- Класифікація вентиляторів
- відцентрові вентилятори
- осьові вентилятори
- Порівняльні характеристики відцентрових і осьових вентиляторів
- позначення вентиляторів
- Робочі параметри і характеристики вентиляторів
- подача вентиляторів
- Повний тиск вентилятора
- потужність вентилятора
- ККД вентиляторів
- Критерій швидкохідності вентиляторів
- Приклад рішення задачі на підбір вентилятора
Класифікація вентиляторів
Вентиляторами називають пристрої, що служать для переміщення повітря або інших газів при тиску не більше 0,15 × 105 Па.
Вони, як і насоси, знаходять застосування в багатьох галузях народного господарства і, зокрема, в системах теплогазопостачання, вентиляції та кондиціонування повітря. 
Автомобільна, дорожня і сільськогосподарська техніка застосовує у своїй конструкції, наприклад, вентилятори системи охолодження двигунів, вентилятори системи опалення та кондиціонування повітря в салоні. Аеромобілі, судна на повітряній подушці і подібні машини використовують вентилятори в якості рушія.
Слід відрізняти вентилятори від повітродувок і компресорів, здатних переміщувати гази при тиску понад 0,15 × 105 Па. Компресори , На відміну від вентиляторів, найчастіше є аеромашінамі об'ємного типу, що використовують принцип витіснення речовини за аналогією з об'ємними насосами. Якщо ж в якості компресора застосовуються динамічні аеромашіни (відцентрові, осьові турбіни і т. П.), То стиснення повітря в них здійснюється в декілька ступенів, т. Е. Поетапно.
Вентилятори поділяють на відцентрові і осьові. Ці два типи вентиляторів використовують безпосереднє силовий вплив робочими органами (крильчатками) на потоки повітря або газів для збільшення їх кінетичної енергії, т. Е. Є аеродинамічними машинами.
Як в конструкціях насосів, серед вентиляторів лопатевого типу іноді виділяють тип діагональні вентилятори, у яких лопаті вигнуті по схемі, яка не дозволяє класифікувати їх як відцентрові або осьові (рис. 1). У діагональних вентиляторах лопатки розташовані під кутом 45˚ до осі колеса або вони мають складну геометричну форму, що надає діагональне напрямок переміщуваного потоку газу.
Переміщення робочого середовища (газу, повітря) в таких вентиляторах здійснюється і вздовж осі робочого колеса (як у осьових вентиляторів), і радіально (як у відцентрових вентиляторів) уздовж зовнішньої стінки кожуха.
Подібна конструкція має деякі переваги в порівнянні з вентиляторами осьового типу, так як виникають відцентрові сили сприяють підвищенню тиску в потоці.
Крім того, лопаті діагональних вентиляторів в меншій мірі схильні до поперечної згинального навантаження, оскільки значна частина енергії передається потоку в осьовому напрямку, що вигідно відрізняє їх від відцентрових (радіальних) вентиляторів.
В окрему групу можна виділити так звані діаметральні вентилятори, в яких схема переміщення повітряних потоків відрізняється від такої у відцентрових вентиляторів - і входить, і нагнітається потоки переміщаються по зовнішньому периметру робочого колеса (рис. 1).
Робоче колесо діаметральні вентиляторів оснащено довгими, але дуже вузькими лопатками.
Відрізняється у таких вентиляторів і конструкція кожуха - уздовж зовнішнього ділянки робочого колеса є широке вікно, з якого лопаті захоплюють газ (повітря), переміщують його уздовж закритої частини кожуха і викидають в вихідний отвір (розтруб). Іноді конструкція діаметральні вентиляторів взагалі не передбачає кожуха - залишки його функції виконує розтруб.
Оскільки діагональні і діаметральні вентилятори являють собою деяку різновид основних типів вентиляторів - відцентрових і осьових, в цій статті більш детально розглянуті характеристики двох останніх конструкцій.
