Вентиляторы

Вентилятор

ВЕНТИЛЯТОРЫ, машины, создающие некоторую незначительную разность давлений, необходимую для придания скорости и для преодоления сопротивлений перемещению воздуха, газов или смеси их с материальными частицами по трубам и каналам или же непосредственно из одного пространства в другое с одинаковыми давлениями в обоих пространствах. Создаваемая вентилятором разность давлений (разрежение или избыток давления), называемая в дальнейшем давлением, обычно измеряется в мм водяного столба или в метрах воздушного столба. Современные вентиляторы строятся для давлений от 4 до 1500 мм вод. ст. и даже до 3500 мм и выше. Вентиляторы бывают: центробежные, винтовые, цилиндрические. Кроме вентиляторов для тех же целей применяются поршневые воздуходувные машины и паро-, водо- и воздухоструйные аппараты. Вентиляторы применяются: 1) для обновления воздуха, путем отсасывания загрязненного, испорченного и нагнетания свежего (чистого) воздуха, в жилых помещениях, конторах, театрах, фабрично-заводских и промышленных предприятиях, 2) для удаления вредностей, получаемых при производстве (газов, паров, пыли, опилок, очесов и т. п.), 3) для транспортирования материалов (стружки древесной, шерсти, волоса, льна, угля, зерна и т. п.), 4) для искусственной тяги в паровых котлах (дымососы), 5) для вагранок, металлургических печей, кузнечных горнов и т. п., 6) для проветривания рудников, 7) для создания потока воздуха в аэродинамических трубах, и для других целей.

Центробежные вентиляторы. Центробежные вентиляторы обычно состоят из железного клепаного или литого кожуха, имеющего форму спирали и заключающего в себе т. н. лопастное колесо, которое приводится во вращение какой-либо внешней силой. Главные части центробежного вентилятора (фиг. 1 и 2) следующие: А - железный клепаный кожух; B - лопастное колесо с приклепанными лопатками С; D - ступица колеса, Е - вал его, расположенный в подшипниках F с кольцевой смазкой (в быстроходных вентиляторах ставятся шариковые или роликовые подшипники).

Центробежный вентилятор

У вентиляторов, которые приводятся в движение от двигателя посредством ремня, между подшипниками на валу или на конце последнего посажен рабочий шкив G, причем для наиболее удобного выключения и включения вентилятора в работу рядом с рабочим шкивом насаживается холостой. В ряде конструкций вал двигателя связывается непосредственно с валом вентилятора при помощи эластичных муфт. Подшипники монтируются на основательных стойках Н, клепаных из фасонного железа или литых. Для входа воздуха в вентилятор или для присоединения к нему всасывающего трубопровода на кожухе устанавливается всасывающий патрубок J; в месте выхода воздуха на кожухе устанавливается фланец К, к которому присоединяется также и нагнетательный трубопровод.

При вращении лопастного колеса частицы воздуха, находившиеся в каналах лопаток колеса в состоянии покоя, увлекаемые последними, приходят в движение и под влиянием центробежной силы вылетают из колеса в кожух и далее через выдувное отверстие выбрасываются наружу; взамен их в колесо вступают новые частицы, которые совершают тот же процесс. Этот процесс создает внутри колеса и кожуха вакуум, вызывающий приток воздуха снаружи через всасывающее отверстие J, где и устанавливается определенное разрежение (недостаток давления по отношению к атмосферному давлению), а у выдувного отверстия К - избыток давления. Засасываемый центробежным вентилятором воздух входит в колесо через всасывающее отверстие в осевом направлении, а выходит на окружности колеса, проходя через каналы, в радиальном, или близком к радиальному, направлении.

При движении воздуха по присоединенной к вентилятору системе труб и аппаратов возникают сопротивления, вызываемые трением в трубах, «местными сопротивлениями» (задвижками, шиберами, отводами, коленами, фильтрами и прочими), вихреобразованиями и т. п. Та часть h8 создаваемого вентилятором давления, которая идет на преодоление сопротивлений, называется статическим давлением; часть hd давления, идущая на сообщение воздуху скорости, называется динамическим давлением; сумма обоих hg называется общим, или суммарным, давлением. Уравнение hg = h8 + hd является основным в вентиляторостроении. Скоростной напор зависит от скорости воздуха (газа), определяющейся из количества протекающего воздуха и сечения трубопровода или канала. Если перемещается количество воздуха V м3/сек со скоростью v м/сек, то, при сечении трубопровода в F м2, имеем:

ventilator 2

где γ - удельный вес воздуха в кг/м3, g= 9,81 м/сек2. Основное уравнение примет вид:

ventilator 3

Формула для скоростного напора дает достаточно точные для практики результаты, так как ошибка < 1% при скоростях до 60 м/сек; в вентиляторных же установках скорости значительно ниже.

