Чему равна частота вращения лопастей вентилятора

Обновлено: 19.04.2024

Вентилятор служит для продвижения потока воздуха через сердцевину радиатора и тем самым обеспечивает направленное движение массового расхода воздуха, отнимает теплоту от охлаждающих поверхностей радиатора и рассеивает ее в окружающей среде. Вентилятор в совокупности с направляющим кожухом представляет воздуходувную лопастную машину. Вентиляторы широко используются на машинах различного назначения, в системах вентиляции, кондиционирования, отопления и т.д.

Мощность, потребляемая на привод вентилятора, составляет 3,5 % от номинальной мощности двигателя. Повышение эффективности вентилятора, используемого в системе охлаждения, приведет к снижению затрат мощности при обеспечении заданного массового расхода воздуха. Это может быть достигнуто и повышением КПД самого вентилятора, и оптимизацией параметров установки вентилятора в воздушном тракте.

По конструктивному исполнению вентиляторы, применяемые в системах охлаждения, разделяются на центробежные и осевые.

Конструктивным признаком центробежного вентилятора является установка в рабочем колесе лопастей турбинного типа, расположенных в спиральном корпусе. Для конструкции осевого вентилятора характерно использование рабочего колеса пропеллерного типа в цилиндрическом направляющем кожухе, движение потока воздуха в установке с осевым вентилятором параллельно оси вращения рабочего колеса. Число и угол установки лопастей, их профиль определяются аэродинамической схемой вентилятора. В системах жидкостного охлаждения тракторов и автомобилей применяются осевые [14, с. 493J, а в воздушных системах охлаждения — центробежные и осевые вентиляторы.

Осевой вентилятор (рис. 1.75) состоит из лопастей, установленных на ступицу. Лопасти имеют плоскую или выпуклую форму и изготовляются из листовой стали толщиной 1,5. 1,8 мм методом штамповки или отливаются, например из пластмассы. Лопасти вентилятора, установленного на двигателе ЗИЛ-130, отштампованы из листовой стали, концы лопастей наклонены в сторону всасывания воздуха, что позволяет увеличить массовый расход воздуха. При использовании других материалов (алюминиевые сплавы, пластмассы) лопасти вентиляторов, как правило, отливаются совместно со ступицей. Анализ конструкций вентиляторов ведущих производителей автотракторной техники (рис. 1.76) свидетельствует об увеличении числа лопастей вентилятора (до 12), а также о применении вентиляторов, изменяющих угол наклона лопастей в автоматическом режиме (рис. 1.77) [14, с. 505J.

Рис. 1.75. Осевой вентилятор

Рис. 1.77. Вентилятор с автоматическим изменением угла установки лопастей:

1 — кривошип; 2 — шток; 3 — термочувствительный элемент с твердым наполнителем

Ширина лопастей ограничена и составляет в среднем 70 мм, так как расширение лопасти увеличивает массовый расход воздуха в меньшей степени, чем затраты мощности на привод вентилятора. К крестовине ступицы лопасти крепятся главным образом заклепками под углом к продольной оси. Наклон штампованных плоских лопастей относительно вертикальной плоскости, или угол атаки, составляет 40. 45°, выпуклые лопасти имеют угол атаки 35°. Число лопастей вентилятора составляет 4. 12. Увеличение числа лопастей повышает нс столько массовый расход воздуха, сколько затраты мощности на привод, поэтому вентиляторы с числом лопастей более шести применяются преимущественно на двигателях большой мощности.

Положение лопастей на валу позволяет до минимума уменьшить производительность вентилятора или создать реверсивное обратное движение потока воздуха в момент, когда воздух будет отсасываться из моторного отсека. При ограничении расхода воздуха ускоряется прогрев двигателя после запуска. Управление лопастями осуществляется автоматически в зависимости от температуры охлаждающей жидкости, управляющим элементом является термостат. Для снижения шума вентилятора лопасти на ступице могут устанавливаться с переменным шагом. На некоторых двигателях вентиляторы выполняются с Х-образным расположением лопастей, угол между осями лопастей составляет 70 и 110°, это также позволяет снизить общий уровень шума вентилятора.

