Разработка метода проектирования осевых вентиляторов с расширенной областью экономичной работы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат наук Замолодчиков Глеб Игоревич

• Замолодчиков Глеб Игоревич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Замолодчиков Глеб Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО РАСШИРЕНИЮ ОБЛАСТИ ЭКОНОМИЧНОЙ РАБОТЫ

ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ ОСЕВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ

1. 1 Методы регулирования осевых вентиляторов

1.1.1 Применение нерегулируемого вентилятора

1.1.2 Регулирование вентиляторов изменением частоты вращения рабочего колеса

1.1.3 Регулирование вентиляторов поворотом вращающихся и неподвижных лопаток при постоянной частоте вращения

1.2 Области применения регулируемых вентиляторов

1.3 Способы улучшения регулировочных характеристик вентиляторов

1.3.1 Влияние формы оси лопаток на области экономичной работы вентилятора

1.3.1.1 Стреловидность лопаток

1.3.1.2 Тангенциальный наклон лопаток

1.3.2 Влияние геометрических параметров вентиляторов на регулировочные характеристики

1.3.2.1 Относительный диаметр втулки

1.3.2.2 Удлинение лопаток

1.3.2.3 Густота решеток

1.3.3 Воздействие на течение в концевых областях решеток

1.3.3.1. Надроторные устройства

1.3.3.2. 8-образные профили лопаток

1.3.3.3. Оптимизация решеток концевых сечений

Выводы к главе

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ

РЕШЕТОК И ПОТОКА НА ХАРАКТЕРИСТИКУ ВЕНТИЛЯТОРА

2.1 Газодинамические параметры исследуемых осевых вентиляторов

2.1.1 Степень реактивности и коэффициент закрутки потока в ступени

2.1.2 Закон профилирования лопаток по радиусу

2.2 Регулирование вентиляторов поворотом лопаток рабочего колеса

2.2.1 Влияние предварительной закрутки потока при входе в рабочее колесо

на эффективность регулирования вентилятора, одномерный расчет

2.2.2 Изменение радиального зазора при повороте рабочих лопаток

2.2.3 Углы атаки в решетках элементарной ступени на нерасчетных режимах работы

2.2.4 Распределение углов атаки по длине лопатки при изменении расхода

Выводы к главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕНТИЛЯТОРОВ ПО СХЕМЕ РК+СА С ПОВОРОТНЫМИ РАБОЧИМИ

ЛОПАТКАМИ

3.1 Объект и программа исследования

3.2 Экспериментальная установка и система измерений

3.3 Экспериментальное исследование вентиляторов с поворотными рабочими

лопатками

Выводы к главе

ГЛАВА 4 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ВЕНТИЛЯТОРОВ ПО СХЕМЕ ВНА+РК+СА С ПОВОРОТНЫМИ

РАБОЧИМИ ЛОПАТКАМИ

4.1 Метод и верификация расчетных исследований

4.2 Численное исследование течений в концевых областях лопаточных венцов

4.2.1 Исследование рабочего колеса

4.2.2 Исследование спрямляющего аппарата

4.3 Влияние предварительной закрутки потока при входе в рабочее колесо на характеристики регулируемых вентиляторов, трехмерный расчет

4.4 Влияние закона профилирования лопаток на характеристику вентилятора

Выводы к главе

ГЛАВА 5 ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА ДЛЯ ЗАДАННЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

5.1 Математическая модель ступени осевого вентилятора по схеме ВНА+РК+СА

5.2 Получение оптимальных параметров с помощью генетического алгоритма

5.3 Пример оптимизации параметров осевых вентиляторов, выполненных по

схеме РК+СА

Выводы к главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Обозначения

а - местная скорость звука, м/с Ь - хорда лопатки, мм С - местная скорость потока, м/с

С = ~ - безразмерная местная скорость потока

С- относительная толщина профиля лопатки Сх - коэффициент профильных потерь в решетке В - диаметр рабочего колеса вентилятора, м Бе - безразмерный параметр диффузорности

F = (1 — V2) - ометаемая площадь рабочего колеса вентилятора, м2

/ - относительный прогиб средней линии профиля лопатки g - ускорение свободного падения, м/с2 И - длина лопатки, мм й н

а = - - удлинение лопаток

Мв - момент на валу привода вентилятора, Нм N - мощность ступени вентилятора, Вт

п - частота вращения вентилятора, об/мин £

п± = ——--коэффициент предварительной закрутки в ВНА

£2и~£1и

п2 = — - коэффициент остаточной закрутки в СА

£2 и

Р - статическое давление потока, Па Р* - давление заторможенного потока, Па Рв - полное давление вентилятора, Па Ра - статическое давление вентилятора, Па Q - объемный расход вентилятора, м3/с Я - радиус рабочего колеса вентилятора, мм

Яст - степень реактивности ступени вентилятора ^ - радиальный зазор рабочего колеса, мм 5 = безразмерный радиальный зазор

и - окружная скорость концов рабочих лопаток, м/с и - окружная скорость рабочего колеса на текущем радиусе, м/с хг - относительная координата максимального прогиба в профиле хс - относительной координате максимальной толщины профиля Ш - скорость потока в относительном движении, м/с г - число лопаток лопаточного венца I - угол атаки, °

в - углы потока в относительном движении, °

в1л и р2л - углы входной и выходной лопаточные углы решеток, °

а - углы потока в абсолютном движении, °

5к - углы отставания потока в решетке, °

П - КПД вентилятора по заторможенным параметрам

0 - кривизна средней линии профиля, °

и- угол установки лопаток на среднем радиусе, °

^ - вязкость воздуха, Па* с

V = - относительный диаметр втулки вентилятора

р - плотность воздуха, кг/м3 т - густота решетки профилей

Са = - коэффициент осевой скорости вентилятора — р

( = ~рй2 - коэффициент адиабатического напора

НТ = ^ - коэффициент теоретического напора (Т - теоретический напор вентилятора, Дж/кг Яе = - число Рейнольдса М = Ш/а - число Маха в относительном движении

