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Ventilatori industriali e carico aerodinamico
Il progetto di ventilatori industriali a flusso assiale e pale inclinate avanti - Parte I
Massimo Masi - Università di Padova
Andrea Lazzaretto
Sommario
La disponibilità di potenti strumenti di calcolo fluidodinamico e di robusti algoritmi di ricerca dell'ottimo ha portato alla proposta di moderne tecniche di progetto aerodinamico di ventilatori basate su ottimizzazioni multi-obiettivo guidate da algoritmi che sfruttano i risultati di massicce campagne di calcolo fluidodinamico computazionale.
Introduzione
Così, soprattutto per le applicazioni domestico-residenziali dove è più forte l'esigenza di disegni che abbinino a soddisfacenti prestazioni aerauliche livelli di emissioni acustiche estremamente contenuti, è usuale imbattersi in disegni "scolpiti" dall'aerodinamica, in cui le palettature hanno abbandonato lo sviluppo a linea di calettamento radiale (radial stacking line) e la tradizionale distribuzione di carico aerodinamico "a vortice libero" (free vortex) a favore di soluzioni con pale che presenta no angoli "di freccia" (sweep) e "diedro" (dihedral) e che implementano distribuzioni di carico aerodinamico a vortice controllato (controlled vortex design).
Tutto ciò ha ridimensionato l'interesse di ricerca per gli approcci al progetto di ventilatori assiali proposti nel secolo scorso. Infatti, le distribuzioni di carico a vortice controllato sono accompagnate da componenti radiali della velocità di attraversamento, che spesso non possono essere trascurate e che rendono meno agevole l'applicazione delle tecniche di progetto tradizionali, basate sull'ipotesi che il flusso interpalare si sviluppi lungo superfici cilindriche. D'altra parte, nell'ambito dei ventilatori industriali, dove l'affidabilità nel tempo è importante almeno quanto la prestazione aeraulica e l'emissione acustica, geometrie palari eccessivamente complesse trovano impiego ancora limitato.
In questo contesto, le buone prestazioni ottenute da prototipi disegnati applicando un metodo originariamente proposto per il progetto preliminare, che non prevede il ricorso alla fluidodinamica computazionale e ad algoritmi di ottimizzazione, hanno spinto ad ulteriori indagini e alla successiva formalizzazione di un metodo pratico di progetto di ventilatori assiali di buon rendimento ed elevate prestazioni aerauliche. Il metodo (descritto in dettaglio in grado di raccoglie in un unico flusso di lavoro: una procedura di dimensionamento preliminare per macchine a vortice controllato; un metodo di progetto di palettature a linea di calettamento radiale e distribuzione di carico a velocità tangenziale costante che evolve l'originale proposta di Kahane-Wallis ; e un criterio di ottimizzazione della palettatura mediante introduzione di un angolo di freccia avanti, determinato in base all'estensione della teoria di Busemann sulle ali a freccia a palettature per ventilatori assiali intubati. Questo articolo è composto da due parti che insieme sintetizzano le modalità di applicazione del metodo pratico di cui si sono appena tracciate le fasi principali. In particolare, in questa prima parte vengono presentate le caratteristiche principali delle diverse distribuzioni di carico aerodinamico della palettatura - per comprendere i vantaggi offerti dalla distribuzione di carico a velocità tangenziale costante - la procedura di progetto preliminare di ventilatori intubati che implementano tale distribuzione di carico, e il metodo di progetto della palettatura a linea di calettamento radiale. L'ottimizzazione del disegno della palettatura rotante e i riscontri sperimentali alla validità del metodo proposto saranno oggetto della seconda parte dell'articolo.
Tutto ciò ha ridimensionato l'interesse di ricerca per gli approcci al progetto di ventilatori assiali proposti nel secolo scorso. Infatti, le distribuzioni di carico a vortice controllato sono accompagnate da componenti radiali della velocità di attraversamento, che spesso non possono essere trascurate e che rendono meno agevole l'applicazione delle tecniche di progetto tradizionali, basate sull'ipotesi che il flusso interpalare si sviluppi lungo superfici cilindriche. D'altra parte, nell'ambito dei ventilatori industriali, dove l'affidabilità nel tempo è importante almeno quanto la prestazione aeraulica e l'emissione acustica, geometrie palari eccessivamente complesse trovano impiego ancora limitato.
