Осевые вентиляторы
Вентилятор, конструкция которого обеспечивает продольное перемещение воздуха вдоль его оси, называется осевым. Наиболее простой осевой вентилятор (рис. 135) состоит из следующих частей: осевого лопастного рабочего колеса /, цилиндрического кожуха 6, входного коллектора 7, имеющего очертания плавного раструба. На выходе устанавливается диффузор 2 с выходным отверстием 5. Передняя торцевая часть втулки лопастного колеса и электродвигатель 4 вентилятора закрыты обтекателями 8 и 3.
Лопастное колесо монтируется непосредственно на валу электродвигателя или на специальной втулке, жестко посаженной на вал электродвигателя, который находится в центре воздушного потока соосно с кожухом вентилятора.
При быстром вращении лопастного колеса воздух всасывается через коллектор 7, проходит через кожух 6, диффузор 2 и выбрасывается через выходное отверстие 5. Диффузор 7 используется для преобразования части кинетической энергии воздуха в давление. Поэтому давление воздуха за лопастным колесом в диффузоре больше, чем в кожухе вентилятора.
Чтобы предотвратить перетекание воздуха из области более высокого давления (диффузора) в область всасывания (коллектор) зазор 
между внешними кромками лопастей н кожухом вентилятора делают минимальным, не превышающим 1,5% длины лопатки, т. е.
Лопастное колесо вентилятора состоит из втулки относительно большого размера (от 40 до 70% диаметра колеса) с центральным отверстием для вала. На втулке в специальных пазах закреплены лопасти. Иногда лопасти крепятся на специальном ободе, который монтируется на внешней поверхности втулки. Лопасти могут быть поворотными или закреплены наглухо. Количество лопастей колеблется от 2 до 16, в зависимости от назначения вентилятора.
В крупных вентиляторах лопасти для облегчения делают пустотелыми, а для удобства регулирования — поворотными. В этом случае регулирование достигается установкой лопастей под разным углом к плоскости вращения. Такой способ регулирования осевого вентилятора, а также способ регулирования поворотом лопастей направляющего аппарата (если такой имеется) являются наиболее целесообразными, так как позволяют изменить характеристику вентилятора в нужном направлении, Что является преимуществом перед способами регулирования задвижкой или изменением частоты вращения лопастного колеса.
В настоящее время широкое распространение получили вентиляторы ЦАГИ серии МЦ (низконапорные с цилиндрическими лопастями). Вентиляторы серии МЦ выпускаются от № 4 до № 12 и применяются для вентиляции гражданских и промышленных зданий, Полный КПД таких вентиляторов достигает 65%. Так, например, при п = 960 мин-1 вентилятор серии МЦ № 4 создает максимальный расход Q=1200 м3/ч при давлении р= 40 Па, а № 12 может создать максимальный расход Q = 65000 м3/ч при давлении р=200 Па. При п=1450мин-1 вентилятор серии МЦ № 4 создает минимальный расход Q = 1800 м3/ч при давлении р=90 Па, а вентилятор № 8 — максимальный расход Q=3000м3/ч при давлении р=200 Па.
Выпускаются и более совершенные осевые вентиляторы ЦАГИ серии ЦЗ-04, максимальный КПД которых достигает 76%. Вентиляторы № 5, 6 и 10 этой серии при п =960 мин-1 создают расход от Q = 3100 м3/ч при давлении р = 65 Па (вентилятор № 5) до Q=45 000 м3/ч при давлении р= 100 Па (вентилятор № 10).
При п =1450 мин-1 вентилятор № 4 этой серии создает расход Q=2500 м3/ч при давлении р = 100 Па, а вентилятор №8— Q=36 000 м3/ч при давлении р=140 Па.
Из сравнения осевых вентиляторов с центробежными следует, что осевые вентиляторы при равных эксплуатационных условиях менее громоздки, занимают меньшую площадь, конструктивно более просты и при больших подачах воздуха значительно экономичнее. Они развивают относительно меньшее давление (40—400 Па), но способны перемещать большие количества воздуха — до нескольких десятков тысяч метров кубических в час. Поэтому осевые вентиляторы применяются в вентиляционных системах с большой подачей воздуха, где отсутствуют значительные сопротивления.
Хотя обычно осевые вентиляторы применяются в системах с давлением до р=200÷300Па, встречаются установки с последовательно работающими осевыми вентиляторами, создающими общее давление до р = 1000 Па. Такие установки называются высоконапорными.
Изучение характеристик осевых вентиляторов показывает, что наибольший расход мощности у осевых вентиляторов получается при закрытой задвижке (Q = 0). Затем с увеличением подачи происходит значительное и резкое падение давления и расхода мощности. Поэтому пуск осевого вентилятора в работу должен производиться при открытой задвижке.
