Установка для випробовування вентилятора
Установка (див. рис. 2.1) складається з випробуваного вентилятора 1, що має робоче колесо, розташоване в спіральному кожусі; всмоктувального патрубка 2 з конічним колектором 3 і ґратами 4; перехідного патрубка 5; нагнітального патрубка 6 і електродвигуна постійного струму 7.
При обертанні робочого колеса повітря всмоктується з атмосфери завдяки створюваному розрідженню у всмоктувальному патрубку і надходить у нагнітальний патрубок. Грати служать для вирівнювання потоку, що надходить у робоче колесо, а спіральний кожух - для симетричного по колу збору повітря.
Рис. 2.1
При випробовуванні вентилятора використовується наступна контрольно-вимірювальна апаратура: рідинний манометр 9 для вимірювання розрідження на всмоктуванні, U - подібний водяний манометр 10 - для вимірювання тиску нагнітання, електротахометр 11 - для вимірювання частоти обертання вентилятора, а також вольтметр 12 і амперметр 13 - для визначення потужності, що споживається електродвигуном .
Методика випробовування
Основними характеристиками вентилятора є: характеристика при сталій, звичайно розрахунковій, частоті обертання 
(її ще називають робочою або індивідуальною) - визначається за даними випробовування вентилятора; при різних частотах обертання 
(універсальна) і безрозмірна, котрі одержують розрахунковим шляхом по даним характеристики при .
Для експлуатації машини найбільш важливою є характеристика при різних частотах обертання, а безрозмірна - служить для проектування і вибору машини.
2.1 Визначення характеристики при сталій частоті обертання 
Ця характеристика представляє наступні залежності між основними параметрами:
чи 
;
і 
,
що зображуються на одному графіку (рис. 2.2).
Рис. 2.2
Для визначення даної характеристики необхідно при постійній (розрахунковій) частоті обертання вентилятора змінювати продуктивність за рахунок зміни прохідного перерізу нагнітального патрубка діафрагмами 8 (див. рис. 2.1) на виході з нього. Такий спосіб регулювання роботи машин називається дроселюванням на нагнітанні.
2.1.1 Визначення об'ємної продуктивності (витрати)
Як відомо з гідравліки, витрата газу через діафрагму може бути визначена за формулою
, (2.1)
де 
- коефіцієнт витрати, 
- коефіцієнт, що враховує розширення середовища; 
- площа прохідного перерізу діафрагми; 
- перепад тиску між обома сторонами діафрагми (втрата тиску на діафрагмі).
Для вентилятора низького тиску ( 
100 мм вод. ст.) можна застосувати 
. З невеликою похибкою при малих витратах величину можна прийняти рівною показу манометра на нагнітанні.
Коефіцієнт витрати для шайби вибирається в залежності від відношення прохідного перерізу шайби і діаметра трубопроводу. Для спрощення розрахунків витрата в дослідах визначається по графіках, що знаходяться біля вентилятора і показаних на рис. 2.3. На рисунку зображені тарувальні графіки для визначення витрати повітря вентилятора при 
=760 мм рт. ст. і 
= 20°С ( 
= 1,2 кг/м3):
д.1, д.2 - номери діафрагм; 
- розрідження на всмоктуванні, 
- надлишковий тиск на нагнітанні.
Для кожної шайби, задаючись величинами 
, можна за формулою (2.1) побудувати криві (рис. 2.3)
при 
, (2.2)
що використовуються в дослідах для визначення малих і середніх витрат. При великих витратах, і зокрема при відкритому нагнітальному трубопроводі, велика точність досягається при використанні наступної наближеної формули
, (2.3)
де 
- коефіцієнт швидкості у всмоктувальному патрубку; 
- площа живого перерізу всмоктувального патрубку; - розрідження у всмоктувальному патрубку. Величина j може бути визначена за формулою 
, де коефіцієнт опору для лабораторної установки з кутом конусності колектора 
може бути прийнятий 
.
Тоді
.
Задаючись величиною розрідження на всмоктуванні за формулою (2.3) побудовані криві 
, якими користуються в досліді для визначення витрати при максимальній діафрагмі і відкритому трубопроводі (рис. 2.3).
Криві для визначення витрати побудовані для атмосферного тиску
мм рт. ст. і температури 
( 
). При інших атмосферних умовах зняті з графіків величини витрат варто привести до умов проведення експерименту відповідно до рівності
,
де 
визначається за даними досліду.
