При всех равных показателях по сравнению с крыльчатками обычного типа: объемом расхода воздуха, создаваемое статистическое давление, потребляемая мощность крыльчатка с обечайкой имеет ряд преимуществ:
1. при установке на автомобили исключается установка уплотнителя кожуха, обечайки вентилятора, кронштейнов крепления, что позволяет значительно упростить сборку узла, облегчить проведение ремонтных работ.
2. исключение установки уплотнителя, позволяет решить такую проблему как, сход и попадание уплотнителя под крыльчатку, что приводит к разрушению крыльчатки, а в отдельных случаях и к повреждению радиатора и большим материальным потерям. В тоже время наличие обечайки на крыльчатке и малый зазор между предлагаемым нами в комплекте кожухом радиатора не позволяет попадать в зону вращения лопастей мелких инородных предметов.
3. крыльчатка с кольцевым дефлектором (обечайкой) обладает более высокой прочностью на разрыв (в 2 раза), что немаловажно при попадании инородного предмета.
4. за счет перераспределения воздушных потоков в зоне обдува создается разрежение, что позволяет повысить КПД вентилятора и увеличить эффективность всасывания воздуха, устранить «мертвые зоны» на радиаторе.
В комплекте к крыльчатке с обечайкой предлагается также пластмассовый кожух радиатора. Который создает минимальный зазор для повышения КПД, снижает шумность и устанавливается на штатное место.
Об эффективной работе вентиляторов в системах вентиляции
Т. С. Соломахова, доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник филиала ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского
3.2. Входные коробки
Используют входные коробки различных очертаний. Обычно они имеют входное сечение в виде прямоугольника, а выходное – в виде круга (рис. 3в). Особенно часто входные коробки применяют в установках с вентиляторами двустороннего всасывания, когда воздух в вентилятор подводится от общей сети через специальный тройник.
Характерны следующие основные геометрические параметры коробок: отношение площадей прямоугольного входного сечения коробки F1 и минимального сечения F0 входного патрубка – i = F1 / F0; отношение m/n сторон прямоугольного входного сечения коробки; форма меридианального сечения коробки.
В результате исследований установлено [3, 9], что в коробке должно осуществляться конфузорное течение и оптимальные значения отношения площадей должны находиться в диапазоне i = 2–3. Уменьшение входного сечения коробки (i 2 существенно не улучшает характеристики, а часто и несколько ухудшает их, т. к. в очень просторных коробках возникает интенсивное вихревое течение, способствующее увеличению потерь давления. Такое вихревое течение распространяется во входной патрубок и приводит к закручиванию потока перед входом в рабочее колесо в направлении его вращения. При этом в соответствии с уравнением Эйлера происходит уменьшение теоретического давления вентилятора.
Потери давления в коробке зависят также от отношения сторон прямоугольного входного сечения. При очень вытянутом входном сечении (m/n > 5) происходит большая перестройка потока в коробке перед входом в вентилятор, что увеличивает эти потери. По данным систематических исследований установлены [3, 9] оптимальные значения отношения m/n = 2–3.
Уменьшению потерь в коробке способствует также наличие скоса внешней (противоположной входному сечению вентилятора) стенки коробки (рис. 3в). Применение такой коробки со скосом, по сравнению с коробкой с плоской внеш-ней стенкой, позволяет увеличить КПД вентилятора на 2–3 % и исключить пульсацию потока в вентиляторе, обусловленную наличием вихревой зоны в коробке без скоса. Коэффициент потерь давления таких коробок становится близким к минимально возможным значениям z = 0,25–0,3. Наличие скоса также позволяет укоротить вал и уменьшить расстояние между опорными подшипниками двусторонних вентиляторов, что повышает надежность их работы.
На рис. 6 приведены аэродинамические характеристики высокорасходного радиального вентилятора при различных положениях коробки. Оптимальными для этого вентилятора и вентиляторов других типов являются углы a = 0 и a = 90°. В связи с этим входную коробку обычно устанавливают так, чтобы ее входное сечение было обращено в сторону, противоположную выходному сечению корпуса.