Одним из преимуществ осевых вентиляторов является их быстроходность. Вследствие этого они допускают непосредственное соединение с быстроходными электродвигателями и паровыми турбинами. В зависимости от конструкции лопастей допускается доводить окружную скорость до значений 100—200 м/с.
Подачу осевых вентиляторов Q, давление р и расход мощности N рассчитывают по приведенным формулам для центробежных вентиляторов.
В производственных условиях иногда приходится перемещать большие количества воздуха высокой влажности с примесями химически агрессивного характера. В таких случаях установка электродвигателя в центре потока недопустима, а потому применяются вентиляторы с электродвигателями, вынесенными из потока.
Работа вентиляторов связана с сильным шумом, переходящим иногда в гудение. Это значительный их недостаток. Для уменьшения шума рекомендуется: металлический кожух вентилятора заменять железобетонным; изолировать фундамент вентилятора от частей здания, стыки воздуховодов выполнять со вставками из плотной парусины и брезента; сооружать вентиляторы в деревянных футлярах, обитых войлоком.
Осевым вентилятором называется вентилятор, в котором воздух (или газ) перемещается вдоль оси рабочего колеса, вращаемого двигателем (рис. 136). Как и у радиальных вентиляторов, характеристики осевых вентиляторов показывают зависимость давления и мощности на валу и КПД от подачи.
Полную характеристику обычно получают экспериментальным путем при постоянной частоте вращения рабочего колеса. Пересчет параметров работы на другие частоты вращения производится по известным зависимостям. Форма характеристики определяется конструкцией и аэродинамическими свойствами вентилятора. В отличие от радиальных характеристика давления осевых нагнетателей часто имеет седлообразную форму.
На основе полных характеристик (рис. 137), используя формулы пересчета, получают универсальные характеристики осевых вентиляторов — индивидуальные, совмещенные и безразмерные.
Безразмерные параметры (коэффициенты), характеризующие вентилятор, относятся к его внешнему диаметру или к окружной скорости на внешнем диаметре. Эти параметры меняются вдоль радиуса. Например, коэффициент давления 
изменяется обратно пропорционально радиусу. На рис. 138 показано распределение давлений вдоль радиуса лопастного колеса при 
. Точки пересечения кривых с осью координат соответствуют случаю, когда 
.
Аэродинамические схемы. Под аэродинамической схемой осевого вентилятора подразумевается совокупность признаков и параметров, однозначно характеризующих проточную часть машины: число ступеней, равное числу рабочих колес; тип схемы, зависящей от наличия аппаратов, и их расположение по отношению к рабочему колесу; относительный диаметр втулки; число лопаток колеса и аппаратов, их углы установки.
Аэродинамическая схема обозначается буквами. Например, для одноступенчатых вентиляторов схема, состоящая из одного колеса, обозначается буквой К; схема, включающая кроме колеса спрямляющий аппарат— буквами K+CA; установка, оборудованная входным направляющим аппаратом, — буквами BHA+K+СА. Двухступенчатые схемы имеют, например, такое обозначение: К+СА+К+СА, ВНА+К+НА+К+СА.
Каждая из схем имеет свои особенности. По схеме К обычно выполняют вентиляторы с очень малыми значениями коэффициента давления ( <0,15), у которых относительная скорость закручивания с2и и связанное с ней динамическое давление незначительны. Воздух при этом подводится к рабочему колесу в осевом направлении (входной направляющий аппарат отсутствует). Конструкция проста, но КПД в области рабочих режимов снижается на 5—10% из-за отсутствия спрямляющего аппарата.
В СА динамическое давление, связанное со скоростью закручивания потока за рабочим колесом, преобразуется в статическое с некоторыми потерями, обусловленными течением в его диффузорном лопаточном венце. При этом без изменения характеристики мощности увеличиваются как полные давление и КПД, так и статические давление и КПД.
В тех случаях, когда по условиям компоновки вентилятора перед ним образуется неравномерный по сечению входа поток, входной направляющий аппарат будет уменьшать эту неравномерность и ее неблагоприятное влияние на работу вентилятора.
К многоступенчатым вентиляторам относятся также вентиляторы встречного вращения, у которых рабочие колеса вращаются в противоположных направлениях, а аппарат между ними отсутствует. Получив энергию в первом колесе, закрученный ноток поступает во второе колесо, которое закручивает его в противоположном направлении, продолжая передавать ему энергию. Эти вентиляторы могут иметь входной и выходной аппараты.
По назначению осевые вентиляторы делят на вентиляторы общего назначения и специальные. Вентиляторы общего назначения предназначены для перемещения чистого или мало запыленного воздуха, не содержащего взрывоопасных веществ, липкой, волокнистой и цементирующей пыли и агрессивных веществ при температуре до 40°С. Температурный предел принят из тех соображений, что при более высоких температурах значительно ухудшаются условия теплоотдачи обмоток электродвигателя, находящегося обычно в потоке перемещаемого газа.
