ВЕНТИЛЯТОРНАЯ УСТАНОВКА ГРАДИРНИ

Полезная модель относится к области теплотехники, в частности, к вентиляторным градирням и может быть использована в различных отраслях промышленности, а именно там, где технологические процессы требуют охлаждения больших расходов жидкости, чаще всего воды, и где для этого могут быть использованы градирни.
В качестве внешней охлаждающей среды в градирнях используется наружный воздух, система подачи которого включает в себя, по крайней мере, одну вентиляторную установку, которая является побудителем его движения.
Известен вентилятор градирни, содержащий корпус-обечайку, ось со ступицей, лопасти с лонжеронами и нервюрами. В этом вентиляторе лонжероны лопастей состыкованы со ступицей в одно целое, а смежные лонжероны соседних лопастей жестко скреплены друг с другом. Привод рабочего колеса осуществляется через эксцентрично расположенную относительно оси вращения шестерню привода, находящуюся в зацеплении с размещенным внутри втулки колесом (патент RU 2123139 C1, F04D 17/00, F04D 19/00, 22.05.1996).
Известный вентилятор градирни обладает следующими недостатками:
- не предусмотрена возможность изменения угла атаки лопастей рабочего колеса вентилятора в процессе его эксплуатации, что является необходимым условием для его конструкции.
- необходимость соединения лонжеронов друг с другом и со ступицей, установка перемычек при непарном числе лонжеронов приводит к чрезмерному усложнению и увеличению материалоемкости его конструкции.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является вентилятор градирни, содержащий конфузорно - диффузорную обечайку из стекломатериала и в которой установлено лопаточное колесо с его приводом. Обечайка выполнена в виде тела вращения. Конфузорная и диффузорная часть обечайки образована коническими поверхностями с углами наклона: образующей конфузорной части к вертикальной оси обечайки от 25 до 35º, а угол наклона образующей конической поверхности диффузорной части от 10 до 20º (патент RU 2350867 С2, F28C 1/00, 20.11.2006).
Недостатками известного вентилятора градирни является следующее:
- при установке конического конфузора, как в прототипе, потери на входе составляют 10-45% динамического давления потока при полных углах сужения α=40-80º и Нкф /Dпч=0,1-1,0 (см. фиг.1). В прототипе угол сужения конфузора составляет 50-70º. Потери в конфузоре обусловлены его формой, размерами, качеством изготовления. Устанавливая конфузор, профилированным по плавной кривой, например, по дуге окружности (см. фиг.2), можно сопротивление входа довести до 1,5-2% динамического давления потока (см. [1] с.74), повысить вибрационную надежность вентиляторной установки за счет снижения неравномерности потока перед ее рабочим колесом, которая влияет на обтекание его лопастей и в результате чего меняются его характеристики (давление и мощность). Существуют некоторые плавные кривые, которые обеспечивают лучшие аэродинамические характеристики конфузора, т.е. равномерное поле скоростей и малые гидравлические потери. Скругление конфузора делают обычно по плавным кривым, сопрягая их между собой так, что часто не только первая, но и вторая производные непрерывны. Как следует из вышесказанного, обеспечивая плавный вход воздуха в вентилятор, конфузор существенно уменьшает сопротивление его проточной части и улучшает этим энергетическое качество вентиляторной установки;
- у диффузора прототипа имеет место отрыв пограничного слоя от его стенок из-за большого угла их раскрытия, который составляет от 20 до 40º. Как известно, в диффузорах отрыв потока от его стенок начинается при центральных углах раскрытия диффузора более 6-10º. Вообще не рекомендуется применение диффузоров с углами раскрытия более 10-15º, (см. [2] с.30-31).
Заметная разность максимальных значений КПД - статического и полного - заставляет весьма внимательно подходить к вопросу о выборе рационального диффузора для вентиляторной установки: разница может составлять 15-20%, т.к. процесс отрыва пограничного слоя сопровождается невосстанавливаемой потерей энергии.
Основным практическим методом снижения потерь в диффузорах можно считать использование диффузоров оптимальной формы, т.е. диффузоров с предотрывным течением по всей его длине.
Термины, применяемые в заявке на полезную модель.
Неотъемлемой частью многих технологических установок и устройств в различных областях техники является осевой вентилятор - аэродинамическая лопаточная машина, у которой рабочее колесо, соединенное тем или иным способом с валом привода, вращается в корпусе вентилятора (см. [3] с.3).
Под термином «рабочее колесо вентилятора» следует понимать вращающуюся часть вентилятора, в которой механическая энергия передается воздуху посредством динамического действия его лопастей (см. [4] с.6).
