Способ экспериментальной оптимизации рабочего колеса радиального вентилятора
METHOD FOR EXPERIMENTAL OPTIMIZATION OF RADIAL FAN IMPELLER

Изобретение относится к технике экспериментов в области турбомашиностроения и может применяться для экспериментальной оптимизации рабочих колес радиальных вентиляторов.
Известен способ оптимизации рабочих колес радиальных турбомашин, в том числе радиальных вентиляторов, посредством применения метода электромагнитного моделирования течения невязкой рабочей среды в колесе (Дитман А.О. и др. Электромагнитное моделирование трехмерного течения в рабочем колесе центробежного компрессора // Энергомашиностроение. - 1976 г., №9, стр. 7-9). Недостаток данного способа состоит в большой погрешности оптимизации. Это объясняется тем, что данный способ, позволяя детально выяснить поле относительных скоростей невязкой рабочей среды в колесе, не дает возможности определить однозначный показатель аэродинамической эффективности колеса в виде КПД или потерь напора.
Указанный недостаток отсутствует у прямых способов экспериментальной оптимизации колеса. Известный прямой способ экспериментальной оптимизации колеса радиального вентилятора (Shaslan M.R., Shibl А.М. Comparative performance of two centrifugal fan impellers differing in blade section // Proc. Heat Transfer and fluid Mech. Inst., Los Angeles, Calif., 1980, p. 53-63) включает аэродинамические испытания радиального вентилятора с различными вариантами колеса. При испытаниях измеряют расход воздуха через колесо и полное давление воздуха на входе и выходе из корпуса вентилятора; также определяют КПД вентилятора.
Недостаток известного способа экспериментальной оптимизации колеса радиального вентилятора заключается в большой трудоемкости. Это обусловлено большими затратами времени и средств на изготовление вариантов колеса, поскольку каждый его вариант должен представлять собой высоконадежное и отбалансированное изделие из металла, способное выдержать действие центробежных сил при вращении колеса в процессе аэродинамический испытаний вентилятора.
Целью настоящего изобретения является уменьшение трудоемкости экспериментальной оптимизации колеса радиального вентилятора.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе экспериментальной оптимизации колеса радиального вентилятора, включающем аэродинамические испытания различных вариантов объекта оптимизации, сопровождаемые измерениями расхода воздуха через него и полного давления воздуха на входе и выходе из корпуса вентилятора, непосредственно оптимизируют не колесо, а осесимметричный радиальный лопаточный аппарат, для проведения испытаний устанавливаемый в корпус вентилятора вместо колеса. Установка аппарата в корпус именно того вентилятора, колесо которого подлежит оптимизации, целесообразно потому, что это позволяет учесть при испытаниях явление взаимного аэродинамического влияния аппарата и корпуса вентилятора. При установке в корпус вентилятора аппарат крепят к задней стенке корпуса в центральной ее части без зазора в стыке, а зазор между аппаратом и входной стенкой корпуса вентилятора уплотняют. Это нужно для того, чтобы при испытаниях аппарата не было противоречащих реальной работе вентилятора притечек воздуха внутрь корпуса вентилятора извне и из зоны перед аппаратом. Различные варианты аппарата, устанавливаемые в корпус вентилятора поочередно, испытывают путем продувки воздуха через корпус вентилятора на стенде статических продувок, допускающем регулирование расхода воздуха. В процессе испытаний, помимо измерений расхода воздуха и полного давления воздуха на входе и выходе из корпуса вентилятора, выполняют измерения местных векторов скорости воздуха в ряде точек выходного сечения аппарата, разнесенных по окружности этого сечения, а также по шагу и ширине лопаток аппарата, что нужно для учета непостоянства реального вектора скорости воздуха по этим координатам. При продувках всех вариантов аппарата расход воздуха и произведение средней окружной составляющей скорости воздуха в выходном сечении аппарата на радиус этого сечения выдерживают одинаковыми, причем расход воздуха выдерживают равным проектному расходу через оптимизируемое колесо на номинальном режиме работы вентилятора, а произведение средней окружной составляющей скорости воздух в выходном сечении аппарата на радиус этого сечения выдерживают равным произведению проектной окружной составляющей абсолютной скорости воздуха в выходном сечении оптимизируемого колеса на радиус данного сечения. Соблюдение второго из двух указанных равенств необходимо для того, чтобы поле скоростей воздуха в выходном сечении аппарата было эквивалентно полю абсолютных скоростей воздуха в выходном сечении оптимизируемого колеса по напору, который пропорционален произведению средней окружной составляющей абсолютной скорости воздуха в выходном сечении колеса на радиус этого сечения (см., например, формулу 1.43 на стр. 24 книги К.П. Селезнева и Ю.Б. Галеркина "Центробежные компрессоры" 1982 г.). Поскольку аппарат в отличие от колеса неподвижен, при продувке на стенде статических продувок в аппарате имеет место не увеличение, а уменьшение полного давления воздуха. Поэтому в качестве оптимального варианта аппарата из числа испытанных принимают тот, который по результатам продувок обеспечивает наименьшую разность полных давлений воздуха на входе и выходе из корпуса вентилятора. Так как аппарат имитирует абсолютное течение воздуха в колесе, все геометрические параметры оптимального варианта аппарата, за исключением средней линии лопаток, полагают оптимальными и для колеса. Что касается оптимальной средней линии лопаток колеса, то ее находят из оптимальной средней линии лопаток аппарата, которую выясняют посредством продувок различных вариантов аппарата, путем уменьшения отсчитываемых от входной кромки лопатки в направлении вращения колеса угловых координат точек средней линии лопаток аппарата на величины, определяемые соотношением
где
γ - текущая разность угловых координат точек оптимальных средних линий лопаток аппарата и колеса,
ω - проектная угловая скорость вращения колеса,
R - текущий радиус,
1опт
R - радиус входного сечения оптимального варианта аппарата,
V - проектный объемный расход воздуха через колесо на номинальном режиме работы вентилятора,
опт
Z - количество лопаток у оптимального варианта аппарата,
ср.опт
ср.опт
1опт
Δ и b  - средние на участке от R до R соответственно тангенциальная толщина и ширина лопаток у оптимального варианта аппарата.
Данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", поскольку согласно предложенному техническому решению экспериментально оптимизируют не само вращающееся колесо, как это традиционно принято в теории и практике турбомашиностроения, а неподвижный осесимметричный радиальный лопаточный аппарат, имитирующий абсолютное течение воздуха в колесе.
На фиг. 1 изображен пример радиального вентилятора с колесом, подлежащим экспериментальной оптимизации; на фиг. 2 - радиальный разрез А - А на фиг. 1; на фиг. 3 - корпус вентилятора по фиг. 1 с установленным в него вместо колеса исходным вариантом осесимметричного радиального лопаточного аппарата; на фиг. 4 - разрез Б - Б на фиг. 3; на фиг. 5 - схема к доказательству соотношения (1).
Изображенный на фиг. 1 и фиг. 2 радиальный вентилятор содержит корпус 1 и подлежащее экспериментальной оптимизации рабочее колесо 2 с лопатками 3. Колесо 2 установлено на приводном валу 4. Между валом 4 и задней стенкой 5 корпуса 1 имеется зазор 6. Между колесом 2 и входным патрубком 7 корпуса 1 имеется зазор 8. При работе вентилятора через зазоры 6 и 8 имеют место утечки воздуха из внутренней полости 9 корпуса 1 соответственно наружу и в зону 10 перед колесом 2.
1
2
Оптимизации в колесе 2, в принципе, подлежат все семь его геометрических параметров: средняя линия 11 лопаток 3, количество лопаток 3, закономерность изменения тангенциальной толщины Δ лопаток 3 в направлении средней линии 11 лопаток 3, закономерность изменения ширины b лопаток 3 в радиальном направлении, радиус R входного сечения 12, радиус R выходного сечения 13, угол 8 наклона меридиональной проекции 14 входной кромки 15 лопаток 3 к оси 16 колеса 2.
1
2
Так как по предлагаемому техническому решению непосредственно оптимизируют не колесо 2, а осесимметричный радиальный лопаточный аппарат 17 (см. фиг. 3), то в аппарате 17 оптимизируют те же (по наименованию) геометрические параметры, что и в колесе 2: среднюю линию 18 лопаток 19 (см. фиг. 4), количество лопаток 19, закономерность изменения тангенциальной толщины Δ лопаток 19 в направлении средней линии 18 лопаток 19, закономерность изменения ширины b (см. фиг. 3) лопаток 19 в радиальном направлении, радиус R входного сечения 12 (см. фиг. 4), радиус R выходного сечения 13, угол ε наклона меридиональной проекции 20 (см. фиг. 3) входной кромки 21 лопаток 19 к оси 22 аппарата 17.
Для оптимизации аппарата 17 его устанавливают в корпус 1 вентилятора вместо колеса 2. Аппарат 17 закрепляют на задней стенке 5 корпуса 1 в центральной части 23 стенки 5 без зазора в стыке 24. Зазор между аппаратом 17 и входным патрубком 7 корпуса 1 перекрывают уплотнителем 25.
Испытания различных вариантов аппарата 17 на стенде статических продувок осуществляют по схеме просасывания, как это изображено на фиг. 3, или по схеме наддува. При схеме просасывания корпус 1 вентилятора с установленным в нем аппаратом 17 подсоединяют к всасывающей трубе 26 стенда нагнетательным патрубком 27 корпуса 1. При схеме наддува корпус 1 вентилятора подсоединяют к нагнетательной трубе стенда входным патрубком 7 корпуса 1.