К специальным вентиляторам относят вентиляторы, не используемые в обычных системах общеобменной вентиляции гражданских и промышленных зданий. Это вентиляторы, используемые для перемещения взрывоопасных и агрессивных примесей, шахтные вентиляторы и вентиляторы тоннельной вентиляции, потолочные вентиляторы, вентиляторы градирен, вентиляторы, встроенные в технологическое оборудование, и т. д.
Для перемещения взрывоопасных примесей применяют вентиляторы, выполненные из разнородных металлов: проточная часть выполнена из стали (рабочее колесо) и латуни (в корпусе имеется обечайка в зоне расположения рабочего колеса). При этом перемещаемая среда не должна иметь температуру выше 40°С, вызывать ускоренную коррозию материалов проточной части вентиляторов, содержать пыль и другие твердые примеси в количестве более 10 мг/м3, а также взрывоопасную пыль, липкие и волокнистые материалы.
Шахтные осевые вентиляторы используют в системах вентиляции подземных выработок. Вентиляторы местного проветривания предназначены для установки под землей в шахтах и рудниках и служат для проветривания тупиковых выработок, а также шахтных стволов и околоствольных выработок при их проходке. К местным вентиляторам предъявляют требования взрывобезопасности, компактности, минимальной массы, устойчивости работы в широком диапазоне расходов воздуха, простоты обслуживания и транспортабельности. Вентиляторы главного проветривания предназначены для обеспечения свежим воздухом шахт горно-добывающей промышленности. Их располагают на поверхности и они перемещают все количество воздуха, проходящего но вентиляционной сети шахты. Шахтные вентиляторные установки работают в основном на всасывание.
Вентиляторы тоннельной вентиляции служат для удаления выделяющихся в процессе эксплуатации теплоты, влаги, пыли и газов, а также поддержания в транспортных тоннелях требуемых метеорологических условий и химического состава воздуха. Работа вентиляторных установок тоннельной вентиляции сопровождается поршневым воздействием транспортных средств (поездов метрополитена и железнодорожных поездов, автомобильного транспорта).
Потолочные вентиляторы (фены) обычно применяют для турбулизации воздушной среды в помещениях, но иногда их используют для создания локального души-рующего эффекта (в тех случаях, когда обеспечить требуемую подвижность воздуха вследствие его перемешивания невозможно).
По направлению вращения лопастного колеса вентиляторы могут быть правыми и левыми. Если смотреть со стороны входа воздуха, то у вентиляторов правого вращения колесо вращается по часовой стрелке.
Номер вентилятора определяет его размер, т. е. диаметр рабочего колеса, выраженный в дециметрах.
Номенклатура осевых вентиляторов, выпускаемых нашей промышленностью для использования в промышленных и гражданских зданиях, довольно ограничена и включает вентиляторы типа В-06-300(№ 4; 5; 6,3; 8; 10 и 12,5) и В-2, 3-130 (№ 8; 10 и 12,5). Из разнородных металлов выпускаются вентиляторы лишь типа В-06-300 (№5; 6,3; 8; 10 и 12,5). В крышной модификации выпускается осевой вентилятор с колесом ЦЗ-04 (№ 4; 5 и 6,3). При этом рабочее колесо вращается в горизонтальной плоскости; приводом служит вертикально расположенный электродвигатель.
Потолочные вентиляторы выпускаются двух типов — «Союз» (ВПК-12, ВПК-15 и ВПК-18) и «Зангезур» (ВПМ 1-100).
Номенклатура шахтных вентиляторов и вентиляторов тоннельной вентиляции довольно обширна и приведена в специальных справочных руководствах. Отличительной особенностью этих вентиляторов (по сравнению с вентиляторами общего назначения) является высокая подача. Например, вентилятор типа ВОМД-24 (осевой двухступенчатый реверсивный с диаметром рабочих колес 2400 мм), применяемый для реверсивной вентиляции метрополитена, имеет подачу: при прямом ходе — 70 000—250 000 м3/ч, при реверсивном — 60 000—200 000 м3/ч.
На рис. 139 показаны различные варианты конструктивных схем соединения осевых вентиляторов с электродвигателем. В схеме 2 условия входа воздуха на рабочее колесо хуже, чем в схеме /, поскольку электродвигатель расположен перед колесом. Схемы 3 и 5 применяются в тех случаях, когда по правилам техники безопасности или по технологическим соображениям электродвигатель нельзя устанавливать в потоке перемещаемой среды. Если по конструктивным соображениям невозможно установить электродвигатель внутри корпуса вентилятора, то применяется схема 4. В случае когда частоты вращения электродвигателя и рабочего колеса вентилятора не совпадают, применяется схема 6.