Индексы

авт -значение параметра начиная с которого течение газа становится неизменным

а - осевое направление и - окружное направление

0 - в сечении перед входным направляющим аппаратом

1 - в сечении перед рабочим колесом

2 - в сечении за рабочим колесом

3 - в сечении за спрямляющим аппаратом р - расчетные параметры

Сокращения

КПД - коэффициент полезного действия

ВНА - входной направляющий аппарат

РК - рабочее колесо

СА - спрямляющий аппарат

МДВ - метод дискретных вихрей

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода проектирования осевых вентиляторов с расширенной областью экономичной работы»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Осевые вентиляторы нашли широкое применение в различных областях промышленности, на транспорте, в вентиляторных системах различного назначения, в авиационных и космических объектах. Вентиляторные системы потребляют значительное количество, вырабатываемой электрической энергии. Поэтому при проектировании осевых вентиляторов уделяется большое внимание повышению их эффективности, что особенно важно для уменьшения потребляемой мощности в случае привода от автономного источника энергии. Особенностью эксплуатации вентиляторов является широкий диапазон изменения режимов работы из-за изменения параметров присоединенной сети, поэтому повышение КПД является актуальным не только на расчетном, но и на нерасчетных режимах работы. Для достижения экономичной работы осевых вентиляторов на нерасчетных режимах применяют различные способы, такие как поворот лопаток, изменение частоты вращения, изменение формы лопаток.

На практике наибольшее распространение получили одноступенчатые осевые вентиляторы, состоящие в различном сочетании из одного рабочего колеса (РК), входного направляющего (ВНА) и выходного спрямляющего (СА) аппаратов. В работе исследуется расширение возможностей регулирования вентиляторов наиболее эффективным способом - поворотом лопаток РК. Опубликованных в литературе данных недостаточно для определения наиболее рациональных параметров осевых одноступенчатых вентиляторов, обеспечивающих высокий КПД в широком диапазоне изменения расхода.

Поэтому для дальнейшего повышения эффективности на расчетных и нерасчетных режимах работы актуальным является проведение комплекса расчетно-экспериментальных исследований, касающихся выбора расчетных параметров и формы оси лопаток вентилятора, регулируемого поворотом лопаток РК.

В связи с этим целью работы является разработка рекомендаций и метода проектирования одноступенчатых осевых вентиляторов с расширенной областью высокоэкономичной работы

Задачи работы:

1. Аналитическое исследование влияния расчетных параметров осевого вентилятора на величину зоны экономичной работы.

2. Проведение экспериментального исследования вентиляторов (РК+СА) с различной аэродинамической нагруженностью и осевым выходом потока, регулируемых поворотом рабочих лопаток в широком диапазоне изменения углов установки.

3. Верификация расчетного метода определения параметров осевых вентиляторов на основе проведенных экспериментальных исследований в широком диапазоне изменения расхода и угла установки рабочих лопаток.

4. Комплексное исследование возможности расширения диапазона экономичного регулирования вентиляторов изменением формы оси направляющих и рабочих лопаток в концевых сечениях.

5. Разработка метода определения оптимальных параметров вентилятора, обеспечивающих максимальную эффективность работы на нескольких заданных режимах.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получены аналитические зависимости влияния коэффициента предварительной закрутки потока на эффективность регулирования вентилятора поворотом рабочих лопаток.

2. Даны рекомендации по выбору расчетных параметров вентилятора, работающего в широком диапазоне расхода с высоким КПД.

3. Разработан метод определения оптимальных параметров вентилятора с целью получения максимального КПД на заданных рабочих режимах, основанный на генетическом алгоритме.

Практическая значимость состоит в том, что:

1. Получены аналитические зависимости влияния коэффициента предварительной закрутки на эффективность регулирования осевого вентилятора поворотом рабочих лопаток.

2. Даны рекомендации по выбору расчетных параметров осевого вентилятора с расширенной областью экономичной работы.

3. Даны рекомендации по оптимизации формы оси лопаток вентилятора в концевых сечениях для расширения области экономичной работы.

4. Разработана методика определения оптимальных параметров вентилятора, работающего на нескольких рабочих режимах.

5. Получены экспериментальные характеристики осевых вентиляторов с характерными расчетными параметрами и осевым выходом потока в широком диапазоне изменения расхода рабочего тела.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитические зависимости влияния коэффициента предварительной закрутки потока на эффективность регулирования вентилятора поворотом рабочих лопаток.

2. Результаты экспериментального исследования вентилятора (РК+СА), регулируемого поворотом рабочих лопаток в широком диапазоне углов установки с заданной и увеличенной аэродинамической нагруженностью.

3. Результаты численного моделирования вентиляторов с искривленной осью лопаток РК и СА.

4. Метод определения оптимальных параметров осевого вентилятора, работающего на нескольких режимах, с максимальной эффективностью.

Степень достоверности:

1. Обоснованность численного метода дискретных вихрей для определения характеристик решеток профилей подтверждена методическими и теоретическими фундаментальными исследованиями, проведенными представителями научной школы С.М. Белоцерковского.

2. Достоверность представленных экспериментальных данных вытекает из апробированных методик испытаний согласно соответствующему ГОСТу, а также сертифицированным стендам, на которых эти испытания проводились.

3. Достоверность численного моделирования подтверждается совпадением расчетных напорных характеристик и полей скоростей в межвенцовом зазоре с экспериментальными данными.

