ДОСЛіДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТі ЗАСТОСУВАННЯ ДВОХРЯДНИХ ЛОПАТОК В ВЕНТИЛЯТОРі ВЕНТИЛЯЦіЙНОї УСТАНОВКИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Литература

1. Andrianov I.V., Awrejcewicz I., Diskovsky A.A. Optimal design of ring-stiffened shells. Fakta Universitatis. Series: Mechanics, 2007, vol. 6, (1), 75-80.

2. Andrianov I.V., Awrejcewicz I., Diskovsky A.A. Homogeniza-

tion of quasipeodic structures. Trans. ASME I. Vibr. Acoun-stics, 2006, vol. 128 (4), 532-534.

3. Bunichuk N.V. Introduction to Optimization of Structures.

Springer-Verlag, New Yourk, 1990.

УДК 621.515.2-226.2

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 ЗАСТОСУВАННЯ ДВОХРЯДНИХ ЛОПАТОК В ВЕНТИЛЯТОР1 ВЕНТИЛЯЦ1ЙНО1

нием жесткости основания по закону, совпадающему с изменением нагрузки. Для q = const действует только первый механизм, поскольку k = const уже является оптимальным. Для других видов нагрузки задействованы оба механизма, что приводит к значительно большему выигрышу. Интересно, что при таком основании, при любом виде нагрузки и любых граничных условий прогиб балки будет иметь одинаковый вид, представленный на рис. 1. Влияние нагрузки, граничных условий и соотношения жестокостей балки и основания выражается в законе изменения жесткости основания и в размерах граничных участков балки свободных от основания.

■а о

Представлены результаты экспериментального исследования применения двухрядных лопаточных венцов для повышения напора вентиляторов вентиляционных установок эжекторного типа

■о о

Вступ

Вентиляцшш установки являють собою сукупшсть спещального устаткування (вентиляторiв, повггрово-дiв, пилевiддiлячiв, тощо) об'еднаного в системи для

УСТАНОВКИ

здшснення повггрообмшу, створення дощльно оргаш-зованих i спрямованих повиряних потоюв у будинках, каналах, камерах або захисних кожухах енергетичних установок i апарапв. Вентиляцiйнi установки призна-ченi для використання з метою:

Ю.М. Терещенко

Доктор техычних наук, професор* Контактний ел.: 8-044-406-75-93

В. В. П а н \ н

Доктор техычних наук, професор* Контактний тел.: 8-044-406-70-96

С.Ю. Гуз

Науковий ствроб^ник* Контактний тел.: 8-044-406-70-58 *Кафедра авiацiйних двигунiв Нацiональний авiацiйний уыверситет пр-т Космонавта Комарова, 1 корп.1, к.1.112. м. КиТв, 03058

- оздоровлення умов пращ i створення необхщних передумов для тдвищення продуктивное^ роботи працiвникiв;

- попередження можливосп виникнення вибухоне-безпечних сумiшей повиря з iншими газами у результат можливого 1х витоку у виробничих примщеннях;

- забезпечення ефективно! роботи теплообмiнних апаратiв, у яких атмосферне повггря використовуеться як теплоносш;

- видалення пилу з тдлоги та iнших мшкодисперс-них частинок з повиря у виробничих примщеннях.

Вентиляцшш системи з великими секундними ви-тратами повiтря найчастiше використовуються в про-мисловiй практицi. У випадках, коли вентиляцшш установки працюють тривалий час, iнодi цiлодобово, питання тдвищення ефективносп та економiчностi 1х роботи стае особливого актуальним.

Осьовi вентилятори, якi застосовують у вентиля-цiйних установках, на вщмшу вiд вiдцентрових ма-ють бiльшi секунднi витрати повiтря, але, у випадках великого опору мереж^ виникае необхщшсть стис-нення в деюлькох ступенях. При цьому пiдвищуеться вартшть 1х виробництва, складнiсть експлуатацii, тощо.

Постановка задачi дослiдження

Вентиляцiйна система звичайного типу складаеть-ся з вентилятора, усмоктувального та нагштаючого повiтроводiв.

Усмоктувальний повировщ часто мае розгалужен-ня, що через систему перехiдникiв поеднуються в одну мережу, вздовж яко'1 повiтря надходить у вентилятор. При такш схемi витрата повiтря, що вентилюеться, обмежуеться можливостями вентилятора (його ви-тратною характеристикою).

