Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

О взаимодействии радиального колеса с лопатками, загнутыми вперед, со спиральным корпусом

Ю. Н. Марр, советник генерального директора АО «НПО «Тепломаш»

Известно [1], что аэродинамические характеристики свободных радиальных колес с лопатками, загнутыми назад, незначительно отличаются от характеристик тех же колес внутри спиральных корпусов. Неслучайно на базе этих колес созданы модели высокоэффективных канальных прямоточных вентиляторов в квадратных и прямоугольных корпусах [2]. У свободных колес с лопатками, загнутыми вперед, разница в характеристиках с колесами в спиральных корпусах достигает таких величин, которые не имеют внятного объяснения на основе общепринятых представлений о воздействии спирального корпуса [2, 3]. Просто постулируется, что колеса с лопатками, загнутыми вперед, работают только в спиральных корпусах. Здесь предпринята попытка дать объяснение этому феномену.

Назначение спирального корпуса (улитки) обычно ограничивают двумя функциями [2, 3]. Во-первых, это сборная камера потока из колеса для вывода его в нагнетательный патрубок. Во-вторых, улитка — диффузор, частично преобразующий динамическое давление в статическое. Исходя из этих функций — собрать и преобразовать, улитке отводится относительно пассивная роль, тогда как активность колеса, подача в улитку требуемых субстанций: расхода воздуха, статического и динамического давления — выходит на первое место.
Попытка продвижения в направлении активности колеса как такового приводит к противоречию. У колес с лопатками, загнутыми назад, аэродинамические характеристики относительно слабо зависят от переноса колеса в спиральный корпус [1]. Поэтому, устанавливая колесо в улитку, мы легко предсказываем характеристики вентилятора. Зато у колес с лопатками, загнутыми вперед, мы не имеем возможности даже оценить характеристику вентилятора по характеристике свободного колеса из-за их радикального расхождения. Это наводит на мысль, что улитка не настолько пассивна, как может показаться на первый взгляд. Она не только собирает и преобразовывает субстанции, выходящие из колеса, но может прямо воздействовать на формирование потока в колесе, обеспечивающего выход этих субстанций.

Для иллюстрации сказанного на рис. 1 приведена обработка характеристик нескольких вентиляторов и их свободных колес с лопатками, загнутыми вперед (табл. 1). В качестве параметра, характеризующего вентилятор или свободное колесо как некую цельность, выбрана среднеинтегральная по коэффициенту расхода безразмерная аэродинамическая мощность повышения статического давления
φ
νs = (1/φ)∫ (φ ψs)dφ. (1)
0
Расчет для вентиляторов νs(У) и свободных колес νs(СК) проведен до наибольшего значения коэффициента расхода по графикам [1, 4]. На рис. 1 отложены отношения
νs(СК)/ νs(У) в зависимости от густоты решетки τ (она же — гидравлическая длина межлопаточного канала). В логарифмических координатах точки хорошо укладываются на прямую. С ростом гидравлической длины канала отношение νs(СК)/ νs(У) приближается к единице, что свидетельствует о сближении полей характеристик свободного колеса с колесом в улитке. Напротив, при укорочении канала (самый короткий у Ц14-46) поле характеристик свободного колеса убывает до исчезающих величин.

Все это укрепляет идею воздействия улитки на течение в колесе с лопатками, загнутыми вперед. Что же происходит с колесом, лишенным такого воздействия, т. е. свободным колесом?