Аэродинамические характеристики высокорасходного радиального вентилятора с входной коробкой по данным работы [3]
Сравнение характеристик, приведенных на рис. 5 и 6, показывает, что входная коробка искажает исходную характеристику вентилятора практически так же, как и составное колено, но при этом занимает гораздо меньше места. Коэффициенты сопротивления z составного колена и аналогичной входной коробки являются близкими.
3.3. Щелевые патрубки
Вентиляционные воздуховоды имеют обычно прямоугольные поперечные сечения с отношением сторон m/n ≥ 2. При соединении их с вентиляторами возникает необходимость в установке специальных патрубков, осуществляющих переход от прямоугольного сечения к круглому сечению (рис. 3г). Такие переходные патрубки применяют также в некоторых промышленных установках при отсосе воздуха через узкие щелевые каналы, при этом отношение сторон прямоугольного сечения патрубка может достигать очень больших значений.
Целесообразно проектировать переходники следующим образом: сначала осуществить переход от прямоугольного сечения к квадратному на длине, равной удвоенной стороне квадрата; затем – переход от квадратного сечения к круглому на длине в один калибр. При этом очень важно, чтобы площади прямоугольного, квадратного и круглого сечений имели одинаковую величину. Коэффициент сопротивления такого переходника z ≈ 0,1. Положение прямо-угольного сечения щелевого патрубка относительно выходного сечения корпуса в диапазоне значений отношения m/n = 2–4 практически не влияет на аэродинамическую характеристику вентилятора. Мощность, потребляемая вентилятором, также остается неизменной. Это значит, что наличие такого патрубка не нарушает работу колеса.
Резкое ухудшение характеристик вентилятора происходит при уменьшении площади F1 входного прямоугольного сечения патрубка (рис. 7). При испытаниях уменьшение площади F1 происходило путем уменьшения меньшей стороны n прямоугольника и увеличения степени вытянутости m/n входного сечения. В этом случае переходник является диффузором с очень большим углом раскрытия и с большим сопротивлением. Приведенные на рис. 7 характеристики вентилятора с такими патрубками подтверждают высказанное ранее утверждение о недопустимости установки перед вентилятором воздуховодов с площадью поперечного сечения меньшей, чем площадь входного сечения вентилятора.
Аэродинамические характеристики высокорасходного радиального вентилятора с щелевым патрубком на входе по данным работы [3]
На рис. 8 приведены экспериментальные кривые потерь давления Dy в щелевых патрубках, полученные как разность между значениями коэффициентов давления при свободном входе и при установленном щелевом патрубке. Эти кривые, обозначенные сплошными линиями, аппроксимированы квадратичными параболами, указанными пунктиром. Установлены коэффициенты сопротивления этих патрубков. С увеличением степени диффузорности F0 / F1 переходника с 1 до 11 коэффициент сопротивления z увеличивается с 0,5 до 140. Следует заметить, что значения коэффициента z при F0 / F1 ≤ 3 соответствуют значениям коэффициента сопротивления для таких же патрубков, приведенным в справочнике [8].
Потери давления в щелевом патрубке при различной степени диффузорности: 1 – эксперимент; 2 – расчет
Аналогичные результаты были получены для традиционных диффузоров круглого сечения с небольшими значениями угла расширения и степени диффузорности [5]. Для оценки снижения кривых давления вентилятора с такими установленными перед входом диффузорами могут быть использованы потери давления в этих диффузорах, рассчитанные по данным работы [8], увеличенные на ≈10 %.
4. Влияние выходных элементов
Для сопряжения вентиляторов с нагнетательной сетью, а также для снижения потерь динамического давления при отсутствии нагнетательной сети используют выходные элементы, устанавливаемые непосредственно за выходным сечением вентилятора. В качестве выходных элементов применяют (рис. 9) диффузоры: плоские (симметричные и несимметричные), пирамидальные, ступенчатые – за радиальным вентилятором; конические, кольцевые, ступенчатые – за осевым вентилятором, а также изогнутые отводы различной конфигурации.