Апробация результатов исследования. Представленные в

диссертации результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований докладывались на:

- конференции «Студенческая научная весна» (Москва, 2014)

- «XXVI научно-технической конференции по аэродинамике», (М.О., поселок Володарского, 2015)

- «XII Научно-технической конференции Гидроавиасалон», (Геленжик,

2018)

- «XXIX Научно-технической конференции по аэродинамике», (М.О., поселок Володарского, 2018)

- заседаниях кафедры газотурбинных и нетрадиционных энергоустановок МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2018-2019 гг.

Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в четырех статьях: [44], [62], [65], [66] из них три: [44], [65], [66] опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и заключения и списка использованной литературы. Она содержит 134 страницы машинописного текста, 50 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 81 источник, из них 27 на иностранных языках.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО РАСШИРЕНИЮ ОБЛАСТИ ЭКОНОМИЧНОЙ РАБОТЫ ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ ОСЕВЫХ

ВЕНТИЛЯТОРОВ

1.1 Методы регулирования осевых вентиляторов

Современные осевые вентиляторы, в том числе высоконагруженные, имеют высокий КПД лопаточного аппарата на расчетном режиме работы, который может достигать 90% и более [1, 2]. Однако часто вентилятор должен работать на разных режимах, например, если возникает необходимость изменения расхода воздуха в сети в связи с изменением внешних условий. Существуют различные причины изменения рабочих режимов вентиляторных систем. Их можно разделить на связанные с изменением характеристики сети и характеристики вентилятора. Наиболее распространенными методами регулирования характеристики системы являются дросселирование, перепуск рабочего тела в сети, и изменение характеристики вентилятора за счет перехода на другую частоту вращения или форму проточной части. При изменении режима, изменяется течение рабочего тела в межлопаточных каналах вентилятора и, следовательно, параметры потока, определяющие его эффективность, такие как углы атаки, скорости потока и.т.д. Далее рассмотрим эффективность разных методов регулирования.

1.1.1 Применение нерегулируемого вентилятора

Изменение расхода и давления нерегулируемого вентилятора при сохранении высокого значения КПД возможно только в пределах его рабочей характеристики, полученной для расчетной частоты вращения рабочего колеса. При этом одному значению расхода соответствует одно значение давления (Рисунок 1.1,а). Путем выбора расчетных параметров можно спроектировать вентилятор, который будет обладать заданной формой характеристики, проходящей через рабочие точки, которые определяются полным давлением Рв и объемным расходом Q [3]. Однако такая возможность есть не всегда, и при

изменении условий работы подстройка характеристики вентилятора невозможна. Поэтому этот метод практически не используется. Чаще достижение потребных рабочих режимов сети с нерегулируемым вентилятором обеспечивается дросселированием. Таким образом можно уменьшить расход рабочего тела через сеть и, соответственно вентилятор, но при таком регулировании часть мощности привода затрачивается на преодоление сопротивления в дросселе. В связи с этим достижение высокого КПД установки невозможно. Еще одним способом достижения заданного режима работы сети является перепуск воздуха, часть которого отбирается за вентилятором и направляется на его вход. Таким образом достигают режимов с большим давлением и малым расходом, которые на имеющемся вентиляторе привели бы к вращающемуся срыву. Работа вентилятора, затраченная на замкнутую циркуляцию воздуха при этом теряется.

Рисунок 1.1.

Области высокоэффективных рабочих режимов вентилятора (синим): а - без регулирования; б - при регулировании частотой вращения; в - при регулировании

поворотом лопаток рабочего колеса Как правило, нерегулируемые вентиляторы применяются, если рабочие режимы системы заданы не жестко. Например, при вентиляции помещений задается только минимальная и максимальная скорость воздуха [4]. В остальных случаях применяются регулируемые вентиляторы, когда в процессе работы изменяются параметры самого вентилятора.

1.1.2 Регулирование вентиляторов изменением частоты вращения рабочего колеса

Регулирование изменением частоты вращения п является экономичным способом, так как не требует применения дополнительных сопротивлений. Наилучшие результаты достигаются, когда сопротивление сети может быть описано квадратичной параболой. Безразмерная характеристика вентилятора Н=

^Са), п = Са), при выполнения условий: Яе > Яеавт ~ 2-105; М < Мавт ~ 0.3 не

— р — о

зависит от его частоты вращения п, где Н = - коэффициент напора, Са = —

- коэффициент расхода, и - окружная скорость концов лопаток, ^ - ометаемая

ТЛУ- п ШгЬр

площадь лопаток РК, р - плотность воздуха на входе в вентилятор, -е =--

0

число Рейнольдса вентилятора, М = / - число Маха, - скорость потока на

входе в РК в относительном движении на среднем радиусе, Ь - хорда лопатки РК на среднем радиусе, а - скорость звука на входе в вентилятор. При таком способе регулирования область высокоэффективной работы ограничена кривыми, проходящими через крайние точки характеристики вентилятора с заданным значением КПД (Рисунок 1.1,б), а значения расхода и давления вентилятора могут быть посчитаны по формулам (1.1), (1.2). Так как характеристика неизменной сети при турбулентном режиме течения представляет собой параболу, наиболее эффективным способом изменения расхода в такой сети является регулирование изменением частоты вращения вентилятора. В этом случае вентилятор всегда работает на расчетном режиме при различных частотах вращения рабочего колеса и его КПД практически не изменяется.

Рв = рН(пОп)2; 8 = СапОп

(1.1)

1.1.3 Регулирование вентиляторов поворотом вращающихся и неподвижных лопаток при постоянной частоте вращения

Эффективным способом регулирования вентиляторов при постоянной частоте вращения рабочих колес является изменение геометрии проточной части поворотом лопаток лопаточных венцов. В случае одноступенчатых вентиляторов может применяться регулирование поворотом лопаток входного направляющего аппарата (ВНА), рабочего колеса (РК) или совместно ВНА + РК. Характеристика вентилятора при повороте лопаток смещается относительно начального положения. Таким образом рабочие режимы с высоким КПД образуют область в координатах Р, Q (Рисунок 1.1,в).

Регулирование поворотом лопаток РК оказывает более сильное влияние на характеристику, чем ВНА, и обеспечивает лучшую экономичность в широком диапазоне изменения расхода [5]. Конструктивно, регулируемое РК сложнее, чем регулируемый ВНА, так как механизм поворота рабочих лопаток располагается в ограниченном пространстве втулки, и вращается вместе с рабочим колесом, в то время как механизм поворота лопаток ВНА, как правило, располагается снаружи, на корпусе вентилятора. Для поворота рабочих лопаток в процессе работы вентилятора, в основном используются электромеханические, гидравлические и термогидроприводы, все они существенно увеличивают вес, стоимость и вероятность отказа конструкции [6, 7]. Тем не менее в связи с потребностями в глубоко регулируемых вентиляторах с высокой эффективностью работы, новые конструкции механизмов поворота рабочих лопаток продолжают разрабатывать [8, 9, 10].

Регулирование вентиляторов совместным поворотом лопаток РК и ВНА, как правило, не увеличивает зону экономичного регулирования по расходу, но расширяет ее по давлению, что также может быть полезно для реализации заданных рабочих режимов с высоким КПД.

В работах [11, 12, 13] выполнено исследование регулируемых вентиляторов. Эксперимент показал, что выход из срывного режима с помощью поворота рабочих лопаток проходит значительно плавнее, и при меньших изгибающих напряжениях на лопатках, чем при регулировании частотой вращения.

Важным вопросом, который остался неисследованным является влияние расчетных параметров вентилятора и закона профилирования по радиусу на эффективность его регулирования поворотом лопаток.

1.2 Области применения регулируемых вентиляторов

Выбор способа регулирования определяется рабочими режимами, которые необходимо реализовать на данном вентиляторе и конструктивными ограничениями. В промышленности, системах вентиляции возникает необходимость изменения расхода воздуха в неизменной сети (Рисунок 1.2,а). В таких условиях наиболее эффективным методом регулирования является изменение частоты вращения рабочего колеса.

Рисунок 1.2.

Характеристики различных сетей: а - сеть с неизменным коэффициентом сопротивления, б - сеть с изменяющимся коэффициентом сопротивления, в - сеть с переменной скоростью набегающего потока V® на входе

Однако электрический привод большой мощности с регулируемой частотой вращения обладает существенными недостатками и не всегда может быть применен. Когда частота вращения вентилятора зафиксирована из-за особенностей работы привода, регулирование может выполняться поворотом рабочих или направляющих лопаток. В работе [14] показано, что при неизменной характеристике сети эффективность регулирования поворотными лопатками будет зависеть от степени реактивности р ступени. При р > 0.5 эффективнее поворачивать рабочие лопатки, в остальных случаях - лопатки ВНА.

На практике часто встречаются системы, в которых коэффициент сопротивления сети изменяется (Рисунок 1.2,б). Например, при аэрации сточных вод напор вентилятора изменяется незначительно и определяется, практически, неизменной высотой слоя жидкости, а расход изменяется в широких пределах [15]. При добыче руды рабочее место перемещается, и длина доставки воздуха к нему постоянно меняется [16], то есть при постоянном расходе воздуха изменяется коэффициент сопротивления и перепад давления в сети. Для обеспечения необходимого расхода воздуха часто заменяют вентиляторы на более высоконапорные по мере увеличения длины выработки. Так как держать несколько вентиляторов на каждом участке нецелесообразно, иногда устанавливают наиболее мощный из линейки и искусственно увеличивают сопротивление сети на начальных этапах работы, когда длина выработки еще мала, с расчетом выйти на полную гидравлическую мощность вентилятора к концу работы на данном участке [17]. Такой подход позволяет сэкономить на обслуживании парка вентиляторных установок, и их замену, но увеличивает энергетические затраты так как часть энергии уходит на преодоление искусственного сопротивления. Применение вентиляторов, регулируемых с помощью поворотных рабочих лопаток позволяет вывести из эксплуатации часть вентиляторных установок и достичь существенной экономии суммарной установленной мощности [18].

В работе [19] исследовалось влияние способа регулирования системы вентиляции жилого дома на экономические показатели. Показано, что при работе системы вентиляции большую часть времени на большой мощности может быть целесообразно применение эффективного вентилятора с дроссельным устройством, при работе на средней мощности преимущество имеет вентилятор с поворотными лопатками, а в случае, если нагрузка преимущественно низкая, лучше всего использовать частотное регулирование. В [20] проведено сравнение методов регулирования системы кондиционирования и вентиляции здания путем оценки капитальных и эксплуатационных затрат, причем при анализе частотного регулирования учитывалась зависимость КПД регулируемого электродвигателя от мощности. При неизменной сети наиболее дешевым вариантом оказалось частотное регулирование. Однако оно сложнее в установке и в управлении, медленно и неточно реагирует на изменения. Вентилятор с поворотными рабочими лопатками дешевле при покупке, но дороже в эксплуатации. Суммарные затраты при частотном регулировании и повороте лопаток через 4 года работы выравниваются, затем частотное регулирование становится дешевле. В случае изменяемой сети применение вентилятора с поворотными лопатками оказывается выгоднее на протяжении всего срока службы [20].

В автодорожных тоннелях получила большое распространение продольная распределенная схема вентиляции, при которой вентиляторы монтируются под сводом тоннеля [21, 22]. Режим работы вентилятора определяется переменными условиями окружающей среды и транспортным потоком. Особые режимы требуются в случае пожара для удаления дыма и обеспечения притока свежего воздуха. Поэтому широкое применение в вентиляции тоннелей находят вентиляторы, регулируемые поворотом лопаток рабочего колеса [23, 24].

Требования к авиационным двигателям постоянно растут. Применение поворотных рабочих лопаток вентилятора позволит сделать следующий шаг в улучшении топливной экономичности и снижении шума двигателя [25, 26]. Преимущества регулируемого вентилятора в авиадвигателях известны давно,

однако сложность конструкции и жесткие требования к надежности привели к тому, что они не нашли широкого применения. Применение современных технологий и материалов может позволить изменить сложившиеся традиции. В работах [27, 28] предлагаются конструкции механизмов поворота лопаток, обеспечивающие сравнимые с нерегулируемым вентилятором массо-габаритные показатели и показатели надежности при снижении расхода топлива на 10-12%. Большое преимущество применения вентилятора с поворотными рабочими лопатками в авиадвигателях объясняется существенными различиями параметров вентилятора на разных режимах полета. На взлетном режиме требуется высокое давление вентилятора, в то время как на режиме крейсерского полета вентилятор должен пропускать через себя максимальный объемный расход воздуха при меньшем давлении, статическое давление вентилятора становится отрицательным из-за набегающего потока (Рисунок 1.2,в). В таких условиях частотное регулирование оказывается менее эффективным, чем поворот рабочих лопаток, и изготовители двигателей вынуждены идти на компромисс при создании вентилятора. Еще большую роль этот фактор играет в летательных аппаратах с вертикальным взлетом, например в случае вентилятора хвостового движителя вертолета (Рисунок 1.3).

Рисунок 1.3.

Схема вертолета с хвостовым вентилятором-движителем

Продолжительный режим висения с малой потребной тягой и кратковременный режим полета с максимальной скоростью вносят примерно одинаковый вклад в суммарную топливную эффективность вертолета. Еще

больше усложняет условия работы вентилятора тот факт, что частота его вращения, как правило жестко, связана с частотой вращения двигателя и несущего винта, которая снижается при наборе высокой скорости [29]. Поэтому ключевой проблемой при создании таких силовых установок является проектирование и экспериментальная отработка высокоэффективного регулируемого вентилятора [30].

1.3 Способы улучшения регулировочных характеристик вентиляторов

При работе вентилятора на нерасчетном режиме, вне зависимости от способа регулирования, лопаточные венцы и решетки обтекаются с неоптимальными углами атаки. Особенно чувствительны к изменению режима течения втулочные и периферийные области из-за сложной структуры потока. На некоторых режимах усиливаются вторичные течения, на некоторых возникает местный отрыв потока. Это приводит к росту потерь давления и уменьшению эффективности работы вентилятора. Для снижения интенсивности этих явлений геометрия проточной части может быть изменена. Изменения могут касаться решеток профилей, их взаимного расположения в лопаточном венце, могут включать дополнительные каналы в корпусе вентилятора.

1.3.1 Влияние формы оси лопаток на области экономичной работы вентилятора

Одним из известных способов влияния на течение в межлопаточных каналах лопаточных венцов с целью снижения потерь является изменение геометрии лопаток. При этом параметры решеток остаются неизменными, а изменяется лишь форма оси лопаток [31, 32]. Как правило, такой подход используют только в концевых сечениях. Средняя же часть оси лопатки остается прямолинейной и направленной по радиусу [33]. В отечественных работах оценка изменения формы оси лопатки привязывается к оси вращения лопаточного венца. При этом рассматривается осевой и окружной наклон оси лопатки. При таком подходе параметры наклона изменяются при повороте лопаток. Чтобы избежать

этого целесообразно использовать метод, применяемый зарубежными авторами, когда отклонение оси от радиального направления рассматривается относительно хорды концевого сечения. Искривление оси в направлении, перпендикулярном хорде, изменяет тангенциальный наклон лопатки, а в направлении хорды -стреловидность. На Рисунке 1.4 изображена схема смещения профилей в концевых сечениях лопатки [34, 35]. При положительном тангенциальном наклоне концевые сечения у втулки и (или) периферии смещаются в сторону спинки, а при положительной стреловидности в сторону передней кромки.

-►

Осевое направление

> У / *

I "X. Положительная А

стреловидность |

Окружное направление

Рисунок 1.4.

Схема отсчета смещения концевых (привтулочных или периферийных) профилей

лопаток

--сечение прямой лопатки

----сечение лопатки с искривленной осью

1.3.1.1 Стреловидность лопаток

Неподвижный лопаточный венец с постоянным углом наклона лопатки (стреловидность при этом положительная у втулки, отрицательная у периферии) и вторичные течения в межлопаточном канале при отсутствии радиальных зазоров [36] изображены на Рисунке 1.5.

Рисунок 1.5.

Вторичные течения в направляющем аппарате с положительной у втулки и отрицательной у периферии стреловидностью

Смещение линии тока, которое возникает в середине высоты проточной части на передней кромке и растет в направлении течения, вызвано стреловидностью. Это происходит из-за вихря, возникшего вследствие того, что часть лопатки у втулки выдвинута вперед по потоку и действует на рабочее тело, в то время как в периферийных сечениях поток еще не вступил в межлопаточный канал и на него не действует аэродинамические силы со стороны лопаток [36]. Это приводит к возникновению дополнительного радиально направленного течения.