***
відцентрові вентилятори
Відцентрові вентилятори іноді називають радіальними вентиляторами, оскільки переміщення повітряного потоку при контакті з лопатями здійснюється від центру до зовнішнього периметру, т. Е. Радіально.
Загальний вигляд і схема пристрою відцентрового вентилятора (рис. 2) нагадують конструкцію відцентрових насосів. Він складається з робочого колеса (ротора) 2 з лопатками, спірального корпусу 2 (кожуха) і станини 1. Робоче колесо насаджено на вал 4, який встановлений в підшипниках на станині. Ротор відцентрового вентилятора складається з двох дисків, між якими розташовуються лопатки. Їх число коливається від 6 до 36.
Кожухи вентиляторів виконують з листового металу зварними або клепаними. У відцентрових вентиляторів кожух зазвичай має форму логарифмічною спіралі (равлики). У ньому є круглий вхідний і квадратне або прямокутне вихідний отвори.
Принцип роботи відцентрового вентилятора аналогічний принципу роботи відцентрового насоса.
Повітря, що надійшов через вхідний отвір вентилятора в порожнину робочого колеса, захоплюється лопатками і приводиться в обертання. Під дією відцентрових сил він стискається, відкидається до зовнішньої стінки спірального кожуха, і, рухаючись по спіралі, потрапляє через вихідний отвір в повітропровід.
Основне призначення кожуха - зібрати потік повітря, збігає з ротора і знизити його швидкість, т. Е. Перетворити кінетичну енергію потоку газу (динамічний тиск) в потенційну енергію (статичний тиск).
В середньому швидкість руху повітря або газу в кожусі відцентрового вентилятора приймається рівною половині окружної швидкості робочого колеса.
Відцентрові вентилятори класифікують за такими ознаками:
- по створюваному тиску - низького тиску (до 0,01 × 105 Па), середнього (до 0,03 × 105 Па) і високого тиску (понад 0,03 × 105 Па);
- за призначенням - загального (для переміщення чистого повітря і неагресивних газів) і спеціального призначення (для переміщення запиленого повітря, димових газів - димососи, і ін.);
- по числу сторін всмоктування - одностороннього і двостороннього всмоктування;
- по числу ступенів - одноступінчасті і багатоступінчасті, що працюють, як і багатоступінчасті відцентрові насоси.
***
осьові вентилятори
Цей тип вентиляторів іноді називають аксіальним вентиляторами, оскільки переміщення потоку в них здійснюється уздовж осі робочого колеса. Ще одна назва осьових вентиляторів, здавна закріпився в побуті - пропелери.
Вентилятори є розташоване в циліндричному кожусі (обечайке) лопатка колесо, при обертанні якого надходить через вхідний отвір повітря під впливом лопаток переміщається між ними в осьовому напрямку. На рис. 3 показаний найпростіший осьової вентилятор, що складається з двох основних частин - осьового лопаточного колеса 1, розташованого на одному валу з двигуном, і циліндричного корпусу (кожуха) 2.
Колесо осьового вентилятора складається з втулки, на якій закріплені наглухо або в яку вбудовані лопатки. Число лопаток на колесі зазвичай від 2 до 32. Лопатки виготовляють симетричного або спеціального несиметричного профілю, розширюється і закручується в міру наближення до втулки. Осьові вентилятори з лопатками симетричного профілю називають реверсивними, а з лопатками несиметричного профілю - нереверсивними.
Колеса осьових вентиляторів роблять звареними з листової сталі або литими; вони бувають також штампованими. Останнім часом набули широкого поширення вентилятори з пластмас.
Кожух осьового вентилятора має циліндричну форму (обечайку) і роль його більш обмежена, ніж у відцентрових вентиляторів, так як потік повітря (газу) проходить вздовж осі вентилятора, і на його рух обичайка майже не впливає.