Главной деталью вентилятора является лопастное колесо. Большую роль в его конструкции играет форма и расположение лопаток (величина углов лопатки), которые можно подразделить на три типа: 1) лопатки, выходящие радиально (фиг. 3 и 4), 2) загнутые вперед (фиг. 5), 3) загнутые назад (фиг. 6).

Главной деталью вентилятора является лопастное колесо

Воздух, поступая в осевом направлении во всасывающее отверстие вентилятора, на дальнейшем своем пути постепенно изменяет направление, отклоняясь на 90°, пока не войдет в каналы лопаток (фиг. 2). Главными факторами в расчете лопастного колеса являются абсолютные скорости с входа и выхода воздуха. Эти скорости должны рассматриваться как результирующие относительных скоростей w входа и выхода, и окружных скоростей u, существующих на внутренней и наружной окружностях колеса. На фиг. 7 графически изображены скорости воздуха в радиальных лопатках.

Скорости воздуха в радиальных лопатках

Если с, w и u выражены в м/сек, α - угол между с и u, β - угол между wи u, то в общем случае

ventilator 6

Теоретическое суммарное давление, создаваемое колесом вентилятора, составляется из давлений, образуемых суммой разности скоростей воздуха и разности окружных скоростей. Обозначим через с1, w1 и u1 скорости у входа в каналы лопаток и на внутренней окружности колеса, через с2, w2 и u2 - соответственно скорости у выхода и на внешней окружности, через α1 и β1 - углы лопаток у входа и через α2 и β2 - у выхода. Если положить, что каналы лопаток расширяются по направлению к наружной окружности колеса, то относительная скорость уменьшается на w1—w2; окружная скорость возрастает на u2—u1; результирующая абсолютная скорость возрастает на с2—с1. Теоретическое суммарное давление, создаваемое колесом, выразится аналогично

ventilator 7

через

ventilator 8

Сумма разностей квадратов окружных и относительных скоростей создает статическое давление, в то время как ventilator 9 представляет динамическое давление. В действительности вентилятор не дает давления, равного теоретическому, вследствие появляющихся потерь от ударов при движении воздуха по каналам лопаток. Отношение действительно созданного давления к теоретическому называется манометрическим КПД μ, который не следует смешивать с механическим КПД η, обозначающим отношение полезно отданной работы вентилятора к затраченной. Если hg - действительно созданное суммарное давление, то hg/H = μ; отсюда:

ventilator 10

В зависимости от формы лопаток манометрический КПД μ для больших вентиляторов имеет следующие средние значения: для лопаток, загнутых вперед - 77%, для прямых - 65%, для загнутых назад - 55%. Для небольших вентиляторов эти значения очень понижаются. Потери от удара, достигая больших размеров, сильно снижают манометрический КПД μ, особенно при резких изменениях направления потока воздуха при вступлении его в колесо; наименьшие потери получаются при радиальном направлении струй воздуха у входа в каналы лопаток; поэтому угол α1 б. ч. выбирается так, чтобы абсолютная скорость с1 входа потока в лопатки имела радиальное направление.

ventilator 11

Такое направление потока обусловливает выбор w1 > u1 соответственно с1. При радиальном направлении с1 (фиг. 8)

ventilator 12

или, подставляя

ventilator 13

получим:

ventilator 14

и действительно суммарное давление (в мм водяного ст.) будет: для лопаток, имеющих радиальный выход

ventilator 15

для лопаток, отогнутых по направлению вращения колеса,

ventilator 16

для лопаток, отогнутых назад,

ventilator 17

Ясно, что для 2-го случая

ventilator 18

а для 3-го случая

ventilator 19

т. е. при одной и той же окружной скорости во 2-м случае создается наибольшее суммарное давление, а в 3-м случае - наименьшее. Практика дает хорошие результаты при выборе β2 = 135° для лопаток, отогнутых назад, β2 = 45° для лопаток, отогнутых вперед. Внутренний угол лопаток определяется из выражения tg γ1 = с1/u1, где у1 = 180°—β; этот угол целесообразно выбирать в 110—140°.

