Вентиляторы, которые устанавливают на крыше зданий, должны долго и надежно работать при минимальном и простом обслуживании. Поэтому они должны иметь достаточно простую конструкцию и выполняться из материалов, не подвергающихся быстрому разрушению или сильной коррозии под воздействием атмосферных осадков. Крышные вентиляторы часто устанавливают непосредственно над обслуживаемыми помещениями. Поэтому они не должны создавать больших вибраций и шума, которые отрицательно действуют на людей, находящихся в помещении. В соответствии с экологическими требованиями, шум на выходе из вентилятора также должен быть ограничен. Для уменьшения нагрузки на кровлю крышные вентиляторы должны иметь небольшие размеры и, возможно, малую массу.

Особенностью крышных вентиляторов является то, что динамическое давление выходящего из колеса потока не используется. Поэтому для оценки их аэродинамических параметров используют статическое давление psv и статический КПД hs.

При отсутствии протяженной сети и больших перепадов давления внутри и вне помещения рабочий режим вентилятора соответствует максимально возможной производительности и нулевому статическому давлению. Этот режим, в соответствии с ГОСТ 24814–81 [2], считается номинальным. Для оценки работы вентилятора на номинальном режиме применяют параметр q удельной производительности, который рассчитывают по формуле:

где Q – производительность, м3/с; N – потребляемая мощность, Вт; r – плотность, кг/м3; u – окружная скорость, м/с. В безразмерных величинах формула ( имеет вид:

где j и l – коэффициенты производительности и мощности. Параметр q характеризует максимальный расход вентилятора при нулевом статическом давлении, отнесенный к единице мощности на этом режиме. В соответствии с ГОСТом [2], на номинальном режиме параметр q должен быть не менее 1, Чем больше значение параметра q, тем более эффективно работает вентилятор.

При наличии протяженной вентиляционной сети, например, в системах дымоудаления многоэтажных зданий, когда потери давления в воздуховодах превышают 1 000 Па, рабочий режим вентилятора выбирают в диапазоне расходов, соответствующих или близких к максимальному значению статического КПД.

Крышные вентиляторы занимают значительное место в продукции отечественных и зарубежных фирм – производителей вентиляторов. Они обеспечивают область режимов по производительности до 100 000 м3/ч и по статическому давлению до 1 500 Па.

Конструктивное исполнение
Традиционная компоновка крышного вентилятора представлена на Она включает следующие элементы: присоединительное основание, подмоторную раму, входной патрубок, защитную сетку, рабочее колесо, двигатель и защитный колпак. Материал, из которого изготавливаются вентиляторы, атмосферостойкий, а для вентиляторов, предназначенных для перемещения агрессивных сред, – коррозионностойкий.

В соответствии с ГОСТом [2] выброс перемещаемой среды может осуществляться вниз, в стороны и вверх ( . Вентиляторы с выходом вверх, предназначены для удаления из помещений воздуха с агрессивными примесями или горячих газов. Недостаток такой конструкции – принцип. возможность попадания атмосферных осадков в обслуживаемое помещение при выключенном вентиляторе. Для исключения этой возможности в выходном сечении вентилятора устанавливают систему клапанов или лопаток, которые поворачиваются при включении вентилятора и открывают выход.

При выходе потока в стороны необходимо устанавливать в выходном сечении вентилятора сетки или специальные жалюзи, чтобы предотвратить попадание в колесо посторонних предметов и уберечь от сильных порывов ветра.

Для защиты двигателя вентилятора от атмосферных осадков используют колпаки различной формы. Колпаки оптимальной формы позволяют преобразовать часть динамического давления, создаваемого колесом, в полезное статическое давление и повысить тем самым статический КПД вентилятора.

Вентиляторы, имеют вертикальную ось вращения и непосредственное соединение с двигателем. Многие фирмы комплектуют вентиляторы встроенным в колесо двигателем, имеющим внешний ротор, благодаря чему сокращаются высота и масса вентилятора. Эти вентиляторы, особенно с выходом воздуха вверх, устанавливают в системах, предусматривающих их круглосуточную работу. Недостатком такой конструкции является то, что двигатель, расположенный в потоке перемещаемой среды, загромождает проточную часть колеса и снижает его производительность. Кроме того, эти вентиляторы не могут использоваться для удаления воздуха с агрессивными примесями.