При вращении лопастей осевого вентилятора возникает аэродинамическая сила, ускоряющая движение воздуха в осевом направлении. Разность скоростей потока воздуха на входе в крыльчатку вентилятора и на выходе из нее создает статическое давление. Напор, создаваемый вентилятором, зависит от геометрии и профиля лопастей, угла их установки и окружной скорости вращения.

КПД вентилятора со штампованными лопастями составляет 0,2. 0,4, у вентиляторов с профилированными лопастями КПД может быть выше — 0,55. 0,65.

Все вентиляторы после сборки или после изготовления методом литья подвергаются балансировке. Балансировка проводится в целях снижения динамической нагруженности вентилятора, что предотвращает его разрушение при большой частоте вращения, снижает общий уровень шума вентилятора.

Параметры лопастей и их число принимаются исходя из требуемого расхода воздуха и допустимых затрат мощности на привод. Для снижения общего уровня шума вентилятора лопасти могут иметь переменный шаг по радиусу и по ступице. Вентилятор на большинстве двигателей размещается на одном валу с водяным насосом и крепится болтами к установленному на нем шкиву. На двигателях ЯМЗ вентилятор расположен на неподвижной оси, имеющей возможность смещаться в перпендикулярной плоскости (рис. 1.78) [35, с. 368]. Приводной шкив со ступицей крепления крыльчатки вентилятора установлен на подшипниках. Положение оси вентилятора регулируется винтом.

Для повышения эффективности вентилятор помещают в направляющий кожух на расстоянии от плоскости радиатора, позволяющем получить наибольший расход воздуха. При отсутствии направляющего кожуха активной теплоотдающей поверхностью радиатора является поверхность, равная площади, ометаемой вентилятором, и зависящая от его диаметра. В этом случае наблюдается большая неравномерность поля скоростей по площади сердцевины радиатора, подсос воздуха по торцам вентилятора снижает обдув радиатора. Вентилятор без направляющего кожуха следует устанавливать на минимальном расстоянии от плоскости сердцевины (10. 20 мм).

Рис. 1.78. Вентилятор дизелей ЯМЗ

Вентилятор, помещенный в направляющий кожух, позволяет увеличить массовый расход воздуха без увеличения затрат мощности на его привод. Это обеспечивается снижением давления в рабочей зоне перед вентилятором и поступлением большего количества воздуха в зону всасывания. Создается равномерное поле скоростей по фронту радиатора, улучшается ометаемость сердцевины радиатора. Кожух, установленный в плоскости радиатора и по его контуру с минимальными зазорами, исключает поступление воздуха в зону всасывания из моторного отделения.

Вентилятор, направляющий кожух и привод вентилятора образуют вентиляторную установку. Вентиляторная установка обеспечивает продувку через сердцевину радиатора охлаждающего воздуха. Основное требование, предъявляемое к вентиляторной установке, — обеспечение расхода воздуха для поддержания заданного темпера129

турного режима системы охлаждения двигателя. Показатели работы вентилятора — давление и его КПД во многом зависят от конструкции применяемого кожуха, положения вентилятора в нем (рис. 1.79), компоновочных размеров вентилятора относительно радиатора (AL) и двигателя (All), зазора между лопастями и кожухом (AR) и выступания лопастей вентилятора из кожуха (АВ) [68]. Установочные размеры вентиляторов сельскохозяйственных тракторов приведены в табл. 1.3 (см. с. 150). В существующих вентиляторных установках тракторов и автомобилей приведенные параметры имеют достаточно широкий диапазон. Оптимальное значение параметров определяется для каждой конкретной машины с учетом существующей компоновки воздушного тракта, применяемого радиатора и вентилятора. Величина оптимального кольцевого зазора AR между вентилятором и кожухом зависит от конструкции и форм направляющего кожуха. При радиальных перемещениях воздуха в каналах между лопастями вентилятора малый кольцевой зазор становится причиной ухудшения аэродинамических характеристик. Форма кожуха, которая соответствует характеру потока, приводит к улучшению напорных характеристик вентилятора и при больших кольцевых зазорах. Кольцевой зазор между концами лопастей вентилятора и кожухом определяет потери вентилятора на всасывание воздуха. Сопротивление, индуцируемое потоком воздуха в зазоре о стенки кожуха, влияет на рас-

Рис. 1.79. Схема установочных параметров вентилятора

ход воздуха через воздушный тракт и на затраты мощности на привод вентилятора. Минимальный кольцевой зазор недопустим, так как ввиду эластичности подвески радиатора и передней части двигателя лопасти вентилятора задевают кожух и, как следствие, вентилятор и радиатор разрушаются. Рекомендуемая для установки вентиляторов среднестатистическая величина кольцевого зазора определена исходя из фактической величины зазора отечественных и зарубежных тракторов: AR= 13 ± 1,0 мм.