Скорости воздуха в каналах лопаток колеса находятся в зависимости от скорости входа с1 в лопастное колесо. В большинстве случаев скорость с1 принимается равной скорости v8 во всасывающем отверстии вентилятора, так как на сравнительно коротком пути от всасывающего отверстия до входа в каналы лопаток едва ли может измениться величина скорости. Функциональная зависимость v8 от суммарного давления hg была дана Пельцером и помещена в Hutte в виде цифровой таблицы, для давлений до hg = 350 мм водяного столба (для этого последнего давления v8 = 27,8 м/сек). С возрастанием скорости, а вместе с ней и скоростного напора доля статического давления в суммарном уменьшается; вместе с этим уменьшается и полезная отдача работы вентилятора; малые же скорости влекут за собой больших размеров вентиляторы. Практика диктует пределы для выбора максимальных скоростей, а именно v8 = 25—30 м/сек. На фиг. 9 показаны кривые изменения величин v8, hd и h8 как функции hg.

ventilator 19a

Внутренний диаметр D1 колеса целесообразно принимать равным диаметру всасывающего отверстия. Принятые практикой размеры диаметров всасывающих отверстий можно считать: 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300 мм и т. д., с возрастанием на 50 мм до диаметра 600—700 мм и на 100 мм для больших диаметров. Наружный диаметр D2 составляет: при hg не выше 100 мм водяного столба 1,25—1,5 D1; при hg = от 100 до 200 мм - 1,5—1,75 D1, при hg свыше 200 мм - 1,75—2 D1.

Окружная скорость

ventilator 20

относительная скорость

ventilator 21

где γ1 = 180°—β1.

Абсолютная скорость с2:

1) для лопаток, радиально выходящих:

ventilator 22

2) для лопаток, загнутых вперед:

ventilator 23

3) для лопаток, загнутых назад:

ventilator 24

Окружная скорость u2:

1) для лопаток, радиально выходящих:

ventilator 25

2) для лопаток, загнутых вперед:

ventilator 26

3) для лопаток, загнутых назад:

ventilator 27

Относительная скорость находится из соотношения: w2 = 1,0w1—1,5w1; очень часто принимается: w1/w2 = D1/D2.

Число лопаток Z определяется из выражения:

ventilator 28

Карг дает следующие значения для х: для малых вентиляторов - 70—90 мм, для средних - 100—130 мм и для больших - 130—150 мм.

У вентиляторов высокого давления, у которых получаются большие промежутки между лопатками, устанавливают вспомогательные лопатки, которые не доводятся до внутреннего отверстия колеса. В зависимости от скоростей входа и выхода, и объема перемещаемого воздуха V определяется сечение каналов по формуле F = V/v. Из фиг. 10 ясно, что сечение потока, которое должно быть перпендикулярно к направлению скорости, принимаемой при расчете, не всегда соответствует полному сечению канала.

ventilator 29

Это обстоятельство и кладется Гронвальдом в основу определения искомого сечения канала. Обозначим: а1, а2 - высота канала у входного и выходного сечений в м, аС1, аС2 - высота сечений потока при расчете по скоростям с1 и с2 в м, аw1, aw2 - высота сечений потока при расчете по скоростям w1 и w2 в м, b1, b2 - ширина канала и сечения потока у входа и выхода (ширина колеса), FC1, FC2, FW1, FW2 - эквивалентные сечения потока в м2, отнесенные к скоростям с1, с2 или w1, w2, dэкв.1, dэкв.2 - эквивалентные диаметры в м, соответствующие сечениям потока, D1, D2 - внутренний и наружный диаметры колеса в м, Z - число каналов лопаток. Сечение канала F = V/Zv; для сечения канала у выхода при расчете по с2 имеем: Fc2 = V/Zc2. Рассматривая Fc2 как эквивалентное круглое сечение, можно написать равенство:

ventilator 30

где

ventilator 31

и ширина колеса (канала) будет:

ventilator 32

при этом

ventilator 33

Так же определяются ширина сечения у входа в канал по с1 и ширина канала у входа и выхода по w1 и w2.

В старых конструкциях кожух непосредственно прилегал к лопастному колесу. Современные центробежные вентиляторы имеют кожуха с постепенно расширяющимся выходным пространством, так что в нем скорость воздуха по мере приближения к выдувному отверстию постепенно падает, и потому часть скоростного напора (высокого, благодаря большим скоростям выхода воздуха из лопаток) превращается в статическое давление; другими словами, часть кинетической энергии переходит в потенциальную. Начиная с самого узкого места кожуха, которое находится у т. н. язычка z (фиг. 11), сечение кожуха в том месте, куда переходит воздух из каналов лопаток, должно постепенно увеличиваться соответственно увеличению количества воздуха, выходящего из каждого последующего канала, до размеров сечения, через которое должен пройти воздух, выброшенный всеми каналами за один оборот колеса. Кожух строится в виде «архимедовой спирали».

