Вентиляторы широко применяются в промышленности и в быту, от охлаждения миниатюрных микросхем до создания течения в огромных исследовательских аэротрубах. Когда возникает потребность в установке вентилятора для той или иной системы, выбор производится исходя из ассортимента находящихся в доступности вентиляторов с точки зрения приобретения или изготовления. Несмотря на большое количество производимых вентиляторов различных типов, с различными параметрами и характеристиками, далеко не всегда можно подобрать подходящий вентилятор, соответствующий требованиям, которые к нему предъявляются. При этом даже наиболее дорогие и совершенные вентиляторы могут не обеспечивать высокую эффективность на всех режимах работы из-за специфики работы и регулирования всей системы в целом. Так, например, они могут не обеспечивать высокую эффективность вентилятора на нескольких режимах эксплуатации или высокую эффективность в требуемом диапазоне расходов.

В случае раздельного приобретения движителя (колеса с лопастями) и двигателя может возникнуть иная проблема. Так, например, электродвигатель и вентилятор могут быть рассчитаны на разные рабочие частоты вращения, и в таком случае потребуется установка редуктора, что приведет к утяжелению и усложнению конструкции, снижению ее надежности и эффективности. 

Проектирование вентилятора с нуля под конкретную задачу позволит избежать подобных проблем, и этот подход может быть самым актуальным при создании сложных технических систем. Учёт рабочих параметров силового оборудования упростит согласование совместной работы с вентилятором, позволит отказаться от дополнительных элементов и, как следствие, от дополнительных потерь при передаче энергии вентилятору. Примененный инженерами АО «ЦИФРА» подход при проектировании вентиляторов обеспечивает высокую эффективность на требуемых режимах эксплуатации, а моделирование вентилятора методами вычислительной газодинамики (CFD-моделирование) позволяет получить подтверждение заявленных показателей в реальных условиях.

Этапы проектирования вентилятора

Прежде всего производится выбор двигателя для привода вентилятора. Двигатель определяет энергопотребление системы, то есть затраты на эксплуатацию. Проектирование вентилятора осуществляется с учётом параметров двигателя.

Второй этап предполагает определение геометрической формы проточной части и лопаточного аппарата вентилятора, исходя из заданных параметров течения и габаритных размеров вентилятора. В качестве исходных данных выступают параметры потока, которые необходимо обеспечить вентилятору на том или ином режиме, а также частота вращения и максимальная допустимая мощность вентилятора в соответствии с параметрами двигателя. В результате проектировочного расчета, проводимого с помощью программного обеспечения Ansys (BladeModeler, Vista TF и другие), создается геометрическая модель вентилятора, которая затем используется на последующих этапах. 

Рисунок 1 – Модель рабочих лопаток вентилятора в Ansys BladeModeler

Третий этап выступает в качестве поверочного расчета. Он позволяет с помощью CFD-моделирования подтвердить эффективность вентилятора и определенные на первом этапе параметры – расход, напор, мощность вентилятора. Моделирование проводится в изолированной постановке, то есть вне системы, для которой предназначается проектируемый вентилятор. Это позволяет исключить влияние на вентилятор внешних факторов и оценивать исключительно сам агрегат и результаты расчетов первого этапа. При этом исследуется как аэродинамическая эффективность проточной части лопаточного аппарата, так и реальные показатели работы вентилятора с учётом формы и размера канала, в котором он установлен. 

Рисунок 2 – Визуализация CFD-моделирования вентилятора

Последующий этап также подразумевает CFD-моделирование, только постановка задачи включает в себя все элементы системы, в которой функционирует вентилятор. Это могут быть сети трубопроводов, охлаждаемое оборудование, вентилируемые помещения. На данном этапе проводятся высоко детализированные расчеты газодинамики, позволяющие оценить работу вентилятора в реалистичных условиях, работу всей системы в целом и влияние элементов системы на вентилятор. Исследуются частичные режимы работы вентилятора, характерные для рассматриваемой системы. 

По результатам моделирования проводится анализ течения внутри системы, выявляются отрывы потока, нестабильности и неравномерность распределения скорости, температуры и давления в потоке. На основе анализа может быть выполнена корректировка расчета по первому этапу либо сформированы рекомендации по оптимизации системы для повышения эффективности течения.

На заключительном этапе для проектируемого вентилятора осуществляется подбор материала, в первую очередь для изготовления лопаток. Затем проводится прочностной расчет лопаток вентилятора при нагружении их давлением со стороны потока газа, центробежными силами и гравитационными силами. При необходимости могут быть проведены дополнительные исследования по определению оптимальных конструкции вентилятора и его материалов. Подробнее о выборе материала можно узнать в статье «Анализ и выбор композиционного материала для производства вентиляторной лопасти». 

Рисунок 3 – Визуализация перемещений и напряжений для рабочей лопатки вентилятора

Данный подход позволяет сделать то, что невозможно учесть при выборе серийного вентилятора – оценить работу вентилятора в условиях эксплуатации – в системе, для которой он предназначен. Компьютерное моделирование с применением методов вычислительной газодинамики значительно экономичней экспериментального исследования, благодаря чему доступно многовариантное проектирование, которое в результате приводит к созданию высокоэффективного агрегата для заданных условий эксплуатации. Анализ течения в условиях эксплуатации позволяет обнаружить дополнительные возможности по оптимизации системы путём, например, изменения формы тракта или расположения оборудования.

Стоимость изготовления единичного экземпляра спроектированного вентилятора выше, чем производимых серийно, однако экономический эффект, который произведёт специально подобранный для определенной системы вентилятор, может значительно превзойти разницу в стоимости в процессе эксплуатации. Так, для крупных исследовательских, коммерческих и спортивных аэротруб мощность установленных вентиляторов исчисляется сотнями киловатт и даже мегаваттами, и повышение КПД не только вентилятора, но и передачи энергии от двигателя вентилятору на несколько процентов даёт значительную выгоду за счёт экономии электроэнергии и понижает стоимость владения и эксплуатации в рамках всего жизненного цикла системы. 

Инженерами АО «ЦИФРА» с применением вышеописанного подхода выполнен проект по проектированию вентилятора для спортивной аэротрубы. Проектирование вентилятора на основе CFD-моделирования позволило разработать вентилятор, обеспечивающий требуемую скорость воздушного потока в широком диапазоне режимов, что очень важно для подобных установок, так как скорость потока постоянно регулируется оператором в зависимости от массы летающего человека, количества людей в полетной зоне и даже стиля полёта. Частота вращения вентилятора подобрана в соответствии с частотой вращения электродвигателя, выбранного заказчиком, что позволило отказаться от редуктора, тем самым обеспечив высокую эффективность работы вентилятора. Прочностной расчет показал достаточный запас прочности лопаток вентилятора при подобранном в ходе исследований материале.

Рисунок 4 – Модель спортивной аэротрубы

Также проведено исследование уже существующего вентилятора, у которого за время эксплуатации деформировались рабочие лопатки закрученной формы, что привело к ухудшению аэродинамических характеристик системы. Форма лопатки была отсканирована и использована при создании трёхмерной модели вентилятора. По результатам CFD-моделирования заказчику выданы рекомендации по оптимизации системы путём изменения угла установки лопаток.

Таким образом, проектирование вентилятора средствами численного моделирования (CFD) создаёт основу для создания высокоэффективного вентилятора, удовлетворяющего предъявляемым к нему требованиям и обладающего высокой экономичностью при эксплуатации.