Как правило, выходные элементы не оказывают обратного влияния на работу вентилятора и поэтому его характеристика не изменяется. Однако поле скоростей в выходном сечении вентиляторов не является равномерным. Поэтому при оценке потерь давления в этих элементах, примыкающих непосредственно к выходному сечению, необходимо величину коэффициента сопротивления, взятую из справочника [8], увеличивать на 10–40 %.
Отводы за вентилятором (рис. 9а) предназначены для плавного поворота потока на 90°. При радиусе поворотного участка R ≈ Dг и сохранении площади поперечного сечения вдоль его длины коэффициент сопротивления отвода z ≈ 0,2–0,3. Для уменьшения потерь давления в отводе [5] целесообразно его расположить за диффузором (рис. 9б), установленным за выходным сечением вентилятора. Наиболее сложно оценить влияние диффузоров (рис. 9в, г, д) на аэродинамическую характеристику вентилятора ввиду их большого разнообразия и зависимости от условий входа в диффузор.
Вентиляторы с выходными элементами: a) радиальный вентилятор c изогнутым отводом; б) радиальный вентилятор с диффузором и изогнутым отводом; в) радиальный вентилятор со ступенчатым диффузором; г) радиальный вентилятор с пирамидальным диффузором; д) осевой вентилятор с кольцевым диффузором
4.1. Диффузоры за радиальным вентилятором
Особенностью диффузоров, устанавливаемых на выходе из спирального корпуса, является неравномерное и несимметричное поле скоростей в выходном сечении вентиляторов, причем степень неравномерности зависит от типа вентилятора и режима его работы. Результаты исследования потерь давления в таких диффузорах для радиальных вентиляторов с загнутыми вперед лопатками колеса даны в работе [3]. Коэффициент сопротивления диффузора z вычисляли по формуле:
, (6)
где c – 2 = c2 / u2 – относительная среднерасходная скорость в выходном сечении вентилятора.
Были исследованы плоский, пирамидальный (рис. 9г) и ступенчатый (рис. 9в) диффузоры с различными углами наклона плоских стенок. Установлено, что при степени диффузорности n = 2–3 оптимальными являются симметричный диффузор с углом раскрытия g = 20° (рис. 10б) и несимметричный диффузор, у которого одна стенка является продолжением обечайки корпуса, а другая отклонена в сторону колеса на угол не более 20° (рис. 10а). При степени диффузорности n > 2 и ограниченной длине диффузора целесообразно, как и в случае изолированных диффузоров, применять ступенчатый диффузор (рис. 9в).
В диффузорах с меньшими углами раскрытия потери давления с достаточной точностью могут быть рассчитаны по данным, полученным для изолированных диффузоров при степени неравномерности поля скоростей в их входном сечении cмакс / cср = 1,1.
Коэффициент сопротивления z для плоских диффузоров, установленных за радиальным вентилятором, с различными углами наклона стенок по данным работы [3]
4.2. Диффузоры за осевым вентилятором
Осевые вентиляторы относятся к классу высокорасходных низконапорных машин, у которых доля динамического давления в полном давлении значительна во всей области рабочих режимов. Большая величина динамического давления связана с тем, что в большинстве случаев среднерас-ходную скорость при выходе из вентилятора считают по кольцевому выходному сечению. Поэтому рациональное проектирование выходных элементов за осевыми вентиляторами является очень важным. Рекомендации оптимальных компоновок осевого вентилятора с различными выходными элементами приведены в работах [4, 5].
Наиболее распространенными в системах вентиляции являются прямой конический и кольцевой диффузоры. Кольцевой диффузор (рис. 9д) отличается от конического наличием внутренней цилиндрической или конической поверхности и устанавливается обычно при отсутствии нагнетательной сети. По данным работы [5] коэффициент сопротивления конических диффузоров z = 0,3–0,6. Сопротивление кольцевых диффузоров несколько меньше.
