Центробежные вентиляторы. Устройство принцип действия

Устройство и принцип действия центробежного вентилятора аналогичны устройству и принципу действия центробежного насоса и турбокомпрессора.

Рис.1. Схема центробежного вентилятора:

1 - рабочее колесо; 2 - кожух-диффузор; 3 – всасывающий патрубок; 4 - нагнетательный патрубок; 5 - лопасти рабочего колеса

Рабочее колесо центробежного вентилятора имеет вид лопастного ротора с большим числом невысоких лопаток, которое определяется диаметром (рис.1). Лопасти большинства центробежных вентиляторов изготовляют изогнутыми вперед. Материалом для лопастей служит углеродистая сталь. Лопасти крепятся к днищу и ободу ротора посредством клепки или сварки.

Рабочее колесо I заключено в спиральный кожух-диффузор 2.

Последний склепывается или сваривается из листовой стали, а иногда отливается из чугуна.

Кожух вентилятора имеет два патрубка: всасывающий 3 - круглого сечения и нагнетательный 4 - обычно прямоугольного сечения. Вентиляторы большой производительности, аналогично центробежным насосам большой производительности, имеют рабочее колесо с двусторонним входом и кожух с двумя всасывающими патрубками.

Приводом для вентилятора обычно служит электродвигатель, с которым вал вентилятора соединен или непосредственно или ременной передачей со шкивом на валу вентилятора. В первом случае установка получается более компактной, во втором случае получается минимум шума (гудения). Уменьшению шума способствует также и загнутая вперед форма лопастей 5. Лопасти, загнутые назад, делаются лишь в вентиляторах высокого давления с целью повышения к.п.д. этих вентиляторов.

Работа вентилятора протекает следующим образом. Как в центробежных насосах и турбокомпрессорах, в вентиляторах процессы всасывания и нагнетания производятся быстро вращающимися лопастями рабочего колеса. При этом у входа в вентилятор создается пониженное, а на выходе из него - избыточное давление. Избыток давления на выходе расходуется на преодоление сопротивления в нагнетательном трубопроводе.

Напор (давление), развиваемый вентилятором, подача,
мощность и к.п.д. центробежных вентиляторов

Ввиду незначительной степени сжатия газа в вентиляторе изменением объемного веса ваза можно пренебречь и считать газ несжимаемым. В таком случае уравнения теоретического напора центробежного насоса применимо и для центробежного вентилятора:

(2)

Здесь все обозначения имеют такой же смысл, как для центробежного насоса и турбокомпрессора.

При безударном радиальном входе (α₁ = 90°) газа в межлопастное пространство рабочего колеса действительный напор, развиваемый центробежным вентилятором, будет

, (3)

так как 1 кГ/м² =1 мм вод. ст.

Здесь:

К = 0,8 - 0,82 - поправочный коэффициент на конечное число лопастей;

η_г - 0,7 - 0,85 - аэродинамический (гидравлический) к.п.д., учитывающий внутренние потери напора в рабочем колесе и проточной части вентилятора;

γ - объемный вес воздуха (газа) в кГ/м². Полный напор, развиваемый вентилятором, складывается из статического h_ст и и динамического (скоростного) h_д, напоров т.е.,

. (4)

Статический напор складывается из разрежения при всасывании h_вс и избыточного давления при нагнетании h_вс

,

a динамический напор соответствует скорости, на. выходе из вентилятора с = с₂:

.

Следовательно, полный напор, развиваемый вентилятором, будет

. (5)

Данные каталогов (таблицы и графики) относятся обычно к нормальным условиям T₀ = 293°K; p₀ = 103 кПа).

Имея в виду ошибки, возможные в расчете потерь давления в системе, вводят гарантийные запасы в рабочих параметрах и вентиляторы общего назначения выбирают на подачу 1,05Q. и давление 1,1р. Мощность и КПД центробежного вентилятора может быть подсчитана по формулам, приведенным для центробежных насосов.

Однако следует учитывать, что в полном напоре, создаваемым вентилятором, определенную долю составляет скоростной напор. Поэтому для оценки энергетической эффективности вентилятора, как машины, предназначенной для создания статического давления, применяют статический КПД.

,

где η_ст - отношение полезной мощности, расходуемой на развитие статического давления к мощности, подводимой на вал вентилятора от двигателя.

Очевидно, η_ст < η_г, ориентировочно η_ст = (0,7 – 0,8) η. Мощность приводного двигателя вентилятора рассчитывается с запасом, учитывающим возможное отклонение режима от расчетного

где m = 1,05 - 1,2 - коэффициент запаса мощности, учитывающий отклонение рабочего режима вентилятора от расчетного;

η - полный КПД центробежного вентилятора (~ 0,87);

η_м - механический КПД (0,96-0,98);

η_пер - КПД передачи (для клиноременной передачи η_пер = 0,94 - 0,95; при непосредственном соединении η_пер = 1).

Характеристики. Регулирование центробежных
вентиляторов

Характеристиками вентиляторов называют графики зависимостей напоров, мощности на валу и KПД объемной подачи.

Характеристики получаются непосредственным испытанием вентиляторов при постоянной частоте вращения и строятся для воздуха с ρ = 1,2 кг/м³.

При пересчете характеристик, построенных для нормальных условий и φ =50%, на натурные следует иметь в виду, что подача, напор и КПД остаются неизменными, а давление и мощность на валу изменяются пропорционально платности газа, подаваемого вентилятором, т.е.

.

На рис.3 и 4 даны типичные формы характеристик соответственно при n = const и n = var.

В вентиляторостроении широко применяются безразмерные характеристики, общие для целой серии геометрически подобных машин. На рис.5 показана безразмерная характеристика вентиляторов Ц4-76, построенная по результатам испытания модели с D₂ = 500 мм при n = 1200 об/мин.

Безразмерные характеристики очень удобны для расчета рабочих параметром вентилятора из данной серии, имеющего диаметр рабочего колеса D₂ и работающего при n об/мин. Расчет ведется по формулам

Рис.3. Размерная характеристика вентилятора при n = const

Формы характеристик вентиляторов определяются аэродинамикой проточной полости их: в основном отношением выходным углом лопасти β₂ и формой ее профиля. На рис.6 показаны три типа характеристик давления вентиляторов. Из них интересна характеристика седлообразной формы 1, свойственная вентиляторам с большими углами β₂ и малым .

ГОСТ и ведомственные указания запрещают эксплуатацию вентиляторов при η < 0,9η_макс. Это требование исключает из эксплуатации начальный участок седлообразной характеристики при. малых подачах.

Работа вентиляторов с седлообразной формой характеристики на сеть со значительным статическим напором в ряде случаев является неустойчивой. Это обстоятельство указывает на нежелательность применения вентиляторов с седлообразной формой характеристики.

Регулирование подачи вентиляторов можно производить всеми способами, применяемыми для центробежных машин:

1) изменением частоты вращения вала вентилятора;

2) дросселированием на входе и выходе вентилятора;

Рис.4. Размерная
характери-
стика вен-
тилятора
ВВД № II
при n = var

Рис.5. Безразмерная характеристика вентилятора Ц-4-76

Рис.6. Характеристики вентиляторов:

1-вентилятор СТД №8; 2-вентилятор Ц6-46 № 4; 3-вентилятор ВРН № 4

3) направляющими аппаратами различных конструкций на входе.

Первый способ требует применения электродвигателей с переменной частотой вращения. Возможно применение двигателей с постоянной частотой вращения при включении между валами двигателя и вентилятора частоты вращения (обычно гидромуфты).

В обоих этих вариантах вентиляторная установка усложняется и удорожается, и поэтому такой способ регулирования применяется только для крупных вентиляторов в особо ответственных установках.

Второй способ применяется очень широко ввиду его конструктивной простоты. Вентиляторы малых и средних размеров, приводимые асинхронными короткозамкнутыми двигателями, регулируются этим способом, единственно в таких условиях доступным.

Третий способ распространен для вентиляторов с большой подачей.

По затратам энергии на привод в режимах регулирования при одинаковых подачах указанные способы не равноценны. Для любых типов вентиляторов худшим способом регулирования является дроссельное, дающее наибольшую затрату энергии.

Осевые вентиляторы

Устройство, отличительные особенности и
характеристики

Главной частью осевого вентилятора является колесо, которое состоит из втулки 1, сидящей на валу, и радиально расположенных на втулке лопастей 2, наклоненных под некоторым углом к плоскости, перпендикулярной к оси вентилятора (рис.7).