Діаметр кожуха не повинен перевищувати 1,5% довжини лопатки колеса, так як великі зазори між колесом і кожухом різко знижують аеродинамічні якості осьового вентилятора.
При відсутності всмоктуючого воздуховода на вході встановлюють колектор, що забезпечує гарне заповнення вхідного перетину вентилятора, а також встановлюють обтічник.
Для зниження швидкості потоку (перетворення кінетичної енергії в потенційну енергію тиску) на виході з вентилятора іноді встановлюють дифузор.
***
Порівняльні характеристики відцентрових і осьових вентиляторів
Відцентрові вентилятори, в порівнянні з осьовими, здатні створювати більший тиск на виході, тому їх доцільно застосовувати для подачі повітря при значному тиску. Тому їх часто застосовують в системах вентиляції зі складною розгалуженою мережею повітроводів, в системах пневмотранспорту матеріалів, в котельних установках як тягодутьевих пристроїв, і в системах кондиціонування повітря.
Осьові вентилятори не здатні створювати високого тиску, подібно відцентровим, але мають більший ККД, вони здатні працювати реверсивно (т. Е. В зворотному напрямку), більш прості у виготовленні (а значить і дешевше), балансуванню, монтажі і обслуговуванні, мають менші габарити і вага. У зв'язку з цим осьові вентилятори найчастіше застосовують для провітрювання приміщень, вентиляції шахт, тунелів і т. П. - там, де не потрібно створення відносно високого тиску потоку повітря (газу).
Робота вентиляторів супроводжується шумом, інтенсивність якого обумовлюється типом вентилятора, режимом його роботи, якістю виготовлення і монтажу. Зниженню шумів сприяє установка вентилятора на одному валу з двигуном, застосування спеціальних віброгасителів при кріпленні на станині, якісна балансування ротора, ретельна обробка і оздоблення поверхонь лопаток робочого колеса, м'яке з'єднання з повітроводами.
***
позначення вентиляторів
В даний час промисловість випускає вентилятори багатьох типів і серій. Кожному вентилятору присвоюється умовне позначення - індекс, в якому вказані:
- тиск, що створюється вентилятором: н.д. - низька, с.д. - середнє, с.д. - високий тиск;
- призначення вентилятора: Ц - відцентровий загального призначення, ЦП - пиловий і т. д .;
- коефіцієнт тиску при оптимальному режимі - цифрою, що відповідає 10-кратної величиною цього коефіцієнта (з округленням до цілих одиниць);
- питома частота обертання (швидкохідні) - цифрою, округленої до цілих одиниць;
- номер вентилятора - цифра або число, відповідне діаметру колеса в дециметрах.
Приклад позначення відцентрового вентилятора: н.д. Ц4-70 № 8, що означає відцентровий вентилятор загального призначення низького тиску з коефіцієнтом тиску 0,403, швидкохідністю 70 і діаметром робочого колеса 800 мм.
***
Робочі параметри і характеристики вентиляторів
До основних технічних характеристик вентиляторів відносяться подача, повний тиск, ККД, споживана потужність, критерій швидкохідності.
подача вентиляторів
Подача вентилятора L (м3 / год або м3 / сек) - обсяг газу (або повітря), переміщуваного вентилятором за одиницю часу.
У загальному випадку подача вентилятора може бути визначена, як добуток площі живого перетину потоку газу в вихідному отворі вентилятора на відповідну проекцію абсолютної швидкості потоку на виході з робочого колеса:
L = Sвихсv2,
де:
Sвих - площа вихідного отвору, яка приймається з урахуванням коефіцієнта стиснення потоку лопатками, рівного 0,9 ... 0,95;
сv2 - проекція абсолютної швидкості потоку газу: для відцентрових вентиляторів - радіальна проекція, для осьових - осьова проекція.
При виборі вентилятора для конкретних практичних потреб використовують аеродинамічні характеристики-графіки, що встановлюють залежність між основними робочими параметрами вентилятора і витратою газу (повітря). Приклад такої аеродинамічної характеристики вентилятора наведено внизу на рис. 4.