Рассмотрение теоретических треугольников скоростей у колес с лопатками, загнутыми вперед, показывает, что приращение статического давления тем меньше, а приращение кинетической энергии (динамики) тем больше, чем короче межлопаточный канал и больше угол β2. Вентилятор Ц14-46 с самым гидравлически коротким каналом имеет наибольшую разницу в полной и статической характеристиках. Теоретически любое колесо такого типа превращается в генератор динамики со специфической структурой — выходящий поток вращается быстрее колеса (см., например, [8], где показано, что c̅u3 = 1,2 – 1,5).
Можно предположить, что, стоит убрать улитку, и вращение потока около колеса «разлетится», увлекая за собой внутриканальные структуры и переводя колесо в тривиальный источник закрученной веерной относительно вялой струи. При этом исторгаемые колесом массы будут стремиться пройти через межлопаточные каналы по наикратчайшей траектории с углами выхода, сильно отклоняющимися от углов β2. Опытные данные по углам выхода потока из свободного колеса представлены в [4, 5]. В [4] исследованы четыре колеса с лопатками, загнутыми назад, два колеса с лопатками вперед и одно с радиальными лопатками. Измерения в относительном движении показали, что отклонение угла выхода потока от угла лопатки (Δβ2) лежит в пределах 6–100 на нормальных режимах у колес с лопатками назад и может превысить 400 у колес с лопатками вперед. В [5] исследованы модельные колеса с узким выходом на основе модели вентилятора М-61. Варианты с лопатками, загнутыми вперед, приведены в табл. 1. Зафиксированное отклонение потока лежит в диапазоне 28–560.
Ограниченность экспериментального материала позволяет лишь наметить тенденции к возрастанию угла отклонения с уменьшением гидравлической длины канала (см. рис. 2). Для узких колес типа М-61 [5] эта зависимость достаточно пологая (лишь одна опытная точка для колеса с углом β2 = 1700 по непонятным причинам резко выпадает). У относительно широких колес [4] зависимость значительно более крутая. Линейная экстраполяция этой зависимости на широкое колесо Ц14-46 с τ = 1,2 дает оценку величине Δβ2 ≈ 800. При β2 = 1650 у колеса Ц14-46 получается β2′ = 850, что означает практически радиальный выход потока в относительном движении. Такая деформация кинематической картины возможна только при наличии развитых отрывных течений внутри каналов колеса. Скорее всего, масштаб вихревых зон, примыкающих к обеим сторонам лопатки, столь значителен, что они формируют почти радиальное протекание потока через канал в относительном движении. Массы, циркулирующие в вихревых зонах, образуют возвратные затекающие потоки в каждый канал. Загромождение проходного сечения канала вихревыми зонами катастрофически снижает эффективный расход. При этом фактический расход воздуха через свободное колесо уменьшается далеко не так сильно, как эффективный. Тем не менее падает радиальная составляющая абсолютной скорости. Тангенциальная составляющая приближается к окружной скорости, и коэффициент полного давления опускается до теоретического предела ψ = 2, а коэффициент статического давления опускается ниже единицы. Вектор абсолютной скорости направлен почти по касательной к колесу.
Вращательное движение быстро затухает в тонком слое вокруг колеса, образуя, как было сказано, вялую веерную струю. Такое малорасходное отслоение резко закрученных масс может играть роль наружной защитной смазки для замкнутых циркуляционных зон, угнездившихся в колесе. Можно предположить, что циркуляционные зоны в межлопаточных каналах свободного колеса — хаотичные, короткоживущие, быстро сменяющие друг друга образования. В этом смысле аэродинамика свободного колеса в целом есть хорошо организованная хаотичная диссипирующая структура, имеющая шокирующие последствия: мощность на валу свободного колеса практически равна мощности колеса внутри улитки. Это означает, что свободное колесо Ц14-46 превращается в эффективный гидродинамический нагреватель (диссипация 95% энергии) [3].

Возвращаясь к активации колеса улиткой, следует вспомнить, что еще 80 лет назад на основе исследования работы вентиляторов типа Сирокко и дутьевого (лопатки, загнутые вперед, широкое колесо, гидравлически короткие каналы) в [6] были сделаны выводы о необходимости учитывать влияние распределения давления в кожухе на работу отдельных и параллельных межлопаточных каналов, «имея в виду… чрезвычайно усложняющее задачу обстоятельство, что само это распределение давлений в кожухе есть функция расхода воздуха через отдельные каналы» (выделено нами). Фактически была обнаружена способность улитки влиять на структуру течения в межлопаточных каналах колес барабанного типа.
Во многих последующих работах [4, 5, 7, 8] отмечалось обратное влияние безлопаточных диффузоров и улиток на работу колеса в системе «колесо — улитка». В частности, неоднократно упоминалось влияние размеров улитки на оптимальный режим работы колеса или появление неравномерности работы колеса по окружности при производительности, существенно меньшей, чем номинальная [7]. Однако нигде не рассматривалась возможность полной перестройки течения в колесе после переноса его в спиральный корпус. Прямые измерения в оптимальном спиральном корпусе вентилятора Ц10-51, сходного с Ц14-46, показали [8], что относительные величины тангенциальной скорости в спиральной камере вентилятора Ц10-51 вблизи выхода из колеса лежат в диапазоне от 1,2 до 1,5 против ~1 у свободного колеса. В принципе, это было прямое свидетельство сильного обратного влияния, полной перестройки течения, значительного увеличения угла выхода потока из колеса и вращения этого потока быстрее колеса. Однако автор [8] оставил полученную информацию без внимания.