Расстояние от плоскости сердцевины радиатора до лопастей (AL) определяет участие охлаждающей поверхности радиатора в теплопередаче от жидкости к потоку воздуха. Поверхности радиатора, через которые поступает поток воздуха, активно передают теплоту. Наибольшее количество воздуха проходит через ту часть сердцевины, которая ометается вентилятором. Поэтому наружный диаметр вентилятора принимается равным одному из размеров радиатора — ширине или высоте. Неометаемая поверхность радиатора участвует в передаче теплоты, если через каналы этой части сердцевины циркулирует воздух. В зоне всасывания вентилятора сразу после радиатора мелкие струи воздуха, покидая каналы сердцевины, приходят в состояние турбулентности. Под действием вентилятора поток воздуха превращается в единую сплошную струю. Расстояние от радиатора до вентилятора определяет организацию движения потока воздуха и производительность вентиляторной установки. Среднестатистическое значение этого параметра AL = = 40 ± 5 мм. Расстояние между лопастями вентилятора и сердцевиной радиатора рекомендуется рассчитывать по формуле AL = = (0,85. 0,90)D_B [68].

Выступание лопастей вентилятора из кожуха А В принимается в пределах 0. 30 мм. Этот параметр влияет на производительность вентилятора и затраты мощности на привод. Благодаря выступающей части лопастей создается радиальная направленность траектории потока воздуха, снижается давление сразу после вентилятора, что увеличивает эффективность всасывания воздуха вентиляторной установкой. Величина данного параметра зависит от диаметра вентилятора, ширины лопастей и цилиндрической обечайки кожуха, охватывающей лопасти вентилятора, и рассчитывается по формуле А В = (0,030. 0,035)D_B. Среднестатистическая величина этого параметра составляет 16 ± 2,5 мм.

Компоновочные параметры вентиляторной установки оказывают существенное влияние на производительность вентилятора и затрачиваемую мощность. Увеличение отводимого количества теплоты от радиатора вследствие эффективности работы вентиляторной установки позволяет уменьшать габаритные и массовые параметры радиатора.

Вентиляторы являются основным энергозатратным элементом системы воздушного охлаждения. Давление, создаваемое вентилятором двигателя с воздушным охлаждением, достигает 2,0 МПа, частота вращения рабочего колеса составляет 8000 мин -1 и выше. Эти параметры и обусловливают конструкцию вентиляторов. Гидравлический КПД вентилятора 0,75. 0,80 обеспечивается конструкцией направляющего кожуха, лопастей и минимальным зазором между наружной кромкой лопастей и наружным кожухом. Ряд вентиляторов снабжены устройствами для регулирования производи-

Рис. 1.80. Вентилятор двигателей воздушного охлаждения:

1 — ротор; 2 — упорная шайба; 3 — стяжной болт; 4 — ось; 5 — шкив;
6 — направляющий аппарат

На рис. 1.80 представлен осевой вентилятор следующей конструкции [56, с. 116]. На наружной цилиндрической поверхности крепления ротора 1 выполнены профилированные лопасти. Ротор содержит ступицу для крепления на ось 4. Ось установлена на двух шариковых подшипниках, к оси крепится шкив клиноременной передачи 5. Ступица рабочего колеса зажата между упорными шайбами 2 на оси и стягивается болтом 3.

Рабочее колесо в сборе с подшипниками устанавливается в направляющем аппарате 6. Наружное кольцо направляющего аппарата является воздухозаборным патрубком. Лопасти рабочего колеса втягивают окружающий воздух и через направляющий аппарат подают его под кожух воздушного тракта, создавая давление, под действием которого воздух нагнетается в межреберное пространРис. 1.81. Вентилятор с встроенным генератором:

1 — ротор; 2 — направляющий аппарат; 3 — генератор; 4 — шкив; 5 — кронштейн; 6 — колодка штепсельного разъема; 7 — передний дефлектор; 8 — дроссельный диск

ство цилиндров и головок. Между лопастями в направляющем аппарате создается разрежение и туда всасывается воздух из окружающей среды. Привод вентилятора осуществляется клиноременной передачей от шкива коленчатого вала двигателя.