Сечение кожуха в том месте, куда переходит воздух из каналов лопаток, должно постепенно увеличиваться соответственно увеличению количества воздуха

В центробежных вентиляторах (гл. обр. высокого давления) лопастное колесо полностью обхватывается спиралью кожуха, расстояние от высшей точки колеса до высшей точки спирали равно высоте выдувного отверстия вентилятора; в вентиляторах среднего и низкого давления колесо не полностью обхвачено спиралью кожуха, и высшая точка колеса лежит выше нижней линии выдувного отверстия. В этом случае сечение А (фиг. 12), проходящее через высшую точку колеса и высшую точку спирали, все же должно находиться в определенной зависимости от сечения выдувного отверстия Fa; например, если колесо одето спиралью на 80%, то сечение А будет равно 0,8Fa, так как через него пройдет столько воздуха, сколько его выбросит колесо до этого сечения.

ventilator 35

У вентиляторов высокого давления, где колесо полностью обхватывается спиралью кожуха, сечение А должно быть = Fа. Скорость воздуха в выдувном отверстии должна поддерживаться согласно соотношению: va ≤ v8, так как в противном случае произойдет нецелесообразное снижение статического давления. Карг рекомендует следующие соотношения при выборе ширины кожуха: для вентиляторов низкого и среднего давления B = D2 : 2; для вентиляторов барабанных (типа Сирокко) B = D0 : 1,3; для вентиляторов высокого давления В = Da, где D2 - диаметр наружной окружности колеса, D0 – диаметр всасывающего отверстия и Da - диаметр всасывающего диаметр выдувного отверстия.

Чтобы избежать потерь в просветах, т. е. повторного протекания части перемещаемого воздуха через просвет между язычком и колесом, необходимо язычок подводить по возможности ближе к колесу, но это допустимо лишь до известных пределов во избежание появления воющих шумов. Практика дает следующую зависимость: z ≈ 0,05—0,07 D2. Диффузор представляет собой конический патрубок (фиг. 13), в котором происходит постепенное падение скорости потока по мере приближения его к выходу (к большему отверстию диффузора), вместе с чем падает и скоростной напор (динамическое давление), и освобожденная т. о. часть динамического давления м. б. использована как статическое давление, хотя и не в полной мере, так как часть его расходуется на вихри и трение.

ventilator 36

Диффузоры применяются не только у вентиляторов с кожухами без расширяющегося выходного пространства, но и во всех тех случаях, когда необходимо часть скоростного напора путем снижения больших скоростей превратить в статическое давление. Обозначим через F1 – сечение диффузора у входа (в м2), F2 – у выхода, v1 – скорость воздуха у входа в м/сек, v2 – у выхода, hd1 – динамическое давление в F1 в мм. вод. ст., hd2 – в F2, h’ – прирост статического давления в мм. вод. ст. Теоретический прирост статического давления выразится так:

ventilator 37

или

ventilator 38

Принимая же во внимание КПД диффузора ηдифф., зависящий от угла α и, по Билю, выражающийся формулой:

ventilator 39

действительный прирост статического давления выразится так:

ventilator 40

Длина диффузора определяется из уравнения:

ventilator 41

где D1 - диаметр в сечении F1, D2 – диаметр в сечении F2, α - угол раскрытия диффузора. КПД диффузора приведены в табл. 1.

КПД диффузора

Круглая форма трубы наиболее отвечает форме потока; если поток заключен в канал или трубу квадратного, или прямоугольного сечения, он заполняет сечение не полностью, и происходит образование мертвых углов. Таким образом через трубопровод квадратного сечения со стороной а пройдет только то количество, которое пропустит круглое отверстие с диаметром круга, вписанного в квадрат, dэкв. = а. Диаметр круглого отверстия, соответствующего данному прямоугольному, называется эквивалентным и определяется из выражения:

ventilator 43

где а и b- стороны прямоугольного сечения в м. В случаях прямоугольных сечений труб и каналов для определения скоростей и протекающих количеств надлежит всегда принимать в расчет соответствующее эквивалентное круглое сечение ventilator 44