Каков механизм активации колеса? Рассмотрим короткий период пуска колеса из состояния покоя. В нестационарном уравнении импульсов в Эйлеровом представлении, помимо обычных членов, присутствует слагаемое, характеризующее локальное изменение во времени количества движения внутри контрольной поверхности. Поскольку при пуске колеса основной действующей составляющей можно считать ударное нарастание массовой (центробежной) силы, то этому будет соответствовать такое же ударное изменение количества движения, или ускорение массы воздуха в межлопаточных каналах. Физически оправданно предположить, что возникнет импульсное практически безотрывное обтекание лопаток, выход потока из колеса с углом, близким к углу лопаток β2, и сформируется треугольник скоростей, характерный для колес с лопатками, загнутыми вперед, когда вращение истекающего потока опережает вращение колеса Cu2 > u2.
Дальнейшая судьба этой структуры зависит от конфигурации пространства, в котором развивается течение. Если мы имеем дело со свободным колесом, то ничто не помешает быстрой перестройке структуры внутри колеса в гидродинамический нагреватель (см. п. 3). Если колесо размещено в улитке, то упорядоченное изначально внутреннее течение будет удерживаться потоком в улитке, вращающимся быстрее колеса. Колесо, размещенное в корпусе другой конфигурации, в зависимости от соотношения между полной свободой и степенью и формой ограничения, получает большую или меньшую деформацию внутренней структуры. Например, колесо в квадратном корпусе, наподобие прямоточных вентиляторов (испытания автора), практически не улучшили характеристику свободного колеса. Вращающийся со скоростью колеса радиальный безлопаточный диффузор несколько улучшает характеристики [3]. Если бы такой диффузор вращался быстрее колеса, то характеристики были бы еще лучше.

Что физически происходит при взаимодействии колеса с вращающимся быстрее его потоком? Во-первых, несмотря на постоянную подпитку из колеса вращающегося потока, его можно рассматривать как независимую составляющую. Как всякая вращающаяся гидродинамическая структура, он становится некоей цельностью. В данном случае поток в улитке представляет собой потенциальный вихреисточник. Во-вторых, улитка с вращающимся потоком расположена ниже по течению по отношению к колесу, и это означает, что от вращающегося потока вверх по течению уходят импульсы давления (информация) для согласования характеристик набегающего потока (в данном случае потока, вытекающего из колеса) с предстоящим вхождением его во вращающийся поток. В системе «колесо — улитка» эта информация не только не препятствует организованной аэродинамике в колесе, но активно стимулирует ее, и поток в колесе не перестраивается в радиальную форму выхлопа в относительном движении, характерную для свободного колеса. Допустим, в силу какого-либо случайного воздействия, при прочих неизменных условиях, нарушилась структура течения в колесе и расход уменьшился на небольшую величину. Для простоты будем считать, что это изменение произошло осесимметрично и привело к уменьшению угла выхода потока и относительной скорости. Неизбежно упадет полное давление. Но самое главное состоит в том, что если вращающийся поток, как самостоятельная сущность, перестает получать от своего источника требуемое пополнение расхода, то локальная «недостача» массы немедленно оборачивается разностью давлений между вращающимся потоком и источником и компенсируется поступлением от восстановленной структуры течения в колесе.