На ряде двигателей в рабочем колесе вместо подшипникового узла смонтирован генератор (рис. 1.81). Рабочее колесо с лопастями вращается на подшипниках ротора генератора. На шестицилиндровых двигателях ВТЗ, используемых на тракторах, применяется вентилятор с шестеренчатым приводом. Внутри вентилятора установлена гидромуфта, рабочее колесо с лопастями (ротор) закреплено на оси турбинного колеса гидромуфты. Вентилятор вместе с гидромуфтой смонтирован на крышке распределительных шестерен двигателя [56, с. 117].

Показатели вентилятора обусловливаются параметрами лопастей, зазором между лопастями и расточкой в направляющем аппарате. От длины лопастей зависит производительность вентилятора, длина лопастей при этом ограничена, так как она существенно повышает уровень внешнего шума. Производительность вентилятора также определяется радиальным зазором, который выполняется в пределах 0,4. 0,7 мм. Уменьшение зазора до размера менее 0,4 мм может привести к заклиниванию рабочего колеса в направляющем аппарате.

На рынке климатических приборов продается самая различная продукция. Лопастной вентилятор — это яркий пример того, что процесс охлаждения может быть максимально доступным, дешевым и бесшумным. Важно не только разобраться с принципом работы и достоинствами этого охлаждающего устройства, но и оценить характеристики основных его типов.

Понять, как работает вентилятор, невероятно просто. Для этого не нужно владеть какими-либо профессиональными навыками или иметь опыт работы с подобными механизмами. Принцип действия вентилятора основан на передвижении потоков воздуха под действием вращающегося колеса с лопастями, расположенными на валу силовой установки.

Во время передвижения колеса центробежная сила выбрасывает воздух в атмосферу, разгоняя его до определенной скорости. В зависимости от технических возможностей конкретной модели, такой процесс может сопровождаться определенным шумом, как правило, незначительным.

На сегодняшний день такие агрегаты задействуются не только для бытовых целей, но и для обустройства высокоэффективных вентиляционных систем. С их помощью можно снизить температуру нагревательных деталей в обогревательных установках, а также кондиционерах. Кроме того, подобные вентиляторы могут задействоваться для обдува радиаторов охлаждения в различном оборудовании.

На современном рынке доступны самые различные типы вентиляционного оборудования. В зависимости от способа работы и особенностей конструкции, бывают такие виды вентиляторов:

1. Диагональные.
2. Центробежные.
3. Осевые.
4. Безлопастные.
5. Перекрестные.

Также устройства могут отличаться направлением передвижения рабочего колеса. В связи с этим в качестве вентилирующего устройства используют:

1. Лопасти вентилятора с правым вращением, то есть по часовой стрелке по отношению к стороне всасывания воздушных масс.
2. Узел с левым вращением. В таком случае воздушный поток направлен против часовой стрелки.

Также доступные на рынке модели вентиляторов отличаются средой и условиями эксплуатации. Большинство агрегатов относятся к стандартной группе, которая подразумевает работу с перемещаемой средой (воздухом или газом), прогретой не больше чем до 80 градусов Цельсия.

Следующая группа вентиляторов включает в себя мощные устройства, которые не боятся коррозийных процессов. Они выполнены из передовых материалов и предназначаются для специфических условий, где есть риск развития коррозии.

Термостойкие вентиляторы не боятся продолжительного пребывания под воздействием температуры свыше 80 градусов Цельсия. Они особенно востребованы в жарком климатическом поясе, где есть вероятность быстрого перегрева бытовых приборов.

Также в продаже можно найти пылевые и взрывобезопасные вентиляционные устройства. Первый тип предназначается для сильно запыленной среды, а второй — для условий с повышенной взрывоопасностью.

В зависимости от способа и места монтажа, вентиляторы могут быть стандартными, канальными и крышными. Стандартные модели фиксируются на специальной опоре, в качестве которой используется бетонный фундамент, металлическая рама или любое другое фиксирующее средство. Канальные вентиляторы закрепляются непосредственно в воздуховоде. Что касается крышных моделей, то их закрепляют непосредственно на кровельной конструкции.

