CC BY
25
© Н.В. Макаров, 2013
УДК 622.44 Н.В. Макаров
УГОЛ РАСКРЫТИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОГО ДИФФУЗОРА МЕЖЛОПАТОЧНОГО КАНАЛА РАДИАЛЬНОГО КОЛЕСА ВЕНТИЛЯТОРА
Математическое моделирование вихреисточника, как системы распределенных стоков, позволило уточнить формулу для расчета угла раскрытия эквивалентного диффузора межлопаточного канала рабочего колеса центробежного вентилятора. Доказано, что снижение эффективного угла раскрытия, обусловленного взаимодействием высокоэнергетического потока вихреисточника с основным течением в диффузоре на выходе из него. Это позволяет увеличивать угол раскрытия межлопаточного канала рабочего колеса, сохраняя при этом безотрывное обтекание и, как результат, существенно повысить давление, развиваемое вентилятором. Ключевые слова: эквивалентный диффузор, угол раскрытия, циркуляция, эффективная площадь, вихревой камеры.
Лля оценки потерь давления в межлопаточных каналах рабочих колес широкое распространение получил метод эквивалентного диффузора, основанный на использовании критериев течения в диффузорных каналах и предложенный К.А. Ушаковым [5]. Согласно этому методу предполагается, что коэффициент потерь давления £ в межлопаточном канале зависит от степени
расширения —— и угла раскрытия уэ круглого диффузора эквивалентного по
площадям входного Бх и выходного Б2к сечений и длине межлопаточному каналу колеса. Степень диффузорности и угол раскрытия эквивалентного диффузора подсчитываются по площадям входа потока Бх в межлопаточный канал с учетом угла атаки набегающего потока и выходного сечения межлопаточного канала Б2к [2] (рис. 1).
В современных газоотсасывающих вентиляторах применяются рабочие колеса с загнутыми назад или Б-образными лопатками. При сравнительно большей длине лопаток 1л фактически образованный ими канал имеет малую относительную протяженность, в связи с чем характер течения в межлопаточных каналах таких колес определяется результатом взаимодействия процессов, свойственных как канальным течениям, так и обтеканию изолированных профилей.
Местная диффузорность, возникающая на поверхности лопатки во входном участке межлопаточного канала, вследствие отклонения параметров потока от их оптимальных значений, приводит у утолщению пограничного слоя из-за значительных положительных градиентов давления. Неустойчивый малоэнергетический пограничный слой, испытывая одновременно противодавление, вызванное и общей диффузорностью межлопаточного канала, теряет скорость и отрывается от поверхности лопатки, образуя обширную зону отрывного вихреобразования.
В абсолютном большинстве случаев окружная скорость вращения колеса соизмерима или превышает относительную скорость потока в межлопаточном
канале, что требует учета поперечной циркуляции потока при введении понятия эквивалентного диффузора. Кроме того, окружная скорость нарушает кинематическое подобие течений, влияя на степень сжатия потока во вращающемся диффузоре, не будучи при этом зависима от геометрических параметров канала. Таким образом, при исследовании энергетических характеристик потока во вращающемся диффузоре по отношению к неподвижному, необходимо учитывать особенности кинематики течения, обусловленные наличием поперечной циркуляции и дополнительного сжатия, вызванных окружной скоростью вращения.
Исследования показывают, что рассмотренный метод эквивалентного диффузора характеризует потери в межлопаточном канале только при дросселированных режимах работы вентилятора, когда угол атаки превышает его оптимальное значение. Данный способ расчета уэ учитывает кинематическую
диффузорность потока (см. рис. 1, в). В связи с чем рост потерь давления объясняется увеличением угла раскрытия эквивалентного диффузора. При углах атаки меньших его оптимального значения имеет место кинематическая конфу-зорность потока на входе (см. рис. 1, б) и по расчетам уэ уменьшается, в то время как фактически происходит рост потерь давления. Несоответствие между изменениями геометрических параметров эквивалентного диффузора и потерь давления в межлопаточном канале обусловлено тем, что рассмотренный метод расчета уэ не учитывает местную диффузорность, возникающую на входном участке канала и оказывающую большое влияние, особенно для шахтных вентиляторов, на процесс отрывного вихреобразования.
г
Схема перехода от межлопаточного канала рабочего колеса центробежного вентилятора (а) к эквивалентному диффузору с вихреисточником (д)
Известные методы расчета угла раскрытия эквивалентного диффузора, суммарно учитывающие влияние различных процессов, протекающих в межлопаточном канале, на потери давления в нем для уточнения геометрических параметров межлопаточного канала рабочего колеса при проектировании аэродинамических схем не рассматривают влияние на величину угла раскрытия вращающегося эквивалентного диффузора вихревых камер [1].
