Осевые вентиляторы

Вентилятор, конструкция которого обеспечивает продольное пе­ремещение воздуха вдоль его оси, называется осевым. Наиболее простой осевой вентилятор (рис. 135) состоит из следующих ча­стей: осевого лопастного ра­бочего колеса /, цилиндри­ческого кожуха 6, входного коллектора 7, имеющего очертания плавного растру­ба. На выходе устанавлива­ется диффузор 2 с выход­ным отверстием 5. Передняя торцевая часть втулки ло­пастного колеса и электро­двигатель 4 вентилятора за­крыты обтекателями 8 и 3.

Лопастное колесо монтируется непосредственно на валу элек­тродвигателя или на специальной втулке, жестко посаженной на вал электродвигателя, который находится в центре воздушного потока соосно с кожухом вентилятора.

При быстром вращении лопастного колеса воздух всасывает­ся через коллектор 7, проходит через кожух 6, диффузор 2 и выбрасывается через выходное отверстие 5. Диффузор 7 исполь­зуется для преобразования части кинетической энергии воздуха в давление. Поэтому давление воздуха за лопастным колесом в диффузоре больше, чем в кожухе вентилятора.

Чтобы предотвратить перетекание воздуха из области более высокого давления (диффузора) в область всасывания (коллек­тор) зазор между внешними кромками лопастей н кожухом вентилятора делают минимальным, не превышающим 1,5% дли­ны лопатки, т. е.

Лопастное колесо вентилятора состоит из втулки относитель­но большого размера (от 40 до 70% диаметра колеса) с цент­ральным отверстием для вала. На втулке в специальных пазах закреплены лопасти. Иногда лопасти крепятся на специальном ободе, который монтируется на внешней поверхности втулки. Ло­пасти могут быть поворотными или закреплены наглухо. Коли­чество лопастей колеблется от 2 до 16, в зависимости от назна­чения вентилятора.

В крупных вентиляторах лопасти для облегчения делают пустотелыми, а для удобства регулирования — поворотными. В этом случае регулирование достигается установкой лопастей под разным углом к плоскости вращения. Такой способ регули­рования осевого вентилятора, а также способ регулирования по­воротом лопастей направляющего аппарата (если такой имеет­ся) являются наиболее целесообразными, так как позволяют изменить характеристику вентилятора в нужном направлении, Что является преимуществом перед способами регулирования задвижкой или изменением частоты вращения лопастного ко­леса.

В настоящее время широкое распространение получили вен­тиляторы ЦАГИ серии МЦ (низконапорные с цилиндрическими лопастями). Вентиляторы серии МЦ выпускаются от № 4 до № 12 и применяются для вентиляции гражданских и промыш­ленных зданий, Полный КПД таких вентиляторов достигает 65%. Так, например, при п = 960 мин^-1 вентилятор серии МЦ № 4 создает максимальный расход Q =1200 м³/ч при давлении р = 40 Па, а № 12 может создать максимальный расход Q = 65000 м³/ч при давлении р =200 Па. При п =1450мин^-1 вентилятор серии МЦ № 4 создает минимальный расход Q = 1800 м³/ч при давлении р =90 Па, а вентилятор № 8 — макси­мальный расход Q =3000м³/ч при давлении р =200 Па.

Выпускаются и более совершенные осевые вентиляторы ЦАГИ серии ЦЗ-04, максимальный КПД которых достигает 76%. Вентиляторы № 5, 6 и 10 этой серии при п =960 мин^-1 создают расход от Q = 3100 м³/ч при давлении р = 65 Па (вентилятор № 5) до Q =45 000 м³/ч при давлении р = 100 Па (венти­лятор № 10).

При п =1450 мин^-1 вентилятор № 4 этой серии создает расход Q =2500 м³/ч при давлении р = 100 Па, а вентилятор №8— Q =36 000 м³/ч при давлении р =140 Па.

Из сравнения осевых вентиляторов с центробежными следу­ет, что осевые вентиляторы при равных эксплуатационных усло­виях менее громоздки, занимают меньшую площадь, конструк­тивно более просты и при больших подачах воздуха значительно экономичнее. Они развивают относительно меньшее давление (40—400 Па), но способны перемещать большие количества воз­духа — до нескольких десятков тысяч метров кубических в час. Поэтому осевые вентиляторы применяются в вентиляционных системах с большой подачей воздуха, где отсутствуют значитель­ные сопротивления.

Хотя обычно осевые вентиляторы применяются в системах с давлением до р =200÷300Па, встречаются установки с последо­вательно работающими осевыми вентиляторами, создающими общее давление до р = 1000 Па. Такие установки называются высоконапорными.

Изучение характеристик осевых вентиляторов показывает, что наибольший расход мощности у осевых вентиляторов полу­чается при закрытой задвижке (Q = 0). Затем с увеличением по­дачи происходит значительное и резкое падение давления и расхода мощности. Поэтому пуск осевого вентилятора в работу должен производиться при открытой задвижке.

Одним из преимуществ осевых вентиляторов является их бы­строходность. Вследствие этого они допускают непосредственное соединение с быстроходными электродвигателями и паровыми турбинами. В зависимости от конструкции лопастей допускает­ся доводить окружную скорость до значений 100—200 м/с.

Подачу осевых вентиляторов Q, давление р и расход мощ­ности N рассчитывают по приведенным формулам для центро­бежных вентиляторов.

В производственных условиях иногда приходится перемещать большие количества воздуха высокой влажности с примесями химически агрессивного характера. В таких случаях установка электродвигателя в центре потока недопустима, а потому приме­няются вентиляторы с электродвигателями, вынесенными из по­тока.

Работа вентиляторов связана с сильным шумом, переходя­щим иногда в гудение. Это значительный их недостаток. Для уменьшения шума рекомендуется: металлический кожух венти­лятора заменять железобетонным; изолировать фундамент вен­тилятора от частей здания, стыки воздуховодов выполнять со вставками из плотной парусины и брезента; сооружать вентиля­торы в деревянных футлярах, обитых войлоком.

Осевым вентилятором называется вентилятор, в ко­тором воздух (или газ) перемещается вдоль оси рабо­чего колеса, вращаемого двигателем (рис. 136). Как и у радиальных вентиляторов, характеристики осевых вен­тиляторов показывают зависимость давления и мощно­сти на валу и КПД от подачи.

Полную характеристику обычно получают экспери­ментальным путем при постоянной частоте вращения рабочего колеса. Пересчет параметров работы на дру­гие частоты вращения производится по известным за­висимостям. Форма характеристики опреде­ляется конструкцией и аэродинамическими свойствами вентилятора. В отличие от радиальных характеристика давления осевых нагнетателей часто имеет седлообраз­ную форму.

На основе полных характеристик (рис. 137), ис­пользуя формулы пересчета, получают универсальные характеристики осевых вентиляторов — индивидуальные, совмещенные и безразмерные.

Безразмерные параметры (коэффициенты), характе­ризующие вентилятор, относятся к его внешнему диа­метру или к окружной скорости на внешнем диаметре. Эти параметры меняются вдоль радиуса. Например, коэффициент давления изменяется обратно пропор­ционально радиусу. На рис. 138 показано распределе­ние давлений вдоль радиуса лопастного колеса при . Точки пересечения кривых с осью коор­динат соответствуют случаю, когда .

Аэродинамические схемы. Под аэродинамической схе­мой осевого вентилятора подразумевается совокупность признаков и параметров, однозначно характеризующих проточную часть машины: число ступеней, равное чис­лу рабочих колес; тип схемы, зависящей от наличия аппаратов, и их расположение по отношению к рабоче­му колесу; относительный диаметр втулки; число ло­паток колеса и аппаратов, их углы установки.

Аэродинамическая схема обозначается буквами. На­пример, для одноступенчатых вентиляторов схема, со­стоящая из одного колеса, обозначается буквой К; схе­ма, включающая кроме колеса спрямляющий аппа­рат— буквами K+CA; установка, оборудованная вход­ным направляющим аппаратом, — буквами BHA+K+СА. Двухступенчатые схемы имеют, например, такое обозначение: К+СА+К+СА, ВНА+К+НА+К+СА.

