Автор: В.В. Буренин (МАДИ).

Опубликовано в журнале Химическая техника №10/2018

Для перемещения воздуха в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для производственных помещений предприятий нефтехимической, химической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности широко применяются центробежные и осевые вентиляторы [1]. В центробежных вентиляторах воздух движется вначале параллельно оси рабочего колеса, затем в межлопаточных каналах рабочего колеса делает поворот на 90° и за счет центробежных сил (при вращении колеса) выбрасывается в специальный корпус (кожух) и далее в воздуховод. В осевых вентиляторах, называемых также пропеллерными или лопастными, воздух, получив вращательное движение от рабочего колеса, не меняет своего общего начального осевого направления. По сравнению с центробежными осевые вентиляторы менее громоздки и применяются для перемещения относительно больших объемов воздуха при меньших напорах.

Несмотря на обилие типоразмеров и вариантов исполнения серийных воздушных вентиляторов и их узлов, а также технологическую сложность их изготовления, нередко для систем вентиляции и кондиционирования воздуха разрабатывают новые конструкции вентиляторов, так как серийная продукция не всегда удовлетворяет специфическим требованием по присоединительным размерам, шуму, надежности, ресурсу работы и т.д.

Рис. 1. Воздушный центробежный вентилятор низкого давления: а – Внешний вид электроприводной установки с воздушным центробежным вентилятором; б – рабочее колесо воздушного центробежного вентилятора;1 – рама; 2 – входной патрубок; 3 – выходной патрубок; 4 – корпус; 5 – электродвигатель; 6 – задний диск; 7 – передний диск; 8 – лопатки
Рис. 1. Воздушный центробежный вентилятор низкого давления:
а – Внешний вид электроприводной установки с воздушным центробежным вентилятором; б – рабочее колесо воздушного центробежного вентилятора;1 – рама; 2 – входной патрубок; 3 – выходной патрубок; 4 – корпус; 5 – электродвигатель; 6 – задний диск; 7 – передний диск; 8 – лопатки

Пониженной металлоемкостью и упрощенной технологией изготовления при сохранении высоких аэродинамических характеристик отличается воздушный центробежный вентилятор низкого давления (до 1 кПа) [2]. Вентилятор имеет спиральный корпус 4 (рис. 1, а) с входным 2 и выходным 3 патрубками, установлен вместе с приводным электродвигателем 5 на раме 1. На валу электродвигателя 5 закреплено рабочее колесо (рис. 1, б), состоящее из переднего кольцевого диска 7 и плоского заднего диска 6, а между ними с одинаковым шагом размещены цилиндрической формы лопатки 8. Входные кромки лопаток 8 установлены на внутреннем диаметре переднего диска 7, а выходные кромки – на его наружном диаметре. Задний диск 6 выполнен плоским. Угол входа лопаток равен 35° ± 2°, выхода – 145° ± 2°. Ширина переднего диска 7 составляет 0,1 наружного диаметра рабочего колеса. При таком соотношении параметров для всех типоразмеров вентиляторов нужно одинаковое число лопаток, что снижает металлоемкость изготовления рабочего колеса на 5–10 %. Так как задний диск 6 рабочего колеса выполнен плоским, это также упрощает технологию его изготовления.

При вращении рабочего колеса поток воздуха, поступающий через входной патрубок 2, попадает в каналы между лопатками рабочего колеса и под действием центробежной силы перемещается по этим каналам, собирается спиральным корпусом и направляется в его выходной патрубок 3, изменяя первоначальное направление движения на 90°.

Низким уровнем шума при работе отличается воздушный центробежной вентилятор [3], радиальное рабочее колесо которого включает передний и задний диски с размещенными между ними лопатками, загнутыми назад. Каждая лопатка рабочего колеса оснащена участком (предкрылком), расположенным ближе к оси вращения рабочего колеса от места примыкания основной части лопатки к поверхности переднего диска. При этом точка пересечения передней кромки следующей по ходу вращения лопатки с передним диском, носок передней кромки предкрылка и ось вращения рабочего колеса лежат на одной прямой в проекции на плоскость, перпендикулярную оси вращения рабочего колеса, а боковая кромка предкрылка расположена под острым углом к передней кромке предкрылка. Каждая лопатка рабочего радиального колеса, содержит участок, предназначенный для соединения с передним диском, и участок, расположенный ближе к оси вращения рабочего колеса (предкрылок) и имеющий переднюю и боковую кромки, причем передняя кромка предкрылка выполнена криволинейной с местным радиусом, увеличивающимся по мере удаления от передней кромки.

