Вентилятор — устройство для перемещения газа со степенью сжатия менее 1,15 (или разностью давлений на выходе и входе не более 15 кПа, при большей разнице давлений используют компрессор).
Вентиляторами называют газодувные машины для перемещения воздуха и газа. Они потребляют энергию от привода (например, электродвигателя) и сообщают ее рабочему веществу – воздуху или другому газу.
Вентиляторы очень широко применяются в различных отраслях промышленности, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха жилых, общественных и промышленных зданий, для проветривания шахт и горных выработок. Вентиляторы являются неотъемлемой частью многих установок теплоэнергетики, металлургической, химической промышленности и систем пневмотранспорта сыпучих веществ. По сути, нет такой отрасли, где бы ни применялись вентиляторы различного назначения. Размеры вентиляторов могут варьироваться от нескольких сантиметров для встроенных вентиляторов охлаждения радиоэлектронной аппаратуры и до 4-5 метров для шахтных вентиляторов главного проветривания. При этом потребляемая мощность может составлять от нескольких ватт до нескольких тысяч киловатт. Общая затрачиваемая мощность на привод вентилятора составляет до 8% от всей вырабатываемой электроэнергии.
Первые прототипы вентиляторов, близкие по конструкции к современным радиальным вентиляторам, были применены инженером А. А. Саблуковым для проветривания горных выработок на Алтае. После этого центробежный вентилятор Саблукова получил широкое распространение в России и за границей для вентиляции зданий, морских судов, а также в промышленности. В дальнейшем А. А. Саблуковым была разработана конструкция осевого вентилятора для проветривания шахт.
Современные вентиляторы очень разнообразны по конструкции и своему назначению, но вне зависимости от области применения основные принципы расчета, монтажа, наладки и эксплуатации вентиляционных установок остаются одинаковыми.
Общие сведения о вентиляторах
По конструкции и принципу действия вентиляторы делятся на два основных типа – радиальные (центробежные) и осевые. Существует также ряд модификаций радиальных вентиляторов — диагональные, диаметральные (тангенциальные), дисковые и другие. В системах вентиляции и теплоэнергетических установках чаще всего применяются радиальные, осевые и диаметральные вентиляторы.
Радиальный вентилятор конструктивно (рис. 1) представляет собой расположенное в спиральном корпусе 3 рабочее колесо 6, при вращении которого воздух, поступающий через входной патрубок 1, попадает в межлопаточные каналы колеса и под действием центробежной силы перемещается по этим каналам, собирается в спиральном корпусе и далее подается в выходной патрубок 2. При прохождении газа через рабочее колесо его давление и кинетическая энергия возрастают.
Рис. 1. Радиальный вентилятор: 1– входной патрубок; 2 – выходной патрубок; 3 – корпус; 4 – электродвигатель; 5 – станина; 6 – рабочее колесо
Существуют конструкции радиального вентилятора с левым и правым направлением вращения рабочего колеса. Привод рабочего колеса может осуществляться непосредственно от вала электродвигателя либо через клиноременную передачу.
Осевой вентилятор (рис. 2) представляет собой расположенное в цилиндрическом корпусе 2 лопаточное рабочее колесо 1, при вращении которого поступающий через входной патрубок воздух под действием лопаток перемещается между ними в осевом направлении. Давление и кинетическая энергия потока при этом увеличиваются.
Рис. 2. Осевой вентилятор: 1 – рабочее колесо; 2 – корпус; 3 — электродвигатель; 4 – станина
В диаметральном вентиляторе (рис. 3) перемещение воздуха происходит в плоскости, перпендикулярной оси вращения рабочего колеса 2. Рабочее колесо барабанного типа с загнутыми вперед лопатками. Корпус вентилятора напоминает корпус радиального вентилятора.
Рис. 3. Диаметральный вентилятор: 1– входной патрубок; 2 – рабочее колесо; 3 — выходной диффузор
Типы и характеристики вентиляторов
Радиальные вентиляторы
В радиальном вентиляторе воздух поступает через входное отверстие, которое всегда имеет круглую форму, и выходит через выходное отверстие, имеющее квадратную или прямоугольную форму.