Под термином «корпус вентилятора» следует понимать часть вентилятора, в которой вращается рабочее колесо (см. [4] с.6).
Под термином «вентиляторная установка градирни» следует понимать осевой вентилятор в сочетании с рядом относящихся к ней элементов. Такими составляющими ее элементами в нашей полезной модели являются конфузор и выходной диффузор.
Под термином «конфузор» следует понимать суживающийся канал, в котором дозвуковая скорость жидкости или газа возрастает в результате преобразования потенциальной энергии в кинетическую. В вентиляторных установках конфузор (см. фиг.1, 2) устанавливают перед рабочим колесом и часто называют коллектором (см. [5] с.287).
Под термином «диффузор» следует понимать профилированный канал, предназначенный для торможения потока жидкости или газа. В диффузоре происходит преобразование кинетической энергии потока в давление. Дозвуковой диффузор - расширяющийся канал (см. фиг.3). Потери полного давления в диффузоре обусловлены действием сил трения и существенно возрастают при возникновении срыва потока. Оптимальный угол раствора конического диффузора лежит в пределах 6-10º (см. [5] с.220).
Под термином «проточная часть вентиляторной установки» следует понимать корпус вентилятора с присоединенными к нему со стороны всасывания конфузором и со стороны выхода потока воздуха в атмосферу диффузором, образующих вместе канал, через который проходит перемещаемый вентиляторной установкой воздух.
Под термином «коническое сечение» следует понимать линию пересечения поверхности прямого кругового конуса с секущей плоскостью, не проходящей через вершину конуса (см. [6] с.103, 104).
Под термином «комбинация» понимается сочетание, взаимное расположение чего-либо, например, комбинация фрагментов линий.
Под термином «стекловолокнистый материал» следует понимать стеклоткань разнообразного плетения, различные стекломаты и ровинг, из которых изготавливаются элементы вентиляторной установки путем их пропитки полимерным связующим (эпоксидными или полиэфирными смолами).
Под термином «электродвигатель типа АСВО» следует понимать специальные асинхронные трехфазные с короткозамкнутым ротором обдуваемые вертикальные одно - или двухскоростные многополюсные электродвигатели, выпускаемые электротехнической промышленностью и предназначенные для безредукторного привода вентиляторов градирен.
Под термином «мотор-редуктор» следует понимать объединение электродвигателя и редуктора в единый компактный электропривод.
Задачей полезной модели является улучшение функционально эксплуатационных характеристик вентиляторной установки градирни путем создания установки, конструктивно заложенное совершенствование аэродинамической и геометрической компоновки которой обеспечивает снижение ее аэродинамического сопротивления, повышение ее вибрационной надежности и тем самым уменьшение эксплуатационных затрат вентиляторной установки и градирни в целом. Полезная модель может быть использована также при проектировании вентиляторных установок как общехозяйственного, так и специального назначения.
Поставленная задача решается тем, что вентиляторная установка градирни, смонтированная на перекрытии строительной части градирни, содержит проточную часть, состоящую из рабочего корпуса с конфузором на входе, диффузором на выходе, рабочее колесо вентилятора с лопастями и электропривод, причем проточная часть изготовлена из стекловолокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, и собрана из последовательно сопряженных между собой с помощью разъемного соединения секторов, рабочее колесо вентилятора выполнено с числом лопастей от трех до восьми, отношение диаметра входного сечения конфузора к диаметру рабочего колеса составляет от 1,15 до 1,45, при этом конфузор выполнен круглым в плане и криволинейным в продольном сечении по форме в виде фрагмента конического сечения прямого кругового конуса, являющегося линией пересечения поверхности прямого кругового конуса с секущей плоскостью, не проходящей через его вершину, или комбинации переходящих друг в друга фрагментов конических сечений прямого кругового конуса, обращенных выпуклой стороной внутрь проточной части, отношение высоты конфузора к полуразности диаметров входного сечения конфузора и проточной части составляет от 1,0 до 3,0, при этом центральный угол раскрытия диффузора составляет не более 20º, а высота рабочего корпуса составляет не менее 0,1 диаметра рабочего колеса.
Преимущественно, высота диффузора составляет не более 0,5 диаметра рабочего колеса.
Преимущественно, электропривод выполнен в виде выносного электродвигателя, кинематически связанного с рабочим колесом вентилятора.
Преимущественно, электропривод размещен в проточной части и выполнен в виде электродвигателя типа АСВО или в виде мотор-редуктора.