Надежен в работе и обладает высокими аэродинамическими характеристиками воздушный центробежный вентилятор [4], изображенный на рис. 2.

Рис. 2. Воздушный центробежный вентилятор с оптимальными значениями основных геометрических параметров проточной части: 1 – входной патрубок; 2 – передний диск; 3 – корпус вентилятора; 4 – задний диск; 5 – рабочее колесо; 6 – лопатки рабочего колеса; 7 – выходной патрубок
Рис. 2. Воздушный центробежный вентилятор с оптимальными значениями основных геометрических параметров проточной части:
1 – входной патрубок; 2 – передний диск; 3 – корпус вентилятора; 4 – задний диск; 5 – рабочее колесо; 6 – лопатки рабочего колеса; 7 – выходной патрубок

Воздух поступает через входной патрубок 1 в рабочее колесо 5, где происходит передача энергии от вращающегося с угловой скоростью рабочего колеса с S-образными лопатками 6 потоку воздуха. Далее воздух поступает в спиральный корпус 3 и выходит через выходной патрубок 7.

Оптимальными значениями основных геометрических параметров рабочего колеса, имеющего лопатки S-образной формы, являются следующие (см. рис. 2): относительный диаметр входного патрубка D0/D2 == 0,35…0,59 (здесь D0 – диаметр входного патрубка; D2 – наружный диаметр рабочего колеса по выходным кромкам лопаток); относительная ширина рабочего колеса на входе b1/D2 = 0,06…0,22 (здесь b1 – ширина рабочего колеса на входе); относительный диаметр окружности, на которой расположена точка перегиба профиля лопаток рабочего колеса, D2–1/D2 = 0,82…0,93, где D2–1 – диаметр окружности, на которой находится точка перегиба профиля лопатки; отношение радиусов кривизны вогнутого и выпуклого участков профиля лопаток R2/R1 = = 0,034…0,05, где R2 – радиус кривизны вогнутого участка профиля лопатки, R1 – радиус кривизны выпуклого участка профиля лопаток; угол выхода лопаток b2 = = 110°…150°; угол наклона переднего диска рабочего колеса к плоскости его поперечного сечения a = 0…15°. Эти значения основных параметров проточной части вентилятора дают возможность достичь высоких значений КПД вентилятора – более 0,73.

Высокими энергетическими характеристиками отличается рабочее колесо закрытого типа одностороннего входа с лопатками специального профиля центробежного вентилятора [5]. Наклонные краевые области А (рис. 3) заднего диска 2 и области Б переднего диска 3 выступают за наружный диаметр лопаток 1. Полученное таким образом пространство между задним 2, передним 3 дисками и наружными диаметрами лопаток 1 рабочего колеса обеспечивает эффективное преобразование кинетической энергии перемещаемого воздуха в потенциальную энергию давления.

Рис. 3. Рабочее колесо с высокими энергетическими характеристиками для центробежного вентилятора: 1 – лопатки; 2 – задний диск; 3 – передний диск; А – наклонная краевая область заднего диска; Б – наклонная краевая область переднего диска
Рис. 3. Рабочее колесо с высокими энергетическими характеристиками для центробежного вентилятора:
1 – лопатки; 2 – задний диск; 3 – передний диск; А – наклонная краевая область заднего диска; Б – наклонная краевая область переднего диска

С целью упрощения конструкции, снижения массы и габаритных размеров и повышения надежности работы разработана конструкция воздушного осевого вентилятора [6], содержащего корпус 9 (рис. 4) с кронштейнами 12 и 13, соосно расположенные в нем основной 14 и резервный 11 приводные электродвигатели, а также рабочее колесо 2, установленное на валу электродвигателя 14.