Радиальные вентиляторы изготавливаются в соответствии с ГОСТ 5976-90 и распространяются на вентиляторы общего назначения для обычных сред, одноступенчатые, с горизонтально расположенной осью вращения, со спиральными корпусами, с рабочими колесами диаметром от 200 до 3150 мм, создающие полные напоры до 12 000 Па при плотности перемещаемой газообразной среды 1,2 кг/м3.
Стандарт не распространяется на вентиляторы специального исполнения (пылевые, взрывозащищенные, коррозионно-стойкие и др.) и вентиляторы, встроенные в агрегаты и машины, в том числе кондиционеры.
Радиальные вентиляторы классифицируются следующим образом.
По создаваемому давлению:
- низкого давления, до 1000 Па;
- среднего давления, от 1000 до 3000 Па;
- высокого давления, свыше 3000 Па.
Следует отметить, что вентиляторы низкого давления при увеличении числа оборотов могут развивать среднее давление, следовательно, классификация по этому признаку является условной.
В системах вентиляции чаще применяются вентиляторы низкого и среднего давлений. Вентиляторы высокого давления используются в технологических установках, а также в вентиляционных системах при значительной протяженности воздуховодов и большом гидравлическом сопротивлении сети.
По назначению:
а) общего назначения – для перемещения воздуха и других газовых смесей, агрессивность которых по отношению к углеродистым сталям обыкновенного качества не выше агрессивности воздуха, с температурой до 80 ОС, не содержащих липких веществ, волокнистых материалов, с содержанием пыли и других твердых примесей не более 100 мг/м3. Такие вентиляторы применяются в системах кондиционирования воздуха и вентиляции, воздушного отопления и для производственных целей;
б) для технологических нужд – для перемещения агрессивных сред используют коррозионно-стойкие вентиляторы, выполненные из титана, нержавеющей стали, алюминия, винипласта, полипропилена, углеродистой стали с антикоррозионным покрытием; для перемещения воздуха с температурой выше 80 ОС используют термостойкие вентиляторы; для перемещения взрывоопасных сред (по специальным условиям) — взрывозащищенные вентиляторы; для перемещения воздуха, засоренного механическими примесями, и пневматического транспортирования материалов с содержанием пыли более 100 мг/м3 используют пылевые вентиляторы с повышенными требованиями в отношении износоустойчивости;
в) дымососы – для перемещения дымовых газов (применяются в тяговых установках котельных).
По направлению вращения рабочего колеса:
- правого вращения – если колесо вращается по часовой стрелке (со стороны станины);
- левого вращения, если колесо вращается против часовой стрелки.
По классу в зависимости от величины окружной скорости колеса u:
- к первому классу относятся вентиляторы с загнутыми вперед лопатками при u < 30 м/с и вентиляторы с загнутыми назад лопатками при u < 50 м/с;
- ко второму классу относятся вентиляторы с загнутыми вперед лопатками при u > 30 м/с и вентиляторы с загнутыми назад лопатками при u > 50 м/с.
По расположению выходного отверстия: верхнее; правое; левое; нижнее. Возможны промежуточные положения выходного отверстия (под углом к горизонтали в 450).
По способу привода: на ременной передаче и на одном валу с двигателем.
На рис. 2 изображены спиральные корпусы и рабочие колеса радиальных вентиляторов.
Рис. 2. Спиральные корпусы и рабочие колеса радиальных вентиляторов: а — низкого давления с числом лопастей 12, 24, 36 или 48; б — среднего давления с числом лопастей 12 или 24; а в — пылевого с 6 лопастями; г — высокого давления
Рис. 3. Положение кожуха радиальных вентиляторов общего назначения: а – вентиляторов правого вращения; б – вентиляторов левого вращения
Рис. 4. Конструктивные схемы исполнения радиальных вентиляторов
На рис. 3 показаны различные положения спирального корпуса радиальных вентиляторов. Углы поворота корпуса отсчитывают по направлению вращения рабочего колеса в соответствии с рис. 3.
Вращение колеса будет правильным, если оно направлено по ходу разворота спирали кожуха.