В связи с осевым направлением потока непосредственное присоединение нагнетателя к трубопроводу является самым простым конструктивным решением. При входе в корпус чаще всего устанавливается очерченный плавной кривой коллектор. Если же перед нагнетателем имеется достаточно длинный трубопровод (такого же диаметра, что и корпус), то коллектор, естественно, становится ненужным. Следует заметить, что при очень длинных трубопроводах 
наличие пограничного слоя на стенках трубы может привести к значительному вытягиванию профиля скоростей и нарушению работы нагнетателя. В связи с этим желательно цилиндрические участки на подводах к нагнетателю делать больших, чем у нагнетателя, диаметров.
Для вентиляторных установок, работающих на всасывание, присоединительными элементами к сети могут быть:
входная коробка или входное колено для присоединения вентилятора к каналу, идущему от устья вентиляционной шахты;
выходная часть, состоящая из примыкающего к вентилятору диффузора и поворотного участка за ним. Иногда за диффузором устанавливается шумоглушитель.
Насосы с диаметром лопастей более 1 м имеют подвод в виде колена, небольшие насосы — камерный подвод.
При построении эффективной рабочей характеристики нагнетателя следует учитывать наличие различных колен и коробок, с помощью которых нагнетатель присоединяется к сети.
В зависимости от схемы вентиляторов, угла установки лопастей их рабочих колес и относительного диаметра втулки их характеристики могут иметь различную форму (рис. 140). При малых углах установки лопастей (10—15°) характеристики давления обычно монотонны (кривая /).
При увеличении угла установки характерно появление максимума давления и седловины (кривая 2) отчего вся характеристика' делится па левую— нерабочую и правую — рабочую ветви. При работе на левой ветви могут образовываться вращающиеся срывные зоны, угловая скорость которых отличается от скорости вращения рабочего колеса, что приводит к возникновению переменных нагрузок на лопасти и вибрации. При еще больших углах установки происходит разрыв характеристики давления (кривая 3).
Если на характеристике имеется глубокая седловина или разрыв, то режим работы при соответствующих подачах становится неустойчивым и возникает вероятность помпажных явлений, связанных с сильными колебаниями подачи и давления, что в некоторых случаях может вывести вентилятор из строя.
При использовании нагнетателей, имеющих характеристику с разрывом, наименьшая допустимая подача обусловливается положением точки разрыва, в то время как наибольшая — выбирается из условия обеспечения минимально допустимого значения КПД. Это обстоятельство приводит к уменьшению диапазона подач, который возможен для данного вентилятора. Работа вентилятора в области, расположенной правее максимума давления, исключает опасность как появления вращающихся срывных зон, так и возникновения помпажа.
В условиях эксплуатации часто требуется, чтобы установка обеспечивала такой диапазон режимов работы, который невозможно получить с помощью характеристики, соответствующей фиксированным углам установки лопастей вентилятора и принятой частоте вращения рабочего колеса. В этих условиях выполняется регулирование вентилятора одним из следующих способов:
1) изменение частоты вращения лопастного колеса;
2) поворот лопастей рабочего колеса; 3) поворот лопаток входного направляющего аппарата; 4) дросселирование.
Последний способ регулирования, как и для радиальных вентиляторов, самый неэкономичный, так как затраты мощности мало изменяются при уменьшении подачи.
Применение способа регулирования поворотом лопастей рабочего колеса определяется двумя факторами: безопасностью работы и экономичностью (при параллельном включении учитывается также устойчивость работы).
Осевые вентиляторы с поворотными лопастями колес обладают способностью значительной (до 50%) регулировки подачи, с сохранением при этом оптимального значения КПД. Однако при этом способе регулирования требуется вентилятор особой конструкции, позволяющей изменять в известных пределах угол установки лопастей его рабочего колеса. Практически изменение угла поворота происходит в диапазоне от 15 до 45°.
Регулирование поворотом лопаток направляющего аппарата является довольно эффективным способом регулирования, так как при этом достигается значительное изменение потребляемой вентилятором мощности. Этим пользуются при запуске в работу больших вентиляторов: перед пуском НА устанавливают в положение, соответствующее наибольшему снижению мощности. Однако нужно отметить, что применение этого способа регулирования оправдано только при достаточно больших углах установки лопастей рабочего колеса (более 30°). При малых углах установки изменение характеристик давления нагнетателей незначительно и эффект регулирования подачи резко снижается.
Регулирование поворотом лопаток спрямляющего аппарата (СА) не рекомендуется, так как оно сводится к простому дросселированию и не влияет на мощность нагнетателя.
Регулирование изменением частоты вращения лопастного колеса, хотя и является самым экономичным способом регулирования, применяется очень редко из-за сложности практического осуществления приводного устройства.
Наиболее рациональный способ регулирования вкаждом конкретном случае выбирается с учетом всех показателей.