2
Соблюдение условия одинаковости расхода воздуха через аппарат 17 при испытаниях всех его вариантов обеспечивают изменением частоты вращения воздуходувки стенда или с помощью дроссельного устройства стенда. Соблюдение условия одинаковости произведения средней окружной составляющей скорости воздуха в выходном сечении 23 (см. фиг. 4) аппарата 17 на радиус R этого сечения проще всего обеспечивать изменением количества лопаток 19 аппарата 17. Среднюю окружную составляющую скорости воздуха в выходном сечении 13 аппарата 17 находят осреднением местных окружных составляющих скорости по местному расходу воздуха. Местные окружные составляющие скорости и местные расходы воздуха определяют из измеряемых векторов скорости воздуха в выходном сечении 13 аппарата 17.
Перед экспериментальной оптимизацией аппарата 17 целесообразно испытать исходный его вариант (см. фиг. 3 и 4). Все геометрические параметры этого варианта аппарата 17, за исключением средней линии 18 лопаток 19 - такие же, как у подлежащего оптимизации колеса 2. Среднюю линию 18 лопаток 19 исходного варианта аппарата 17 строят путем увеличения отсчитываемых от входной кромки 15 лопаток 3 колеса 2 в направлении вращения колеса угловых координат точек средней линии 11 лопаток 3 на величины
где
1
R - радиус входного сечения 12 колеса 2, подлежащего оптимизации,
Z - количество лопаток у колеса 2,
ср
ср
1
Δ и b - средние на участке от R до R соответственно тангенциальная толщина и ширина лопаток 3.
Построенная указанным способом средняя линия 18 лопаток 19 аппарата 17 (см. фиг. 4) отличается от средней линии 11 лопаток 3 колеса 2 (см. фиг. 2) радикально. Это закономерно, так как форма средней линии лопаток аппарата близка к форме линий тока абсолютного течения воздуха в колесе, в то время как форма средней линии лопаток колеса близка к форме линий тока воздуха между лопатками колеса.
1опт
1опт
Фигурирующее в предложенном техническом решении соотношение (1) доказывается с помощью фиг. 5, на которой изображены условно совмещенные входными кромками 15 и 21 одна оптимальная лопатка 28 аппарата 17 и соответствующая ей оптимальная лопатка 29 колеса 2. Текущая разность γ угловых координат точек оптимальной средней линии 30 лопаток аппарата 17 и соответствующей ей оптимальной средней линии 31 лопаток 29 колеса 2 представляет собой переносное (вследствие вращения) угловое перемещение воздуха при прохождении им расстояния от окружности радиуса R до окружности радиуса R. Угол γ равен произведению угловой скорости вращения колеса ω и времени τ, за которое воздух перемещается от окружности радиуса R до окружности радиуса R:
1опт
r
ср
1опт
Время τ определяем делением расстояния R-R на среднюю радиальную составляющую скорости воздуха (с) на участке от R до R:
r
ср
ср.опт
1опт
Скорость (с) находим делением объемного расхода V воздуха на среднюю площадь Fпроходного сечения на участке от R до R:
Из элементарных геометрических соображений
cp.опт
cp.опт
cp.опт
где Δ, Z и b - параметры, разъясненные выше в пояснениях к соотношению (1). С учетом (3), (4) и (5) выражение (2) для угла у приобретает вид
что и требовалось доказать.
Предлагаемое техническое решение позволяет заменить традиционный прямой способ экспериментальной оптимизации рабочего колеса радиального вентилятора испытаниями вариантов неподвижного осесимметричного радиального лопаточного аппарата, имитирующего абсолютное течение воздуха в колесе. При аэродинамических испытаниях этого аппарата он, в отличие от вращающегося колеса, не подвержен действию центробежных сил. Благодаря этому в элементах аппарата во время испытаний механические напряжения почти отсутствуют. Данное обстоятельство допускает изготовление всех вариантов аппарата из дешевых и легкообрабатываемых неконструкционных материалов (вплоть до древесных). Кроме того, в отличие от колеса, аппарат не нуждается в балансировке, и конструкция его может быть разборной, допускающей переборки. Поэтому затраты времени и средств на изготовление вариантов аппарата намного меньше, чем на изготовление вариантов колеса. Следовательно, трудоемкость изготовления вариантов аппарата намного меньше трудоемкости изготовления вариантов колеса. Поскольку трудоемкость экспериментальной оптимизации колеса независимо от способа оптимизации определяется в основном трудоемкостью изготовления объекта оптимизации, трудоемкость предлагаемого настоящим изобретением способа оптимизации колеса меньше, чем существующего традиционного способа. Таким образом, цель настоящего изобретения, заключающаяся в уменьшении трудоемкости экспериментальной оптимизации рабочего колеса радиального вентилятора, достигнута.