Повний тиск вентилятора
Повний тиск рп вентилятора залежить від щільності газу (його фізична характеристика), коефіцієнта тиску і швидкості потоку (кінематичні характеристики), і визначається на основі рівняння Ейлера:
рп = ρψv2,
де:
ρ - щільність газу;
ψ - коефіцієнт тиску вентилятора; ψ = ηг φ2 (тут ηг - гідравлічний ККД вентилятора, φ2 - коефіцієнт закручування потоку, який визначається з відношення проекції швидкості потоку до його абсолютної швидкості);
v2-швидкість потоку на виході з колеса.
потужність вентилятора
Теоретична потужність вентилятора, що передається переміщуваної середовищі, визначається за формулою:
NТ = рпL / 1000 (кВт).
Дійсна потужність N, споживана вентилятором, значно відрізняється від корисної внаслідок гідравлічних втрат енергії при протіканні повітря всередині вентилятора. Ці втрати складаються з втрат на вихреобразование у крайок лопатей і лопаток, перетікання повітря через зазори між колесом і кожухом вентилятора і механічних втрат на тертя.
ККД вентиляторів
ККД - відношення корисної потужності до споживаної вентилятором від приводного пристрою:
η = Nп / N.
Повний ККД вентиляторів, як і ККД насосів, може бути визначений у вигляді добутку трьох складових:
η = ηг ηо ηм,
де: ηг - гідравлічний ККД (втрати в потоці), ηо - об'ємний ККД (витік через зазори), ηм - механічний ККД (тертя).
Повний ККД відцентрових вентиляторів (в залежності від швидкохідності і конструкції лопаток) становить від 0,65 до 0,85. У осьових вентиляторів він не перевищує 0,9.
При підборі електродвигуна для вентиляційної установки використовують коефіцієнт запасу К = 1,05 ... 1,2 для осьових вентиляторів, і К = 1,1 ... 1,5 - для відцентрових вентиляторів.
Критерій швидкохідності вентиляторів
Відцентрові і осьові вентилятори, як і насоси, зручно класифікувати за питомою частоті обертання (критерієм швидкохідності). Критерій швидкохідності характеризує аеродинамічні якості вентилятора - його здатність створювати більший чи менший тиск.
Для оптимальної роботи вентилятора при ρ = 1,2 кг / м3 критерій швидкохідності визначається за формулою:
Nуд = 53L1 / 2ω / рп3 / 4,
де:
L - подача в м3 / с;
ω - кутова швидкість в с-1;
рп - тиск в Па.
Використання критерію швидкохідності полегшує підбір і розрахунок вентиляторів, так як швидкохідні входить в індекс вентиляторів. За індексом можна судити про тиск, що розвивається вентилятором.
На рис. 4 представлена універсальна аеродинамічна характеристика відцентрового вентилятора, на якій графічно зображені всі допустимі або оптимальні для даного вентилятора режими його роботи. Користуючись універсальною аеродинамічній характеристикою, можна вибрати найбільш ефективний режим роботи вентилятора, при якому його ККД буде мати максимальне значення.
***
Приклад рішення задачі на підбір вентилятора
завдання
Визначити тиск, що розвивається відцентровим вентилятором, якщо коефіцієнт тиску ψ = 0,9, частота обертання робочого колеса n = 1450 хв-1, зовнішній діаметр колеса D2 = 0,4 м, а щільність повітря ρ = 1,2 кг / м3.
Рішення .
Окружну швидкість на зовнішньому діаметрі робочого колеса визначаємо за формулою:
vp2 = πD2n / 60 = 3,14 × 0,4 × 1450/60 ≈ 30,4 м / с.
Визначаємо тиск, що розвивається вентилятором:
рп = ρψvp2 = 1,2 × 0,9 × 30,42 ≈ 1 000 Па.
***
Компресори та газодувки