С учетом результатов, полученных в [3] по расчету энергетических характеристик вихреисточника, установленного на выходном участке профиля и оказывающего влияние на кинематические параметры потока на выходе из межлопаточного канала рабочего колеса, формулу для расчета диффузорности и кинематического угла раскрытия эквивалентного диффузора можно представить в виде (см. рисунок):
^ эи
(1 - * т )у1 Ь22 Щв
2 л
Уки =
61Ь
(1 - Ку V Ь2 Я'Ф 2л 61
1л
(1) (2)
где ку =
Рв ЬК
СР6 Кск д
- коэффициент влияния циркуляции вихреисточника на
эффективную площадь выходного сечения межлопаточного канала рабочего колеса; ср, ск -приведенные коэффициенты циркуляции и расхода вихреисточ-
ника. Тогда угол раскрытия эквивалентного диффузора межлопаточного канала рабочего колеса с вихревой камерой, с учетом [4] можно представить в виде
Уэви = 2аГС*Я
а а
* у
л/п
(1 - К/)Л1 Ь2 2л -4 6 Ь1 ^
+ 2аг&*-—
1л
+
+ 2аС*
КV- 2Кд -л
%п
(3)
ю
где к г =— - отношение угловой скорости вращения колеса к относительной
скорости потока на входе в межлопаточный канал.
Согласно результатам исследований неподвижных диффузорных каналов [4], угол их раскрытия, при котором достигаются наименьшие потери энергии потока у0р = 6°.
В таблице приведены данные расчета угла раскрытия межлопаточных каналов ряда аэродинамических схем с использованием в них вихревых камер в виде циклона с диаметром (1К < 0.025 .
л
Сравнивая у ор1 с данными таблицы можно сделать следующий вывод: кинематический угол раскрытия уку, основанный на осреднении течения по импульсу потока в относительном движении, угол раскрытия эквивалентного вращающегося диффузора у эв и угол раскрытия эквивалентного диффузора с
вихревыми камерами у эви соответствуют оптимальному углу раскрытия неподвижного диффузора. Отклонение уэви с надежностью 0,97, согласно критерию Стьюдента не превышает 5 %.
Учитывая сказанное, можно считать, что (3) при подстановке в него
у эви = 6° представляет собой уравнение существования радиальной аэродинамической схемы с высоким к.п.д.
На базе данной методики расчета эквивалентного диффузора синтезирована радиальная аэродинамическая схема Ц145-20 с интегрированными вихреи-сточниками и спроектировано рабочее колесо газоотсасывающего вентилятора ВЦГ-7А с вихревыми камерами на выходных участках его лопаток, имеющего номинальное статическое давление на 25 % выше давления вентилятора ВЦГ-7М при сохранении максимального к.п.д.
Углы раскрытия межлопаточного канала наиболее распространенных радиальных аэродинамических схем
Аэродинам. схема Ц78-19 Ц72-15 Ц80-10 Ц4-76 Ц4-67 Ц4-57 тг фирма ККК вО-124 Польша
параметры
А 1.16 1.19 1.28 1.18 1.24 1.10 1.34 1.20
Уэ 3.62 3.81 2.87 3.84 3.78 2.93 4.80 4.20
Укч 5.98 5.92 5.68 6.04 5.96 5.76 6.34 6.28
У эв 6.21 6.11 6.31 5.97 6.01 5.93 5.81 5.84
У эви 6.02 5.98 6.05 5.94 5.96 5.88 5.78 5.82
Оэи 1.14 1.15 1.23 1.15 1.21 1.07 1.31 1.17
1. Дорфман А.Ш., Сайковский М.И. Приближенный метод расчета потерь в криволинейных диффузорах при отрывных течениях. - В сб.: Промышленная аэродинамика. - М.: Машиностроение, 1966, вып. 28, с. 98-119.
2. Локшин И. Л. Применение результатов испытаний вращающихся круговых решеток к аэродинамическому расчету колес центробежных вентиляторов. - В сб.: Промышленная аэродинамика. - М.: Машиностроение, 1963, вып.25, с. 121-183.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Косарев Н.П., Макаров В.Н. Аэродинамика квазипотенциального течения в межлопаточных каналах рабочих колес вы-соконагруженных центробежных вентиляторов: Научное издание. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. - 108 с.
4. Макаров В.Н., Копачев В.Ф. Угол раскрытия межлопаточного канала рабочего колеса центробежного вентилятора. - Известия вузов. Горный журнал, 2007, № 1, с. 88 - 93.
5. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. - М.: Стройиздат, 1979. -295 с. . ГДТТТ^
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Макаров Николай Владимирович - профессор, кандидат технических наук, mnikolay84@mail.ru, Уральский государственный горный университет.
