Axiální design ventilátoru - Axial fan design - Wikipedia

An axiální ventilátor je typ ventilátoru, který způsobuje, že ním plyn proudí v axiálním směru, paralelní k hřídeli, kolem kterého se čepele otáčejí. Průtok je při vstupu a výstupu axiální. Ventilátor je navržen tak, aby produkoval a tlak rozdíl, a tedy platnost, aby proudil ventilátorem. Mezi faktory, které určují výkon ventilátoru, patří počet a tvar lopatek. Fanoušci mít mnoho aplikací včetně v aerodynamické tunely a chladicí věže. Konstrukční parametry zahrnují Napájení, průtok, tlak stoupat a účinnost.^[1]

Axiální ventilátory obecně obsahují méně lopatek (dva až šest) než potrubní fanoušci. Axiální ventilátory mají obvykle větší poloměr a nižší rychlost (ω) než potrubní ventilátory (zejména při podobném výkonu. Napětí úměrné r ^ 2).

Výpočet parametrů

Protože výpočet nelze provést pomocí vstupu a výstupu rychlostní trojúhelníky, což u jiných neplatí turbínové stroje, výpočet se provádí zvážením a znamenat rychlostní trojúhelník pro průtok pouze nekonečně malým lopatkovým prvkem. Čepel je rozdělena na mnoho malých prvků a pro každý prvek se určují samostatně různé parametry.^[1] Existují dvě teorie, které řeší parametry pro axiální ventilátory:^[1]

• Teorie skluzu
• Teorie prvků čepele

Teorie skluzu

Kolísání tlaku a rychlosti toku vrtulovým kotoučem.^[1]

Na obrázku je tloušťka vrtule disk se považuje za zanedbatelný. Je zobrazena hranice mezi tekutinou v pohybu a tekutinou v klidu. Proto se předpokládá, že tok probíhá v imaginárním sbíhavém potrubí^[1][2] kde:

• D = Průměr vrtulového kotouče.
• D_s = Průměr na výstupu.

Na obrázku přes vrtule disk, rychlosti (C.₁ a C.₂) se nemůže náhle změnit napříč vrtule disk, protože to vytvoří rázová vlna ale ventilátor vytváří tlak rozdíl mezi vrtule disk.^[1]

${ displaystyle C _ { rm {1}} = C _ { rm {2}} = C}$ a ${ displaystyle P _ { rm {1}} neq P _ { rm {2}}}$

• Plocha vrtulového kotouče o průměru D je:

${ displaystyle A = { frac { pi D ^ {2}} {4}}}$

• The hmotnostní průtok přes vrtule je:

${ displaystyle { dot {m}} = { rho AC}}$

• Od té doby tah je změna hmotnosti vynásobená rychlostí toku hmoty, tj. změna v hybnost, axiální tah na vrtulový kotouč v důsledku změny v hybnost vzduchu, což je:^[1]

${ displaystyle F _ { rm {x}} = { dot {m}} {(C _ { rm {s}} - C _ { rm {u}})} = { rho AC} {(C_ { rm {s}} - C _ { rm {u}})}}$

• Přihlašování Bernoulliho princip proti proudu a po proudu:

${ displaystyle { begin {aligned} P_ {a} + { frac {1} {2}} { rho C_ {u} ^ {2}} & = P_ {1} + { frac {1} { 2}} { rho C ^ {2}} P_ {a} + { frac {1} {2}} { rho C_ {s} ^ {2}} & = P_ {2} + { frac {1} {2}} { rho C ^ {2}} end {zarovnáno}}}$

Po odečtení výše uvedených rovnic:^[1]

${ displaystyle P_ {2} -P_ {1} = { frac {1} {2}} rho (C_ {s} ^ {2} -C_ {u} ^ {2})}$

• Tah rozdíl kvůli tlak rozdíl je projektovaná plocha vynásobený tlakovým rozdílem. Axiální tah způsobený tlak rozdíl vyjde:

${ displaystyle F_ {x} = A (P_ {2} -P_ {1}) = { frac {1} {2}} rho A left (C_ {s} ^ {2} -C_ {u} ^ {2} vpravo)}$