У осевых вентиляторов в выходном сечении возникает закрученное течение, особенно значительное при отсутствии спрямляющего аппарата за рабочим колесом. Исследованию закрученных потоков в кольцевых диффузорах посвящена работа [7]. Испытания проводились на специальной установке, закрутка потока в начальном сечении диффузора I-I создавалась с помощью специальной решетки. Определялись параметры течения в сечении II-II при выходе из диффузора и потери давления в нем.
Коэффициент сопротивления z и угол a 2 закрутки потока для цилиндрического кольцевого канала 2 и кольцевого диффузора 1
5. Влияние экранов
Когда вентилятор имеет свободное от сети входное или выходное сечение, то для нормальной работы вентилятора необходимо, чтобы вблизи его свободного сечения не находилось какое-либо оборудование или преграда. Если вблизи этого сечения располагается стенка или какой-либо агрегат, то необходимо учитывать влияние этого загромождения на характеристику вентилятора.
На рис. 12а дана также зависимость z (h – ) из работы [8], полученная при определении потерь давления входного участка воздуховода с экраном перед входом. В этом случае коэффициент потерь значительно меньше. Можно полагать, что при испытаниях вентилятора с экраном суммарные потери давления включают как потери давления в самом входном элементе, так и в вентиляторе. Дополнительные потери давления в вентиляторе связаны с нарушением равномерности потока в его входном сечении при близко расположенном экране большого размера.
Аналогичные испытания проводились при установке экранов разного размера вблизи выходного отверстия этого же вентилятора. Следует отметить, что существует оптимальное расстояние h – ≈ 1, при котором происходит даже некоторое улучшение характеристики вентилятора за счет выравнивания поля скоростей в его выходном сечении. При большом расстоянии (h – > 1,0) до экрана его влияние на характеристики вентилятора практически не сказывается. При близком расположении экрана к выходному сечению, практически при h – z (h – ) практически совпадает с аналогичной зависимостью, полученной при испытаниях воздуховода с экраном [8] и приведенной также на рис. 12б.
Коэффициент сопротивления z э входного (а) и выходного (б) каналов с плоскими экранами разных размеров
Заключение
Эффективность вентиляторов, встроенных в вентиляционную систему, зависит от их правильной компоновки в сети. Вентиляторы будут обеспечивать параметры, приведенные в технической документации, если их компоновка в сети соответствует условиям проведения их аэродинамических испытаний на стендах. Если возникает необходимость установки непосредственно перед входным или за выходным сечениями вентилятора диффузоров, поворотных участков, экранов и других переходных эле-ментов, то необходимо корректировать его аэродинамические характеристики путем снижения кривых давления и КПД. Ухудшение характеристик связано с нарушением равномерности потока при входе в вентилятор и деформацией потока в его выходном сечении.
Литература
1. ISO 5801. Industrial fans. Performance testing using standardized airways.
2. ГОСТ 10921–90. «Вентиляторы радиальные и осевые. Методы аэродинамических испытаний».
3. Центробежные вентиляторы / Под ред. Т. С. Соломаховой. – М. : Машиностроение, 1975.
4. Брусиловский И. В. Аэродинамика и акустика осевых вентиляторов // Труды ЦАГИ. – Вып. 2650. – М. : Изд. отд. ЦАГИ, 2004.
5. Рекомендации по расчету гидравлических сопротивлений сложных элементов систем вентиляции. – М. : Стройиздат, 1981.
6. Дейч М. Е., Зарянкин А. Б. Газодинамика диффузоров и выхлоп-ных патрубков турбомашин. – М. : Энергия, 1970.
7. Довжик С. А., Картавенко В. М. Экспериментальное исследование влияния закрутки потока на эффективность кольцевых каналов и выходных патрубков осевых турбомашин // Промышленная аэродинамика. – Вып. 31. – М. : Машиностроение, 1974.