Иногда вентиляторы комплектуют двух и даже трехскоростными двигателями, что позволяет регулировать производительность вентилятора в зависимости от эксплуатационных требований в теплый и холодный периоды года, и использовать их в одних и тех же системах, работающих в режимах как общеобменной вентиляции, так и противодымной защиты. В последнее время для расширения диапазона экономичной работы и возможности обеспечения заданного режима (производительности или давления) работы вентиляторы комплектуют двигателями с регулируемой частотой вращения. Причем необходимая частота вращения устанавливается автоматически с помощью специальных датчиков и программ, что может привести к значительному снижению энергопотребления.

Для предотвращения неконтролируемого оттока тепла из помещения, образования и сбора конденсата крышные вентиляторы комплектуют самооткрывающимися входными клапанами и поддонами. Потоком воздуха эти клапаны открываются при включении вентилятора и закрываются при его выключении. Клапаны имеют различную конструкцию. это лепестковый клапан – бабочка с осью вращения посередине или клапан с несколькими лопастями.

Изготавливают малошумные крышные вентиляторы с глушителями шума. На входе воздуха – пластинчатые глушители, на выходе – трубчатые специальной формы. Все глушители активного типа, т. е. заполненные звукопоглощающим материалом, благодаря чему шум глушится в достаточно широком диапазоне частот. Схема крышного вентилятора с глушителем на входе приведена на 3.

Диаметры рабочих колес крышных вентиляторов находятся в диапазоне от 200 до 1 400 мм. Максимальная окружная v составляет 50 м/с. При более высоких скоростях крышные вентиляторы не эксплуатируют изза жестких требований по вибрации и создаваемому шуму. Только в системах дымоудаления, когда вентилятор работает не более 120 мин, допускается увеличение окружной скорости до 60 м/с. В подавляющем большинстве случаев эта v не превышает 30 м/с.

Для обеспечения наибольшего значения максимального расхода Qmax и параметра q вентиляторы должны иметь большую ширину рабочего колеса (b–2 0,2 и большой диаметр входа (D–0 0,6 . Для создания максимального статического давления вентилятора лопатки колеса должныбыть загнуты против направления его вращения (b2 < 90°). Чтобы кривая мощности на рабочих режимах с возрастанием расхода имела падающий характер, и вентилятор не перегружал двигатель при больших расходах, необходимо угол выхода лопаток b2 выполнить как можно меньшим (b2 30°).

С другой стороны, для увеличения создаваемого расхода и давления угол b2 должен принимать большие значения (b2 40°).

Ниже будут проанализированы особенности характеристик этих вентиляторов и условий их применения.

Использование в крышных вентиляторах рабочих колес с загнутыми вперед лопатками крайне не желательно признать целесообразным изза низкой их эффективности. Эти вентиляторы при работе без спирального корпуса имеют большую долю динамического давления в полном давлении. Такое динамическое давление не используется, но требует дополнительных затрат мощности. Кроме того, кривая потребляемой мощности имеет возрастающий характер с увеличением расхода.

Типоразмерный ряд
Для производства и потребителя весьма важной является проблема разработки рационального ряда крышных вентиляторов, в котором при минимальном количестве унифицированных элементов обеспечивалось бы достаточно густое заполнение характеристиками выделенной области режимов. При этом выбор необходимого вентилятора можно осуществлять практически без запаса. Трудность создания такого ряда машин с равномерно распределенными характеристиками связана с дискретными значениями частоты вращения асинхронных двигателей, которые в большинстве случаев непосредственно соединены с рабочим колесом.

Выполненные расчеты показали, что для обеспечения заданной области режимов производительности от 500 до 100 000 м3/ч и статического давления от 400 до 1 500 Па необходимо использовать крышные вентиляторы с диаметрами рабочих колес (в мм) из ряда предпочтительных чисел R20:

200; 224; 250; 280; 315; 355; 400; 450; 500; 560; 630; 710; 800; 900; 1000; 1120; 1250; 1400.

Если рассчитать максимальные значения производительности по известной формуле

то вентиляторы с двумя соседними значениями диаметров рабочих колес из вышеуказанного ряда будут иметь максимальную производительность, отличающуюся на 40 %. Характеристики вентиляторов будут заполнять область режимов достаточно редко.

Чтобы эта разница уменьшилась до 20 %, необходимо иметь две модификации вентиляторов, у которых максимальные значения коэффициента производительности jmax отличаются приблизительно на 20 %. С учетом максимальной унификации колеса этих модификаций могут отличаться или числом лопаток, или иметь разную ширину.