У вентиляцшнш системi ежекторного типу в нагш-таючому повiтроводi передбачено встановлення ежекторного пристрою, в якому повиря, що надходить з вентилятора, змшуеться з повирям, що надходить з виробничих примщень через усмоктувальний повь тропровiд. Сумiш двох потокiв викидаеться в навко-лишне середовище через дифузор.

Таю системи спроможш забезпечити перемщен-ня бiльш великих об'емiв вентильованого повiтря нiж звичайш вентиляцiйнi системи, але вони ви-магають використання вiдцентрових вентиляторiв або бшьш високонапiрних осьових вентиляторiв. Це обумовлено тим, що отр мережi нагнiтання iстотно збiльшуеться у зв'язку з додатковими втратами на змшування потоюв повiтря в камерi змшування газового ежектора.

Коефiцiент збереження повного тиску в ежекторi визначався як

G2 п = —-

Gl'

о =

Рз

р*

де G2 - витрата повiтря, яке ежектуеться (напри-клад, iз промислових примiщень); G1 - витрата повь тря, що ежектуе (надходить вiд вентилятора).

Перепад статичних тисюв двох потокiв на входi в камеру змiшування визначався зпдно формули Р2

Р1

(3)

(1)

де р3 - повний тиск повiтря на виходi з камери змь шування; р^ - повний тиск повiтря, що ежектуеться, на входi в камеру змшування.

Коефiцiент ежекцii визначався за формулою:

де р2 - статичний тиск повiтря, що ежектуеться, на входi в камеру змiшування; р4 - статичний тиск повь тря, що ежектуе, на входi в камеру змшування.

Видно, що спроби збшьшити величину коефiцiента ежекцii призводять до штенсивного зменшення коефь щента збереження повного тиску.

З шшого боку, збiльшення перепаду статичних ти-скiв супроводжуеться збiльшенням коефiцiента збереження повного тиску, тобто втрати на змшування зменшуються. До того ж, змша параметрiв на входi в газовий ежектор iстотно впливае на його характеристики [1].

Таким чином, вентилятори у вентиляцшнш си-стемi з газовим ежектором повинш мати б^ьш високi натрш характеристики для забезпечення можливо-сп подолання опору не тiльки мереж^ але й опору викликаного наявшстю ежекторного пристрою. Тому вентилятор е визначальним елементом вентиляцш-ноi системи ежекторного типу, вщ характеристик яко-го, в значнiй мiрi, залежать показники всiеi системи. Отже, продуктившсть i тиск вентиляцiйноi установки будуть залежати не ильки вщ властивостей вентилятора i мережi, але i вiд характеристики газового ежектора. Шдвищення напiрностi та економiчностi осьових вентиляторiв можливо завдяки практичному застосуванню останшх досягнень в обласи аеро-газодинамiки.

Мета дослщження

Метою дослiдження е експериментальна перевiрка можливого пiдвищення напiрностi вентилятора вен-тиляцiйноi системи шляхом використання дворядних лопаткових вшщв.

Порiвняльний аналiз результаив експериментального дослщження вентиляторiв з однорядними та дворядними лопатковими вшцями

При проектуванш осьових вентиляторiв однiею з основних задач е усунення радiальних перетжань газу, особливо в осьових зазорах, тому що енерпя, що витрачаеться при цьому, не використовуеться для тдвищення тиску. Ця енерпя еквiвалентна втратам, що зменшують коефiцiент корисноi дп i величину на-пiрностi вентилятора.

Усунення радiальних перетiкань в осьових зазорах е достатньо непростим завданням через склад-шсть процесiв, що протжають в мiжлопаткових каналах. Щ процеси пов'язанi з рухом нестащонарного в'язкого газу.

Забезпечити радiальну урiвноваженiсть потоку газу в осьових зазорах ступеня можна шляхом вико-ристання закону постшно'1 циркуляцп при визначеннi кшематичних параметрiв вздовж висоти робочо'1 лопатки i направляючого апарата.

Вщомо [2,3], що ступiнь з постшною циркуляцieю характеризуеться незмiннiстю за радiусом перед i за робочим колесом осьово'1 швидкостi потоку вздовж висоти лопаток, що сприятливо позначаеться на коефь щент корисно'1 дil ступеня осьового вентилятора.

