Сам себе дизайнер и прораб!!!

Режимы неустойчивой работы вентиляторов

Главная > Статьи > Коммуникации > Вентиляция

Добиться идеальной работы любой технической системы практически невозможно. Вентиляционные системы - не исключение. Больным «местом» большинства распространенных вентсистем является нарушение правильного режима работы главного элемента - вентилятора. И последствия не заставляют себя долго ждать - вентиляторы начинают ненормально вибрировать, сильно шуметь, а их производительность заметно падает. Все перечисленные явления возникают в режимах неустойчивой работы вентиляторов.

Что же может вызывать подобные сбои? На этот вопрос существует 2 основных ответа:

  • Неправильный выбор вентиляторов на этапе проектирования вентсистемы;
  • Ошибки при выполнении предварительных расчетов.

В последнем случае наблюдаются режимы неустойчивой работы вентиляторов. В каких случаях они имеют место и что это такое? Об этом и пойдет речь далее.

Режимы неустойчивой работы вентиляторов

К числу наиболее распространенных типов относятся спиральные центробежные устройства, лопасти которых загнуты вперед и назад. Графики, приведенные на рисунке 1.13, отображают типовые аэродинамические характеристики такого устройства. В большинстве каталогов с описанием приборов приводят 2 ограниченных участка каждого графика, которые описывают только рабочий режим. В этих пределах КПД не становится меньше, чем на 90% от его максимума. В рамках рассмотрения темы режимов неустойчивой работы вентиляторов особый интерес представляют оставшиеся сегменты характеристики. Эти участки описывают работу прибора при большой и малой производительностях соответственно.

Далее прислушаемся к умным словам Исаака Ньютона, однажды сказавшему, что при изучении наук примеры полезнее правил. Нашим «подопытным» станет радиальный вентилятор отечественного производства BP80-75 с загнутыми в обратном направлении лопастями. В рабочей области радиатор не шумит, создает стабильное давление, и характеристики воздушного потока не изменяются со временем. Также здесь наблюдается работа с предельно возможным КПД. Если точка, соответствующая текущему режиму работы, не выходит за пределы участка 1, то все выше сказанное можно отнести к устройству любой конструкции. Далее разберем режимы неустойчивой работы вентиляторов такого типа.

Режимы неустойчивой работы вентиляторов

А теперь обратимся к рисунку 1.14 и посмотрим, что происходит при сильном отклонении режима от рабочего. Резкое возрастание производительности влечет за собой усиление отрывного воздушного потока. Согласно графику на рисунке 1.13, в этом случае наблюдается резкое падение КПД, вентилятор начинает издавать шум, обусловленный порождением случайных воздушных вихрей на поверхностях передних лопастей.

Если производительность падает, то точка, соответствующая текущему режиму вентилятора, также выходит за границы рабочей области. Наблюдается увеличение отрывного потока вблизи задней поверхности лопасти переднего колеса. Снова снижается КПД, однако производительность также падает. Вентилятор издает шум, порождаются случайные воздушные вихри.

Рисунок 1.14г описывает течение воздушного потока в меридиональной плоскости рабочего колеса вентилятора. Если ширина последнего значительно уже диаметра колеса, то воздушный поток проходит вдоль переднего диска колеса, причем это справедливо практически для всех режимов аэродинамической характеристики вентилятора. Если ширину рабочего колеса сделать больше (такой прием используется для увеличения производительности), то при определенных значениях поток, проходящий вблизи поверхности переднего диска может поменяться на отрывной. Это явление показано на рисунке 1.15 (область 2). Изменение потока на отрывной приводит к заметному падению рабочего давления в вентсистеме.

Теперь рассмотрим процессы, которые при этом наблюдаются в спиральном корпусе вентилятора. Конструкция корпуса представляет собой одну из реализаций диффузора, назначение которого заключается в увеличении статического давления. Оптимальная работа спирального корпуса тесно связана с определенным диапазоном производительности. Безотрывный характер воздушного потока в корпусе вентилятора говорит о том, что прибор работает в номинальном, либо недалеко отстоящих от него (на графике аэродинамич. характеристики), режимах (рисунок 1.14 e).

При этом имеет место максимально возможный КПД, и предельно тихая работа прибора. Что происходит, если производительность падает? Увеличивается отрывное воздушное течение вблизи поверхности языка и передней стенки спирального корпуса (рисунок 1.14 ж). Это течение носит случайный во времени характер, приводящий к уменьшению КПД, а также преобладанию низких звуковых частот в шуме, который начинает издавать вентилятор. В результате спиральный корпус ослабляет основное воздушное течение, следствием чего является еще большее снижение КПД и увеличение шума при работе.