При включении основного электродвигателя 14 вращение его вала через ступицу 1 и стенку 3 передается цилиндрической обечайке 7 рабочего колеса 2, лопатки 6 которого создают поток воздуха. При отказе основного электродвигателя вращение рабочего колеса прекращается. При включении впоследствии резервного электродвигателя 11, осуществляемое оператором или системой автоматического управления по сигналу отказа, он вращает ведущую полумуфту 8. Под действием центробежных сил инерции грузы 5, преодолевая усилие упругих элементов-лепестков 15 полумуфты 8, осуществляют радиальное перемещение до контакта грузов 5 с ведомой полумуфтой 4 и раскручивает ее и обечайку 7 рабочего колеса 2, лопатки 6 которого создают поток воздуха. При этом вращение рабочего колеса 2 передается и валу отказавшего основного электродвигателя 14. Так как для электровентиляторов, используемых в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, внезапные отказы характерны для коммутирующих устройств электродвигателей и их обмоток и электроэлементов (щеточные узлы коллекторных электродвигателей, транзисторы и датчики Холла бесконтактных электродвигателей постоянного тока), а износ подшипников ротора электродвигателя постепенно нарастает и проявляется по истечению длительного времени работы, конструкция разработанного осевого электровентилятора имеет большой ресурс работы.

На выставке Mostra Convegno (Италия, Милан, 11–15 марта 2008 г.) фирма EBM-PAPST GmbH (Германия) представила осевой вентилятор с лопастями специального профиля [7], отличающийся пониженным уровнем воздушного шума, высоким КПД, небольшой массой и коррозионной стойкостью в окружающей среде. Лопасти рабочего колеса вентилятора выполнены из высокопрочного алюминиевого сплава и покрыты оболочкой из стеклонаполненной пластмассы.

Высокими аэродинамическими характеристиками отличается воздушный осевой вентилятор фирмы SPAL Automotive S.R.L. (Италия) [8], входные кромки лопастей (лопаток) рабочего колеса которого имеют вид вогнутых кривых, а выходные – выпуклых. Лопасти имеют аэродинамические профили в цилиндрических сечениях рабочего колеса; угол установки профилей лопастей увеличивается от периферии к втулке.

Новую серию EC осевых вентиляторов с приводными электродвигателями, имеющими встроенную электронику и отличающимися пониженными расходом электроэнергии и низким уровнем воздушного шума, выпустила фирма EBM-PAST GmbH (Германия) [9]. Регулирование электродвигателей по частоте вращения и новый профиль лопастей рабочего колеса – основные факторы экономичности работы вентиляторов. В электроприводных вентиляторах новой серии EC с лопастями наружным диаметром 630…910 мм число лопастей рабочего колеса снижено с 7 до 5. Концы лопастей рабочего колеса вентиляторов выполнены утолщенными для дополнительного снижения уровня воздушного шума.

Корпус удобного в эксплуатации электроприводного осевого воздушного вентилятора фирмы Hewlett-Packard Development Co. L.P. (США) представляет собой трубу, имеющую цилиндрический и конические участки [10]. Рабочее колесо вентилятора располагается в коническом участке трубы, а приводной электродвигатель установлен с малым зазором в цилиндрическом участке трубы. Перемещением приводного электродвигателя в осевом направлении устанавливается радиальный зазор между лопастями рабочего колеса и внутренней поверхностью конического участка трубы. В цилиндрическом участке трубы имеются сквозные резьбовые отверстия, в которые ввинчиваются резьбовые штифты, фиксирующие приводной электродвигатель в необходимом положении.

Удобные в эксплуатации осевые вентиляторы серии Little Blue выпускает фирма Ziehl-Abegg AG (Германия) [11]. Рабочие колеса вентиляторов, имеющие наружные диаметры от 190 до 250 мм и специальную геометрию лопастей, обеспечивают низкий уровень шума при работе.

