graduate student
TSAGI (NIO-12 otd. 3, Post-Graduate Student)
employee
Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
This paper’s aim is enhancement of efficiency for fans adjusting by turn of rotor blades. A high load axial fan and a fan with decreased rotor’s pitch chord ratio by reduction of blades number were investigated. Have been performed tests of the fan with design characteristics as follows: theoretical head coefficient Ht = 0,3, mass flow rate Ca = 0,4, hub’s relative diameter ν = 0.6, and with blades, graded on the law of permanent circulation. The area of effective adjustment was estimated by the performance factor value η* ≥ 0,8. When changing the stagger angles in a wide range from 26° to 70°, the area of highly economical work was in variation ranges 0,26–0,78 for the mass flow rate Ca , and 0,24–0,5 for the theoretical head coefficient Ht accordingly. Tests of fans with a reduced blades number in the rotor (12 instead of 16 for the original fan) has showed that under the same stagger angles the fan’s high-efficiency operating mode is approximately in the same range of Ca variation at slightly reduced values of theoretical head coefficient. Maximal performance factor has increased on 2.5%. Decreasing the number of rotary blades, simplifying the turning mechanism and reducing the weight are possible in the design of fans with increased values of aerodynamic load coefficients.
ventilation systems, axial fan, rotary blades, fan adjustment, effectiveness of industrial ventilation systems.
1. Введение
На сегодняшний день осевые вентиляторы находят широкое применение в системах вентиляции шахт и тоннелей, в качестве вспомогательных устройств энергетических установок и двигателей и движителей летательных аппаратов. Вентиляторные системы, насосные системы и системы сжатого воздуха потребляют около 60% общего объема электроэнергии, вырабатываемой во всем мире. Эти системы имеют очень значительный экономически эффективный потенциал энергосбережения и/или снижения выбросов CO2 (Sirovy, Peroutka, Byrtus, & Michalik, 2013). В 2013 г. Европейский Союз ввел требования к минимальным уровням эффективности промышленных вентиляторов, а затем ужесточил их в 2015 г. В США министерство энергетики также разрабатывает нормативные акты, направленные на устранение неэффективных промышленных вентиляторов с рынка к 2023 г. (Bonanni, et al., 2017). В настоящее время проектирование или подбор высокоэффективного вентилятора (с КПД до 90%) на конкретное задание, как правило, не представляет трудностей. Исключение составляют системы с жесткими габаритными ограничениями. Но на практике часто встречаются системы, в которых условия работы вентилятора постоянно меняются и вентилятор большую часть времени работает на нерасчетном режиме со сниженным КПД, например при аэрации сточных вод напор вентилятора изменяется незначительно и определяется практически неизменной высотой слоя жидкости, а расход изменяется в широких пределах (Березин, 2012). При добыче руды рабочее место находится в постоянном движении, и длина доставки воздуха постоянно меняется (Дзидзигури, 1958), для обеспечения необходимого расхода часто заменяют вентиляторы по мере увеличения длины выработки. Так как держать несколько вентиляторов на каждом участке нецелесообразно, устанавливают наиболее мощный из линейки и искусственно увеличивают сопротивление сети на неполных режимах (Алыменко, Алыменко, Трапезников, Ковалев, 2003). Применение вентиляторов, регулируемых с помощью поворотных рабочих лопаток, позволяет вывести из эксплуатации часть вентиляторных установок и достичь существенной экономии суммарной установленной мощности (Smith, Henry, Arthur, 1996). В работе (Lee, Chuah, 2016) исследовалось влияние способа регулирования системы вентиляции жилого дома на экономические показатели. Показано, что при работе системы вентиляции большую часть времени на высокой мощности может быть целесообразно применение эффективного вентилятора с дроссельным устройством, при работе на средней мощности преимущество имеет вентилятор с поворотными лопатками, а если нагрузка преимущественно низкая, лучше всего использовать частотное регулирование. В исследовании (Johnson, 1988) велось сравнение методов регулирования системы кондиционирования и вентиляции здания путем оценки капитальных и эксплуатационных затрат, причем при анализе частотного регулирования учитывалась зависимость КПД регулируемого электродвигателя от мощности.
1. Sirovy M., Peroutka Z., Byrtus M., Michalik J. 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON. Vienna. 2013.
2. Bonanni T.A., Corsini A. A., Delibra G. A., Volponi D. A., Sheard A. G., Bublitz M. C. Design of a single stage variable pitch axial fan. ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, GT. Charlotte. 2017. Vol. Volume 1.