Конструктивные схемы исполнения радиальных вентиляторов представлены на рис. 4. Допускается для вентиляторов исполнения 1 крепление электродвигателя к корпусу вентилятора.
Размер вентилятора характеризуется его номером. За номер вентилятора, согласно ГОСТ 10616-90, принимается значение, соответствующее номинальному диаметру рабочего колеса D, измеренному по внешним кромкам лопаток и выраженному в дециметрах (табл. 1). Например, вентилятор с D = 200 мм обозначается № 2, D = 630 мм — – № 6,3 и т. д.
ГОСТ 5976-90 предписывает отсчитывать углы входа β1 и выхода β2 лопаток рабочих колес радиальных вентиляторов в сечениях, перпендикулярных оси вращения, в соответствии с рис. 5.
Значительные преимущества имеют вентиляторы, выполненные по схеме исполнения 1 (см. рис. 4). Они безотказны в работе, компактны, экономичны и бесшумны. В таких вентиляторах колесо посажено непосредственно на вал электродвигателя. Однако это положение колеса возможно только при малом его диаметре, т. е. в малых вентиляторах. В вентиляторах больших размеров колеса с валом двигателя соединяют при помощи муфт (исполнения 2, 3). В вентиляторах с ременной передачей шкив размещается между подшипниками или консольно (исполнения 4, 5, 7). Вентилятор двухстороннего всасывания изображен на схеме исполнения 6 и 7.
Рис. 5. Углы входа β1 и выхода β2 лопаток рабочих колес радиальных вентиляторов в сечениях: а – лопатки, загнутые назад (β2 < 90о); б – лопатки, загнутые вперед (β2 > 90о); в – лопатки, радиально оканчивающиеся (β2 = 90о); г – профильная лопатка
Следует отметить, что непосредственное соединение вентилятора с электродвигателем хотя и более выгодно (отсутствуют потери на передачу, обеспечивается компактность установки), все же имеет и недостатки: выпускаемые промышленностью и применяемые в системах теплогазоснабжения и вентиляции асинхронные электродвигатели имеют ограниченное число оборотов (750, 950, 1450 и 2900 об/мин), что делает невозможным регулирование числа оборотов вентиляторов. Установка вентилятора на ременной передаче позволяет подбором шкивов изменять число его оборотов в широких пределах.Установка колес на вал между двумя подшипниками обеспечивает более спокойную работу вентилятора, но усложняет его конструкцию, монтаж и увеличивает габариты.
Корпусы вентиляторов на прочность не рассчитываются, и толщина их стенок принимается по конструктивным соображениям. Например, корпусы для вентиляторов общего назначения изготавливают из листовой углеродистой стали толщиной 1,5-3 мм, для дымососов и пылевых вентиляторов – 2-5 мм.
Корпусы вентиляторов изготавливаются сварными. Ранее корпусы выполнялись клепаными. В малых вентиляторах корпуса крепят к станине, в больших – на специальных опорах. Станины отливаются из чугуна или сваривают из листовой и угловой стали. На станинах в подшипниках устанавливают валы.
Зазор между колесом и входным патрубком не должен быть больше 1% диаметра колеса. При больших зазорах работа вентилятора резко ухудшается из-за увеличения протечек.
Заводы выпускают вентиляторы определенных типов, т. е. выполненные по одной конструктивной и аэродинамической схемам. Типы вентиляторов объединяют в серии; каждой серии и каждому типу присваивают определенный индекс.
Колеса и корпусы вентиляторов выпускаются в соответствии с ГОСТ 5976–90. Согласно номенклатуре вентилятору присваивается обозначение, которое должно состоять:
- из буквы В — вентилятор;
- буквы Р – радиальный;
- стократной величины коэффициента полного давления на режиме максимального полного КПД, округленной до целого числа;
- величины быстроходности на режиме максимального полного КПД, округленной до целого числа.
Пример обозначения типа радиального вентилятора с коэффициентом полного давления, равным 0,875 (на режиме максимального полного КПД), и быстроходностью, равной 71,5: ВР 88-72.