Также существует три категории устройств в зависимости от величины давления, появляющегося при передвижении воздушных масс:

1. До 1 кПа (пониженного давления).
2. До 3 кПа (повышенного давления).
3. До 12 кПа (высокого давления).

Разбираясь, как устроен вентилятор, важно внимательно рассмотреть принцип его работы. В зависимости от конструкции и типа модели принцип действия может немного отличаться. Если говорить об осевом приборе, то он выполнен в виде кожуха с основанием цилиндрической формы, на котором расположен круг с лопастями. На этом же кожухе находятся специальные крепежные отверстия, с помощью которых осуществляется фиксация прибора.

Вращающиеся элементы находятся на оси, а воздушный поток движется параллельно к ней. На входе в механизм установлен коллектор, улучшающий аэродинамические свойства всей системы. Если встречный поток отсутствует, процент потребляемой мощности устройства существенно снижается. При наличии интенсивного воздушного потока он сильно вырастает.

Что касается показателей КПД, то у осевых моделей они довольно высокие. Рабочие параметры, а именно напор и объем подаваемого воздуха, изменяются посредством специальных поворотных лопастей. Задача аксиальных (осевых) вентиляторов заключается в подаче больших объемов воздуха при минимальном сопротивлении.

Диагональные вентиляторы работают по аналогичному принципу, что и предыдущий тип, а единственное отличие заключается в специфическом выпуске воздуха. Здесь он осуществляется диагональным образом. Кожух обладает конической формой, что увеличивает скорость потока при появлении давления на вращающийся пропеллер. Для таких вентиляторов характерна высокая скорость обдува и минимальный уровень шума (аксиальные приборы работают более шумно).

Радиальные агрегаты представляют собой незамысловатую конструкцию, которая включает в себя рабочее колесо, зафиксированное в спиральный кожух. Во время вращения этого механизма воздушная масса направляется в радиальном направлении и сжимается. После этого поток подается в кожух под воздействием центробежной силы и возвращается в отверстие нагрева.

Устройства диаметрального типа появились на рынке немного позже, чем традиционные модели. Они представляют собой простую конструкцию из корпуса с патрубком и диффузором, а также из вращающегося механизма с загнутыми лопатками. Внешне рабочее колесо напоминает барабан.

Принцип действия подобной системы достаточно простой и основывается на 2-кратном пропускании воздуха поперек барабана. Современные вентиляторы диаметрального типа характеризуются отличными аэродинамическими характеристиками. В отличие от остальных типов они способны равномерно подавать воздушный поток в конкретном диапазоне.

Вентилятор выполнен таким образом, что он легко поворачивается в разные стороны, позволяя воздушным массам двигаться в нужном направлении. Диаметральные агрегаты широко применяются во внутренних блоках сплит-систем, воздушных завесах и прочем вентиляционном или кондиционном оборудовании.

Еще одним интересным изобретением является безлопастный вентилятор. В основе работы этого устройства лежит турбина, которая формирует поток воздуха в процессе работы. Рабочий механизм спрятан непосредственно в корпусе, а воздушная масса передвигается с помощью прорезей из-за появления эффекта аэродинамики.

За счет специфической комплектации профиля рамы воздух разреживается и дополнительно всасывается в задней части корпуса. Таким образом, общие объемы подаваемого воздуха увеличиваются до 16 раз. Минусом безлопастных моделей является довольно шумная работа, но это оправдывается отличной эргономичностью и отсутствием двигающихся механизмов, что повышает безопасность и удобство эксплуатации.

Как и другие бытовые или профессиональные приборы, вентиляторы обладают определенным набором характеристик. Чтобы успешно выбрать подходящую модель, нужно полностью разбираться в этих характеристиках и учитывать их при поиске оптимального варианта. Итак, список рабочих свойств вентиляторов состоит из таких пунктов:

1. Показатели полного давления измеряются паскалями.
2. Единицей измерения расхода воздуха и производительности устройства является кубический метр в час.
3. Скорость передвижения рабочего барабана отображена оборотами в минуту.
4. Потребляемую мощность обозначают киловаттами.
5. Уровень шума и звукового давления измеряется децибелами. Он определяется в месте входа и выхода воздуха.
6. Показатели коэффициента полезного действия отображают аэродинамические потери, потери из-за утечек, трений и прочих воздействий.

