Un ventilador axial és un tipus de ventilador que fa que el gas flueixi a través seu en direcció axial, paral·lela a l'eix sobre el qual giren les pales. El flux és axial a l'entrada i a la sortida. El ventilador està dissenyat per produir una diferència de pressió, i per tant una força, per provocar un flux a través del ventilador. Els factors que determinen el rendiment del ventilador inclouen el nombre i la forma de les pales. Els ventiladors tenen moltes aplicacions, com ara en túnels de vent i torres de refrigeració. Els paràmetres de disseny inclouen la potència, el cabal, l'augment de pressió i l'eficiència.

Els ventiladors axials generalment tenen menys pales (de dues a sis) que els ventiladors centrífugs. Els ventiladors axials solen tenir un radi més gran i una velocitat (ω) més baixa que els ventiladors conductats (especialment a potència similar. Tensió proporcional a r^2).

Càlcul de paràmetres Com que el càlcul no es pot fer utilitzant els triangles de velocitat d'entrada i sortida, cosa que no és el cas en altres turbomàquines, el càlcul es fa considerant un triangle de velocitat mitjana per al flux només a través d'un element de pala infinitesimal. La pala es divideix en molts elements petits i diversos paràmetres es determinen per separat per a cada element. Hi ha dues teories que resolen els paràmetres per als ventiladors axials:

Teoria del corrent d'escapament Teoria de l'element de la fulla

Teoria del corrent d'escapament miniatura|428x428px|Variació de la pressió i la velocitat del flux a través d'un disc d'hèlix. A la figura, se suposa que el gruix del disc de l'hèlix és insignificant. Es mostra el límit entre el fluid en moviment i el fluid en repòs. Per tant, se suposa que el flux té lloc en un conducte convergent imaginari on:

D = Diàmetre del disc de l'hèlix. Ds = Diàmetre a la sortida.

ParàmetrePressióDensitatVelocitatEntalpia d'estancament−∞P aρ aC u (velocitat corrent amunt)h ou+∞P aρ aC s (velocitat del corrent d'escapament)h odRelacióIgualIgualDesigualDesigualComentarisLa pressió serà atmosfèrica tant a −∞ com a +∞La densitat serà igual tant a −∞ com a +∞La velocitat canviarà a causa del flux a través d'un conducte convergent assumitL'entalpia d'estagnació serà diferent a −∞ i +∞ A la figura, a través del disc de l'hèlix, les velocitats (C1 i C2) no poden canviar bruscament a través del disc de l'hèlix, ja que això crearia una ona de xoc, però el ventilador crea la diferència de pressió a través del disc de l'hèlix.

i

L'àrea del disc de l'hèlix de diàmetre D és:

El cabal màssic a través de l'hèlix és:

Com que l'empenta és el canvi de massa multiplicat per la velocitat del flux de massa, és a dir, el canvi de moment, l'empenta axial sobre el disc de l'hèlix a causa del canvi de moment de l'aire, que és:

Aplicant el principi de Bernoulli aigües amunt i aigües avall:

En restar les equacions anteriors:

La diferència d'empenta deguda a la diferència de pressió és l'àrea projectada multiplicada per la diferència de pressió. L'empenta axial deguda a la diferència de pressió resulta ser:

Comparant aquest empenyiment amb l'empenyiment axial a causa del canvi de moment del flux d'aire, es constata que:

Un paràmetre 'a' es defineix de manera que -

on

Utilitzant l'equació anterior i "a", una expressió per a C s resulta ser:

Càlcul del canvi en l'entalpia d'estagnació específica a través del disc:

Ara, el valor ideal de la potència subministrada a l'hèlix = cabal màssic * canvi d' entalpia d'estancament;

on

Si s'utilitzava una hèlix per propulsar una aeronau a una velocitat = C u ; aleshores la potència útil = empenta axial * velocitat de l'aeronau;

Per tant, l'expressió de l'eficiència resulta ser:

Sigui Ds el diàmetre del cilindre de sortida imaginari. Per l'equació de continuïtat;

De les equacions anteriors se sap que -

Per tant;

Per tant, el flux es pot modelar on l'aire flueix a través d'un conducte divergent imaginari, on el diàmetre del disc de l'hèlix i el diàmetre de la sortida estan relacionats.

Teoria de l'element de la fulla miniatura|300x300px|Pala llarga d'un ventilador d'hèlix amb secció de pales variable. En aquesta teoria, es pren un element petit ( dr) a una distància r de l'arrel de la pala i s'analitzen totes les forces que actuen sobre l'element per obtenir una solució. Se suposa que el flux a través de cada secció de petit gruix radial dr és independent del flux a través d'altres elements. miniatura|400x400px|La figura mostra les velocitats i les forces de les pales per al flux a través de l'element dr, on w és la velocitat mitjana en una direcció β des de la direcció axial. Δ L = força de sustentació (perpendicular a w) i Δ D = força d'arrossegament (paral·lela a 'w'). Les forces axials i tangencials són Δ Fx i Δ Fy respectivament, i la força resultant Δ Fr forma un angle Φ respecte a la sustentació. Forces resolutives a la figura -

El coeficient de sustentació (C L) i el coeficient d'arrossegament (CD) es donen com a -

També de la figura -

Ara,

El nombre de fulles (z) i l'espaiat (s) estan relacionats com i l'empenta total per a la secció elemental de l'hèlix és zΔFx .