3. Berezin S. E. Vybor sposoba regulirovaniya vozdukhoduvok dlya aeratsii stochnykh vod [The choice of regulation of blowers for aeration of sewage]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water supply and sanitary engineering]. 2012, I. 11, pp. 59-64. (in Russian)
4. Dzidziguri A. A. Rabota shakhtnykh ventilyatorov v slozhnykh setyakh. Tipografiya Izd-va AN Gruzinskoy SSR [Work of mine fans in complex networks. Printing House of the Academy of Sciences of the Georgian SSR]. 1958. 165 p. (in Russian)
5. Alymenko N.I., Alymenko D. N., Trapeznikov I. I., Kovalev A. V. Trebovaniya k sovremennym osevym ventilyatoram mestnogo provetrivaniya [Requirements for modern axial fans of local ventilation]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten’ [Mining information and analytical bulletin]. 2003, I. 10, pp. 168-170. (in Russian)
6. Smith L., Henry, Arthur, C. D. Mine ventilation: Waste heat recovery. CIM Bulletin. March 1996. Vol. 89. No. 998. pp. 126-130.
7. Lee S.W., Chuah Y. K. Energy saving simulation analysis for different fans design applied to variable air volume systems. 8th Asian Conference on Refrigeration and Air-Conditioning, ACRA. Taiwan. 2016.
8. Johnson C. M. Comparison of variable pitch fans and variable speed fans in a variable air volume system // Building Services Engineering Research & Technology. August 1988. Vol. 9. No. 3. pp. 89-98.
9. Sokolov V. A. Ratsional’nyy vybor skhemy tonnel’noy ventilyatsii kak zalog effektivnoy ekspluatatsii transportnykh tonneley [Rational choice of tunnel ventilation scheme as a guarantee of effective operation of transport tunnels]. Metro i tonneli [Metro and tunnels]. 2016, I. 6, pp. 63-65. (in Russian)
10. Kuznetsov S. V. Ventilyatsiya transportnykh tonneley [Ventilation transport tunnels]. Nauchnoe obozrenie [Scientific Review]. 2012, I. 4, pp. 221-224. (in Russian)
11. Gromov V.N., Saratov D. N., Belyakova L. A. Povyshenie energoeffektivnosti i bezopasnosti sistemy ventilyatsii avtodorozhnogo tonnelya № 6 [Improving the energy efficiency and safety of the ventilation system of the road tunnel number 6]. Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta Gosudarstvennoy protivopozharnoy sluzhby MChS Rossii [Bulletin of the St. Petersburg University of the State Fire Service EMERCOM of Russia]. 2014, I. 2, pp. 15-30. (in Russian)
12. Jones M. Winds of change for tunnels environment. Tunnels and Tunnelling International. 2010. pp. 29-30.
13. Brusilovskiy I. V. Aerodinamika akustika osevykh ventilyatorov [Aerodynamics acoustics of axial fans]. Moscow: trudy TsAGI im. Prof. N. E. Zhukovskogo Publ., 2004. 275 p. (in Russian)
14. Petrov Yu. E. Otsenka effektivnosti regulirovaniya osevykh vozdukhoduvok moshchnykh kotloagregatov [Evaluation of the effectiveness of the regulation of axial blowers of powerful boilers]. Trudy TsKTI [Proceedings of the CKTI]. 1970, I. 12, pp. 51-58. (in Russian)
15. Tauger V. M. Sravnitel’naya otsenka nadezhnosti mekhanizmov regulirovaniya shakhtnykh osevykh ventilyatorov [Comparative evaluation of the reliability of mechanisms for controlling shaft axial fans]. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal [Izvestiya Vuzov. Mountain Journal]. 2011, I. 3, pp. 30-38. (in Russian)
16. Ponomarev V.T. O nadezhnosti osevykh ventilyatorov, reguliruemykh na khodu povorotom lopatok rabochego kolesa [On the reliability of axial fans, adjustable on the fly by rotating the impeller blades]. Avtomaticheskoe regulirovanie i effektivnost’ raboty glavnykh ventilyatornykh ustanovok shakht [Automatic control and efficiency of the main fan installations of mines]. 1968, pp. 79-93. (in Russian)
17. Kuzetsov S. V. Mekhanizm povorota lopatok shakhtnogo osevogo ventilyatora na osnove termogidroprivoda [The mechanism of rotation of the blades of the shaft axial fan based on thermal hydraulic drive]. Tekhnicheskie nauki - ot teorii k praktike [Technical sciences - from theory to practice]. 2013, I. 17-1, pp. 120-125. (in Russian)
18. Zaslov V. Ya., Rozhentsov V. F., Kostygov M. E., Kuznetsov N. S. Mekhanizm povorota lopatok shakhtnogo ventilyatora, 2009118908/22, 19.05.2009 [The mechanism of rotation of the blades of the mine fan, 2009118908/22, 19.05.2009].(in Russian)
19. GOST 10921-90. Aerodinamicheskie ispytaniya osevykh i tsentrobezhnykh ventilyatorov [GOST 10921-90. Aerodynamic testing of axial and centrifugal fans]. Moscow: Standartov Publ., Vved. 1992-01-01, 34 p. (in Russian)
20. Peshekhonov N. F. Pribory dlya izmereniya davleniya, temperatury i napravleniya potoka v kompressorakh [Instruments for measuring pressure, temperature and flow direction in compressors]. Oborongiz Publ., 1962. (in Russian)