Осевые вентиляторы
Осевой вентилятор представляет собой расположенное в цилиндрическом кожухе (обечайке, обруче) лопастное колесо. Во многих конструкциях осевые колеса вентиляторов насаживаются непосредственно на валы электродвигателей, расположенные внутри кожуха в потоке воздуха.
На рис. 14 представлен обычный осевой вентилятор, состоящий из двух основных частей: осевого лопастного колеса и цилиндрического кожуха.
Рис. 14. Осевой вентилятор простого типа: а – общий вид; б – схема устройства; 1 – осевое лопастное колесо; 2 – цилиндрический кожух; 3 — электродвигатель; 4 – обтекатель на выходе воздуха; 5 – диффузор; 6 — обтекатель на входе воздуха; 7 – входной коллектор
При вращении колеса воздух поступает во входное отверстие, проходит между лопастями вдоль оси и выходит через выходное отверстие. Входной коллектор и обтекатели служат для уменьшения гидравлических потерь.
Осевые вентиляторы изготавливаются в соответствии с ГОСТ 114426-90 и распространяются на осевые вентиляторы общего назначения для обычных сред, одноступенчатые с горизонтально и вертикально расположенной осью вращения, с рабочими колесами диаметром от 300 до 2000 мм, создающие полные напоры до 1500 Па при плотности перемещаемой газообразной среды 1,2 кг/м3.
Стандарт распространяется и на вентиляторы, предназначенные для перемещения других газовых смесей, агрессивность которых по отношению к углеродистым сталям обыкновенного качества не выше агрессивности воздуха, не содержащих липких веществ, волокнистых материалов, с содержанием пыли и других твердых примесей не более 100 мг/м3 для вентиляторов с расположением привода вне корпуса вентилятора и не более 10 мг/м3 — с расположением привода в потоке перемещаемой среды.
Стандарт не распространяется на вентиляторы специального исполнения (взрывозащищенные, коррозионно-стойкие и др.) и вентиляторы, встроенные в машины, в том числе кондиционеры.
По ГОСТ 114426-90 вентиляторы должны соответствовать схемам исполнения согласно рис. 15.
Рис. 15. Схемы исполнения осевых вентиляторов: РК — рабочее колесо; СА — спрямляющий аппарат; ВНА — входной направляющий аппарат
Конструктивные исполнения вентиляторов и их обозначения должны соответствовать указанным на рис. 16. Вентиляторы с вертикальной осью вращения должны соответствовать исполнениям 3, 3а, 4.
Согласно номенклатуре вентилятору присваивается обозначение, которое должно состоять:
- из буквы В — вентилятор;
- буквы О — осевой;
- стократного коэффициента полного давления на режиме максимального полного КПД, округленного до целого числа;
- быстроходности ny на режиме максимального КПД, округленной до целого числа.
Пример обозначения типа осевого вентилятора с коэффициентом полного давления, равным 0,12, быстроходностью, равной 300: BO-12-300.
Обозначение типоразмера вентилятора состоит:
- из типа вентилятора;
- номера вентилятора по ГОСТ 106-16.
Рис. 16. Конструктивные исполнения осевых вентиляторов и их обозначения
Цилиндрический кожух должен иметь диаметр, обеспечивающий вращение колеса с минимальным зазором, т. е. минимальным расстоянием между концами лопастей и внутренней поверхностью кожуха. Этот зазор не должен превышать 1,5% длины одной лопасти, т. е. δ ≤ 0,015(D — d)/ 2. Входной коллектор служит для выравнивания поля скоростей во входном сечении вентилятора, диффузор – для преобразования динамического давления в статическое.
В крупных осевых вентиляторах на входе и выходе, помимо цилиндрических диффузоров, устанавливаются спрямляющие поток аппараты, служащие для экономичного регулирования работы вентилятора.
Колесо осевого вентилятора состоит из втулки, на которой закреплены наглухо или встроены поворотные лопасти. На рис. 17 представлены различные типы осевых колес.
Рис. 17. Типы осевых колес: а – нереверсивное; б – реверсивное; в – штампованное; г – литое; 1 – втулка; 2 — лопасть.