Для того чтобы увеличить густоту заполнения области аэродинамическими характеристиками и уменьшить разницу м. значениями Qmax до 10 % для двух соседних вентиляторов, необходимо или использовать более густой ряд предпочтительных чисел R40, или разработать дополнительно так же две модификации вентиляторов, у которых максимальные значения производительности отличались бы от исходного значения на 10 и 30 %.

При выборе крышного вентилятора возникает альтернатива: установить или один большой вентилятор, или несколько меньших, параллельно работающих вентиляторов, обеспечивающих суммарный расход, равный расходу через один вентилятор.

Проведем оценку этих вариантов компоновок на примере двух одинаковых вентиляторов, работающих без сети при одинаковой частоте вращения. Максимальную мощность, потребляемую вентилятором, рассчитаем по известной формуле

В формулах ( и ( : А и В – постоянные коэффициенты; jmax, lmax – максимальные значения коэффициентов расхода и мощности; n – частота вращения колеса; D – диаметр колеса по концам лопаток.

Два вентилятора одной и той же схемы с диаметром колеса D1 и при частоте вращения n1 создают максимальный расход

и потребляют суммарную максимальную мощность

Из формулы ( следует, что расход 2Q1 может обеспечить один вентилятор при диаметре колеса D2 = 21/3 D1 = 1,26D1:

Из формулы ( получим, что потребляемая при этом мощность составит

Один большой вентилятор будет потреблять мощность в 1,59 раза больше, чем два вентилятора меньших размеров. Выполненные оценки показывают, что выигрыш в мощности при замене одного вентилятора несколькими меньшими с тем же суммарным расходом будет тем больше, чем большее количество таких вентиляторов будет использовано. Это подтверждается 6 и данными, приведенными в табл. 1.

Все расчеты по формулам ( и ( выполнены при частоте вращения n1 = 1 000 мин1 для вентиляторов с максимальными значениями коэффициентов производительности и мощности jmax = 0,3; lmax = 0,17.

Представленные данные подтверждают, что для обеспечения максимальной производительности Q 11 000 м3/ч один вентилятор с диаметром колеса 630 мм будет потреблять мощность в 2,4 раза больше, чем четыре вентилятора с диаметром колеса 400 мм, и в 1,59 раза больше, чем два вентилятора с диаметром колеса 500 мм.

Использование крышных вентиляторов небольших размеров с малой массой позволяет также обеспечить распределенную нагрузку на кровлю зданий. При этом происходит снижение вибраций и создаваемого шума. Поэтому зарубежные фирмы изготавливают крышные вентиляторы с диаметрами рабочих колес, не превышающими 1 000 мм.

Акустические параметры
Для оценки акустических параметров крышных вентиляторов в соответствии с [2] используют отвлеченный уровень шума L–, дБА, который связан с параметрами вентилятора зависимостью

где Lp – суммарный уровень звуковой мощности, дБА;

D – диаметр рабочего колеса, м;

u – окружная v рабочего колеса, м/с.

Создаваемый вентилятором суммарный уровень звуковой мощности и спектр шума определяют раздельно на сторонах всасывания и нагнетания. Формула ( позволяет определить шум, создаваемый вентиляторами различных размеров при разном их числе. В рассмотренном выше примере вентилятор с диаметром колеса 630 мм, обеспечивающий максимальный расход 11 000 м3/ч, будет создавать шум, на 14 дБ больший, чем один вентилятор с диаметром колеса 400 мм, с максимальным расходом 2 750 м3/ч и шумом, на 8 дБ большим, чем четыре таких вентилятора. Таким образом, замена одного большого крышного вентилятора несколькими вентиляторами меньших размеров предпочтительна и с точки зрения снижения шума.

На 5 приведены акустические характеристики крышных радиальных вентиляторов с выходом потока в сторону (ВКРС) с шестью и девятью лопатками колеса в диапазоне рабочих режимов вентиляторов на стороне нагнетания. Наблюдается резкое увеличение создаваемого шума при отклонении от режима j, соответствующего максимальному значению статического КПД, особенно в области больших расходов. Такая особенность изменения акустических параметров характерна и для вентиляторов со спиральным корпусом с высоким КПД, имеющих листовые, сильно загнутые назад лопатки. Она связана с тем, что при увеличении и уменьшении расхода за счет изменения угла атаки происходит резкое ухудшение условий обтекания лопаток колеса по сравнению с благоприятным, плавным обтеканием на режиме максимального значения КПД. Возникают отрывные вихревые зоны в межлопаточных каналах колеса, которые приводят к снижению КПД и возрастанию вихревого шума.