Для наглядного представления пределов производительности вентиляторов при различных числах оборотов и сопротивлениях и для составления характеристик вентиляторов в рудничном деле уже давно введено понятие об эквивалентном отверстии (французским горным инженером D. Murgue, в 1873 г.). Под этим понимается отверстие в тонкой железной стенке, обращенное заостренным краем против потока и создающее то же сопротивление потоку, какое создал бы соответствующий трубопровод, присоединенный к вентилятору, пропуская те же количества воздуха под теми же давлениями. При помощи этих отверстий можно создавать все необходимые в практике величины сопротивления, не прибегая к громоздким и сравнительно дорогим трубопроводам. При изменении эквивалентного отверстия (сопротивления) изменяется также немедленно и перемещаемое количество воздуха при неизменном числе оборотов вентилятора. Протекающее количество воздуха V через сечение f под давлением h, создаваемым вентилятором, теоретически выражается так:

ventilator 45

В действительности, протекающее количество меньше, так как струя претерпевает сужение е (фиг. 14), и Vтeop. требует поправки, путем введения коэффициента истечения k, зависящего от отношения f/F; тогда

ventilator 46

Вводя вместо f значение А, представляющее эквивалентное отверстие, получим:

ventilator 47

По Мюргу, для рудничных вентиляторов k = 0,65. В Правилах испытания вентиляторов (Regeln fur Leistungsversuche an Ventilatoren u. Kompressoren), выработанных Союзом германских инженеров, k принято равным 1 и ventilator 48

ventilator 49

Эта величина k соответствует протеканию через скругленный насадок. А1 изменяется от 0 до полного открытия отверстия, т. е. от 0 до Fa, где Fa - сечение выдувного отверстия вентилятора.

На основе приведенной выше зависимости, устанавливая искусственные сопротивления (стенки с различными отверстиями, представляющие собою доли полного сечения выдувного отверстия Fa) и заставляя вентилятор работать на каждое открытие при различных числах оборотов вентилятора, замеряют протекающие количества и давления и получают таким образом характеристику данного вентилятора (фиг. 15).

ventilator 50

Для определения расхода, мощности и полезной производительности вентиляторы строятся еще кривые КПД вентиляторов (фиг. 16) как функции эквивалентных отверстий А1 для каждого числа оборотов.

ventilator 51

Каждый вентилятор может дать максимальный КПД только при вполне определенном числе оборотов и определенном отверстии (сопротивлении), создавая определенное давление и перемещая определенное количество воздуха.

Расход силы вентилятора определяется из уравнения

Расход силы вентилятора определяется из уравнения

где V - перемещаемое количество воздуха в м3/сек, h - суммарное давление вентилятора в мм вод. столба, η – КПД вентилятора (равный 0,4—0,6, иногда доходящий до 0,75).

Испытания вентиляторов показывают, что, при неизменяющемся эквивалентном отверстии А1 (сопротивлении) или неизменном присоединенном трубопроводе, существует пропорциональность между давлением h, перемещаемым количеством воздуха V, расходом силы и числом оборотов n: 1) количество перемещаемого воздуха пропорционально числу оборотов лопастного колеса, 2) суммарное давление пропорционально квадрату числа оборотов, 3) мощность вентилятора пропорциональна кубу числа оборотов.

Расчет деталей центробежных вентиляторов на прочность и износ вообще ничем не отличается от расчета соответствующих деталей любой машины и производится общепринятыми способами; в частности, при расчете валов надлежит учитывать появление критического числа оборотов у вентиляторов высокого давления, т. к. эти вентиляторы имеют большие числа оборотов. Неравномерное распределение массы лопастного колеса относительно вала как оси вращения является причиной возникновения «свободных» центробежных сил, вызывающих сотрясения при работе вентилятора, в результате чего могут происходить серьезные повреждения его частей. Для устранения неуравновешенности надлежит производить выверку и балансировку колес на заводе.

По величине создаваемого давления вентиляторы делятся на: вентиляторы низкого давления (6—100 мм водяного столба), среднего (100—200 мм), высокого (200—500 мм) и выше. Центробежные вентиляторы строятся одно-, дву- и многоступенчатыми, последние - высокого давления. При расчете вентиляторов высокого давления надо учитывать изменение удельного веса воздуха (газа). На фиг. 17 изображен 4-ступенчатый турбовентилятор завода Oerlikon производительностью в 170 м3 в мин., hg = 3600 мм вод. ст.

4-ступенчатый турбовентилятор завода Oerlikon

В зависимости от назначения вентиляторы работают на нагнетание или всасывание; в последнем случае они называются также эксгаустерами (конструктивных различий нет). Вентиляторы одноступенчатые строятся с одно- и двусторонним всасыванием. Параллельное соединение 2 или нескольких вентиляторов применяется в случаях, когда необходимо перемещать большие количества воздуха; при этом все вентиляторы работают на одно и то же пространство при одном и том же давлении. Последовательное соединение вентиляторов применяется в тех случаях, когда необходимо повысить создаваемое одним вентилятором давление: если первый вентилятор подает во второй воздух при давлении h, то второй вентилятор повышает это давление до 2h и т. д., при m колесах давление последнего вентилятора будет mh; в то же время количество перемещаемого воздуха для всех вентиляторов будет одно и то же.