2.1.2. Визначення тиску (напору), що розвивається вентилятором
Цей тиск визначають як різницю повних енергій (повних тисків) у перерізах на виході з вентилятора ( 
) і вході в нього ( 
) (див. рис. 2.1).
З метою спрощення досліду і обробки даних характеристики визначаються по вимірах, що визначаються у перерізах (2-2) напірного і (1-1) всмоктувального патрубків. У цьому випадку параметри вентилятора (тиск і ККД) будуть трохи занижені на величину втрат на ділянках (1-1 і ) і (2-2 і ).
Так як ці ділянки невеликі і швидкість у патрубках мала ( 
), а проміжний патрубок конфузорний, то втрати в них будуть незначними і їх можна не враховувати в лабораторних дослідах.
У цьому випадку тиск, що розвивається вентилятором
, (2.4)
де
і 
,
чи
, (2.5)
де 
і 
.
Тут прийнято 
, а 
ввійшло зі знаком плюс як розрідження на всмоктуванні.
Величини статичних (надлишкових) тисків і заміряють приладами, а середньовитратні швидкості визначають з виразу 
, де 
- площа перерізу напірного і всмоктувального патрубка.
Напір,що створюється вентилятором, визначають за виразом
.
Будують криві 
і 
.
2.1.3. Визначення потужності і ККД вентилятора
Напір можна трактувати як питому роботу, тобто роботу одного кілограма стиснутого газу. Тоді корисну потужність вентилятора визначають за формулами, кВт:
або 
. (2.6)
Витрачена потужність більше корисної на величину гідравлічних і механічних (тертя в підшипниках) втрат, її часто називають потужністю на валу вентилятора або підведеною.
У дослідах витрачену потужність визначають за показниками вимірювальних електроприладів, кВт:
,(2.7)
де 
- ККД електродвигуна; 
- сила струму, А; 
- напруга, В.
ККД є відношення корисної потужності до витраченої
. (2.8)
Визначивши основні параметри вентилятора для різних продуктивностей, будують характеристику при сталій частоті обертання .
Результати спостережень і розрахунків зводяться в таблицях П.2.1 і П.2.2.
На рис. 2.2. приведений зразок характеристики вентилятора при сталій частоті обертання.
3. Визначення характеристики мережі
Характеристика мережі служить для вибору машини, а також для визначення робочої точки К (рис.2.2), в якій машина працює при даних 
, 
, 
, 
.
Мережею називаються елементи установки, що знаходяться перед і за вентилятором (всмоктувальні і нагнітальні патрубки, діафрагми, клапани та ін.), через які переміщується газ при роботі. В мережу входять також, наприклад, резервуар, в який попадає газ і та ін. Отже, мережа враховує корисні і шкідливі опори.
Таким чином, тиск у мережі 
визначається величиною корисного тиску (тиску в резервуарі) і опором (втратами в ній). Задача вентилятора на кожному режимі і створити тиск , рівний тиску в мережі, тобто завжди повинна виконуватися умова 
. Це означає, що характеристика мережі – залежність між витратою газу в мережі і величиною тиску, потрібного для забезпечення цієї витрати. Тому для вибору вентилятора (насоса, компресора) необхідно мати характеристику мережі 
чи частину її (розрахункові параметри).
Сполучення характеристики мережі з кривою тиску 
визначає робочу точку К вентилятора на заданому режимі роботи його.
В даній установці основні втрати відбуваються у діафрагмі. Зневажаючи іншими втратами, можна визначити наближену характеристику мережі.
З рівняння Бернуллі і витрат, записаних для перерізів (2 -2) і (3-3),
, (2.9)
де 
- втрачений напір,
отримуємо рівняння для характеристики мережі
,
чи 
, (2.10)
де 
- стала величина для кожної діафрагми.
Отже, крива характеристики мережі є парабола, що виходить з початку координат ( 
, 
), тому що корисного опору немає.
При постійній частоті обертання і одній діафрагмі 
може бути визначена тільки одна точка характеристики. Для розрахунку інших точок необхідно змінити частоту обертання вентилятора .
У дослідах частота обертання не змінюється, а так як витрата пропорційна частоті обертання в першому степені, то, задаючись декількома величинами витрати, можна визначити декілька точок характеристики мережі (табл. П.2.3).