Při srovnání tohoto tahu s axiálním tahem v důsledku změny hybnosti proudu vzduchu se zjistilo, že:^[1]

${ displaystyle C = { frac {C_ {s} + C_ {u}} {2}}}$

A parametr „a“ je definováno tak, že^[1] -

${ displaystyle C = (1 + a) C_ {u}}$ kde ${ displaystyle a = { frac {C} {C_ {u}}} - 1}$

Použitím předchozí rovnice a "a" je výraz pro C_s vyjde být:

${ displaystyle C_ {s} = (1 + 2a) C_ {u}}$

• Výpočet změny v konkrétní stagnaci entalpie přes disk:^[1]

${ displaystyle Delta h_ {o} = Delta h_ {o} d- Delta h_ {o} u = left (h_ {d} + { frac {1} {2}} C_ {s} ^ { 2} right) - left (h_ {u} + { frac {1} {2}} C_ {u} ^ {2} right) = { frac {1} {2}} left (C_ {s} ^ {2} -C_ {u} ^ {2} vpravo)}$

Nyní je ideální hodnota výkonu dodávaného do vrtule = Hmotnostní průtok * Změna stagnace entalpie;^[1]

${ displaystyle P_ {i} = { dot {m}} { Delta h_ {o}}}$ kde ${ displaystyle { dot {m}} = rho AC}$

Pokud byla k pohonu letadla při rychlosti = C použita vrtule_u; pak užitečná síla = axiální tah * rychlost letadla;^[1]

${ displaystyle P = F_ {x} C_ {u}}$

• Z toho důvodu vychází výraz pro efektivitu:^[1]

${ displaystyle eta _ {p} = { frac {{ text {Actual Power}} (P)} {{ text {Ideal Power}} (P_ {i})}} = { frac {F_ { x} C_ {u}} {{ frac {1} {2}} rho AC left (C_ {s} ^ {2} -C_ {u} ^ {2} right)}} = { frac {C_ {u}} {C}} = { frac {1} {1 + a}}}$

• Nechat D_s být průměr imaginární výstupní válec. Podle Rovnice kontinuity;

  ${ displaystyle { begin {aligned} C { frac { pi D ^ {2}} {4}} & = C_ {s} { frac { pi D_ {s} ^ {2}} {4} } Rightarrow D_ {s} ^ {2} & = { frac {C} {C_ {s}}} D ^ {2} end {aligned}}}$

• Z výše uvedených rovnic je známo, že -

  ${ displaystyle C_ {s} = { frac {1 + 2a} {1 + a}} C}$

Proto;

${ displaystyle D_ {s} ^ {2} = vlevo ({ frac {1 + a} {1 + 2a}} vpravo) D ^ {2}}$

Proto lze tok modelovat tam, kde vzduch proudí pomyslným rozbíhajícím se potrubím, kde průměr z vrtulový disk a průměr zásuvky souvisí.^[1]

Teorie lopatkových prvků

Dlouhá čepel vrtulového ventilátoru s různou částí čepele.^[1]

V tomhle teorie, malý prvek (dr) se bere na dálku r od kořene čepele a všechny síly působící na prvek se analyzují, aby se získalo řešení. Předpokládá se, že tok skrz každý sekce malé radiální tloušťky dr Předpokládá se, že je nezávislý na průtoku jinými prvky.^[1][3]

Obrázek ukazuje rychlosti a síly čepele pro tok napříč elementem dr, kde w je střední rychlost ve směru β od axiálního směru. ΔL = Zvedací síla (kolmá k w) a ΔD = Tažná síla (rovnoběžně s „w“). Axiální a tangenciální síly jsou ΔFx a ΔFy a výsledná síla ΔFr. je v úhlu Φ k výtahu.^[1]

Síly řešení na obrázku^[1] -

${ displaystyle Delta F_ {x} = Delta L sin ( beta) - Delta D cos ( beta)}$

${ displaystyle Delta F_ {y} = Delta L cos ( beta) + Delta D sin ( beta)}$

Koeficient zdvihu (C_L) a Koeficient tažení (C_D) jsou uvedeny jako -

${ displaystyle mathrm {výtah} ( Delta L) = { frac {1} {2}} C_ {L} rho w ^ {2} (ldr)}$