Такое конструктивное исполнение вентиляторной установки характеризуется пониженным аэродинамическим сопротивлением ее проточной части. Так как очень часто вентиляторная установка встроена в другую машину или определенную технологическую линию, ее допустимые габаритные размеры и масса в реальных условиях обычно ограничены. Обязательным только является ее высокий КПД при данных компоновочных решениях, что очень важно для уменьшения потребляемой энергии.
На практике постоянно наблюдается отход от оптимальной в аэродинамическом плане компоновки вентиляторной установки, что объясняется стремлением снизить ее стоимость: вместо кольцевого диффузора продолжается рабочий корпус вентилятора, т.е. вместо диффузора может быть использован круглый цилиндрический патрубок, в котором также происходит расширение потока. При этом снижается расход материала на изготовление диффузора, упрощается его изготовление и монтаж.
Диффузорный эффект такого патрубка сказывается на повышении статического напора вентилятора: установка круглого цилиндрического патрубка длиной до 0,3 Dрк дает увеличение статического напора приблизительно на 13%. При дальнейшем увеличении длины проточной части, потери динамического давления могут быть еще уменьшены. Однако при увеличении габаритов вентиляторной установки, одновременно увеличивается ее парусность, что приводит к необходимости дополнительного усиления как ее конструкции, так и строительной части градирни в целом.
Современный уровень приводной техники обуславливает все более жесткие требования к характеристикам приводов и оптимальному их согласованию с приводными механизмами.
Максимальное распространение в приводе рабочих колес вентиляторных установок градирен имеет частота вращения 90-400 об/мин.
В настоящее время в промышленности в основном применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, представляющие собой наиболее дешевую приводную систему. Единственный их недостаток - возможная частота их вращения выходит за пределы требуемой на практике эксплуатации градирен и для применения наиболее широко применяемого в промышленности четырехполюсного электродвигателя необходим редуктор.
Для увеличения надежности работы градирни в тяжелых условиях эксплуатации применяется, как наиболее простое и надежное, непосредственное соединение рабочего колеса с выходным валом медленно вращающегося многополюсного электродвигателя типа АСВО.
Конструктивное объединение электродвигателя и редуктора в единый электропривод имеет также ряд преимуществ по сравнению с системой соединения электропривода и редуктора через муфты, вал: значительно уменьшаются габаритные размеры трансмиссии, число присоединительных узлов и деталей, затраты на его установку, отладку и запуск.
Этими вышеизложенными обстоятельствами и объясняется наблюдаемое в промышленности большое разнообразие типов и форм рабочих колес и проточных частей в современных вентиляторных установках и их приводов.
Предпочтительно, чтобы проточная часть вентиляторной установки была выполнена из стекловолокнистого материала на полимерном связующем (эпоксидном или полиэфирном), что позволяет повысить ее коррозионную стойкость и снизить ее вес.
При этом целесообразно и полезно, чтобы:
- вентиляторная установка была выполнена с выносным электроприводом;
- вентиляторная установка была выполнена с прямым приводом от электродвигателя типа АСВО, односкоростным или 2-х скоростным;
- вентиляторная установка была выполнена с круглым цилиндрическим патрубком с выносным или с прямым приводом;
- вентиляторная установка была выполнена с мотор-редуктором.
Указанное выполнение вентиляторной установки позволяет создать вентиляторную установку, отвечающую современному уровню вентиляторостроения по экономичности, регулируемости. Конструктивно-технологические решения, заложенные в ее конструкцию, способствуют расширению модельного ряда вентиляторных установок до необходимых размеров, которые определяются конкретными задачами того или иного предприятия.
Возможность осуществления технического решения, заявленного полезной моделью, поясняется графическими материалами, на которых изображено следующее:
на фиг.1 показана принципиальная схема конического конфузора, являющегося фрагментом поверхности прямого кругового конуса;
на фиг.2 показана принципиальная схема конфузора, профилированного дугой окружности, являющейся коническим сечением прямого кругового конуса, когда секущая плоскость перпендикулярна его оси;
на фиг.3 показана принципиальная схема диффузора;
на фиг.4 показан главный вид компоновочной схемы вентиляторной установки градирни с вынесенным за пределы проточной части четырехполюсным электродвигателем;
на фиг.5 показан вид сверху компоновочной схемы вентиляторной установки с вынесенным за пределы проточной части четырехполюсным электродвигателем;
на фиг.6 показана компоновочная схема вентиляторной установки градирни с круглым цилиндрическим патрубком вместо диффузора;
на фиг.7 показана компоновочная схема вентиляторной установки с прямым приводом;
на фиг.8 показана компоновочная схема вентиляторной установки с приводом от мотор-редуктора.