В отличие от вентиляторов в обычной компоновке со спиральным корпусом, крышные вентиляторы имеют спектр шума без ярко выраженной составляющей на лопаточной частоте [3]. Это связано с тем, что при отсутствии языка спирального корпуса составляющая шума от неоднородности потока не превалирует над другими составляющими. Поправки DLwi для составляющих спектра шума в октавных полосах частот для вентиляторов ВКРС6 и ВКРС9 даны в табл. 2.

Из формулы ( следует, что создаваемый вентилятором шум зависит от величины окружной скорости u колеса в пятой степени. Следовательно, при жестких ограничениях на создаваемый шум необходимо выбирать вентилятор с меньшей окружной скоростью, с большими значениями коэффициентов расхода и статического давления.

Влияние конфигурации неподвижных элементов
Представляет интерес определение влияния некоторых геометрических параметров крышных вентиляторов на их аэроакустические характеристики. Такие исследования были выполнены в работе [4] с крышным вентилятором, осуществляющим выброс воздуха вниз.

Увеличение создаваемого вентилятором статического давления и КПД на 8–15 % практически во всем диапазоне расходов можно получить при установке вблизи переднего диска колеса неподвижного кольца с наружным диаметром, превышающим на 20 % диаметр колеса D. Кольцо является элементом радиального диффузора. Потребляемая вентилятором мощность практически не изменяется ( .

Для поддержки колпака вентилятора и двигателя используют вертикальные стойки, установленные на основании. В качестве стоек применяют уголки, трубы, и систему лопаток, которые можно считать элементами спрямляющего аппарата. Форма, размеры и число этих стоек и их расположение относительно колеса оказывают существенное влияние на аэродинамические параметры вентилятора и создаваемый шум.

На 7 показано влияние формы поперечного сечения стоек на характеристики вентилятора. Стойки хорошо обтекаемой цилиндрической формы благоприятно обтекаются выходящим из колеса потоком и обеспечивают некоторое повышение давления и КПД по сравнению со стойками в виде уголка. Рекомендовано [4] стойки из труб устанавливать на расстоянии не меньше, чем 5 % от диаметра колеса, а стойки из уголков – не меньше, чем на 7 % от диаметра D. При таком расположении стоек возможное увеличение создаваемого шума будет минимальным. Для снижения шума взаимодействия стоек и лопаток колеса необходимо, чтобы число стоек (лопаток) спрямляющего аппарата не было кратно числу лопаток колеса [3].

Лопатки спрямляющего аппарата должныбыть установлены на достаточном расстоянии от рабочего колеса и иметь такую форму, которая обеспечивает некоторое раскручивание потока, выходящего из колеса. Это приведет к снижению динамического давления за колесом и повысит создаваемое статическое давление и КПД. Необходимо отметить, что существенное увеличение давления и КПД будет происходить только в небольшом диапазоне расходов, в котором углы входа лопаток будут соответствовать углам выхода потока из колеса.

Интересно сопоставить аэродинамические характеристики крышных вентиляторов, воздух из которых выходит по разным направлениям: вниз, в стороны и вверх. В работе [5] исследовались различные компоновки радиальных вентиляторов с осевым и радиальным выходом потока. На 8 приведены схемы и характеристики вентиляторов с колесом достаточно большой ширины с четырьмя вариантами корпусов, обеспечивающих выход потока по различным направлениям. Максимальный радиальный размер всех вариантов корпусов имел одинаковые значения Dmax = 1,7D. Все испытания проводились с одним и тем же рабочим колесом, характеристика которого без корпуса также приведена на этом графике. Наиболее высокое статическое давление и КПД имеет вентилятор 1 с радиальным безлопаточным диффузором с выбросом воздуха в стороны.

Наиболее низкие параметры имеет вентилятор 2 в прямоточном корпусе с осевым выбросом воздуха в направлении входа. Вентиляторы 3 и 4 с выбросом воздуха в направлении, обратном входу, и с цилиндрической обечайкой, обеспечивающей выход потока в обоих направлениях по отношению к входу, имеют характеристики, близкие характеристикам свободного колеса без корпуса. Отмеченная особенность взаимного расположения характеристик вентилятора с разными направлениями выхода потока сохраняется при увеличении и уменьшении внешнего размера корпусов. При внешнем диаметре меньше 1,5D происходит резкое снижение кривых давления и КПД вентиляторов всех компоновок. крышные вентиляторы с выходом потока в стороны и вниз имеют лучшие аэродинамические параметры, чем вентиляторы других компоновок.