Вихрь, созданный стреловидностью лопатки, занимает всю проточную часть. Он направлен противоположно обычному поперечному течению у втулки, и поддерживает поперечное течение у периферии. Ближе к ограничивающим поверхностям проточной части смещение линии тока подавляется и созданные стреловидностью вихри сменяются небольшими завихрениями за задней кромкой. Они имеют у втулки то же направление вращения, что и обычные вторичные завихрения за лопаткой, и противоположное у периферии. Поэтому структура вторичных течений более сложная у стреловидных, чем у прямых лопаточных венцов.

В работах [37, 38] исследуется стреловидность лопаток в концевых областях и делается вывод, что положительная стреловидность благоприятно влияет на трехмерное течение у концов лопатки. Интенсивность поперечного течения и угловой отрыв могут быть снижены благодаря улучшению условий течения в пристеночной области также, как и суммарные потери, по крайней мере в некотором диапазоне рабочих режимов. Однако в узловой точке (соединение стреловидной и радиальной частей лопатки) замечено увеличение потерь давления [34].

1.3.1.2 Тангенциальный наклон лопаток

Положительный тангенциальный наклон лопатки увеличивает двугранный угол между цилиндрической поверхностью и спинкой лопатки, что приводит к

уменьшению отрывной области в угловой зоне. В области острого двугранного угла у корытца радиальная составляющая поверхностных сил на лопатке прижимает поток, что также не дает разрастись трехмерному пограничному слою. Такие изменения ослабляют, или предотвращают отрыв пограничного слоя в пристеночных сечениях [39].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Замолодчиков Глеб Игоревич, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Sirovy M., Peroutka Z., Byrtus M., Michalik J. Medium-voltage drive fan save: Energy efficient fan systems in power engineering // IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Vienna. 2013. pp. 20932098.

2. Bonanni T.A., Corsini A.A., Delibra G.A., Volponi D.A., Sheard A.G., Bublitz M.C. Design of a single stage variable pitch axial fan // ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, GT. Charlotte. 2017. Vol. 1. P. 13.

3. Брусиловский И.В. Аэродинамический расчет осевых вентиляторов. Машиностроение, 1986. 288 с.

4. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. - Москва: Изд-во стандартов, 2004. - 61 с.

5. Брусиловский И.В. Аэродинамика акустика осевых вентиляторов. Москва: труды ЦАГИ им. Проф. Н.Е. Жуковского, 2004. 275 с.

6. Таугер В.М. Сравнительная оценка надежности механизмов регулирования шахтных осевых вентиляторов // Изв. вузов. Горный журнал. 2011. № 3. С. 3038.

7. Пономарев В.Т. О надежности осевых вентиляторов, регулируемых на ходу поворотом лопаток рабочего колеса // Автоматическое регулирование и эффективность работы главных вентиляторных установок шахт. 1968. С. 7993.

8. Giberti H., Prato L., Resta F. Design of an actuation system for a variable pitch axial fan // 4th International Multi-Conference on Engineering and Technological Innovation, IMETI. Orlando. 2011. Vol. 1. pp. 19-24.

9. Кузецов С.В. Механизм поворота лопаток шахтного осевого вентилятора на основе термогидропривода // Технические науки - от теории к практике. 2013.

№ 17-1. С. 120-125.

10. Заслов В.Я., Роженцов В.Ф., Костыгов М.Е., Кузнецов Н.С. Механизм поворота лопаток шахтного вентилятора, 2009118908/22, 19.05.2009.

11. Sheard A.G., Tortora C.B., Corsini A.B., Bianchi S.B. The role of variable pitch in motion blades and variable rotational speed in an industrial fan stall // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. may 2014. Vol. 228. No. 3. pp. 272-284.

12. Bianchi S.A., Corsini A.A., Sheard A.G.B. Stall control and recovery in a low-speed axial fan through the use of variable pitch in motion blades // ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conference and Exposition, GT. Copenhagen. 2012. Vol.

3. pp. 705-716.

13. Bianchi S.A., Corsini A.A., Mazzucco L.A., Monteleone L.A., Sheard A.G. Stall inception, evolution and control in a low speed axial fan with variable pitch in motion // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2012. Vol. 134. No.

4. pp. 445-456.

14. Петров Ю.Е. Оценка эффективности регулирования осевых воздуходувок мощных котлоагрегатов // Труды ЦКТИ. 1970. № 12. С. 51-58.

15. Березин С.Е. Выбор способа регулирования воздуходувок для аэрации сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2012. № 11. С. 59-64.

16. Дзидзигури A.A. Работа шахтных вентиляторов в сложных сетях. Типография Изд-ва АН Грузинской ССР, 1958. 165 с.

17. Алыменко Н.И., Алыменко Д.Н., Трапезников И.И., Ковалев А.В. Требования к современным осевым вентиляторам местного проветривания // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. № 10. С. 168-170.

18. Smith L., Henry, Arthur, C. D. Mine ventilation: Waste heat recovery // CIM Bulletin. March 1996. Vol. 89. No. 998. pp. 126-130.

19. Lee S.W., Chuah Y.K. Energy saving simulation analysis for different fans design applied to variable air volume systems // 8th Asian Conference on Refrigeration and

Air-Conditioning, ACRA. Taiwan. 2016. pp. 50-62.

20. Johnson C.M. Comparison of variable pitch fans and variable speed fans in a variable air volume system // Building Services Engineering Research & Technology. August 1988. Vol. 9. No. 3. pp. 89-98.

21. Соколов В. А. Рациональный выбор схемы тоннельной вентиляции как залог эффективной эксплуатации транспортных тоннелей // Метро и тоннели. 2016. № 6. С. 63-65.

22. Кузнецов С.В. Вентиляция транспортных тоннелей // Научное обозрение. 2012. No. 4. pp. 221-224.

23. Громов В.Н., Саратов Д.Н., Белякова Л. А. Повышение энергоэффективности и безопасности системы вентиляции автодорожного тоннеля № 6 // Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России. 2014. № 2. С. 15-30.