${ displaystyle mathrm {Drag} ( Delta D) = { frac {1} {2}} C_ {D} rho w ^ {2} (ldr)}$

Také z obrázku ^[1]-

${ displaystyle tan ( phi) = { frac { Delta D} { Delta L}} = { frac {C_ {D}} {C_ {L}}}}$

Nyní,

${ displaystyle Delta F_ {x} = Delta L ( sin beta - { frac { Delta D} { Delta L}} cos beta) = Delta L ( sin beta - tan phi cos beta) = { frac {1} {2}} C_ {L} rho w ^ {2} ldr { frac { sin ( beta - phi)} { cos phi} }}$

Number of Blades (z) and Spacing (s) are related as,^[1] ${ displaystyle s = { frac {2 pi r} {z}}}$ a celkový tah pro elementární část vrtule je zΔF_X.

Proto,^[1]

${ displaystyle Delta p (2 pi rdr) = z Delta F_ {x}}$

${ displaystyle Rightarrow Delta p = { frac {1} {2}} C_ {L} rho w ^ {2} ({ frac {l} {s}}) { frac { sin ( beta - phi)} { cos phi}} = { frac {1} {2}} C_ {D} rho w ^ {2} ({ frac {l} {s}}) { frac { sin ( beta - phi)} { sin phi}}}$

Podobně řešení pro ΔF_y, ΔF_y je zjištěno, že je^[1] -

${ displaystyle Delta F_ {y} = { frac {1} {2}} C_ {L} rho w ^ {2} ldr { frac { cos ( beta - phi)} { cos phi}}}$

a ${ displaystyle ( mathrm {točivý moment}) Delta Q = r Delta F_ {y}}$

Nakonec tah a točivý moment lze zjistit pro elementární řez, protože jsou úměrné F_X a F_y resp.^[1]

Výkonové charakteristiky

Tento obrázek ukazuje výkonovou křivku pro axiální ventilátor.^[1]

Vztah mezi tlak variace a hlasitost průtok jsou důležitými charakteristikami fanoušků. Typické vlastnosti axiální ventilátory lze studovat z představení křivky. Výkonová křivka pro axiální ventilátor je uvedena na obrázku. (Svislá čára spojující maximum účinnost nakreslí se bod, který splňuje Tlak křivka v bodě „S“)^[1]Z křivky lze odvodit následující -

1. Jak se průtok zvyšuje od nuly, zvyšuje se účinnost do určitého bodu na maximální hodnotu a poté klesá.
2. Výkon ventilátorů se zvyšuje s téměř konstantním kladným sklonem.
3. Kolísání tlaku se pozoruje při nízkých výbojích a při průtoku (jak je naznačeno v bodě „S“) tlak klesá.
4. Kolísání tlaku nalevo od bodu „S“ způsobuje nestálý tok, který je způsoben dvěma účinky zastavení a prudkého nárůstu.

Příčiny nestabilního toku

Zastavení a přepětí ovlivňuje ventilátor výkon, čepele, stejně jako výstup, a jsou tedy nežádoucí. Vyskytují se kvůli nesprávnému designu, fyzickým vlastnostem ventilátoru a jsou obvykle doprovázeny generováním hluku.

Zastavovací efekt / Zastavení

Důvodem je oddělení toku od povrchů lopatek. Tento účinek lze vysvětlit prouděním přes vzduchovou fólii. Když úhel dopadu zvyšuje (během proudění s nízkou rychlostí) na vstupu vzduchové fólie, dochází ke změnám vzorů proudění a oddělování. Toto je první fáze zhasnutí a skrz tento separační bod se odděluje tok vedoucí k tvorbě vírů, zpětný tok v oddělené oblasti. Pro další vysvětlení stánek a rotující stání, viz přepětí kompresoru. Blokovací zóna pro jeden axiální ventilátor a paralelní axiální ventilátory jsou zobrazeny na obrázku.^[4]

Obrázek ukazuje oblasti se sklonem ke stání odlišně pro jeden ventilátor a dva ventilátory paralelně.^[4]

Z grafu lze odvodit následující:

• U ventilátorů provozovaných paralelně je výkon ve srovnání s jednotlivými ventilátory nižší.
• Ventilátory by měly být provozovány v bezpečném provozním prostoru, aby nedošlo k pozastavení účinky.