Каждая из схем имеет свои особенности. По схе­ме К обычно выполняют вентиляторы с очень малыми значениями коэффициента давления ( <0,15), у кото­рых относительная скорость закручивания с_2и и свя­занное с ней динамическое давление незначительны. Воздух при этом подводится к рабочему колесу в осе­вом направлении (входной направляющий аппарат от­сутствует). Конструкция проста, но КПД в области рабочих режимов снижается на 5—10% из-за отсутствия спрямляющего аппарата.

В СА динамическое давление, связанное со ско­ростью закручивания потока за рабочим колесом, пре­образуется в статическое с некоторыми потерями, обу­словленными течением в его диффузорном лопаточном венце. При этом без изменения характеристики мощ­ности увеличиваются как полные давление и КПД, так и статические давление и КПД.

В тех случаях, когда по условиям компоновки вен­тилятора перед ним образуется неравномерный по се­чению входа поток, входной направляющий аппарат будет уменьшать эту неравномерность и ее неблаго­приятное влияние на работу вентилятора.

К многоступенчатым вентиляторам относятся также вентиляторы встречного вращения, у которых рабочие колеса вращаются в противоположных направлениях, а аппарат между ними отсутствует. Получив энергию в первом колесе, закрученный ноток поступает во второе колесо, которое закручивает его в противоположном направлении, продолжая передавать ему энергию. Эти вентиляторы могут иметь входной и выходной аппа­раты.

По назначению осевые вентиляторы делят на венти­ляторы общего назначения и специальные. Вентилято­ры общего назначения предназначены для перемещения чистого или мало запыленного воздуха, не содержащего взрывоопасных веществ, липкой, волокнистой и цемен­тирующей пыли и агрессивных веществ при темпера­туре до 40°С. Температурный предел принят из тех соображений, что при более высоких температурах зна­чительно ухудшаются условия теплоотдачи обмоток электродвигателя, находящегося обычно в потоке пере­мещаемого газа.

К специальным вентиляторам относят вентиляторы, не используемые в обычных системах общеобменной вентиляции гражданских и промышленных зданий. Это вентиляторы, используемые для перемещения взрыво­опасных и агрессивных примесей, шахтные вентилято­ры и вентиляторы тоннельной вентиляции, потолочные вентиляторы, вентиляторы градирен, вентиляторы, встроенные в технологическое оборудование, и т. д.

Для перемещения взрывоопасных примесей приме­няют вентиляторы, выполненные из разнородных металлов: проточная часть выполнена из стали (рабочее ко­лесо) и латуни (в корпусе имеется обечайка в зоне расположения рабочего колеса). При этом перемещае­мая среда не должна иметь температуру выше 40°С, вызывать ускоренную коррозию материалов проточной части вентиляторов, содержать пыль и другие твердые примеси в количестве более 10 мг/м³, а также взрыво­опасную пыль, липкие и волокнистые материалы.

Шахтные осевые вентиляторы используют в системах вентиляции подземных выработок. Вентиляторы местно­го проветривания предназначены для установки под землей в шахтах и рудниках и служат для проветри­вания тупиковых выработок, а также шахтных стволов и околоствольных выработок при их проходке. К мест­ным вентиляторам предъявляют требования взрывобезопасности, компактности, минимальной массы, устой­чивости работы в широком диапазоне расходов возду­ха, простоты обслуживания и транспортабельности. Вентиляторы главного проветривания предназначены для обеспечения свежим воздухом шахт горно-добы­вающей промышленности. Их располагают на поверх­ности и они перемещают все количество воздуха, про­ходящего но вентиляционной сети шахты. Шахтные вен­тиляторные установки работают в основном на всасы­вание.

