Исследование диффузора центробежного двустороннего вентилятора
Определение оптимальной геометрии диффузора для конкретного применения является трудной задачей. Это объясняется зависимостью характеристик диффузора от большого числа параметров, а также современным уровнем знаний гидродинамических процессов, который позволяет теоретически рассчитать характеристики диффузора лишь для самых простых случаев течения. Поэтому конструкторам приходится использовать экспериментальные данные и корреляционные зависимости, а также полуэмпирические методы расчета, разработанные на основе этих данных.
Известно, что одним из главных параметров, определяющих характеристику диффузора, является неравномерность профиля скорости в его входном сечении. Влияние неравномерности входного профиля скорости на характеристики диффузора изучали многие авторы. Наиболее характерные результаты получены в работах, где установлено, что увеличение неравномерности входного профиля скорости (в случае выпуклых профилей) приводит к снижению восстановительных свойств диффузора, причем неравномерность потока возрастает от входного сечения к выходному. Отличительной особенностью этих исследований является то, что закономерности диффузорных течений изучали на потоках с невязким безвихревым ядром.
Следует отметить, что в работе были получены результаты, свидетельствующие о повышении восстановительных свойств диффузоров при турбулизации потока на входе. Однако потоки в турбомашинах имеют сложную структуру вследствие воздействия на них элементов рабочих колес. Эти возмущения и определяют характеристики диффузоров и режимы течения в них. Для изучения совместной работы вентилятора и диффузора, установленного за ним, во ВНИИГМ имени М. М. Федорова были проведены исследования на модели центробежного двустороннего вентилятора с диаметром рабочего колеса 500 мм по аэродинамической схеме Ц35—15 X 2, являющейся базовой схемой серийно выпускаемых шахтных вентиляторов главного проветривания ВЦД-31,5М.
Профили скорости измеряли шаровым зондом в выходном сечении корпуса вентилятора (шесть горизонтальных полей) на пяти режимах работы, а затем производили усреднение скорости по каждому полю. С помощью термоанрмометра постоянной температуры нити и осциллографа Н115 записывали пульсационные составляющие скорости в средней части каждого из шести горизонтальных полей. Восстановление статического давления в диффузоре определяли по показаниям датчиков статического давления, установленных во входном и выходном сечениях диффузора. Коэффициент восстановления статического давления рассчитывали по формуле, где р0 и рк — статические давления во входном и выходном сечениях диффузора; с0 — средняя скорость во входном сечении.
Результаты исследования профиля скорости потока, входящего в диффузор, представлены на рис. 1, 2, 3.
Как видно из рис. 1, профиль скорости значительно изменяется в зависимости от режима работы вентилятора. Следует отметить, что на всех режимах работы вентилятора максимальные значения скорости на выходе корпуса находились около спиральной обечайки корпуса. С ростом производительности вентилятора скорость в этой области выходного сечения увеличивалась, в то время как около языка вентилятора уменьшалась. Причина этого явления заключается в изменении угла выхода потока из колеса (и, следовательно из корпуса) в зависимости от режима работы вентилятора. Поток воздуха после центробежного вентилятора отклоняется в сторону вращения рабочего колеса [5]. Одиако сложный характер течения в спиральном корпусе обусловливает значительное изменение этого отклонения по плоскости выходного сечения.
На рис. 2 представлены углы отклонения потока в вертикальной аг и горизонтальной а2 плоскостях для наиболее характерной области выходного сечения (см. рис. 3, поле 3). Особенностью этого поля является то, что возмущения потока, вызываемые колесом вентилятора, имеют ярко выраженный характер следов за лопатками (см. рис. 3). Интенсивность турбулентности е составила 14... 15%. Эти возмущения наблюдаются и в нижней части выходного сечения корпуса, но в значительно меньшей степени (е=3-г-4- 5 %).
Как видно из рис. 2, в выходном сечении около боковых стенок корпуса имеются области значительной закрутки потока, что является следствием существования вблизи боковых стенок корпуса зон развитого вторичного течения [6]. С ростом производительности вентилятора отклонение потока в вертикальной плоскости уменьшается, причем в средней части выходного сечения угол имеет отрицательные значения, что приводит к снижению скорости у языка вентилятора и возрастанию ее около спиральной обечайки корпуса. Таким образом, существенная деформация профиля скорости в вертикальной плоскости вызвана изменением угла отклонения потока ах в средней части выходного сечения, где распространяются максимальные возмущения от рабочего колеса.
Исследования вентилятора, проводимые с пирамидальным диффузором, имеющим параметры 0^=5°, а3=7°, Ь/Л=2,5, показали, что характеристика диффузора существенно зависит от входного профиля скорости. Удовлетворительная корреляция между коэффициентом восстановления давления в диффузоре и степенью деформации профиля скорости была получена с помощью коэффициента неравномерности кинетической энергии, который рассчитывали по формуле, приведенной в литературе.
Такой характер профиля скорости на входе в диффузор (см. рис. 1, 2) определил его геометрическую схему. Угол расширения в вертикальной плоскости был принят А—5°, а а2 изменялся от 0° до 40° (рис. 5). Результаты этих исследований для оптимального режима работы вентилятора представлены на рис. 6. С увеличением а2 восстановление давления в диффузоре возрастает, достигая максимума при а2=20°.
Таким образом, коэффициент восстановления диффузора увеличился на 20 ... 25 % относительно диффузора с углом а2=7°, который считался оптимальным углом раскрытия. При достижении угла а2=30° в диффузоре образовался устойчивый отрыв потока от верхней стенки, что привело к снижению характеристики диффузора. Характерно, что отрыв потока образовался не у боковых- стенок (а2=30°), а у верхней стенки с а1=5°. Очевидно, это вызвано существованием пониженных скоростей у языка с значительным уровнем пульсаций в этой области.
Исходя из удобства строительства, в вентиляторных установках часто применяются диффузоры с несимметричным или с односторонним раскрытием. Экспериментальные исследования диффузора с односторонним расширением показали, что его максимальная характеристика ниже, чем у диффузора с двусторонним раскрытием. Максимальное значение коэффициента восстановления при этом было достигнуто при углах' раскрытия одностороннего диффузора а2= 10 — 12 %.
Повышение восстановительных свойств диффузоров на пульсирующем потоке можно объяснить следующим образом. С ростом внешней турбулентности наполненность профиля скорости увеличивается [7], что позволяет потоку преодолевать повышенные градиенты давления. Однако при этом следует учитывать характер распределения возмущений потока по входному сечению диффузора.
Диффузор, спроектированный с учетом требований максимального восстановления давления, работает в условиях неустойчивого отрыва потока. Эта неустойчивость проявляется в пульсациях скорости и давления, в общем, неустановившемся характере течения и зависит от числа очагов неустойчивого отрыва. Результаты работы [8] показали, что неустановившиеся пульсации скорости и давления быстро нарастают в этом режиме работы диффузора и достигают максимума при углах 20, изменяющихся в пределах 20 ... ... 24°.
Таким образом, при проектировании диффузора центробежного вентилятора следует учитывать, что зона пониженных скоростей с высоким уровнем пульсаций у языка вентилятора является очагом возникновения потока от верхней стенки диффузора.
В пирамидальных диффузорах двустороннего центробежного вентилятора с углами расширения а= = 0-г-7° и а2=18-ь22° реализуется режим неустойчивого отрыва потока, что обусловливает максимальное восстановление давления в нем.