Proge&o  d’anno  –  MACCHINE  –  a.a.  2010/2011  

 Dimensionamento  di  un  VENTILATORE  ASSIALE  

per  gallerie  del  vento  verHcali  (VerHcal  Wind  Tunnels)    

 Maggiori  Luca  (726825)  Maj  Ivan  (729300)    

OBIETTIVO:  A  parHre  dalle  informazioni  sull’impianto,  dimensionare  il  venHlatore  assiale  più  ada&o  per  le  specifiche  IMPIANTO  DI  RIFERIMENTO:  Aerodium  WW-­‐R-­‐4  

Defle&ori  aerodinamici   Raddrizzatori  a  nido  d’ape  

CARATTERISTICHE  IMPIANTO  e  ipotesi  assunte:    •  VerHcal  Wind  Tunnel  a  circuito  chiuso  •  3  tunnel  con  altre&anH  venHlatori  assiali  alimentano  la  camera  di  volo  •  VenHlatori  idenHci  e  tunnel  di  alimentazione  idenHci:  si  analizza  un  singolo  

tunnel  •  Fonte  di  potenza:  3  motori  ele&rici    •  Diametro  camera  di  volo:  Dvolo=3.7m  •  Velocità  (massima)  nella  camera  di  volo:  Vvolo=70  m/s    (252  km/h)  •  Si  ipoHzza  fluido  incomprimibile  (ρ=1.2  kg/m^3  costante;  viscosità  

dinamica  μ=1.81*10-­‐5  Pa*s)    •  4  curve  a  90°  dotate  di  defle&ori  aerodinamici  per  la  riduzione  delle  

perdite  di  carico:  coefficiente  di  perdita  per  ogni  curva:  β90=0.2  •   Coefficiente  di  perdita  totale  per  tral  convergenH  e  divergenH  βdiv=0.32  •  Condol  in  acciaio    scabrezza  assoluta  ε=4.8*10-­‐5  m  •  Lunghezza  condo&a:  Lc=53.46  m  

RISULTATI  (uHli  per  il  dimensionamento  del  venHlatore):    •  Diametro  della  condo&a  (80%  del  diametro  della  camera  di  volo)  

Dc=2.96m  (sezione:  Sc=6.878  m2)  •  Portata  totale:  Qtot=752.3  m3/s  •  Portata  in  ogni  condo&a:  Qmacchina=250.76  m3/s  •  Velocità  nella  condo&a:  vax=36.46  m/s    •  Numero  di  Reynolds:  Re=7,15*106  (regime  di  moto  puramente  turbolento)  •  Curva  cara&erisHca  impianto:  Himp=0.00174*Q2  [m]  (energia  necessaria  a  

vincere  le  perdite  in  condo&a,  mantenendo  la  portata  di  fluido  richiesta)    •  Nota  la  portata,  si  ricava  Himp=109.409  m  •  Lavoro  specifico  da  fornire  al  fluido  lid=gH=1072.9  J/kg  •  Potenza  Pid=322.83  kW    (=ρ*Q*gH)  

DIMENSIONAMENTO  venHlatore    •  Ricerca  di  macchine  già  in  produzione  con  cara&erisHche  simili  

Catalogo  Axial  Flow  Fans  -­‐  WITT&SOHN    

•  Da  gH=1073  J/kg    Δp=ρ(gH)=1287.6  Pa      Q=250  m^3/s=900,000  m^3/h  •  DHp=2.8m  (esclusa  cassa  esterna)  •  Rapporto  Dhub/DHp  =  0.45        Dhub=1.26  m      Dm=2.03  m      hpala=0.77m  •  Superficie  anulare  di  a&raversamento  macchina  A=4.91  m^2  •  Velocità  assiale  di  a&raversamento  macchina  V1=V3=51.065  m/s  

•  Da  gH=1073  J/kg    Δp=ρ(gH)=1287.6  Pa  •  Motore  a  6  coppie  polari    n=(120*f)/npoli    n=1000  rpm  

PARAMETRI  ADIMENSIONALI  (convenzione  Osnaghi)    ωs=8.84  Ds=0.73  SHma  del  rendimento  da  tabella  staHsHca        η=0.73    Coefficiente  di  portata  φ=0.48  Coefficiente  di  carico        ψ=0.493  

TRIANGOLI  DI  VELOCITÀ      •  hpala  =  0.77  m    non  si  può  applicare  l’ipotesi  MONODIMENSIONALE  •  Si  analizzano  condizioni  di  ingresso  rotore  (1)  e  uscita  rotore  (2),  coincidente  con  

entrata  statore  •  Uscita  statore  assiale  (V3=V1)  

%span   r   U  (m/s)  V1  (m/

s)  W1  (m/

s)   beta1  V2ax  (m/s)  

V2t  (m/s)   alfa2  

V2  (m/s)  

W2ax  (m/s)  

W2t  (m/s)   beta2  

W2  (m/s)  

dbeta_rotore  

dalfa_statore  

Mach_periferico  

Mach_relaHvo  

0   0.63   65.97   51.06   83.43   142.26   51.06   22.28   66.43   55.71   51.06   -­‐43.69   130.55   67.21   -­‐11.71   23.57   0.19   0.24  