Количество лопастей на колесе – от 2 до 12. Наиболее совершенны лопасти специального несимметричного профиля, напоминающие профиль крыла самолета (рис. 17, в). Лопасти осевых колес, рассчитанные на основании вихревой теории Н. Е. Жуковского, по мере приближения к втулке расширяются и закручиваются. Относительно большой размер втулки (от 40 до 70% диаметра колеса) создает препятствие для перетекания воздуха через среднюю часть вентилятора, возможного вследствие разности давлений со стороны нагнетания и всасывания.
Колеса осевых вентиляторов делают сварными, из листовой стали, литыми или штампованными. Лопасти, приклепанные или приваренные к втулкам, могут быть установлены под разным углом к плоскости вращения. При больших размерах колес лопасти могут быть пустотелыми. В последнее время колеса осевых вентиляторов выполняют и из пластмассы.
В осевых вентиляторах некоторых типов колеса могут выполняться с поворотными лопастями. Это упрощает регулирование, которое достигается изменением угла установки лопастей. Чтобы изменить направление потока воздуха, необходимо изменить направление вращения колеса (при реверсивных колесах) или перевернуть колесо на валу (при нереверсивных колесах).
При правильном направлении движения колеса лопасти должны вращаться тупой кромкой (или выпуклой стороной) вперед.
В помещениях с большим содержанием влаги (прачечных, кухнях) электродвигатель вентилятора необходимо устанавливать вне потока перемещаемого воздуха. Схема такой установки показана на рис. 18.
Рис. 18. Схема установки осевого вентилятора на удлиненном валу (электродвигатель установлен вне потока воздуха): 1 – вентилятор; 2 – электродвигатель
Осевые вентиляторы с лопастями симметричного профиля называются реверсивными, а с лопастями несимметричного профиля – нереверсивными. Нереверсивные вентиляторы выпускаются правого и левого вращения, с направлением вращения колеса по часовой стрелке или против нее (если смотреть на вентилятор со стороны привода).
До настоящего времени широкое распространение находили осевые вентиляторы серии МЦ (малонапорные с цилиндрическими лопастями), которые применяли в вентиляционных установках гражданских и промышленных зданий. На рис. 19 приведены конструктивные схемы более совершенных осевых вентиляторов серии Ц3-04, максимальный КПД которых доходит до 80%.
Рис. 19. Конструктивные схемы вентиляторов Ц3-04 (размеры в % от D): а – вентилятор с установкой электродвигателя за рабочим колесом; б – то же перед рабочим колесом; в – варианты рабочих колес
Осевые вентиляторы (рис. 20) выполняются одноили двухступенчатыми и отличаются разнообразием схем, представляющих собой различные сочетания рабочего колеса (РК), направляющего (НА) и спрямляющего (СА) аппаратов. Входной направляющий аппарат (ВНА) первой ступени выполняют поворотным (рис. 20, б) для возможности регулирования подачи.
Рис. 20. Схемы осевых вентиляторов: а – двухступенчатый со спрямляющим аппаратом; б – двухступенчатый с входным направляющим аппаратом; в – профили и треугольники скоростей осевого вентилятора по схеме б; 1 – рабочее колесо; 2 – направляющий аппарат; 3 – спрямляющий аппарат; 4 – входной поворотный направляющий аппарат; 5 – диффузор
Подавляющее большинство высоконапорных одно- и многоступенчатых вентиляторов выполняется по схемам ВНА + РК + СА. Во избежание появления сильного шума и повышенных напряжений в осевых вентиляторах ограничиваются окружными скоростями концов рабочих лопаток до 120 м/с.
ООО «ВЕЗА» предлагает более 300 различных вариантов осевых вентиляторов по расходу и давлению со следующими типоразмерами: 040-045-050-056-063-071-080-090-100-112-123. Расход воздуха составляет от 500 до 120 000 м3/ч, напор — до 1800 Па, КПД — до 75%. Рабочие колеса выполняются из алюминия с поворотными литыми объемными лопатками, в отдельных случаях с лопатками из композита.