Перечень позиций и обозначений на чертежах: 1 - рабочее колесо вентилятора; 2 - конфузор; 3 - рабочий корпус; 4 - диффузор; 5 - конический редуктор; 6 - вал трансмиссии; 7 - электродвигатель (с числом оборотов не менее 1000 об./мин.); 8 - электродвигатель типа АСВО (одно- или двухскоростной); 9 - мотор-редуктор; 10 -цилиндрический патрубок.
Dрк - диаметр рабочего колеса
&<0,005 Dрк - зазор между концевой частью лопасти рабочего колеса и проточной частью (рабочим корпусом).
Dгр - диаметр отверстия в перекрытии строительной части градирни
Dкф - диаметр входного сечения в конфузор, равный диаметру отверстия в перекрытии градирни
Ндф - высота диффузора
Нкф - высота конфузора
Нрк - высота рабочего корпуса
φ - угол раскрытия диффузора
Dпч=2&+DpK - диаметр проточной части (рабочего корпуса)
∆=Dкф-Dпч/2 - полуразность диаметров входного сечения конфузора и проточной части.
Как показано на фиг.4, 5 вентиляторная установка, смонтированная на строительной части градирни, содержит взаимосвязанные между собой рабочее колесо вентилятора 1, конфузор 2, рабочий корпус 3, диффузор 4. Рабочее колесо вентилятора 1, закрепленное на выходном валу конического редуктора 5, через вал трансмиссии 6 приводится во вращение электродвигателем 7.
Пульсация тяги на рабочем колесе вентилятора вызывает вибрации конструкции всей вентиляторной установки и поэтому на втулке рабочего колеса должно быть установлено не менее трех лопастей, но профильные потери у такого колеса выше, чем у рабочего колеса с большим числом лопастей. Максимальные значения КПД рабочего колеса увеличиваются при переходе от трех лопастей к пяти, и в меньшей степени при переходе от пяти к семи. При числе лопастей более восьми КПД рабочего колеса значительно снижается.
Конфузор 2, рабочий корпус 3, и диффузор 4 образуют проточную часть вентиляторной установки, причем конфузор своей входной частью обеспечивает ее присоединение к перекрытию строительной части градирни (на чертеже не показана). Соотношения габаритных размеров диаметров входного сечения конфузора и рабочего колеса выбраны следующими: 1,15<Dкф/ Dрк<1,45. В конфузоре плавного входа потери входа состоят из потерь трения потока о его стенки. Увеличение размеров конфузора ведет к увеличению поверхности трения потока о его стенки и соответствующему ухудшению его аэродинамических качеств. Указанное выше соотношение обеспечивает возможность минимизировать величину входных потерь.
3
3
Конфузор выполнен в продольном (меридиональном) сечении от точки А (точка начала криволинейной части конфузора) до точки В (точка начала перехода криволинейной части конфузора в рабочий корпус), по крайней мере, на границе внутренней стороны по форме в виде фрагмента конического сечения прямого кругового конуса или комбинации переходящих друг в друга фрагментов конических сечений прямого кругового конуса, т.е. участка линии, которую образует поверхность прямого кругового конуса и секущая плоскость, не проходящая через его вершину, с соотношением 1,0≤Нкф/∆≤3,0, причем не имеет значение конкретный частный случай выполнения этой линии, т.е. окружность это, эллипс, гипербола или парабола, или линия будет выполняться из комбинации участка окружности, эллипса, гиперболы или параболы. Любой участок кривых, объединенных понятием «коническое сечение», однозначно идентифицируется с помощью известных математических методов (см. [6] с.103, 104). В указанном выше диапазоне обеспечивает наилучший достигаемый результат по эффективности вентиляторной установки. Нижние пределы в заявленном диапазоне предназначены для крупногабаритных градирен (расход циркуляционной воды свыше 500 м/час воды), верхние - для малогабаритных градирен (расход циркуляционной воды до 500 м/час воды).
Такое выполнение конфузора создает условия для плавного входа потока воздуха, уменьшает количество зон вихреобразования, что повышает равномерность распределения полей скоростей и давлений перед рабочим колесом.
Из указанных выше соображений высота рабочего корпуса Нрк составляет не менее 0,1 Dрк а, соответственно, высота кольцевого диффузора Ндф составляет не более 0,5 Dрк при центральном угле раскрытия не более 20º.