24. Jones M. Winds of change for tunnels environment // Tunnels and Tunnelling International. 2010. pp. 29-30.

25. Mazzawy R.S., Virkler J.B. Variable pitch fan - The solution to achieving high propulsive efficiency turbofan engines // AeroTech Congress and Exhibition. Seattle. 2009. P. 7.

26. Halliwell I.A., Justice K.A. Fuel burn benefits of a variable-pitch geared fan engine // 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Atlanta. 2012. Vol. 3. P. 24.

27. Mazzawy R.S. Performance study for benefits of variable pitch composite fan // ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea, and Air, GT 2010. Glasgow. 2010. Vol. 1. pp. 37-45.

28. Violette J.A., Loos E.S. Mechanical design of a variable pitch fan for turbofan engines // ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea, and Air. Glasgow. 2010. Vol. 1. pp. 303-308.

29. Гельмедов Ф.Ш., Фокин Ю.В., Осипов И.В., Андрианова Л.В. Силовые

установки для скоростных вертолетов // Двигатель, № 2, 2012. С. 10-12.

30. Nyhus D., Rao C. Design of the variable pitch fan for the McDonnell Douglas MD 520N helicopter equipped with the NOTARTM system // 48th Annual Forum Proceedings of the American Helicopter Society. Washington, DC. 1992. Vol. 1. pp. 111-120.

31. Смит Л.Х., Сюан И. Влияние стреловидности и поперечного V лопаток на характери-стики осевых турбомашин // Труды американского общества инженеров-механиков (перевод). 1963. Т. 85. № 3. С. 207-218.

32. Попов С.А., Ву М.Х., Рыжов Ю.А. Физические аспекты применения лопастей обратной стреловидности на осевых вентиляторах // Труды МАИ. 2013. № 64. С. 24.

33. Sasaki T., Breugelmans F. Comparison of Sweep and Dihedral Effects on Compressor Cas-cade Performance // Transactions of ASME, Journal of Turbomachinary. 1998. Vol. 120. pp. 454-464.

34. Gallimore S.J., Bolger J.J., Cumpsty N.A. The Use of Sweep and Dihedral in Multistage Axial Flow Compressor Blading—Part I: University Research and Methods Development // Transactions of ASME, Journal of Turbomachinary. 2002. Vol. 124. pp. 632-532.

35. Gallimore S.J., Bolger J.J., Cumpsty N.A. The Use of Sweep and Dihedral in Multistage Axial Flow Compressor Blading—Part II: Low and High-Speed Designs and Test Verifica-tion // Transactions of ASME, Journal of Turbomachinary. 2002. Vol. 124. pp. 533-541.

36. Glimmer V., Wegner U. Control Three-Dimensional Flow in Transonic Stators of Axial Compressors // Transactions of ASME, Journal of Turbomachinary. 2001. Vol. 123. pp. 40-48.

37. Куркин Е.И., Лукьянов О.Е., Хоробрых М.А. Модернизация крыльчатки вентилятора с целью повышения его эффективности // Известия Самарского научного центра. 2015. № 2. С. 204-210.

38. Рыжов Ю.А., Попов С.А., Ву М.Х. Аэродинамическое проектирование высоконапор-ного осевого вентилятора // Научный вестник Московского государственного техни-ческого университета гражданской авиации. 2014. № 199. С. 5-10.

39. Батурин О.В., Матвеев В.Н. Расчетное исследование влияния тангенциального накло-на сопловых лопаток на газодинамическую эффективность ступени осевой турбины // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2008. № 3. С. 114-118.

40. Архипов Д.В., Тумашев Р.З. Расчетное исследование влияния тангенциального наклона и косого обтекания лопаток направляющего аппарата на работу ступени осе-вого компрессора // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2015. № 11. С. 178-192.

41. Караджи С.В., Тумашев Р.З. Сравнение аэродинамических характеристик лопаточных венцов с различной формой оси лопатки // Журнал Сибирского федерального универ-ситета. Сер. Техника и технологии. 2012. Т. 5. № 3. С. 245-257.

42. Халецкий Ю.Д., Почкин Я.С. Снижение шума вентилятора авиадвигателя путем наклона лопаток спрямляющего аппарата // Акустический журнал. 2015. Т. 61. № 1. С. 101-108.

43. Брусиловский И.В., Митрофович В.В., Исакович С.А. Разработка методов расширения области экономичной работы многорежимных вентиляторов-движителей скоростных маневренных вертолетов нового поколения // Конференция «Аэродинамика летательных аппаратов»: Материалы XI школы-семинара 2000., 2000. С. 57-58.

44. Замолодчиков Г.И., Тумашев Р.З. Повышение эффективности вентилятора на различных рабочих режимах путем изменения формы лопатки направляющего аппарата // Наука и образование электронное научно-техническое издание, 2017. С. 20-36.

45. Ушаков К.А., Брусиловский И.В., Бушель А.Р. Аэродинамика осевых вентиляторов и элементы их конструкций. 1960. 424 с.

46. Нечаев Р.М., Федоров Р.М. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Т. 1. Машиностроение, 1977. 312 с.

47. Xuemin Y., Jiankun Z., Chunxi L. Effect of blade tip pattern on performance of a twin-stage variable-pitch axial fan // Energy. march 2017. No. 126. pp. 535-563.

48. Wennerstrom A.J. Experimental study of high-throughflow transonic axialcompressor stage // Trans ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 106, 1984. pp. 552-560.

49. Lakshminarayana B. Methodsof predictionsthe tip clearance effect in axialflow turbomachinery // Trans ASME Journal of Basic Engineering, Vol. 92, 1970. pp. 467-482.

