ФГУП "ЦАГИ" (НИО-12 отд. 3, младший научный сотрудник)
г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Россия
Россия
Целью данной работы было повышение эффективности вентиляторов, регулируемых поворотом лопаток рабочего колеса. Исследовался высоконагруженный осевой вентилятор, и вентилятор с уменьшенными, путем снижения числа лопаток, густотами решеток рабочего колеса. Проведены испытания вентилятора с расчетными значениями параметров: коэффициент теоретического напора H = 0,3, коэффициент расхода Ca = 0,4, относительный диаметр втулки ν = 0,6 и лопатками, спрофилированными по закону постоянной циркуляции. Область эффективного регулирования оценивалась по величине коэффициента полезного действия η* ≥ 0,8. При изменении углов установки лопаток в широком диапазоне от 26° до 70°, зона высокоэкономичной работы находилась в диапазоне изменения коэффициентов расхода Ca 0,26–0,78, а теоретического напора H — 0,24–0,5. Испытания вентиляторов с уменьшенным числом лопаток в рабочем колесе (12 вместо 16 у исходного вентилятора) показали, что при тех же углах установки лопаток высокоэкономичный режим работы вентилятора находится примерно в том же диапазоне изменения Ca при несколько уменьшенных значениях коэффициентов теоретического напора. Максимальный КПД увеличился на 2,5%. Уменьшение числа поворотных лопаток, упрощение механизма поворота и снижение массы возможно при проектировании вентиляторов с повышенными значениями коэффициентов аэродинамической нагрузки.
системы вентиляции, осевой вентилятор, поворотные лопатки, регулирование вентилятора, эффективность систем промышленной вентиляции.
1. Введение
На сегодняшний день осевые вентиляторы находят широкое применение в системах вентиляции шахт и тоннелей, в качестве вспомогательных устройств энергетических установок и двигателей и движителей летательных аппаратов. Вентиляторные системы, насосные системы и системы сжатого воздуха потребляют около 60% общего объема электроэнергии, вырабатываемой во всем мире. Эти системы имеют очень значительный экономически эффективный потенциал энергосбережения и/или снижения выбросов CO2 (Sirovy, Peroutka, Byrtus, & Michalik, 2013). В 2013 г. Европейский Союз ввел требования к минимальным уровням эффективности промышленных вентиляторов, а затем ужесточил их в 2015 г. В США министерство энергетики также разрабатывает нормативные акты, направленные на устранение неэффективных промышленных вентиляторов с рынка к 2023 г. (Bonanni, et al., 2017). В настоящее время проектирование или подбор высокоэффективного вентилятора (с КПД до 90%) на конкретное задание, как правило, не представляет трудностей. Исключение составляют системы с жесткими габаритными ограничениями. Но на практике часто встречаются системы, в которых условия работы вентилятора постоянно меняются и вентилятор большую часть времени работает на нерасчетном режиме со сниженным КПД, например при аэрации сточных вод напор вентилятора изменяется незначительно и определяется практически неизменной высотой слоя жидкости, а расход изменяется в широких пределах (Березин, 2012). При добыче руды рабочее место находится в постоянном движении, и длина доставки воздуха постоянно меняется (Дзидзигури, 1958), для обеспечения необходимого расхода часто заменяют вентиляторы по мере увеличения длины выработки. Так как держать несколько вентиляторов на каждом участке нецелесообразно, устанавливают наиболее мощный из линейки и искусственно увеличивают сопротивление сети на неполных режимах (Алыменко, Алыменко, Трапезников, Ковалев, 2003). Применение вентиляторов, регулируемых с помощью поворотных рабочих лопаток, позволяет вывести из эксплуатации часть вентиляторных установок и достичь существенной экономии суммарной установленной мощности (Smith, Henry, Arthur, 1996). В работе (Lee, Chuah, 2016) исследовалось влияние способа регулирования системы вентиляции жилого дома на экономические показатели. Показано, что при работе системы вентиляции большую часть времени на высокой мощности может быть целесообразно применение эффективного вентилятора с дроссельным устройством, при работе на средней мощности преимущество имеет вентилятор с поворотными лопатками, а если нагрузка преимущественно низкая, лучше всего использовать частотное регулирование. В исследовании (Johnson, 1988) велось 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.
1. Sirovy M., Peroutka Z., Byrtus M., Michalik J. Medium-voltage drive fan save: Energy efficient fan systems in power engineering // 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON. Vienna. 2013.
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. Volume 1.
3. Березин С. Е. Выбор способа регулирования воздуходувок для аэрации сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. - 2012. - № 11. - С. 59-64.
4. Дзидзигури A. A. Работа шахтных вентиляторов в сложных сетях. Типография Изд-ва АН Грузинской ССР. - 1958. - 165 с.
5. 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.
6. Smith L., Henry, Arthur, C. D. Mine ventilation: Waste heat recovery // CIM Bulletin. March 1996. Vol. 89. No. 998. pp. 126-130.
7. 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.
8. 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.
9. Соколов В. А. Рациональный выбор схемы тоннельной вентиляции как залог эффективной эксплуатации транспортных тоннелей // Метро и тоннели. - 2016. - № 6. - С. 63-65.
10. Кузнецов С. В. Вентиляция транспортных тоннелей // Научное обозрение. - 2012. - No. 4. - С. 221-224.
11. 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.
12. Jones M. Winds of change for tunnels environment // Tunnels and Tunnelling International. 2010. pp. 29-30.
13. Брусиловский И. В. Аэродинамика акустика осевых вентиляторов. Москва: труды ЦАГИ им. Проф. Н. Е. Жуковского, 2004. - 275 с.
14. Петров Ю. Е. Оценка эффективности регулирования осевых воздуходувок мощных котлоагрегатов // Труды ЦКТИ. - 1970. - № 12. - С. 51-58.
15. Таугер В. М. Сравнительная оценка надежности механизмов регулирования шахтных осевых вентиляторов // Известия вузов. Горный журнал. - 2011. - № 3. - С. 30-38.
16. 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. 79-93.
17. Кузецов С. В. Механизм поворота лопаток шахтного осевого вентилятора на основе термогидропривода // Технические науки - от теории к практике. - 2013. - № 17-1. - С. 120-125.
18. Заслов В.Я., Роженцов В. Ф., Костыгов М. Е., Кузнецов Н. С. Механизм поворота лопаток шахтного вентилятора, 2009118908/22, 19.05.2009.
19. ГОСТ 10921-90. Аэродинамические испытания осевых и центробежных вентиляторов. М.: Изд-во стандартов, Введ. 1992-01-01. 34 с.
20. Пешехонов Н. Ф. Приборы для измерения давления, температуры и направления потока в компрессорах. Оборонгиз, 1962.