Конструкция основных элементов центробежного вентилятора (лопастного колеса, лопаток и кожуха), равно как и выбор материала для них, определяется назначением вентилятора: например, если отсасывается грубая пыль, то лопатки таких вентиляторов не должны иметь соединительных колец; в вентиляторах, предназначенных для перемещения крупных частиц (кусков), колесо и кожух делаются из стали. Если вентилятор отсасывает пары кислот, то для него берут кислотоупорный материал или же внутренние части вентилятора покрывают кислотоупорным лаком.

ventilator 54

Для наилучшего перемешивания отдельных струй сечение каналов лопаток уменьшают по направлению к наружной окружности колеса (фиг. 18); этого можно достигнуть также установкой вспомогательных лопаток (фиг. 19).

ventilator 55

Для уменьшения потерь на трение и вихреобразование уголки, которые связывают клепаные кожуха, ставят снаружи.

Колесо вентилятора Сирокко с двойным входным отверстием

На фиг. 20 представлено колесо вентилятора Сирокко с двойным входным отверстием; на фиг. 21 - с одним входным отверстием;

Колесо вентилятора Сирокко с одним входным отверстием

на фиг. 22 и 23 - нормальные пылевые вентиляторы Сирокко;

Пылевой вентилятор Сирокко

Пылевой вентилятор Сирокко

на фиг. 24 - вентиляторы Сирокко высокого давления, для горнов.

Вентилятор Сирокко высокого давления, для горнов

На фиг. 25 приведены лопастные колеса центробежных вентиляторов Стюртевант: 1 - чугунное или бронзовое колесо для хлопка или шерсти; 2 - колесо из стальных пластинок для хлопка или шерсти; 3 и 4 - для длинных стружек; 5 и 6 - колеса для небольших скоростей; 7 - колесо с многочисленными лопастями для хлопкового эксгаустера, 8 и 9 - колеса с боковыми пластинами.

Лопастные колеса центробежных вентиляторов Стюртевант

Винтовые вентиляторы. Винтовые вентиляторы применяются в тех случаях, когда требуется переместить большие объемы воздуха при малых напорах. Основной частью их является лопаточное колесо, в общих чертах похожее на воздушный или водяной винт. Лопаточное колесо состоит из нескольких радиально расположенных лопаток или крыльев и втулки.

Последняя служит для скрепления лопаток между собой и с валом. Лопаточное колесо насаживается непосредственно на вал мотора или же на самостоятельный вал, расположенный в подшипниках, укрепленных на чугунной или железной (клепаной) раме. В последнем случае на том же валу насаживается шкив для вращения колеса вентилятора. Винтовые вентиляторы устанавливаются обычно непосредственно в потолке или в стене вентилируемого помещения для того, чтобы не делать длинных трубопроводов для воздуха, создающих дополнительные потери. Но целесообразно делать небольшой длины кожух (фиг. 26) для создания плавного подвода воздуха к колесу с небольшим диффузором сзади последнего для уменьшения потерь на выхлоп; этим значительно повышается КПД вентиляторов.

ventilator 62

Работа винтовых вентиляторов основана на действии наклонных лопаток. При вращении колеса лопатки встречают воздух под некоторым углом и, действуя как крылья, создают перепад давлений в колесе и тем заставляют воздух перемещаться в осевом направлении.

Вентилятор системы Сирокко-Пропеллер

Наиболее распространенными винтовыми вентиляторами являются вентиляторы системы Сирокко-Пропеллер (фиг. 27), имеющие форму гребных винтов, и системы Блекман (фиг. 28), имеющие лопатки ковшеобразной формы.

Вентилятор системы Блекман

Размеры и производительность винтовых вентиляторов типа Сирокко даны в табл. 2 и 3, а типа Блекман - в табл. 4.

Размеры и производительность винтовых вентиляторов типа Сирокко

Размеры и производительность винтовых вентиляторов типа Сирокко

Размеры и производительность винтовых вентиляторов типа Блекман

Эти типы, однако, теперь устарели. Вследствие плохой конструкции их лопаточного колеса получается неодинаковый перепад давлений по длине лопаток (около втулки колёса получается иногда даже обратный ток воздуха), вследствие чего КПД их очень низок (~0,2—0,4). В последнее время появились более совершенные конструкции винтовых вентиляторов. Так, например, во Франции фирма Рато выпускает вентиляторы с 16 изогнутыми по винтовой поверхности лопатками, расположенными на широкой металлической втулке (фиг. 29). (Эти вентиляторы еще не получили в СССР широкого распространения.)