В заключение для объяснения феномена активации колеса улиткой проделаем следующий мысленный эксперимент. Представим себе, что свободно работающее колесо с соответствующими характеристиками мгновенно перемещается в улитку. В начальный момент истечение по всему периметру соответствует режиму свободного колеса: вектор относительной скорости направлен под углом почти 900 к касательной, относительная тангенциальная скорость близка к единице, малость меридиональной составляющей (расхода) делает вектор абсолютной скорости практически совпадающим с касательной. Как отмечено в п. 3, острозакрученное истечение (но с вращением не быстрее колеса) затухает в тонком слое, формируя раскручивающуюся веерную струю. Однако спиральное нарастание по периметру пространства для развития струи нарушает симметрию. Прежде всего в области начала языка возникает «первое» торможение расширению и раскручиванию веерной струи. В этот же момент межлопаточные каналы, которые оказались источниками истечения в области начала языка, получают информацию от заторможенных масс (импульсы давления вверх по потоку) о наличии препятствия на пути расширения и раскручивания струи. Расшифровывая информацию, переносимую импульсами давления, можно утверждать, что свободное расширение и раскрутка веерной струи, обеспечиваемые структурой потока в колесе, больше не могут иметь места, поскольку не согласуются с ограничением спиральной стенки. Согласование контакта набегающих масс со спиральной стенкой (в нашем понимании снижение ударных потерь энергии) должно быть направлено в сторону увеличения закрутки потока при вхождении его в контакт со спиральной стенкой. Другими словами, веерная струя в спиральном пространстве улитки должна перестраиваться в структуру потенциального вихреисточника. Это «информационное пожелание» может быть реализовано только одним способом — увеличением абсолютной скорости потока на выходе, т. е. увеличением расхода путем подавления циркуляционных зон в межлопаточных каналах с увеличением угла выхода в относительном движении. Такую информацию получают не только первые из упомянутых каналы. Поскольку поток за колесом в области начала языка движется пока еще медленнее, чем вращается колесо, то эта информация попадает и в последующие межлопаточные каналы. Через промежуток времени, соответствующий одному обороту колеса, все каналы получат эту информацию, причем достаточно быстро она начнет поступать не только из области начала языка, но и из всех точек спиральной стенки. Произойдет требуемая перестройка течения в межлопаточных каналах, способствующая активной замене веерной струи в улитке на структуру, питающую потенциальный вихреисточник.
Проведенный мысленный эксперимент не следует интерпретировать как подведение явления неживой природы под законы информационного обмена и реагирования, действующие в живых организмах. Система «колесо с лопатками вперед — улитка» — достаточно сложный в своей нелинейности объект, допускающий приложение общих законов функционирования.

 
Выводы

1.    При резком разгоне колеса с лопатками, загнутыми вперед, импульсно формируется внутренняя аэродинамическая структура с параметрами, близкими к теоретическому треугольнику скоростей.
2.    В свободном колесе после пуска течение перестраивается в хаотичную диссипирующую структуру с исчезающими выходными параметрами, рассеивающую мощность, практически равную мощности колеса внутри улитки. Свободное колесо Ц14-46 превращается в тривиальный гидродинамический нагреватель.
3.    Основным воздействием спирального корпуса при резком разгоне колеса становится принудительное удержание импульсно организованной структуры в колесе, согласованно питающей вращающийся в улитке быстрее колеса поток (потенциальный вихреисточник).
4.    Воздействие спирального корпуса на перенос в него свободного колеса с характерной для него структурой выражается в перестройке внутреннего течения в колесе в структуру, обеспечивающую формирование потенциального вихреисточника в самой улитке.
5.    В отличие от колес с лопатками, загнутыми назад, в рассматриваемом случае улитка в очень малой степени способствует переходу динамического давления в статическое.

Литература

1. Соломахова Т. С., Чебышева К. В. Центробежные вентиляторы. Справочник. М.: Машиностроение.1980.
2. Караджи В. Г., Московко Ю. Г. Вентиляционное оборудование. Технические рекомендации для проектировщиков и монтажников — М.: АВОК-ПРЕСС, 2010. — 432 с.
3. Соломахова Т. С. Радиальные вентиляторы: Аэродинамика и акустика / Т. С. Соломахова; Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского. — М.: Наука, 2015, — 460 с.
4. Локшин И. Л. Исследование потока за колесами центробежных вентиляторов в относительном движении // Промышленная аэродинамика. Сборник № 12. Вентиляторы и воздухопроводы. М.: Гос. изд. оборонной промышленности. 1959.
5. Локшин И. Л. Применение результатов испытаний вращающихся круговых решеток к аэродинамическому расчету колес центробежных вентиляторов / Промышленная аэродинамика. Выпуск № 25. Вентиляторы. М.: Оборонгиз. 1963.
6. Поликовский В. И., Абрамович Г. Н. Экспериментальная проверка основных допущений расчета спиральных кожухов центробежных нагнетателей и вентиляторов // Труды ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского. Вып. 328. М.: Изд. ЦАГИ. 1937.
7. Бычков А. Г. Общие закономерности изменения аэродинамических характеристик центробежных машин со спиральными кожухами // Промышленная аэродинамика. Сборник № 10. Вентиляторы и воздуховоды. М.: Гос. издательство оборонной промышленности. 1958.
8. Коваленко В. М. О работе спиральных кожухов центробежных вентиляторов // Промышленная аэродинамика. Выпуск № 17. Вентиляторы. М.: Оборонгиз. 1960.

Скачать статью в pdf-формате:  О взаимодействии радиального колеса с лопатками, загнутыми вперед, со спиральным корпусом