Вентиляторы тоннельной вентиляции служат для удаления выделяющихся в процессе эксплуатации теп­лоты, влаги, пыли и газов, а также поддержания в транс­портных тоннелях требуемых метеорологических усло­вий и химического состава воздуха. Работа вентилятор­ных установок тоннельной вентиляции сопровождается поршневым воздействием транспортных средств (поез­дов метрополитена и железнодорожных поездов, авто­мобильного транспорта).

Потолочные вентиляторы (фены) обычно применяют для турбулизации воздушной среды в помещениях, но иногда их используют для создания локального души-рующего эффекта (в тех случаях, когда обеспечить тре­буемую подвижность воздуха вследствие его перемеши­вания невозможно).

По направлению вращения лопастного колеса венти­ляторы могут быть правыми и левыми. Если смотреть со стороны входа воздуха, то у вентиляторов правого вращения колесо вращается по часовой стрелке.

Номер вентилятора определяет его размер, т. е. диа­метр рабочего колеса, выраженный в дециметрах.

Номенклатура осевых вентиляторов, выпускаемых нашей промышленностью для использования в промыш­ленных и гражданских зданиях, довольно ограничена и включает вентиляторы типа В-06-300(№ 4; 5; 6,3; 8; 10 и 12,5) и В-2, 3-130 (№ 8; 10 и 12,5). Из разнород­ных металлов выпускаются вентиляторы лишь типа В-06-300 ( №5; 6,3; 8; 10 и 12,5). В крышной модифи­кации выпускается осевой вентилятор с колесом ЦЗ-04 (№ 4; 5 и 6,3). При этом рабочее колесо вращается в горизонтальной плоскости; приводом служит верти­кально расположенный электродвигатель.

Потолочные вентиляторы выпускаются двух типов — «Союз» (ВПК-12, ВПК-15 и ВПК-18) и «Зангезур» (ВПМ 1-100).

Номенклатура шахтных вентиляторов и вентилято­ров тоннельной вентиляции довольно обширна и приве­дена в специальных справочных руководствах. Отличи­тельной особенностью этих вентиляторов (по сравне­нию с вентиляторами общего назначения) является вы­сокая подача. Например, вентилятор типа ВОМД-24 (осевой двухступенчатый реверсивный с диаметром ра­бочих колес 2400 мм), применяемый для реверсивной вентиляции метрополитена, имеет подачу: при прямом ходе — 70 000—250 000 м³/ч, при реверсивном — 60 000—200 000 м³/ч.

На рис. 139 показаны различные варианты конст­руктивных схем соединения осевых вентиляторов с электродвигателем. В схеме 2 условия входа воздуха на рабочее колесо хуже, чем в схеме /, поскольку электродвигатель расположен перед колесом. Схемы 3 и 5 применяются в тех случаях, когда по правилам техники безопасности или по технологическим сообра­жениям электродвигатель нельзя устанавливать в по­токе перемещаемой среды. Если по конструктивным соображениям невозможно установить электродвигатель внутри корпуса вентилятора, то применяется схема 4. В случае когда частоты вращения электродвигателя и рабочего колеса вентилятора не совпадают, применяет­ся схема 6.

В связи с осевым направлением потока непосредст­венное присоединение нагнетателя к трубопроводу яв­ляется самым простым конструктивным решением. При входе в корпус чаще всего устанавливается очерченный плавной кривой коллектор. Если же перед нагнетате­лем имеется достаточно длинный трубопровод (такого же диаметра, что и корпус), то коллектор, естественно, становится ненужным. Следует заметить, что при очень длинных трубопроводах наличие погранично­го слоя на стенках трубы может привести к значитель­ному вытягиванию профиля скоростей и нарушению ра­боты нагнетателя. В связи с этим желательно цилинд­рические участки на подводах к нагнетателю делать больших, чем у нагнетателя, диаметров.

Для вентиляторных установок, работающих на вса­сывание, присоединительными элементами к сети мо­гут быть:

входная коробка или входное колено для присоеди­нения вентилятора к каналу, идущему от устья венти­ляционной шахты;

выходная часть, состоящая из примыкающего к вен­тилятору диффузора и поворотного участка за ним. Иногда за диффузором устанавливается шумоглуши­тель.