50. Nishioka T.A., Kuroda S.B., Kozu T.B. Improving stall margin by using an airseparator for a variable-pitch axial-flow fan // 2004 ASME Turbo Expo. Vienna, Austria. 2004. Vol. 5 А. pp. 483-491.

51. Мураи Н., Нераска,Т. Механизм работы кольцевого дефлектора во входном патрубке турбомашины и влияние его геометрических параметров // Труды ASME: Теоретические основы инженерных расчетов, № 4, 1973. С. 43-47.

52. Иванов С.К. Исследование вентиляторов с меридиональным ускорением потока // Дисс. На соискание ученой степени канд. техн. наук.- Донецк:, 1971. С. 167.

53. Брусиловский И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов. 1984. 240 с.

54. Березин А.В., Василенко С.Е., Шкурихин И.Б., Кулишов С.Б., Шаровский М.А. Снижение газодинамической неустойчивости в высоконагруженных лопаточных системах осевых компрессоров газотурбинных двигателей // Проблемы машиностроения и автоматизации, № 1, 2012. С. 107-108.

55. Бекнев В.С., Василенко С.Е., Сороколетов М.Ю., Тумашев Р.З., Шаровский М.А. Исследование компрессорных решеток с управляемой формой средней

линии профиля // Теплотехника, № 4, 1997. С. 38-42.

56. Московко Ю.Г. Методика проектирования и разработка энергоэффективных осевых вентиляторов с профилями лопаток специальной формы. Санкт-Петербург: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2011. 16 с.

57. Denton J.D., Wallis A.M., Borthwick D., Grant J., Ritchey I. Three-Dimensional Design of Low Aspect Ratio 50% Reaction Turbines // Latest Advances in the Aerodynamics of Turbomachinery with Special Emphasis, upon Secondary Flows IMechE Seminar. Rugby, U.K. 1996. pp. 461-469.

58. Бекнев В.С., Михальцев В.Е., Шабаров А.Б., Янсон.Р.А. Турбомашины и МГД-генераторы газотурбинных и комбинированных установок. Машиностроение, 1983. 392 pp.

59. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. Машиностроение, 1986. 430 с.

60. Брусиловский, И.В. Оценка влияния способа предварительной закрутки потока в осевом вентиляторе на его свойства. Москва: Издательский отдел ЦАГИ, препринт № 124, 2000. 5 с.

61. Симонов Л.А.. Осевые компрессоры // Сборник теоретических работ по аэродинамике, 1957. С. 463-509.

62. Замолодчиков Г.И. Профилирование осевого рабочего колеса вентилятора с высокой аэродинамической нагруженностью // Молодежный научно-технический вестник, № 1, январь 2014. С. 7.

63. Юдин Е.Я. Борьба с шумом. Стройиздат, 1964. 704 с.

64. Довжик С. А. Исследования по аэродинамике осевого дозвукового компрессора // Труды центрального аэро-гидродинамического института им. Проф. Н.Е. Жуковского. 1968. № 1099. С. 280.

65. Замолодчиков Г.И., Тумашев Р.З. Влияние предварительной закрутки потока на эффективность регулирования вентилятора поворотом лопаток рабочего

колеса // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. № 10. С. 72-82.

66. Замолодчиков Г.И., Тумашев Р.З., Щеголев Н.Л., Фурашов А.С., Семилет Н.А. Повышение эффективности промышленных вентиляторов при работе на нерасчетных режимах // Безопасность в техносфере. 2018. No. 3. pp. 43-51.

67. ГОСТ 10921-90. Аэродинамические испытания осевых и центробежных вентиляторов. М.: Изд-во стандартов, Введ. 1992-01-01. 34 с.

68. Митрофович В.В., Сустин С.А., Яковлевский О.В. Методическое пособие. Аэродинамические испытания вентилятров. 2014. 35 pp.

69. Пешехонов Н.Ф. Приборы для измерения давления, температуры и направления потока в компрессорах. Оборонгиз, 1962. 183 с.

70. Комаров О.В., Седунин В.А., Блинов В.Л., Серков С.А. Верификация задачи численного моделирования течения воздуха в осевой компрессорной ступени // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение», № 1, 2016. С. 54-67.

71. Щелковский М.Ю. Верификация программного комплекса ANSYS CFX для численного анализа трехмерного течения в компрессоре // Современные технологии в газотурбостроении, № 3, 2012. С. 60-65.

72. ANSYS CFX-Solver Guide. URL: https://www. sharcnet.ca/Software/Ansys/17.0/en-us/help/cfx_thry/cfx_thry.html (дата обращения: 15.04.2019).

73. Белоцерковский С.М., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1978. 352 с.

74. Караджи С.В. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 2012. 16 с.

75. Митрофович В.В. Определение предельных расчетных параметров осевых вентиляторов с высоким статическим КПД // Промышленная аэродинамика. ,

№ 4, 1991. С. 366.

76. Liblein S. Loss and Stall Analysis of Compressor Cascades // Trans. of the ASME, Vol. 81, No. 3, 1960. pp. 387-400.

77. Белоцерковский С.М., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью // Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука». 1978. С. 352.

78. Брусиловский И.В. О динамическом давлении осевого вентилятора, определенном по тангенциальной скорости потока // Промышленная аэродинамика. 1975. № 32. С. 149-157.

79. Брусиловский И.В. Определение предельных расчетных параметров осевых вентиляторов // Промышленная аэродинамика. 1975. № 32. С. 125-148.

80. Holland J.H. Adaptation in natural and artificial systems. Ann Arbor: University of Michigan Press, 1975. 232 pp.

81. Вороновский Г.К., др. и. Генетические алгоритмы, искусственные нейронные сети и проблемы виртуальной реальности. Харьков: ОСНОВА, 1997. 112 с.