При изготовлении проточной части с круглым цилиндрическим патрубком ее общая высота составляет не более 0,75 Dрк. Высота проточной части влияет на ее парусность и себестоимость и при проектировании или реконструкции градирни выбирается по критерию «эффективность-стоимость».
Выполнение проточной части из стекловолокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, позволяет выполнить конфузор криволинейным в продольном сечении по форме в виде фрагмента конического сечения прямого кругового конуса или комбинации переходящих друг в друга фрагментов конических сечений прямого кругового конуса, снизить ее вес без ухудшения прочностных характеристик, упростить технологию ее изготовления по сравнению с применением в качестве конструкционного материала металла.
Проточная часть в продольном сечении может быть выполнена в виде последовательно сопряженных между собой в направлении вверх конфузора, рабочего корпуса, диффузора или их секторов, или из сплошных секторов, каждый из которых объединяет в себе последовательно переходящие друг в друга сектора конфузора, рабочего корпуса и диффузора. В поперечном сечении проточная часть может быть выполнена либо монолитной, либо из вышеупомянутых секторов. Между собой сектора соединяются с помощью известных средств, например, болтов.
Как показано на фиг.6, у вентиляторной установки градирни, показанной на фиг.4, для снижения ее парусности и себестоимости, диффузор 4 заменен круглым цилиндрическим патрубком 10 с диаметром, равным диаметру рабочего корпуса, а высота проточной части Нпч составляет не более 0,75 Dрк.
Как показано на фиг.7, у вентиляторной установки градирни, показанной на фиг.4, для увеличения надежности работы градирни в тяжелых условиях эксплуатации рабочее колесо вентилятора 1 установлено непосредственно на выходной вал электродвигателя 8 типа АСВО.
Как показано на фиг.8, у вентиляторной установки градирни, показанной на фиг.4, для значительного уменьшения габаритных размеров трансмиссии, числа присоединительных узлов и деталей, затрат на установку, отладку и запуск, рабочее колесо 1 установлено на выходном валу мотор-редуктора 9.
Вентиляторная установка работает следующим образом: включается электродвигатель, кинематически связанный с рабочим колесом вентилятора 1 и приводит его во вращение. Под действием лопастей рабочего колеса паро-воздушная смесь, поступающая из градирни через отверстие в ее перекрытии, обтекает конфузор 2, перемещается в осевом направлении и, проходя затем через диффузор 4, выпускается в атмосферу.
Выполнение конфузора, профилированным по форме фрагментом конического сечения прямого кругового конуса или комбинации переходящих друг в друга фрагментов конических сечений прямого кругового конуса, обеспечивает плавный вход потока, равномерное распределение его скоростей и давлений перед рабочим колесом и потери входа состоят лишь из потерь трения потока о стенки конфузора.
Выполнение диффузора с оптимальным центральным углом раскрытия, а также вышеописанных соотношений геометрических размеров элементов вентиляторной установки в предложенных диапазонах позволяют оптимизировать ее габаритные параметры, провести их унификацию для широкого типоразмерного ряда градирен, обеспечивает создание оптимального подвода потока к рабочему колесу и выпуск его в атмосферу с малыми гидравлическими потерями и повышенной вибрационной надежностью при ее ограниченных габаритных размерах.
Таким образом, выполнение вентиляторной установки с вышеперечисленными соотношениями ее частей, которые были выбраны в результате теоретических и экспериментальных исследований, позволяет уменьшить эксплуатационные затраты градирни в целом. При этом также снижается ее вибрация, уменьшается шум.
Испытания опытных образцов показали, что повышение производительности предложенной вентиляторной установки увеличивается не менее чем на 15% по сравнению с вентиляторными установками, не имеющими вышеперечисленных соотношений.
Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящей полезной модели возможны разнообразные модификации и изменения. Соответственно предполагается, что настоящая полезная модель охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема полезной модели, раскрытой в прилагаемой формуле полезной модели.
ЛИТЕРАТУРА 1. Вахвахов Г.Г. Работа вентилятора в сети. М. Стройиздат, 1975, с.74.
2. Калинушкин М.П. Вентиляторные установки. М. Высшая школа. 1967 г. с.30-31.
3. Брусиловский И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов. М. «Машиностроение», 1984, с.3.
4. ГОСТ 22270-76. Оборудование для кондиционирования воздуха, вентиляции и отопления. Термины и определения. М. 1988. с.6.
5. Авиация. Энциклопедия. М. Большая Российская энциклопедия. 1994. с.220, 287.
6. Пугачев П.Е. Курс высшей математики. М. «Высшая школа» 1970 г. с.103, 104.