4. Визначення характеристики при різній частоті обертання n=var
Ця характеристика представляє ряд кривих:
і 
,
що звичайно визначаються за даними дослідів при різних частотах обертання, і є найголовнішою для експлуатації машини. Однак у багатьох випадках з достатньою для практики точністю при зміні частоти обертання, приблизно, в межах n=(0,75...1,25)np, (np - розрахункова частота обертання) характеристика може бути визначена розрахунковим шляхом за даними характеристики при сталій частоті обертання з використанням законів пропорціональності подібних машин:
де 
- об’ємний ККД; 
- гідравлічний ККД.
В основі такого розрахунку лежить припущення, що при роботі з даною діафрагмою зі зміною частоти обертання режими залишаються подібними (трикутники швидкостей залишаються подібними). Тоді основні параметри вентилятора можуть бути перераховані за формулами:
і 
. (2.11)
Взагалі, подібність буде порушуватися за рахунок зміни ККД і тим значніше, чим більше робоча частота обертання буде віддалятися від розрахункової. Зауважимо, що з формул (2.6) і (2.11) випливає:
. (2.12)
Перерахунок характеристик вентиляторів за формулами (2.11) і (2.12) дозволяється ГОСТом, а для інших лопаткових машин (компресорів, насосів) у більшості випадків помилка не буде перевищувати 10% при зміні частоти обертання в заданих межах.
Для побудови характеристики при різній частоті обертання на кривій 
характеристики при сталій частоті обертання задаються декількома (5...7) значеннями ККД, наприклад 30%, 40% і 
, і визначають по характеристиці відповідні цим ККД величини і . Дані досліду заносять до протоколу в табл. П.2.4. Потім робиться перерахунок цих даних на задані частоти обертання за формулами (2.11).
По розрахункових і досліджених точках будують характеристики при різних частотах обертання. Зауважимо, що криві рівних ККД, проведені по розрахункових точках, є сімейство парабол (як це видно з формули (2.11), що проходять через загальну точку при 
.
На рис. 2.4 показаний зразок характеристики при різних частотах обертання для відцентрового пилового вентилятора.
5. Визначення безрозмірної характеристики
Безрозмірна характеристика одна служить для всіх подібних вентиляторів. Тому нею зручно користуватися при виборі вентиляторів.
Подібними називаються такі два вентилятори, у яких відношення будь-яких двох подібних геометричних розмірів (наприклад, діаметра і ширини робочого колеса) те саме (тобто виконуються умови геометричної подібності) і відношення аеродинамічних сил, що виникають у будь-яких двох подібних точках лопаток, має рівне значення (динамічна подібність).
Для побудови безрозмірної характеристики основні параметри характеристики при сталій частоті обертання , взяті для 8 продуктивностей , перераховуються на безрозмірні коефіцієнти: продуктивності 
, тиску 
і потужності 
за наступними формулами:
; 
; 
, (2.13)
де 
- колова швидкість зовнішнього діаметра колеса вентилятора, м/с; 
- зовнішній діаметр робочого колеса, м;
- площа обертового диску робочого колеса, м2, r - густина газу, 
, а 
, кВт.
Зауважимо, що ККД не перераховують.
За даними перерахунків будують криві 
, 
і 
аналогічно характеристиці при сталій частоті обертання, але в безрозмірних параметрах. Зразок безрозмірної характеристики відцентрового вентилятора показаний на рис 2.5. Вона схожа на характеристику при , але виражена в відносних параметрах і в явному вигляді не залежить від частоти обертання.
Рис.2.4
Рис. 2.5
Обсяг роботи
1. Ознайомитися з методикою проведення роботи.
2. На бланку протоколу накреслити схему установки з указівкою і розташуванням контрольно-вимірювальної апаратури.
3. Провести дослідження вентилятора, визначивши всі необхідні експеримен-тальні дані, зазначені в табл. П.2.1.
4. Виконати всі розрахунки, зазначені в протоколі в табл. П.2.2 - П.2.5. Так як в процесі дослідів оберти вентилятора можуть коливатися, то параметри і приводяться до одного числа обертів (розрахункового чи характерного для досліду) за формулою (2.11).
5. Побудувати характеристики при сталій і змінних частотах обертання, характеристику мережі і безрозмірну характеристику.