На характеристики крышного вентилятора, особенно в прямоточном исполнении при выходе воздуха вверх, оказывает влияние форма поперечного сечения корпуса. На 9 представлены характеристики вентиляторов с корпусами круглого и квадратного поперечного сечения практически с одинаковыми внешними габаритами. Внутри корпуса в продолжении заднего диска колеса располагалось кольцо с внешним диаметром D4, а в случае квадратного корпуса наружные обводы кольца являлись сторонами квадрата размером А Эти внутренние кольца фактически являлись элементами радиального безлопаточного диффузора.

Из диаграммы следует, что вентилятор с квадратным корпусом создает большее давление и имеет более высокий КПД, чем вентилятор с цилиндрическим корпусом. Внутреннее кольцо целесообразно выполнять с внешним обводом по окружности.

Влияние формы лопаток колеса
Как указывалось выше, рабочие колеса крышных вентиляторов должны иметь лопатки, загнутые против направления вращения колеса. На 10 приводятся характеристики двух крышных вентиляторов, которые отличаются, в основном, лопатками рабочего колеса. Вентилятор 1 с большим углом выхода лопаток b2 40° имеет значительно больший диапазон работы по расходу, чем вентилятор 2 с углом выхода лопаток b2 25°. Максимальные значения статического давления и КПД у обоих вентиляторов являются близкими. но вентилятор 1 потребляет значительно большую мощность.

Интересно сопоставить эффективность работы этих двух вентиляторов в вентиляционной сети. Приведенные на графике зависимости q(j) показывают, что вентилятор 2 с меньшим углом выхода лопаток имеет большее значение удельной производительности q, чем вентилятор Это преимущество вентилятора 2 проявляется особенно значительно с увеличением расхода.

Выполнены расчеты параметров этих двух вентиляторов, работающих в режиме psv = 0 и обеспечивающих максимальный расход воздуха Q = 10 000 м3/ч при одинаковой частоте вращения 950 мин1.

В табл. 3 даны значения безразмерных параметров вентиляторов на режиме psv = 0: коэффициентов расхода jmax, потребляемой мощности l, параметра q и отвлеченного уровня шума L–. Также приводятся значения диаметра D, окружной скорости u колеса, потребляемой мощности N и создаваемого шума L.

Вентилятор 1 обеспечивает заданный расход при меньшем диаметре рабочего колеса. Однако, несмотря на более высокий статический КПД, он потребляет мощность, практически в 1,5 раза большую, чем вентилятор При этом он создает на 7 дБА больший шум. Это связано с тем, что у вентилятора 1 при большем угле b2 выхода лопаток динамическое давление за колесом больше, чем у вентилятора Значительная часть потребляемой вентилятором мощности расходуется на создание этого давления, которое в крышных вентиляторах практически не используется.

Разница в величинах потребляемой мощности рассмотренными вентиляторами будет меньше, если они работают в сети с заданным сопротивлением, и будет зависеть от величины КПД на выбранных режимах работы вентиляторов.

если крышные вентиляторы работают без сети с мизерными значениями статического давления, то целесообразно использовать колеса с углами выхода лопаток b2 = 20–30°. Такие вентиляторы будут потреблять меньшую мощность и создавать меньший шум. На этих режимах колеса с большими углами выхода лопаток b2 = 40–45° следует применять только когда ограничены габариты и масса вентиляторов.

Если крышные вентиляторы работают в протяженных сетях с заданным сопротивлением, то разница в величинах потребляемой мощности и создаваемого шума рассмотренными вентиляторами с разными углами выхода лопаток будет зависеть от величины КПД и отвлеченного уровня шума на выбранных режимах работы вентиляторов.

Литература
Ушомирская А. И. Экономия электроэнергии при использовании крышных вентиляторов // Водоснабжение и сантехника. – 198 – № 8.

ГОСТ 24814–8 Вентиляторы крышные радиальные. Общие технические условия. – М. : Издво Стандартов, 1981.

РимскийКорсаков А. В., Баженов Д. В., Баженова Л. А. Физические основы образования звука в воздуходувных машинах. – М. : Наука, 1988.

Мазманянц П. О. Крышные центробежные вентиляторы ЦАГИ типов КЦ484 и КЦ390М // Промышленная аэродинамика: сб. – М. : Машиностроение, 196 – Вып. 28.

Щербатых Г. С. Влияние геометрических параметров корпуса на аэродинамические характеристики центробежных прямоточных вентиляторов // Промышленная аэродинамика: сб. – М. : Машиностроение, 198 – Вып. 1(3 .