Рис. 4. Воздушный осевой вентилятор с приводом от основного и резервного электродвигателей: 1 – ступица колеса; 2 – рабочее колесо; 3 – стенка; 4 – ведомая полумуфта центробежной муфты; 5 – грузы; 6 – рабочие лопатки; 7 – обечайка вентилятора; 8 – ведущая полумуфта центробежной муфты; 9 – корпус вентилятора; 10 – стакан полумуфты 8; 11 – резервный электродвигатель; 12, 13 – кронштейны; 14 – основной электродвигатель; 15 – лепестки полумуфты 8
Рис. 4. Воздушный осевой вентилятор с приводом от основного и резервного электродвигателей:
1 – ступица колеса; 2 – рабочее колесо; 3 – стенка; 4 – ведомая полумуфта центробежной муфты; 5 – грузы; 6 – рабочие лопатки; 7 – обечайка вентилятора; 8 – ведущая полумуфта центробежной муфты; 9 – корпус вентилятора; 10 – стакан полумуфты 8; 11 – резервный электродвигатель; 12, 13 – кронштейны; 14 – основной электродвигатель; 15 – лепестки полумуфты 8

Повышенной вибропрочностью и надежностью в работе отличается блок воздушных осевых вентиляторов [12]. В корпусе 4 (рис. 5) соосно установлены кронштейны 2 и 6, на которых смонтированы электродвигатели 3 и 5 с рабочими колесами 1 и 7 соответственно. Электродвигатель 5 вращает рабочее колесо 7. При отказе электродвигателя 5 включается электродвигатель 3, вращающий рабочее колесо 1, обеспечивающее подачу воздуха.

Рис. 5. Блок воздушных осевых вентиляторов: 1, 7 – рабочие колеса; 2, 6 – кронштейны; 3, 5 – электродвигатели; 4 – корпус вентилятора
Рис. 5. Блок воздушных осевых вентиляторов:
1, 7 – рабочие колеса; 2, 6 – кронштейны; 3, 5 – электродвигатели; 4 – корпус вентилятора

Высокопроизводительные осевые вентиляторы серии S-Force 5300 с подачей до 950 м/ч при сравнительно высоком давлении разработаны и выпускаются фирмой EBM-PAPST GmbH (Германия) [13]. Они имеют аэродинамически оптимизированные рабочие органы (рабочее колесо и корпус), регулируемые по частоте вращения приводные электродвигатели с системой охлаждения, рабочие колеса, изготовленные из стеклонаполненного полиамида, прочные алюминиевые корпусы. Ресурс работы вентиляторов достигает 70 000 ч.

Рассмотренные конструкции воздушных центробежных и осевых вентиляторов и их узлов по патентным материалам и научно-технической литературе промышленно развитых стран мира не исчерпывает всего многообразия конструктивных решений отдельных узлов по каждой конструкции.

Освоение производства новых конструкций воздушных вентиляторов, отличающихся улучшенными характеристиками, будет способствовать существенному улучшению качества систем вентиляции и кондиционирования воздуха для производственных помещений нефтехимических, химических и нефтеперерабатывающих предприятий.

Список литературы

  1. Буренин В.В. Системы температурно- влажностного режима: Учебное пособие. М.: МАДИ (ГТУ), 2008. 173 с.
  2. Пат. 2180409 Россия. МПК F04D 17/08. Радиальный вентилятор низкого давления.
  3. Пат. 2310774 Россия. МПК F04D 29/30. Радиальное рабочее колесо и лопатка для него.
  4. Пат. 2099605 Россия. МПК F04D 17/08. Радиальный вентилятор.
  5. Пат. 2321775 Россия. МПК F04D 29/28. Радиальное колесо, вентилятор, блок вентилятора и система радиального вентилятора.
  6. Пат. 2174195 Россия. МПК F04D 25/08. Дублированный электровентилятор.
  7. Streng Gunter. Hyβlade setzt fieue Maßstäbe bei Axialventilator//Kätte-und Klirnatechn. 2008. ¹3. S. 41–43.
  8. Пат. 7273354 США. МПК F04D 29/38. Эффективный осевой вентилятор.
  9. Dank weniger Flügel leiser und effizienter//Produktion. 2008. ¹4. S. 28.
  10. Пат. 7326032 США. МПК F03D 11/00. Охлаждающий вентилятор с регулируемым периферийным зазором.
  11. Ziehl-Abegg: FE2 owlet- und Vpro- Ventilatoren jetzt auch in der «Little Blue» – Bauteihe//Ki Kälte Luft Klimatechn. 2008. ¹4. S. 35.
  12. Пат. 2170856 Россия. МПК F04D 25/08. Блок вентиляторов.
  13. Spitze bei Fördermegne und Druckerhöhung//AGT. 2008. ¹3. S. 21.