Все вентилирующие приборы могут обладать различными функциями, обеспечивающими более продуктивную и комфортную работу. В числе наиболее востребованных функций находятся:

1. Поддержка увлажнения воздуха. Такой режим эффективно охлаждает внутреннее пространство комнаты, не вызывая сильного осушения воздуха. Модели, имеющие такую функцию, стоят гораздо дороже остальных, но они полезны для человеческого здоровья.
2. Поддержка ионизации. Такие вентиляторы полезны для детей и пожилых людей. Более того, они особенно востребованы для людей, которые проводят много времени за рабочим компьютером. Также ионизирующие приборы необходимы во время прогрессирования сезонных инфекций, аллергических реакций и других угроз для здоровья.
3. Наличие поворотной системы, обеспечивающей быстрое изменение воздушного потока для более продуктивной работы.
4. Таймер. С помощью этого элемента можно запрограммировать автоматический запуск и отключение прибора.
5. Гидростат. Устройство мониторит текущие показатели влажности и автоматически включает вентилятор при достижении определенного уровня. Такая функция востребована для помещений с повышенными показателями сырости.
6. Датчик передвижения. Элемент реагирует на появление в здании человека и моментально запускает вентилятор, а затем отключает через определенный промежуток времени.
7. Функция проветривания. Поддержка постоянного проветривания позволяет вентилятору работать в среднем скоростном режиме с комфортным воздухообменом. При повышении влажности система автоматически включает максимальный режим.
8. Защита от брызг. Такой параметр присутствует у более элитных моделей вентилирующих устройств, которые предназначаются для условий с повышенной влажностью. Поддержка брызгозащиты указана на корпусе прибора маркировкой IP *4.
9. Обратный клапан. Функция полезна для больших помещений с несколькими комнатами и одной системой вентиляции. С помощью клапанов можно переключаться между приборами, перекрывая доступ к отдельным комнатам или, наоборот, открывая его.

В стандартном наборе вентилятора имеется несколько крепежных устройств и других деталей для успешного монтажа конструкции. Остальная комплектация определяется типом и классом системы. В числе наиболее востребованных аксессуаров, упрощающих эксплуатацию системы, находятся:

1. Защитные решетки с разным размером и внешними свойствами.
2. Батареи для автономной работы, которые рассчитаны на пару часов бесперебойной вентиляции. Количество циклов разряда-заряда превышает несколько сотен.
3. Элементы дождевой защиты.
4. Механизм управления с температурным датчиком. С его помощью можно удаленно следить за разными рабочими показателями, а также изменять их при необходимости.

Собираясь выбрать идеальный вентилятор для своего помещения, нужно учитывать несколько критериев выбора, а также обращать внимание на полезные советы экспертов. Если речь идет о покупке устройства для кабинета или компактной комнаты, то можно обойтись настольным агрегатом, который характеризуется повышенной эргономикой и удобно размещается на любых твердых поверхностях. Следует отдавать предпочтение моделям с вращающимся корпусом, т. к. они более эффективно обдувают обширное пространство.

При необходимости круглосуточного охлаждения дома следует выбирать устройства, поддерживающие ночной режим работы. Они не мешают жильцам спокойно отдыхать, но при этом гарантируют быструю и эффективную вентиляцию.

Учитывая простые рекомендации и советы по дальнейшему обслуживанию устройства, можно подобрать по-настоящему эффективный прибор, который добросовестно прослужит своему владельцу в течение многих лет.

Угловая скорость лопастей вентилятора = 6,28 рад/с. Найти число оборотов N за t = 30 мин.

Решение:

Число оборотов лопастей вентилятора можно найти, разделив все время вращения лопастей вентилятора t на время одного оборота, т. е. на период Т:

Период Т связан с угловой скоростью соотношением , откуда .

Подставим в предыдущую формулу правую часть этого выражения. Получим окончательно:

Переведем все единицы в СИ: 30 мин = 1800 с. Подставим числа и произведем вычисления:

Эта задача взята со страницы подробного решения задач по физике, там теория и задачи по всем темам физики, можете посмотреть:

Возможно вам будут полезны ещё вот эти задачи:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Читайте также: