierzchołki profilu prędkości.

Je śli osłona będzie krótka, spowoduje zniszczenie g arbu „t” n a krzywej 1 oraz w zrost prędkości w wierzchołku „p” n a krzywej 2, ja k to przedstaw iono na ry sun ku 1. Pojawienie się n a profilu większego g rad ien tu prędkości powoduje zwiększenie s tra ty m ieszania i obniżenie sprawności.

Oddziaływanie osłony wydłużonej może być korzystniejsze, gdyż powoduje zniwelowanie obu wierzchołków n a profilu, a więc wyrów nanie prędkości, przez co zm niejszają się s tra ty energii n a m ieszanie i podwyższy sprawność w entylatora. Wobec b rak u podstaw teoretycznych opisujących om aw iane zja

w iska podjęto badania eksperym entalne osłon i w yrzutni w celu zweryfikowa

n ia podstawowej hipotezy.

3. PRZEDSTAWIENIE ZAKRESU BADAŃ

B adania polegały n a wyznaczeniu ch arak terystyk i przepływowej i przybli

żonej charakterystyki akustycznej w entylatora W DP z dwoma osłonami oraz w entylatora WDPO z w yrzu tn ią i bez n iej.

W irnik promieniowy WDP je s t n ak ry ty p ły tą okrągłą n a końcach zakrzy

w ioną i przechodzącą w powierzchnię walcową o różnej długości. Je d n a dłu

gość osłony wynosi 175 mm i tę osłonę nazw ano długą, oznaczając przez „dł”, a w drugiej osłonie zwanej k ró tk ą „kr” długość powierzchni cylindrycznej wynosiła tylko 80 mm. Średnica powierzchni walcowych w obu przypadkach wynosiła 994 mm. Odległość pomiędzy kraw ędzią spływu łopatki w irnika a osłoną była rów na praw ie 200 mm.

N a ry su nk u 2 przedstaw iono schem at konstrukcyjny w entylatora WDP z dwoma rodzajam i osłon. Osłony k ieru ją strug i gazu wypływającego z w irnika ku powierzchni dachowej. Odpowiednio duże oddalenie w entylatora uzyskane dzięki zastosow aniu podstaw y dachowej nie powoduje praw ie żadnych s tra t uderzenia o powierzchnię. S tra ty w osłonach zachodzą n ato m ia st n a skutek zm iany k ieru nk u przepływu stru g oraz ich wzajemnego m ieszania.

(5)

Badania osłon wirnika i wyrzutni dachowej.. 15

W D P

Rys. 2. Schemat konstrukcyjny wentylatora WDP z dwoma rodzajami osłon wirnika Fig. 2. WDP fan scheme with two kinds of rotor casings

W irnik WDPO 31,5 badano z w y rzu tn ią dachową, której schem at aerodyna

miczny przedstaw iono n a ry su n k u 3, oraz bez tej w yrzutni. Z porów nania wyników bad ań uzyskuje się dane o w alorach w yrzutni. Obydwa w entylatory zaprojektowano tak , aby ich w skaźniki szybkobieżności nie pokryw ały się ze wskaźnikam i ju ż produkow anych w entylatorów .

Pom iary wykonano zgodnie z odpowiednimi norm am i [1], [2], [3] n a stano wisku z rurociągiem pomiarowym n a ssan iu wyposażonym w dyszę ISA.

(6)

W I R N I K

W P D O

Fig. 3. WDPO 31,5 scheme connected w ith extract unit

4. OBLICZENIE CHARAKTERYSTYKI

W w entylatorach, które nie m ają obudowy, ch arak tery sty k ę spiętrzeniow ą oblicza się n a podstaw ie ciśnień statycznych n a ssaniu. To podejście przyjęto również dla przypadków , kiedy za w irnikiem znajdują się osłony lub w yrzut

nie, gdyż w przypadku ich w ystępow ania tru d n o je s t precyzyjnie określić prędkość gazu w przekroju za m aszyną.

Tok obliczeń charakterystyk i wykonuje się n a podstaw ie następujących wzorów:

A2 = oo c2 = 0 Pc2 = Pb

( 1)

Aj ^ O

Cj * O

Pel = Pb - h s • Pcm • g + 0,5 • P • c\

(2)

(7)

APC = Pb - Pb + h s • pcm • g - 0,5 • p ej2 (3)

Przyjm ujem y, że c, = 0, wówczas spiętrzenie w entylatora wynosi:

A P C — A P st — h s ' Pcm ' § (4)

W ydajność obliczono ze wzoru:

V = C ■VAh/p! (5)

Sprawność w entylatora była równa:

h i — h w — A p st ' V / N , (6)

gdzie:

c - prędkość powietrza, C - s ta ła dyszy,

A - pola przekrojów,

Nw - moc n a wale równa mocy wewnętrznej (mierzona dynamometrem), Ah - wysokość ciśnienia różnicowego n a dyszy,

p - gęstość cieczy m anom etrycznej lub powietrza.

Indeksy

c - całkowite, st - statyczne,

1,2 - dotyczy przekroju przed i za m aszyną.

5. OMÓWIENIE OTRZYMANYCH WYNIKÓW I WNIOSKI

W yniki doświadczeń przedstaw iono graficznie n a w ykresach. Na ry su n kach 4, 5, 6 w ykresy dotyczą w entylatora WDP i obejm ują charakterystykę przepływową i akustyczną. W entylator z osłoną długą uzyskuje wyższe spraw ności i niższy hałas. Inne param etry i optym alne w skaźniki pracy zestawiono w tabeli 1. W idm a akustyczne dla obydwu rodzajów osłon są do siebie bardzo podobne.

(8)

Rys. 4. Wyniki badań wpływu rodzaju osłony na osiągi przepływowe wirnika WDP Fig. 4. Influence of kind of casing on WDP rotor flow performances

W yniki b adań drugiego w en ty lato ra WPDO 31,5 zaw ierają w ykresy n a rysu nkach 7, 8, 9. W yrzutnia obniża spraw ność i h ałas. W artości liczbowe param etrów optym alnych umieszczono w tab eli 1.

Z przeprowadzonych badań m ożna w ysnuć następ ujące wnioski:

- z porów nania dwóch rodzajów osłon powodujących kierow anie gazu ku powierzchni dachowej lepsze p a ra m etry uzyskuje się dla osłony długiej.

Dotyczy to zarówno param etrów przepływowych, ja k i akustycznych. Wy-

(9)

Rys. 5. Poziom ciśnienia akustycznego i dźwięku wyznaczone dla obydwu rodzajów osłon Fig. 5. Acoustic pressure and sound level for two kinds of cassing

f N

Rys. 6. Widmo akustyczne w okolicach punktu optymalnego określone przy różnych osłonach Fig. 6. Acousstic spectrum near optimum point for different casings

(10)

Nw

[kw]

? w

AP

[Pa]

Rys. 7. Porównanie

Fig. 7. Comparison of WPDO 31,5 rotor flow performances cooperating with and without extract unit

niki u z asad n iają sens stosow ania osłony długiej, gdyż pozw ala ona osiąg

nąć oszczędność energii do napędu o około 7 punktów sprawności;

- stosow anie za w irnikiem w entylatora dachowego w yrzutni o konstrukcji pokazanej n a ry su n k u 3 powoduje spodziewane obniżenie spraw ności o 6 punktów i nieznaczne obniżenie hałasu. Je d n a k z uw agi n a kierow anie stru m ien ia wydmuchowego do nieskończonej p rzestrzen i istnieje w pełni uzasadnione jej stosowanie;

- widmo h a ła su nie zm ienia się w sposób isto tny przy stosow aniu osłon i w yrzutni za w irnikiem promieniowym w stosu nku do h a ła su samego w ir

nika, co potw ierdza przypuszczenie o dom inacji tzw. h a ła su w irow ania pochodzącego od przecinania stru m ien ia n a tulejach wsporczych silnika n ad pozostałymi rodzajam i generowanego dźwięku.

WPDO 31,5

osiągów w irnika WPDO 31,5 współpracującego z w yrzutnią i bez wy

rzutni

(11)

L

98

[ < 6 92 90

88

86

84 82 80 78

0 0,5 1,0 1,5 2,0

V [ m 3/ S]

Rys. 8. Poziom ciśnienia i dźwięku wirnika WPDO 31,5 w dwóch układach konstrukcyjnych Fig. 8. Pressure and sound level of WPDO 31,5 rotor in two constructional systems

T ab ela 1 Z e sta w ie n ie p a ra m etró w p r z e p ły w o w y c h i a k u sty czn y ch

b a d a n y ch w e n ty la to r ó w W DP i WPDO 31,5

Lp. Nazwa param etru WDP WPDO 31,5

„dl” »kr” wyrzutnią bez

1. Wydajność V [m3/s] 3,52 3,5 1,3 1,55

2. Spiętrzenie stat. AP [Pa] 635 605 530 540

3. Sprawność t)st [-1 0,675 0,60 64,0 70,0

4. Moc na wale Nw [kW] 3,47 3,58 1,12 1,2

5. Poziom ciśnienia L [dB] 104 108 86 87

6. Poziom dźwięku La [dBA] 86 88 83,5 84,5

7. Wskaźnik szybkobież. a 0,86 0,858 0,59 0,64

8. Liczba wydajności ip 0,27 - 0,18 -

9. Liczba ciśnienia y 0,49 - 0,65 -

(12)

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 f M

Rys. 9. Widmo akustyczne wirnika WPDO 31,5 pracującego w obydwu układach konstru

kcyjnych

Fig. 9. Acoustic spectrum of WPDO 31,5 rotor working in two constructional systems

LITERATURA

[1] PN—65/M—53950. Pom iar za pomocą zwężek natężenia przepływu płynów.

[2] PN/M -43010. Projekt normy. Pom iar ch arak tery sty k n a stoiskach.

[3] PN -72/M -43120. W entylatory. M etody pom iaru hałasu.

[4] F a n Terminology. E urovent 1/1 1985.

[5] Kuczewski S.: W entylatory. WNT, W arszaw a 1978.

[6] S entek J.: Promieniowe m aszyny przepływowe. S k ry p t AGH, Kraków 1972.

[7] F o rtu n a S.: Ćwiczenia laboratoryjne z w entylatorów i sprężarek. Skrypt AGH (w druku)

[8] F o rtu n a S. inni: Przeprow adzenie pom iarów przepływowych i akustycz

nych w entylatora WDP. P raca nie publ. Z akład M aszyn i U rządzeń Energetycznych AGH, Kraków 1993.

[9] F o rtu n a S.: Przeprow adzenie b a d a ń przepływ ow ych i akustycznych w en ty lato ra WPDO 31,5. P raca w łasna, nie publ. Kraków 1993.

(13)

A b stra ct

Roof fans stru ctu res cooperate w ith various types of casings an d roof ex tract u n its more frequently th a n before. This is caused by th e necessity of protecting th e im peller ag ain st th e atm ospheric phenomena, to direct the pollution to free p a rts of th e atm osphere and to decrease noise generation.

The above m entioned elem ents, when introduced into the stru cture, change th e flow and acoustic characteristics of a fan. This paper is an attem p to determ ine the m ost adequate shape of th e im peller and roof extract u n it to achieve considerably efficient performance.

The resu lts of experim ents entail th e following conclusions:

- A fter com paring two types of casing directing th e gas to th e roof surface, b e tte r p aram eters w ere achieved for a long casing, w ith regard to both flow and acoustic param eters. Therefore th e application of a long casing m akes it possible to save th e energy drive up to 7 points of energetic efficiency.

- The application of th e roof ex tract u n it illu stra te d in figure 3, placed behind th e fan im peller, causes th e expected decrease of efficiency by 6 points w hereas th e noise generated is decreased only slightly. B u t because th e stream of pollution is directed far into outer space, the use of such u n its is relevant.