VFD nejsou pro některé axiální ventilátory praktické

Mnoho axiálních poruch ventilátorů nastalo poté, co byly axiální ventilátory s řízeným lopatkou uzamčeny ve pevné poloze a Frekvenční měniče (VFD) byly nainstalovány. VFD nejsou pro některé axiální ventilátory praktické. Axiální ventilátory s těžkými oblastmi nestability by neměly být provozovány při úhlech lopatek, rychlostech otáčení, hmotnostních průtokech a tlacích, které vystavují ventilátor podmínkám zablokování.^[5]

Surging effect / Surge

Surging by neměl být zaměňován s pozastavením. K zablokování dojde, pouze pokud do lopatek ventilátoru nevstupuje dostatečné množství vzduchu, což by způsobilo oddělení toku na povrchu lopatek. K nárůstu tlaku nebo nestabilnímu toku způsobujícímu úplnou poruchu ventilátorů přispívají hlavně tři faktory

• Přepětí systému
• Přepětí ventilátoru
• Paralelizovat

Přepětí systému

K této situaci dochází, když křivka odporu systému a statický tlak křivka průsečíku ventilátoru mají podobný sklon nebo jsou navzájem rovnoběžné. Spíše než se protínají v určitém bodě, křivky se protínají v určitém nárůstu systému hlášení oblastí. Tyto vlastnosti nejsou v axiální ventilátory.

Přepětí ventilátoru

Tento nestabilní provoz je výsledkem vývoje tlak přechody v opačném směru toku. Maximální tlak je pozorován na výstupu z oběžné kolo list a minimální tlak na straně proti straně výtlaku. Když oběžné kolo nože tyto nepříznivé tlaky netočí přechody načerpejte průtok ve směru opačném ke směru ventilátoru. Výsledkem je oscilace lopatek ventilátoru vibrace a tudíž hluk.^[6]

Paralelizovat

Tento efekt je vidět pouze v případě více fanoušků. Kapacity proudění vzduchu ventilátory jsou porovnány a připojeny stejným způsobem zásuvka nebo stejné vstupní podmínky. To způsobuje hluk, konkrétně označované jako Porážka u ventilátorů paralelně. Vyhnout se porážka využívají se různé podmínky na vstupu, rozdíly v rychlosti otáčení z fanoušci, atd.

Metody, jak zabránit nestabilnímu toku

Navrhnutím lopatek ventilátoru se správným rozbočením poměr a analýza výkonu na počtu lopatek tak, aby se tok neodděloval na povrchu lopatek, lze tyto účinky snížit. Některé z metod k překonání těchto účinků jsou recirkulace přebytečného vzduchu ventilátorem, axiální ventilátory jsou zařízení s vysokou specifickou rychlostí, která je provozují při vysokých účinnost a aby se minimalizovaly účinky, které musí být provozovány na nízké úrovni rychlosti. Pro řízení a směrování použití toku vodicí lopatky je doporučeno. Způsobují turbulentní proudění na vstupu a výstupu ventilátorů pozastavení takže by měl být proveden tok laminární zavedením a stator aby se zabránilo účinku.^[7]

Viz také

• Mechanický ventilátor
• Vrtule (námořní)
• Vrtule (letadlo)
• Průmyslový ventilátor
• Stropní větrák
• Turbofan
• Potrubní vrtule
• Okenní ventilátor
• Přepětí kompresoru
• Zastavení kompresoru
• Procházka vrtule
• Kavitace
• Azimutový propeler
• Kuchyňské kormidlo
• Kolesový parník
• Propulzor
• Sekáček
• Skládací vrtule
• Modulární vrtule
• Superkavitační vrtule

Poznámky

Reference