Ступшь з постшною циркулящею виконують за законом:

г ■ cu = const,

де си - колова складова абсолютно'! швидкосп потоку, г - поточний радiус.

Якщо ступiнь осьового вентилятора дозвуковий i не шнуе обмеження за числом Маха по ввдноснш швидкостiMw1 для робочого колеса на периферп, а для направляючого апарата - по абсолютнш швидкоси Mc1 у втулки, то одшею з основних проблем е забезпе-чення близького до розрахункового значення напору у втулкових перетинах робочих лопаток ступеня з постшною циркулящею.

Необхщшсть зб^ьшення напору у втулкових перетинах лопаток ступешв з постшною циркулящею через зменшення колово'1 швидкосп u, приводить до значного зб^ьшення закрутки потоку, що виникае в наслщок зростанням кута повороту потоку Др. В осьо-вих вентиляторних ступенях це приводить до зб^ь-шення коефiцiента дифузорностi D мiжлопаткових каналiв i спричинюе, у свою чергу, зб^ьшення втрат внаслщок вiдриву потоку.

Як показали результати дослщжень, при постш-них числах Рейнольдса Re i Маха M номшальний кут вiдхилення потоку практично залежить ильки вщ двох параметрiв: густини решiтки b/t i кута ви-ходу потоку р2. Це пояснюеться тим, що при заданих b/t i р2 та максимально припустимо'1 дифузорностi однозначно визначаеться кут входу потоку р1, а отже,

i Р2. [2]

Безвiдривноi течп газу при збiльшеннi кутiв повороту потоку можна досягти шляхом зб^ьшення густини решики b/t, а при великих кутах повороту потоку - застосуванням спещальних методiв запоб^ання вiдриву потоку.

Збiльшення густини решггок приводить до зб^ь-шення втрат ? [2], а також до зб^ьшення загально'1 маси i вартостi ?.

Велике закручення потоку у втулки значно змен-шуе ступiнь реактивносп ступеня р вентилятора i веде до нерiвномiрного навантаження ступеня вздовж висоти лопатки через введення обмеження за ступенем реактивность

Обмеження за ступенем реактивноси р<0 викли-кане збiльшенням кута вщносно! швидкостi р2>90° . Для збереження постшного напору у зв'язку з вве-денням обмеження за р2<90° необхiдно, вiдповiдно, зменшувати р1. Зменшення р1 при незмiнному куи повороту потоку, згiдно формули (4), призводить до зб^ьшення коефiцiента дифузорноси D через зменшення вщносно! швидкостi на виходi з лопаткового вшця W2.

D = 1 - W2+0,5b ¿WL, W1 t W/

де W1 - вiдносна швидкiсть на входi в лопатковий вiнець; ДWЦ - закрутка потоку за величиною вщносно! швидкость

Таким чином, обмеження кута вщносно! швидкостi на входi в решику не вирiшуe проблеми забезпечення безввдривного обтiкання кореневих перерiзiв. Задача ускладнюеться також особливостями вторинних течш потоку газу в мiжлопаткових каналах б^я втулкових перерiзiв, що несприятливо позначаеться на стшкост прикордонного шару.

Розв'язання задачi забезпечення безвiдривноi течii в кореневих перерiзах можливе при спiльному роз-глядi питань збiльшення густини решики b/ti засто-сування методiв керування обтжанням лопаткових вiнцiв.

Проблема зниження вторинних втрат, обумовле-них особливостями течп вдовж втулки, мае особливе значення для ступешв з постшною циркулящею.

Просторова течiя в'язкого газу в мiжлопаткових каналах осьового вентилятора супроводжуеться втра-тами вщ дп тертя в прикордонному шарi поблизу обме-жувальних поверхонь внаслiдок дп вихорiв в потоцi.

У роботах [3,4] доведено, що застосування дво-рядних вентиляторних решггок з осьовим i кроковим зсувом дозволяе забезпечити меншi профiльнi втрати i велик критичнi кути атаки в порiвняннi з одноряд-ними лопатками.

З метою розробки рекомендацш для забезпечення необхiдного вщхилення потоку в кореневих перетинах лопаткових вшщв i мiнiмiзацii втрат були проведет експериментальш дослiдження дозвукового вентиляторного ступеня з однорядними i дворядними лопат-ковими вiнцями.

Основна мета експериментальних дослщжень по-лягала у визначенш коефiцiентiв втрат £, i кута вихо-ду потоку Р2.

Крiм того, проводилися вимiри поля швидкостей i поля тисюв в осьовому зазорi i на виходi з спрямляю-чого апарату.

Ввдносний радiус визначався як ввдношення поточного радiуса г до середнього гср за формулою:

(5)

Коефвдент мiсцевих втрат повного тиску визначав-ся з виразу:

^ = 2(PI- p2i,j)

PU2 '

(6)

де р4 - повний тиск потоку перед лопаткою; р2^ -повний тиск за лопаткою на ьму радiусi в j-й точщ за кроком; и - швидюсть потоку на входi; р - густина повиря.

Розподiл коефiцiента адiабатичного напору вздовж радiуса за робочим колесом з дворядними i однорядними лопатками при розрахунковому коефвденп витра-ти ступеня с1а = 0,48 показаний на рис 1.

г

г

r - r

Рисунок 1. Розпод1л коефщ1ента ад1абатичного напору вздовж рад1уса за робочим колесом з дворядними 1 однорядними лопатками при розрахунковому коефщ1енл витрати ступеня е1а =0,48. 1- однорядн1; 2- дворядш лопатков1 в1нц1.

З представлених рисунюв видно, що ступшь осьо-вого вентилятора з дворядними лопатковими вшцями мае бшьш р1вном1рний розподш ад1абатичного напору вздовж висоти вшця при бшьш високих (до 40%) зна-ченнях у втулкових перер1зах.

Експериментальш характеристики ступешв з однорядними 1 дворядними лопатковими вшцями у вщносних параметрах зображеш на рис.2.

/ чх

/у \

\

2

J \

Рисунок 2. Експериментальш характеристики ступешв з однорядними i дворядними лопатковими вшцями: 1- однорядш; 2- дворядш лопатковi вiнцi

Висновки

Параметри оптимального осьового i крокового зсу-ву дворядних лопаток змшюються згiдно наведених стввщношень при умовi незмiнноi хорди вздовж висоти лопаткового вшця за законом:

f = iL

У)

f - 4h) + fx

Lf - fyh) + fy

де - осьовий зсув профш1в на 1-му рад1ус1; ^ -кроковий зсув профш1в на 1-му рад1ус1; гк - рад1ус кореневого перетину; Гн - рад1ус кшцевого перетину; ri - 1-й рад1ус.

У кореневих перетинах однорядних лопаткових вшщв спостер1гаеться набрякання прикордонного шару, що приводить до передчасного його вщриву на спинщ лопатки 1 з обмежуючо'1 поверхш у втулки.

У кореневих перетинах дворядно'1 лопатки забезпе-чуеться достатня штенсившсть струменя, що випли-вае з щшинного каналу, для здування прикордонного шару, який перет1кае з торцево'1 поверхш кореня лопатки на спинку другого ряду лопатки, запоб1гаючи тим самим його набрякання 1 вщрив.

Основна частка зниження втрат повного тиску 1 шдвищення аеродинам1чного навантаження приходиться на коренев1 перетини дворядних лопаткових вшщв, що сприятливо позначаеться на робот1 ступеня з постшною циркулящею.

Застосування дворядних лопаткових вшщв з опти-мальними параметрами вздовж рад1уса дозволяе шд-вищити ККД ступеня на 3...4% 1 збшьшити аеродина-м1чне навантаження на 9...11%.

Дослщжений закон профшювання лопаткових вшщв з використанням пасивних способ1в керування прикордонним шаром може бути рекомендований для профшювання ступеня осьового вентилятора з малим втулковими вщношенням для вентиляцшних установок ежекторного типу.

Лггература

На-

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.

ука, 1991. - 600 С.

2. Юрин А.В. Выбор основных параметров и расчет осево-

го многоступенчатого компрессора. -Куйбышев.: КАИ. - 1970. - 103 С.

3. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и

расчет авиационных лопаточных машин . -М.: Машиностроение, 1986. - 432 С.

4. Терещенко Ю.М. Аэродинамическое совершенствование

лопаточных аппаратов компрессоров. -М.: Машиностроение, 1989. - 240 С.

rn - r

k

k