Развиваемый с 2011 года вентилятор ОСА® 300 позволяет полностью заменить более старые серии осевых вентиляторов производства «ВЕЗА» и открыть новые возможности в проектировании:
- вентилятор может монтироваться в стене без дополнительных опор до типоразмера 063 и использовать легкие подвесы до типоразмера 125;
- вентилятор имеет меньшее потребление энергии при равном расходе, чем крышные вентиляторы (при напорах 50-200 Па), что позволяет в 1,5-3 раза снизить общую установочную мощность двигателей;
- вентилятор может выбираться с точностью до 1,3% благодаря большому числу вариантов, тем самым уменьшается запас устойчивой мощности двигателя;
- вентиляторы более предпочтительно использовать постоянно работающим с напором менее 500 Па;
- вентилятор имеет относительно малые габариты и потребляемую мощность, больший ресурс работы двигателей и меньшие нагрузки на подшипники.
В качестве примера на рис. 21 приведена схема осевого вентилятора ОСА® 300 с длинным и укороченным корпусами и с диаметром рабочего колеса 800 мм, а на рис. 22 даны его характеристики.
Аэродинамические характеристики, приведенные в каталогах ООО «ВЕЗА», получены на аэродинамическом стенде со свободным входным и выходным сечениями вентилятора, что обеспечивает равномерное распределение параметров течения в непосредственной близости при входе в вентилятор и выходе из него. Если условие равномерного входа потока в вентилятор нарушено и имеется загромождение потока в выходном сечении, то создаваемое вентилятором давление может снизиться на 10-30% и более.
Рис. 21. Схема осевого вентилятора ОСА® 300 с диаметром рабочего колеса 800 мм
Рис. 22. Характеристики осевого вентилятора ОСА® 300 с диаметром рабочего колеса 800 мм и частотой вращения n = 750 об/мин: ρ – плотность перемещаемой среды; Q – объемный расход; V – скорость воздуха в выходном сечении вентилятора; РdV – динамическое давление вентилятора
Рассмотрим конкретные рекомендации для наиболее распространенных вариантов установки осевых вентиляторов в вентсистемах.
При установке вентилятора в вентиляционной сети рекомендуется перед входом в вентилятор и за ним (рис. 23, а) обеспечивать наличие прямолинейных воздуховодов достаточной длины с площадью поперечных сечений, равной соответственно площади входного и выходного сечений вентилятора. Наличие гибких вставок перед и за вентилятором снижает шум и вибрацию.
Рис. 23. Рекомендации к монтажу воздуховодов и поворотных участков, примыкающих к вентилятору
Если площадь сечения воздуховода больше или меньше площади входного сечения вентилятора, рекомендуется устанавливать между воздуховодом и вентилятором переходники в виде диффузора или конфузора (рис. 24, а). Не рекомендуется располагать непосредственно перед входом в вентилятор воздуховод меньшего сечения, чем сечение входа в вентилятор (рис. 24, б).При необходимости установки поворотных участков сети непосредственно вблизи вентилятора рекомендуется использовать составное колено или поворотный участок с большим радиусом закругления (рис. 23, б) или поворотный участок с расположенной в нем системой лопаток (рис. 23, в).
Рис. 24. Рекомендации к монтажу переходников, примыкающих к вентилятору
При расположении сети на стороне нагнетания и свободном входе рекомендуется перед вентилятором устанавливать входной коллектор (рис. 25, а, б). Не рекомендуется оставлять фланец при свободном входе потока в осевой вентилятор (рис. 25, в).
Рис. 25. Рекомендации к монтажу входного коллектора вентилятора
При расположении сети на стороне всасывания и свободном выходном сечении рекомендуется на выходе из вентилятора устанавливать диффузор для снижения скорости и динамического давления вентилятора (рис. 26, а). Не рекомендуется располагать на выходе из вентилятора конфузор, который увеличивает осевую составляющую скорости и закрутку потока, а также неиспользуемое динамическое давление (рис. 26, б).
Рис. 26. Рекомендации к монтажу выходного патрубка вентилятора
Для нормальной работы вентилятора в стесненном помещении рекомендуется соблюдать указанные на рис. 27 минимально допустимые расстояния от входного и выходного сечений до близко расположенных стен помещения, преград и крупногабаритного оборудования.
Рис. 27. Рекомендации к монтажу вентилятора в стесненных условиях.