Количество лопастей рабочего колеса бывает от 2 до 16 шт. Лопасти больших вентиляторов могут быть пустотелыми и поворотными. Лопасти постепенно расширяются к втулке и имеют хорошую аэродинамическую форму авиационных пропеллеров. Колесо вращается внутри цилиндрического кожуха 3, имеющего плавное очертание формы на входе 4 и диффузор 5 на выходе. Для плавного обтекания втулки перед колесом установлен шаровой шит 6.

Осевой вентилятор в принципе отличается от центробежного прямоточным движением воздуха. Движение воздуха в нем при входе и выходе неизменное, вдоль оси вала. Более совершенная форма лопастей осевых вентиляторов и отсутствие резкого изменения направления потока в них повышают к.п.д., который поэтому больше к.п.д. центробежных вентиляторов.

Принципы расчета и конструирования осевых вентиляторов были разработаны советскими учеными К.А. Ушаковым, В.П. Поликовским и другими сотрудниками ЦАРИ на основе теории крыла, созданной Н.Е. Жуковским.

Осевые вентиляторы при одинаковых размерах и числе оборотов создают меньшие напоры, чем центробежные, но производительность их при этом больше. Однако при больших оборотах они также создают и большие напоры.

В отличие от центробежных, осевые вентиляторы допускают реверсирование, т.е. изменение направления движения воздуха. Коэффициент быстроходности осевых вентиляторов n_s больше, чем у центробежных, и находится в пределах 1000-5000.

На рис.8 представлены типичные характеристики осевого вентилятора, которые несколько отличаются от характеристик центробежного вентилятора, а именно: 1) крутое падение напора; 2) резкое уменьшение к.п.д. в области небольших производительностей; 3) малое изменение мощности с изменением производительности, что является преимуществом осевых вентиляторов перед центробежными.

Рис.7. Схема осевого вентилятора;

1-втулка; 2-лопасть;3-кожух вентилятора; 4-вход в вентилятор; 5-диффузор; 6-шаровой щит.

Рис.8. Характеристики осевого вентилятора

Из рис.8 видно, что максимальное давление и максимальная мощность получаются при нулевой производительности, т.е. при закрытой задвижке. Поэтому осевой вентилятор, в отличие от центробежного, следует пускать в ход при открытой задвижке.

Теоретический напор осевого вентилятора определяется из основного уравнения Эйлера при условии осевого выхода в колесо

. (1)

Мощность, развиваемая вентилятором и сообщаемая потоку,

, (2)

где Q - производительность в м³/сек;

Н - напор в мм вод. ст.;

η_г - гидравлический к. п. д.

Мощность, потребляемая вентилятором

, (3)

где η - полный к.п.д. вентилятора, учитывающий все потери (гидравлические, объемные, механические) и определяемый путем испытания и снятия характеристики вентилятора.

Регулирование и область применения осевых
вентиляторов

Регулирование производительности осевого вентилятора, как и для центробежных вентиляторов, осуществляется: 1) при помощи задвижки; 2) изменением числа оборотов; 3) поворотом лопастей; 4) установкой направляющего аппарата перед входом в вентилятор.

Наиболее рациональным является способ регулирования последовательным поворотом лопастей рабочего колеса, а при наличии направляющего аппарата - поворотом его направляющих лопастей. Оба эти способа регулирования позволяют изменять характеристику вентилятора, что является их преимуществом.

Благодаря большому числу оборотов, осевой вентилятор приводится в действие непосредственно от быстроходного электродвигателя или от паровой турбины. Окружные скорости вращения их зависят от конструкции лопастей и могут быть u₂ = 100 - 200 м/сек. Высоконапорные осевые вентиляторы выполняются с большим числом лопастей (8-16 шт.)

Осевые вентиляторы в большинстве случаев применяются для подачи больших количеств воздуха при небольших напорах (от 10 до 100 мм вод. ст.), в частности, для вентиляции помещений. Производительность осевых вентиляторов достигает 1000000 м³/час.

В заключение следует отметить, что работа всех вентиляторов сопровождается значительным шумом, переходящим иногда в гудение. Для борьбы с этим значительным недостатком вентиляторов рекомендуются следующие меры: а) замена железного кожуха железобетонным; б) изоляция фундамента вентилятора от частей здания; в) соединение воздуховодов посредством вставок из плотной парусины; г) заключение вентиляторов в деревянные, обитые войлоком, футляры.