Во Франции фирма Рато выпускает вентиляторы с 16 изогнутыми по винтовой поверхности лопатками, расположенными на широкой металлической втулке

Винтовые вентиляторы системы Рато имеют напор до 100 мм водяного столба с производительностью до 2800 м3/мин. КПД этих вентиляторов значительно выше и приближается к КПД центробежных; для Сирокко КПД 0,45—50. В СССР Центральным аэрогидродинамическим институтом (ЦАГИ) НТУВСНХ в Москве выработаны типы винтовых вентиляторов, лопаточное колесо которых делается по типу воздушного пропеллера и имеет профилированные расширяющиеся ко втулке лопасти. Число лопастей бывает различное и увеличивается при увеличении расчетного напора вентилятора, КПД весьма высок - 0,6 и превосходит даже при одинаковых напорах КПД центробежных вентиляторов Сирокко. Эти вентиляторы употребляются как для аэродинамических труб, так и для нужд промышленности (фиг. 30).

Эти вентиляторы употребляются как для аэродинамических труб, так и для нужд промышленности

Расчет их производится по вихревой теории гребного винта профессора Н. Е. Жуковского. В основу этой теории положено понятие о скорости циркуляции вокруг лопасти за счет различных скоростей около верхней и нижней поверхностей лопасти. Теория действий винтового вентилятора в общем такая же, как и винта воздушного и водяного, но формулы несколько изменяются ввиду существования статического перепада давлений за и перед вентилятором. Обозначим: Q - расход воздуха в м3/сек, hст. - статический перепад давлений в кг/м2, а v - скорость воздуха в плоскости лопаток, определяемая по формуле v = Q/F, где F = πR2(1—ξ2) - площадь прохода воздуха в плоскости лопаточного колеса, R - внешний радиус колеса и ξ = r/R - относительный радиус втулки. В таком случае сила давления на лопаточное колесо, или его тяга

ventilator 70

и идеальная мощность без учета потерь в самом лопаточном колесе

ventilator 71

В этих формулах для Р и Tiпервый член учитывает потери на выхлоп. В них коэффициент k зависит от кожуха вентилятора. Потери на выхлоп и коэффициент k можно определить по скорости v1 у выходного отверстия кожуха вентилятора. Величина ventilator 72 есть ни что иное, как ventilator 73 Таким образом имеем kv2 = v12, откуда k = v12/v2. Если кожух совершенно отсутствует, то k= 4, т. к. струя получается ненаправленной и, согласно теории гребного винта, скорость v1 = 2v. Величина ventilator 74 носит название скоростного напора; обозначив ее через hg и приняв во внимание, что

ventilator 75

преобразуем уравнения для силы тяги и идеальной мощности так:

ventilator 76

или, заменив в выражении для Tiмножитель πR2v через ventilator 77 получим:

ventilator 78

Потери мощности в самом лопаточном колесе вентилятора определяются по вихревой теории гребного винта. Вводя, как и в теории воздушного и водяного винта, отвлеченные обозначения: для тяги

ventilator 79

для мощности ventilator 80 и для скорости ventilator 81 где w = πn/30 - угловая скорость колеса, n - число об/мин. колеса, u = wR - окружная скорость конца лопасти, R - внешний радиус колеса, ϱ - плотность воздуха, равная 1/8 для нормальных условий (15° и 760 мм Hg), и, пользуясь уравнениями для случая, когда циркуляция J постоянна вдоль лопасти:

ventilator 82

находим по первому уравнению, зная Р, циркуляцию J, и по второму уравнению мощность Т, а по ней и действительную мощность Т в кгм/сек с учетом потерь в лопаточном колесе.

В этих формулах ξ = r/R - относительный радиус втулки и μ - коэффициент, учитывающий сопротивление трения воздуха о лопасти, называемый качеством профиля сечения лопасти.

ventilator 83

Форма лопасти колеса найдется из соотношения J = Cybw, где Су - коэффициент подъемной силы профиля сечения лопасти цилиндром, концентрическим лопаточному колесу (он зависит так же, как и встречающееся выше качество профиля μ, от формы профиля и от угла атаки сечения, которые находят опытным путем, продувая в аэродинамической трубе крыло такого же профиля); относительная ширина лопасти

ventilator 84

где b- действительная ширина лопасти, i- число лопастей, w = w/u относительная скорость воздуха (фиг. 31), различная для каждого радиуса; согласно вихревой теории гребного винта,

ventilator 85

Таким образом имеем:

ventilator 86

Действительная ширина лопасти, следовательно, будет:

ventilator 87

Величина bСу с уменьшением радиуса увеличивается, как показывает уравнение (6); следовательно, ширина лопасти вентилятора, рассчитанного по вихревой теории, увеличивается по направлению ко втулке. Угол β подхода воздуха к лопасти (фиг. 32) найдется из соотношения:

ventilator 88

Как видим отсюда, угол β возрастает по направлению от конца лопасти ко втулке. Прибавив к углу β угол атаки α, найденный выше по продувке профиля и выбранному значению Су, находим угол наклона сечения лопасти θ = β + α.