Per tant,

De la mateixa manera, resolent per ΔF y, es descobreix que ΔF y és -

i

Finalment, l'empenta i el parell motor es poden calcular per a una secció elemental, ja que són proporcionals a Fx i Fy respectivament.

Característiques de rendiment miniatura|300x300px|Aquesta figura mostra la corba de rendiment d'un ventilador de flux axial. La relació entre la variació de pressió i el cabal volumètric són característiques importants dels ventiladors. Les característiques típiques dels ventiladors axials es poden estudiar a partir de les corbes de rendiment. La corba de rendiment del ventilador axial es mostra a la figura. (Es dibuixa la línia vertical que uneix el punt de màxima eficiència i que es troba amb la corba de pressió al punt "S") De la corba es pot deduir el següent:

A mesura que el cabal augmenta des de zero, l'eficiència augmenta fins a un punt concret que assoleix el valor màxim i després disminueix. La potència de sortida dels ventiladors augmenta amb un pendent positiu gairebé constant. Les fluctuacions de pressió s'observen a cabals baixos i a cabals (com indica el punt "S") la pressió disminueix. Les variacions de pressió a l'esquerra del punt "S" provoquen un flux inestable degut als dos efectes d'aturada i sobretensió.

Causes del flux inestable L'aturada i les sobretensions afecten el rendiment del ventilador, les aspes i la sortida, i per tant no són desitjables. Es produeixen a causa d'un disseny inadequat, de les propietats físiques del ventilador i generalment van acompanyats de la generació de soroll.

Efecte de bloqueig/bloqueig La causa d'això és la separació del flux de les superfícies de les pales. Aquest efecte es pot explicar pel flux sobre una làmina d'aire. Quan l'angle d'incidència augmenta (durant el flux de baixa velocitat) a l'entrada de la làmina d'aire, el patró de flux canvia i es produeix la separació. Aquesta és la primera etapa de l'estancament i a través d'aquest punt de separació el flux se separa, cosa que porta a la formació de vòrtexs, reflux a la regió separada. Per a una explicació més detallada de l'estancament i l'estancament rotatiu, consulteu la sobrecàrrega del compressor. La zona d'estancament per al ventilador axial individual i els ventiladors axials que funcionen en paral·lel es mostra a la figura. miniatura|400x400px|La figura mostra les zones propenses a bloqueig de manera diferent per a un ventilador i dos ventiladors en paral·lel.

Per als ventiladors que funcionen en paral·lel, el rendiment és inferior en comparació amb els ventiladors individuals. Els ventiladors s'han de fer funcionar en una zona de funcionament segur per evitar que es bloquegin.

Moltes fallades de ventiladors axials s'han produït després que els ventiladors axials de pales controlades es bloquegessin en una posició fixa i s'instal·lessin variadors de freqüència (VFD). Els VFD no són pràctics per a alguns ventiladors axials. Els ventiladors axials amb regions d'inestabilitat greu no s'han de fer funcionar a angles de les pales, velocitats de rotació, cabals màssics i pressions que exposin el ventilador a condicions de bloqueig.

Efecte creixent/Surge No s'ha de confondre la sobrepressió amb l'aturada. L'aturada només es produeix si no hi ha prou aire que entra a les pales del ventilador, cosa que provoca la separació del flux a la superfície de la pala. La sobrepressió o el flux inestable que causa una avaria completa dels ventiladors es deu principalment a tres factors.

sobretensió del sistema Pujada del ventilador Paral·lelisme

Mètodes per evitar el flux inestable Dissenyant les pales del ventilador amb una relació adequada entre el cub i la punta i analitzant el rendiment del nombre de pales perquè el flux no se separi a la superfície de la paleta, aquests efectes es poden reduir. Alguns dels mètodes per superar aquests efectes són la recirculació de l'excés d'aire a través del ventilador; els ventiladors axials són dispositius d'alta velocitat específica que funcionen amb alta eficiència i, per minimitzar els efectes, s'han de fer funcionar a baixes velocitats. Per controlar i dirigir el flux, es suggereix l'ús de pales guia. Els fluxos turbulents a l'entrada i sortida dels ventiladors provoquen bloquejos, de manera que el flux s'ha de fer laminar mitjançant la introducció d'un estator per evitar aquest efecte.

Referències

Categoria:Aspa Categoria:Disseny Categoria:Aerodinàmica