Введение
Каждый специалист, который сталкивался в каталогах фирм с аэродинамическими характеристиками вентиляторов, или проводивший аэродинамические испытания вентиляторов, должен понимать некоторые практически важные свойства этих характеристик. Конкретно, в данном тексте речь пойдёт о поведении аэродинамических характеристик вентиляторов в левой части по производительности от режима максимума КПД, за пределами рабочей области при постепенном приближении производительности к нулю (под рабочей областью раньше понимали диапазон производительностей справа и слева от максимума КПД, ограниченный значениями КПД не менее 0,9 его максимального значения). Если в рабочей зоне вентилятора вполне можно пользоваться действующими стандартами и правилами измерений, то указанную выше левую область надо рассмотреть повнимательнее. Качество и точность измерений в этой области существенно зависят от ряда внутренних и внешних факторов. При этом нам понадобится использовать понятие числа Рейнольдса:
Re = V*d/n, здесь
V – характерная скорость течения в месте измерений, м/с;
d – характерный геометрический размер обтекаемой поверхности, м;
n — кинематический коэффициент вязкости движущегося газа (для воздуха n =1,5*10-5 м2/с).
При правильном выборе его составляющих, число Рейнольдса характеризует режим течения воздуха – ламинарный, переходный или турбулентный. Эти три режима течения существенно отличаются по физической сути и описывающим их законам. Если вы обратитесь к Справочнику по гидравлическим сопротивлениям И.Е.Идельчика, то увидите, что для всех формул определены области допустимых значений числа Рейнольдса. Это так называемые области автомодельности, т.е. области значений числа Рейнольдса, для которых применимы приведенные безразмерные формулы, описывающие конкретные параметры течения.
Начнём с внутренних факторов, относящихся к самому вентилятору.
При проведении аэродинамического испытания какого-либо вентилятора будем двигаться по производительности в сторону снижения. При уменьшении производительности от максимума КПД, будут пошагово меняться углы натекания потока на лопатки рабочего колеса и спрямляющего аппарата (если он есть) или режимы работы спирального корпуса (если он есть). Будет происходить всё большее расхождение между углом установки лопаток на входе колеса и углом натекания. Аналогично со спрямляющим аппаратом и спиральным корпусом. При каком-то конкретном снижении производительности произойдёт отрыв потока от лопаток колеса, спрямляющего аппарата или поверхности спирального корпуса. В каком именно элементе, в первую очередь, зависит от конкретной аэродинамической схемы вентилятора. Эти изменения режимов течения приведут к случайным по величине и во времени колебаниям измеряемых параметров вентилятора, к повышению широкополосного шума. При дальнейшем снижении производительности отрывы на лопатках разрастаются и, с какого-то момента, начинают взаимодействовать между собой, создавая периодические в пространстве (по окружности) и по времени структуры. Это так называемый вращающийся срыв. Его параметры могут меняться с изменением производительности. При этом происходит усиление колебаний параметров потока и появляется в шуме характерная низкая частота срыва. Надо учитывать, что снижение производительности означает снижение характерных скоростей течения в вентиляторе. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению характерного значения числа Рейнольдса и режим течения в части каналов вентилятора может стать переходным между турбулентным и ламинарным. Могут измениться законы течения.
Аналогичные процессы могут происходить во входном коллекторе центробежного вентилятора: при снижении производительности, скорости снижаются. Можно прикинуть значение числа Рейнольдса, взяв за V среднюю скорость в коллекторе и за d диаметр горла коллектора. Переходный режим примерно соответствует Re= 2*103 — 104. Автомодельная область лежит выше 104 и соответствует турбулентному течению. Для таких условий, например, применимо понятие к-фактора.
Аналогичные процессы могут также происходить в диффузоре за осевым или центробежным вентиляторами. Там тоже при снижении производительности режим течения может перейти от турбулентного к переходному с изменением законов течения и утерей автомодельности и возможности применять известные формулы.
Кроме того, надо помнить, что при приближении производительности к нулю у центробежных вентиляторов потребляемая мощность снижается и частота двигателя растёт, а у осевых вентиляторов аэродинамическая характеристика перестраивается и к нулю может сильно возрастать с учётом описанных выше процессов.
На основании изложенного, не стоит сильно доверять аэродинамическим характеристикам в области низких производительностей, нарисованным на графиках, особенно если у них есть разрыв параметров, как это часто бывает у осевых вентиляторов или у центробежных вентиляторов с загнутыми вперёд лопатками.
Теперь перейдём к внешним факторам.
В соответствии с действующими стандартами, аэродинамические испытания вентиляторов проводят на стендах по схемам А, В, С, D. Обязательной частью этих стендов являются измерительные сужающие расходомерные устройства: входные измерительные коллектора или расходомерные трубы Вентури. Для этих устройств также надо учитывать значения числа Рейнольдса, при которых проводятся испытания, поскольку область автомодельности обычно указывается Re=104 и выше (рис.1,2). Поэтому важно контролировать число Рейнольдса при испытаниях при приближении значений измеряемых производительностей к нулю. Может оказаться, что какая-то область производительностей в левой части измеряемой аэродинамической характеристики вентилятора окажется измеренной с низкой точностью.
Это не означает, что при Re=104 и ниже измерения неверны. Просто при снижении производительности будет постепенно снижаться точность измерений. На рис.3 приведен пример измерений зависимости значений коэффициента коллектора от числа Рейнольдса (соответствует снижению производительности воздуха через измеряемый коллектор). Отчётливо видно, что точность измерений растёт с увеличением числа Рейнольдса. Аналогичные проблемы при движении производительности в сторону нуля будут возникать и в других элементах измерительных стендов, например, в диффузорах, регулирующих клапанах.
Измерительные аэродинамические стенды являются довольно простой разновидностью реальной вентиляционной системы, включающей установку обработки воздуха и сеть воздуховодов и воздухораспределителей. Поэтому в реальных условиях надо оценивать характерные значения числа Рейнольдса наиболее важных элементов системы, чтобы случайно не попасть в область неавтомодельности по Рейнольдсу, где формулы аэродинамических расчётов начнут отличаться от применяемых в автомодельной области.
Караджи В.Г.,
13.12.2025 г.