8. Идельчик И. В. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М. : Машиностроение, 1975.
9. Чебышева К. В., Соломахова Т. С. Влияние входных элементов центробежных вентиляторов на их аэродинамические характеристики // Промышленная аэродинамика. – Вып. 31. – М. : Машиностроение, 1974.
Поделиться статьей в социальных сетях:
Все иллюстрации приобретены на фотобанке Depositphotos или предоставлены авторами публикаций.
Диффузор с подвижной обечайкой вентилятора охлаждения двигателя
Задачей заявляемой полезной модели является улучшение условий формирования воздушного потока и создание необходимого динамического давления воздуха при охлаждении двигателя за счет создания равномерного минимизированного радиального зазора между вентилятором и обечайкой, что увеличивает эффективность работы вентилятора, а значит экономичность работы двигателя.
Технический результат достигается за счет того, что для крепления обечайки к диффузору введен восьмиугольный фланец, жестко прикрепленный к обечайке посредством сварного соединения и снабженный восемью продольными прямоугольными пазами, а диффузор снабжен восемью поперечными прямоугольными пазами, в результате чего обечайка крепится к диффузору болтовым соединением, обеспечивающим ее подвижность и возможность регулировки радиального зазора между лопастями вентилятора и внутренней поверхностью обечайки с учетом усадки амортизаторов двигателя и амортизаторов блока радиаторов и, тем самым, препятствует увеличению непроизводительного расхода воздуха.
Известны диффузоры с обечайками, предназначенные для размещения вентиляторов охлаждения двигателей внутреннего сгорания перед радиатором двигателя; при этом обечайка закреплена на двигателе комбайна «Acros-530» [1]. Недостатком такого конструктивного исполнения является необходимость установки между диффузором радиатора и обечайкой эластичного уплотнения, обеспечивающего герметичность их соединения.
Известны диффузоры с обечайками для размещения вентиляторов охлаждения двигателей внутреннего сгорания, закрепленными на радиаторе; при этом вентилятор закреплен на диффузоре, что обеспечивает минимальное осевое расстояние между вентилятором и радиатором, минимальный радиальный зазор между вентилятором и обечайкой и исключает необходимость установки эластичного уплотнения между диффузором радиатора и обечайкой, а обечайка закреплена на радиаторе комбайна «Torum-740» [2]. Недостатком подобной конструкции является наличие громоздкой ременной передачи, состоящей из шкивов, натяжного устройства, опор и кронштейнов, ступицы, подшипников и других конструктивных элементов, что существенно увеличивает ее габариты, металлоемкость и стоимость.
Наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемой полезной модели является диффузор комбайна «Acros-560» [3], представляющий собой диффузор с обечайкой вентилятора охлаждения двигателя внутреннего сгорания, жестко закрепленный на радиаторе двигателя, а обечайка жестко связана с диффузором (приварена к нему). Эта конструкция обеспечивает минимальное осевое расстояние между вентилятором и радиатором и исключает необходимость установки эластичного уплотнения между диффузором радиатора и обечайкой. Недостатком конструкции является относительно большой радиальный зазор между лопастями вентилятора и внутренней поверхностью обечайки, выбираемый из условия возможной усадки амортизаторов подвески двигателя и амортизаторов блока радиаторов, что приводит к ослаблению создаваемого вентилятором потока воздуха, охлаждающего двигатель.
Технический результат достигается за счет того, что для крепления обечайки к диффузору введен восьмиугольный фланец, жестко прикрепленный к обечайке посредством сварного соединения и снабженный восемью продольными прямоугольными пазами, а диффузор снабжен восемью поперечными прямоугольными пазами, в результате чего обечайка крепится к диффузору болтовым соединением, обеспечивающим ее подвижность и возможность регулировки радиального зазора между лопастями вентилятора и внутренней поверхностью обечайки с учетом усадки амортизаторов двигателя и амортизаторов блока радиаторов и, тем самым, препятствует увеличению непроизводительного расхода воздуха.