ventilator 89

Называя КПД лопаточного колеса отношение идеальной мощности Тi к действительной мощности Т, т. е. η = Ti/T, получаем по вихревой теории, как показывают уравнения (5),

ventilator 90

Здесь

ventilator 91

окружной КПД, учитывающий потери на закручивание струи, а

ventilator 92

где

ventilator 93

КПД трения, учитывающий потери на трение воздуха о лопасти. Называя статическим КПД вентилятора отношение: ventilator 94 и заменяя здесь Т через Ti/η получим:

ventilator 95

или, подставив сюда величину Т из уравнения (4) и сократив на Q, имеем:

ventilator 96

или

ventilator 97

где

ventilator 98

Определив по этим формулам ηст., находим мощность, потребную для вентилятора по формуле:

ventilator 99

Называя

ventilator 100

полным напором, отнесенным к рабочей площади лопаточного колеса, т. е. к площади

ventilator 101

будем иметь мощность

ventilator 102

где ηполн. - полный КПД вентилятора, равный КПД лопаточного колеса η, учитывающий потери на закручивание струи и на трение.

Для наиболее рационального подбора вентилятора к условиям задания удобно пользоваться характеристиками вентиляторов, получаемыми опытным путем. На фиг. 33 изображена характеристика винтового вентилятора типа ЦАГИ.

Характеристика винтового вентилятора типа ЦАГИ

На этой диаграмме по оси абсцисс отложена производительность вентилятора в м3/ч, а по оси ординат отложены напор в мм вод. ст., КПД и мощность в л. с. На этой же диаграмме пунктирными линиями изображены полный напор и полный КПД. Характеристика вентилятора построена при постоянном числе 2000 об/мин. Эта кривая мощности показывает, что при изменении напора мотор винтового вентилятора не перегружается: мощность почти постоянна. При изменении числа оборотов производительность вентиляторов изменяется прямо пропорционально числу оборотов, напор - пропорционально квадрату, а мощность - кубу числа оборотов.

Цилиндрические вентиляторы. Цилиндрические вентиляторы, называемые также капсельными воздуходувками, представляют собой коловратный механизм. Они бывают с одним, двумя и тремя крыльчатыми колесами, работающие в общем кожухе. Наиболее распространенными цилиндрическим вентиляторами являются вентиляторы типа Рута (фиг. 34) и типа Егера (фиг. 35).

Вентилятор типа Рута

Обе конструкции относятся к группе вентиляторов с двумя вращающимися колесами. Цилиндрические вентиляторы применяются для вентиляции шахт, литейных, для дутья в кузнечных горнах и т. п.

Вентилятор типа Егера

Вентиляторы Рута обычно дают давление от 100 до 500 мм водяного столба; производительность их приведена в табл. 5.

Вентиляторы Рута - производительность

Фасонные колеса вентиляторов этого типа вращаются около параллельных друг другу осей. Колеса изготовляются из чугуна и в местах соприкосновения имеют уплотняющие накладки А (фиг. 34). Вращение колес осуществляется через шкив ременной передачи и две шестерни, насаженные на концах валов колес. Шестерни одинаковых диаметров, а потому вращение происходит с одинаковыми угловыми скоростями. Колеса вращаются в противоположные стороны. Объемный КПД ≈ 0,8, механический КПД ≈ 0,75.

Вентилятор типа Егера (фиг. 35) состоит из двух фасонных колес, вращающихся в одном кожухе. Вращающиеся части показаны на фиг. черными, неподвижные - заштрихованы. Верхнее фасонное колесо вращается на верхнем валу; нижнее колесо, представляющее собой 3 грушевидного сечения тела g, укрепленных на поперечном диске, вращается на нижнем валу. Нижнее колесо, вращающееся вокруг неподвижного ядра (заштриховано), находится в зацеплении с верхним колесом. Производительность вентиляторов типа Егера приведена в табл. 6.

Производительность вентиляторов типа Егера

Вентиляторы типа Егера дают высокие давления: малые модели - до 5 м, большие до 3 м вод. столба. Объемный КПД равен 0,90—0,70 (в зависимости от создаваемого давления); механический КПД 0,75—0,85.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.