0.2   0.784   82.10   51.06   96.69   148.12   51.06   17.90   70.68   54.11   51.06   -­‐64.20   141.50   82.03   -­‐6.62   19.32   0.24   0.28  

0.4   0.938   98.23   51.06   110.71   152.53   51.06   14.96   73.67   53.21   51.06   -­‐83.26   148.48   97.67   -­‐4.05   16.33   0.29   0.32  

0.5   1.015   106.29   51.06   117.92   154.34   51.06   13.83   74.85   52.90   51.06   -­‐92.46   151.09   105.63   -­‐3.25   15.15   0.31   0.34  

0.6   1.092   114.35   51.06   125.24   155.94   51.06   12.85   75.87   52.66   51.06   -­‐101.50  153.29   113.62   -­‐2.64   14.13   0.33   0.36  

0.8   1.246   130.48   51.06   140.12   158.63   51.06   11.26   77.56   52.29   51.06   -­‐119.22  156.81   129.69   -­‐1.81   12.44   0.38   0.40  

1   1.4   146.61   51.06   155.25   160.80   51.06   10.03   78.89   52.04   51.06   -­‐136.58  159.50   145.82   -­‐1.30   11.11   0.43   0.45  

OSSERVAZIONI    •  Minimo  delta  beta  a  causa  del  minimo  salto  entalpico  •  Delta  beta  non  eccessivi    verificabile  anche  con  Criterio  di  De  Haller:  deve  essere  

W2>0.75*W1  •  Comprimibilità  trascurabile  (salto  di  pressione  minimo  –  un  solo  stadio)  •  Deflessioni  diminuiscono  all’aumentare  della  coordinata  radiale  

ROTORE  

Hub  

Dm  

Tip  

PROFILI    (angoli  riferiH  all’asse  della  macchina)    •  Si  uHlizzano  risultaH  e  correlazioni  NACA  (Lieblein)  ASPECT  RATIO  (hpala/corda)  •  Generalmente  compreso  tra  1  e  2.5    Si  sceglie  h/c=2  SOLIDITY  (σ=corda/passo)  •  Criterio  di  minimizzazione  e  contenimento  dello  strato  limite  •  È  necessario  che  D  (fa&ore  di  diffusione  locale)  sia  inferiore  a  0.4    •  Si  sceglie  D=0.15  e  si  applica  relazione  di  Lieblein  

ROTORE  Solidity  σ=1.2  Corda=0.38  m  Passo=0.32  m  N°pale=(π*Dm/passo)=  20  pale      STATORE  Solidity  σ=1  Corda=0.38  m  Passo=0.38  m  N°pale=(π*Dm/passo)=  17  pale    

CORREZIONE  DI  INCIDENZA  E  DEVIAZIONE  (angoli  riferiH  all’asse  della  macchina)    Si  uHlizzano  risultaH  di  Lieblein  per  correzioni  di  incidenza  e  deviazione  •  Parametro  libero:  spessore  massimo  t/c  

ROTORE  

Inarcamento  equivalente  

(ϑ)  angolo  

incidenza  (i)  angolo  

deviazione  (δ)  angolo  di  a&acco  

(χ1)  angolo  di  scarico  

(χ2)  deflessione  

geom.   t/c   Cl  (ϑ/25)  Hub   13,4   2,74   4,4   50   36,15   13,85   0,12   0,536  Dm   3   4,1   3,58   68,44   57,51   10,93   0,1   0,12  Tip   1   4,48   2,53   75,3   67   8,3   0,08   0,04  

STATORE  Hub   30,27   0   6,3   23,5   -­‐6,3   29,8   0,1   1,2108  Dm   18,9   0   3,6   15,15   -­‐3,6   18,75   0,1   0,756  Tip   13,5   0   2,44   11,11   -­‐2,44   13,55   0,1   0,54  

SCELTA  e  disegno  PROFILI  (Dm)  Rotore  •  Dm    NACA  4510  

 Statore  •  Dm    NACA  5510  

PERDITE  DI  PROFILO    •  Si  uHlizzano  risultaH  NACA  

•  Si  sHmano  le  perdite  al  diametro  medio  ROTORE  ω1=0,02        Δp=150  Pa    STATORE  ω1=0,013        Δp=22  Pa      

H=parametro  costante=1.08  

MATERIALE  PALETTATURA    Dal  catologo  Wi&&Sohn  si  individua  come  materiale  più  ada&o  la  lega  di  alluminio.  Leghe  più  indicate:  •  Lega  7000    •  Lega  2000    Necessità:  •  rimanere  in  esercizio  con  una  minima  manutenzione  •  Resistenza  alla  corrosione  

Scelta  materiale    lega  di  alluminio  2000  che  presenta  elevata  resistenza  a  faHca  e  comunque  una  buona  resistenza,  e  migliore  resistenza  a  corrosione.    Carico  di  snervamento  σy:  300-­‐350  Mpa  Densità  ρ=2780  kg/m3    

CREAZIONE  PROFILI  E  ANALISI  STRUTTURALE  PALA  –  Abaqus    Analisi  a  forze  centrifughe  •  Sforzo  massimo  =  27  Mpa  •  Spostamento  massimo  =  0,6  mm  (al  Hp)  Analisi  dinamica  –  frequenze  proprie  •  1°  modo  di  vibrare=  62  Hz    NO  risonanza  (n=16.7  Hz)  

Frequenze  proprie