Конструкция заявляемой полезной модели иллюстрируется чертежами:
Диффузор 2 с обечайкой 4 (в конструкции ближайшего аналога), для размещения вентилятора 3 охлаждения двигателя внутреннего сгорания 5, закреплен на радиаторе 1 (фиг.1). Эта конструкция обеспечивает минимальное осевое расстояние между вентилятором и радиатором и исключает необходимость установки эластичного уплотнения между диффузором радиатора 2 и обечайкой 4; при этом обечайка 4 приварена к диффузору 2, который закреплен на радиаторе 1. Недостатком конструкции является относительно большой радиальный зазор между лопастями вентилятора 3 и внутренней поверхностью обечайки 4, выбираемый из условия возможной усадки амортизаторов подвески двигателя 7 и амортизаторов блока радиаторов 8, что приводит к ослаблению создаваемого вентилятором 3 потока охлаждающего двигатель 5 воздуха.
В конструкции заявляемой полезной модели (фиг.2) диффузор 2 снабжен поперечными прямоугольными пазами (отверстиями) 11, а обечайка 4 жестко прикреплена (посредством сварного соединения) к восьмиугольному фланцу 9, снабженному восемью продольными прямоугольными пазами 12; при этом обечайка 4 соединена с диффузором 2 посредством болтового крепления 10, обеспечивающего ее подвижность и возможность регулировки радиального зазора между лопастями вентилятора 3 и внутренней поверхностью обечайки 4.
Заявляемое устройство работает следующим образом (фиг.2). В диффузоре 2 имеется восемь поперечных прямоугольных пазов 11, а к обечайке 4 приварен восьмиугольный фланец 9, в котором имеется по восемь поперечных 11 и продольных 12 прямоугольных пазов (отверстий). С помощью этих пазов (отверстий) обечайка 4 крепится к диффузору 2, имея при этом возможность перемещаться по пазам крепления для регулировки радиального зазора между ее внутренней поверхностью и лопастями вентилятора 3. Данное крепление обеспечивает не только возможность ручной регулировки, но и удобство ее осуществления, которое обусловлено использованием для крепления болтов с квадратным подголовком. Такая конструкция позволяет получить равномерный минимизированный (минимально возможный) радиальный зазор между лопастями вентилятора 3 и обечайкой 4.
Технический результат заключается в улучшении условий формирования воздушного потока, заключающемся в создании необходимого динамического давления потока воздуха для охлаждения двигателя, что, в целом, приводит к повышению экономичности работы двигателя.
1. Диффузор с обечайкой вентилятора охлаждения двигателя внутреннего сгорания, жестко закрепленный на радиаторе двигателя, а обечайка жестко связана с диффузором, отличающийся тем, что в него дополнительно введен восьмиугольный фланец, при этом он жестко прикреплен к обечайке посредством сварного соединения.
2. Диффузор с обечайкой вентилятора двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что восьмиугольный фланец снабжен восемью продольными прямоугольными пазами для болтового крепления обечайки к диффузору.
3. Диффузор с обечайкой вентилятора двигателя внутреннего сгорания по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что диффузор снабжен восемью поперечными прямоугольными пазами для болтового крепления обечайки к диффузору.
4. Диффузор с обечайкой вентилятора двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что обечайка и диффузор связаны посредством болтового крепления.
5. Диффузор с обечайкой вентилятора двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что обечайка выполнена подвижной.
6. Диффузор с обечайкой вентилятора двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что подвижность обечайки обеспечивается ее болтовым креплением к диффузору.
7. Диффузор с обечайкой вентилятора двигателя внутреннего сгорания по п.4, отличающийся тем, что болтовое крепление обечайки к диффузору обеспечивает возможность регулировки радиального зазора между лопастями вентилятора и внутренней поверхностью обечайки за счет ее перемещения по прямоугольным пазам болтового крепления к диффузору.
, (6)