Насосы с диаметром лопастей более 1 м имеют под­вод в виде колена, небольшие насосы — камерный под­вод.

При построении эффективной рабочей характеристи­ки нагнетателя следует учитывать наличие различных колен и коробок, с помощью которых нагнетатель при­соединяется к сети.

В зависимости от схемы вентиляторов, угла уста­новки лопастей их рабочих колес и относительного диаметра втулки их характеристики могут иметь раз­личную форму (рис. 140). При малых углах установки лопастей (10—15°) характеристики давления обычно монотонны (кривая /).

При увеличении угла установки характерно появле­ние максимума давления и седловины (кривая 2) отчего вся характеристика' делится па левую— нерабочую и правую — рабочую ветви. При работе на левой ветви могут образовываться вращающиеся срывные зоны, угловая скорость которых отли­чается от скорости вращения рабочего колеса, что при­водит к возникновению переменных нагрузок на лопа­сти и вибрации. При еще больших углах установки происходит разрыв характеристики давления (кри­вая 3).

Если на характеристике имеется глубокая седлови­на или разрыв, то режим работы при соответствующих подачах становится неустойчивым и возникает вероят­ность помпажных явлений, связанных с сильными коле­баниями подачи и давления, что в некоторых случаях может вывести вентилятор из строя.

При использовании нагнетателей, имеющих харак­теристику с разрывом, наименьшая допустимая подача обусловливается положением точки разрыва, в то вре­мя как наибольшая — выбирается из условия обеспече­ния минимально допустимого значения КПД. Это об­стоятельство приводит к уменьшению диапазона подач, который возможен для данного вентилятора. Работа вентилятора в области, расположенной правее макси­мума давления, исключает опасность как появления вращающихся срывных зон, так и возникновения помпажа.

В условиях эксплуатации часто требуется, чтобы установка обеспечивала такой диапазон режимов ра­боты, который невозможно получить с помощью харак­теристики, соответствующей фиксированным углам уста­новки лопастей вентилятора и принятой частоте враще­ния рабочего колеса. В этих условиях выполняется ре­гулирование вентилятора одним из следующих способов:

1) изменение частоты вращения лопастного колеса;

2) поворот лопастей рабочего колеса; 3) поворот лопа­ток входного направляющего аппарата; 4) дросселиро­вание.

Последний способ регулирования, как и для ра­диальных вентиляторов, самый неэкономичный, так как затраты мощности мало изменяются при уменьшении подачи.

Применение способа регулирования поворотом ло­пастей рабочего колеса определяется двумя фактора­ми: безопасностью работы и экономичностью (при па­раллельном включении учитывается также устойчивость работы).

Осевые вентиляторы с поворотными лопастями ко­лес обладают способностью значительной (до 50%) ре­гулировки подачи, с сохранением при этом оптималь­ного значения КПД. Однако при этом способе регули­рования требуется вентилятор особой конструкции, поз­воляющей изменять в известных пределах угол уста­новки лопастей его рабочего колеса. Практически изме­нение угла поворота происходит в диапазоне от 15 до 45°.

Регулирование поворотом лопаток направляющего аппарата является довольно эффективным способом регулирования, так как при этом достигается значитель­ное изменение потребляемой вентилятором мощности. Этим пользуются при запуске в работу больших вен­тиляторов: перед пуском НА устанавливают в положе­ние, соответствующее наибольшему снижению мощности. Однако нужно отметить, что применение этого способа регулирования оправдано только при достаточно боль­ших углах установки лопастей рабочего колеса (более 30°). При малых углах установки изменение характе­ристик давления нагнетателей незначительно и эффект регулирования подачи резко снижается.

Регулирование поворотом лопаток спрямляющего аппарата (СА) не рекомендуется, так как оно сводится к простому дросселированию и не влияет на мощность нагнетателя.

Регулирование изменением частоты вращения лопа­стного колеса, хотя и является самым экономичным способом регулирования, применяется очень редко из-за сложности практического осуществления приводного устройства.

Наиболее рациональный способ регулирования в каждом конкретном случае выбирается с учетом всех показателей.