Режимы неустойчивой работы вентиляторов

Можно уверенно говорить о взаимной связи отрывных потоков, действующих в спиральном корпусе и в его рабочем колесе. Связь можно описать следующим образом - как только вихревые отрывные потоки начинают проявлять себя в одном элементе, они со стопроцентной вероятностью порождают аналогичные процессы в другом элементе вентилятора. Но здесь есть один нюанс: самое сильное влияние на аэродинамику вентилятора оказывает отрывное течение, возникающее в рабочем колесе, так как именно оно представляет собой механизм передачи механической энергии воздушному потоку.

Описание режимов неустойчивой работы вентиляторов при смещении рабочей точки влево

До сих пор речь шла о явлениях, проявляющихся при смещении рабочей точки вправо. Теперь обсудим ситуацию, в некотором смысле обратную рассмотренной ранее. Рабочая точка на графике уходит сильно влево, что соответствует уменьшению производительности. Зоны отрывных течений (рисунок 1.14 и 1.16 a) возникают на задних поверхностях лопастей. Следствие дает о себе знать разделением межлопастного канала на 2 области: активного течения потока и отрывного. При дальнейшем уменьшении производительности окружной поток становится неравномерным.

Это приводит к ряду негативных явлений, таких как блокировка течения потока воздуха через лопасти вентилятора отрывными процессами. Всю совокупность происходящих процессов при снижении производительности активного элемента вентсистемы называют вращающимся срывом. На графике аэродинамической характеристики видно, что вращающему срыву сопутствует провал давления (рисунок 1.15, область 1) с одновременным падением КПД и преобладанием в шуме низких частот.

Режимы неустойчивой работы вентиляторов

Производительность по-прежнему продолжает уменьшаться, что приводит к изменению скорости вращения окружных воздушных зон, а также регулярной их смене их количества. Частотный спектр шума, издаваемого вентилятором, также претерпевает изменения. Иногда начинаются резкие изменения производительности вентилятора, приводящее к скачкам давления в канале вентсистемы (помпаж), что влечет за собой возникновение резонансных явлений. Это не приводит к разрушению вентиляторов среднего и низкого давления, а только увеличивает мощность низких частот в возникающем шуме. Амплитуда вибраций также становится больше. Если в системе установлены вентиляторы высокого давления, то в данном случае высока вероятность возникновения помпажа с последующим разрушением самого электроприбора.

Режимы неустойчивой работы вентиляторов приводят к одним и тем же неблагоприятным явлениям для устройств любых типов и конструкции (с лопастями, загнутыми назад, их разным количеством и т.д.)

Теперь рассмотрим вентиляторы со спиральным корпусом, рабочие колеса которых имеют лопасти, загнутые в прямом направлении. В качестве примера можно привести модель Ц16-46, выпускающуюся в нескольких модификациях и имеющую похожие варианты зарубежного производства. График аэродинамической характеристики этого электроприбора приведен на рисунке 1.13 (линия 2.). Средний угол входа воздушного течения в колесо ограничен максимальным значением в 45 при углах установленных лопастей 80-90. В целом, КПД вентиляторов такого типа всегда меньше, чем у аналогичных с загнутыми назад лопастями.

Режимы неустойчивой работы вентиляторов

Каковы же режимы неустойчивой работы вентиляторов рассматриваемой конструкции? Для этого нужно сместиться сильно вправо по графику, приведенному на рисунке 1.13 и выйти за границы рабочего участка. При возрастании производительности вентилятора увеличивается интенсивность воздушного потока в рабочем колесе, а также углы его входа в переднее колесо. Вследствие чего вблизи языка корпуса данного прибора возникает отрывное течение. Его характер аналогичен описанному ранее для другой модели (рисунок 1.14 з). Отрывное течение ведет к падению КПД и усилению шумов.

Если снижается производительность, то становятся меньше и углы входа воздушного течения в переднее колесо. При этом возрастает интенсивность отрывных областей. Давление в системе падает, одновременно ухудшается КПД работы прибора. Дальнейшее усиление описанной тенденции приводит к возникновению вращающегося срыва, описанного ранее (рисунок 1.17 б). Имеет место отрыв воздушного потока от диска (рисунок 1.18 б), а размер отрывной области вырастает до такой степени, что становится практически сравнимой с шириной рабочего колеса.

Далее наблюдаются процессы отрыва потока от внутренней поверхности языка (по аналогии с ситуацией, отображенной на рисунке 1.14 ж). На графике аэродинамической характеристики имеет место провал давления, КПД уменьшается, появляется шум с преобладанием в его звуковом спектре низких частот. Если производительность становится еще меньше, то вентилятор может перейти к крайне неустойчивой работе в помпажном режиме. Таким образом, режимы неустойчивой работы вентиляторов всегда сопряжены с ухудшением КПД приборов и возрастанием шумов.