In questo contesto, le buone prestazioni ottenute da prototipi disegnati applicando un metodo originariamente proposto per il progetto preliminare, che non prevede il ricorso alla fluidodinamica computazionale e ad algoritmi di ottimizzazione, hanno spinto ad ulteriori indagini e alla successiva formalizzazione di un metodo pratico di progetto di ventilatori assiali di buon rendimento ed elevate prestazioni aerauliche. Il metodo (descritto in dettaglio in grado di raccoglie in un unico flusso di lavoro: una procedura di dimensionamento preliminare per macchine a vortice controllato; un metodo di progetto di palettature a linea di calettamento radiale e distribuzione di carico a velocità tangenziale costante che evolve l'originale proposta di Kahane-Wallis ; e un criterio di ottimizzazione della palettatura mediante introduzione di un angolo di freccia avanti, determinato in base all'estensione della teoria di Busemann sulle ali a freccia a palettature per ventilatori assiali intubati. Questo articolo è composto da due parti che insieme sintetizzano le modalità di applicazione del metodo pratico di cui si sono appena tracciate le fasi principali. In particolare, in questa prima parte vengono presentate le caratteristiche principali delle diverse distribuzioni di carico aerodinamico della palettatura - per comprendere i vantaggi offerti dalla distribuzione di carico a velocità tangenziale costante - la procedura di progetto preliminare di ventilatori intubati che implementano tale distribuzione di carico, e il metodo di progetto della palettatura a linea di calettamento radiale. L'ottimizzazione del disegno della palettatura rotante e i riscontri sperimentali alla validità del metodo proposto saranno oggetto della seconda parte dell'articolo.
Distribuzioni di carico aerodinamico per palettature rotanti di ventilatori industriali
La Figura 2 evidenzia ad un "occhio esperto" che distribuzioni di carico diverse dal vortice libero sono massicciamente impiegate anche nelle macchine industriali che presentano palettatura a linea di calettamento radiale. Più specificamente, tutte e quattro le palettature in Figura 2 sembrano implementare una distribuzione di carico a vortice arbitrario con velocità tangenziale approssimativamente costante. La Figura 3 propone un confronto schematico tra diverse distribuzioni di carico al fine di chiarire i vantaggi della palettatura a vortice arbitrario. Innanzitutto, all'estrema sinistra è schematizzata la geometria meridiana di un ventilatore assiale di diametro esterno unitario, in modo che il diametro interno sia pari al rapporto tra diametri n=dm/D (dove D è il diametro della girante e dm il diametro del mozzo). Con riferimento a questa geometria, nella figura 3 a centro-sinistra è rappresentata qualitativamente la distribuzione delle velocità assiali (in blu) e tangenziali (in rosso) all'ingresso e all'uscita di una palettatura rotante progettata con distribuzione di carico aerodinamico a vortice libero. La stessa figura riporta l'andamento qualitativo della velocità tangenziale cu out(x) e della velocità assiale ca out(x) all'uscita dalla girante, in funzione della coordinata radiale adimensionale x (variabile tra n e 1). Analogamente alle grandezze geometriche, anche quelle cinematiche sono espresse in forma adimensionale mediante il coefficiente di velocità tangenziale eS (x)= cu out(x)/ca e il coefficiente di velocità assiale eA(x)= ca out(x)/ca. Se l'uniformità radiale della circuitazione palare e di eA permettono di distribuire uniformemente il lavoro specifico e la pressione dinamica assiale all'uscita, a vantaggio del rendimento aeraulico del ventilatore, la distribuzione iperbolica di eS costringe a realizzare macchine poco compatte (per scarso sfruttamento aerodinamico della parte di palettatura lontana dalla radice) e usualmente con n ? 0.45 (per evitare lo stallo dei profili aerodinamici alla radice della palettatura).
Conclusioni
In questa prima parte dell'articolo sono state illustrate le caratteristiche principali della distribuzione di carico palare a velocità tangenziale costante e le motivazioni per cui tale distribuzione è diffusamente applicata nell'ambito dei ventilatori assiali industriali. Inoltre, sono state presentate due delle tre fasi in cui si articola il metodo pratico di progetto aeraulico di ventilatori intubati che implementano tale distribuzione di carico. Nella seconda parte, la presentazione della terza fase del metodo sarà integrata dalla de scrizione dei prototipi realizzati e dai risultati della sperimentazione effettuata per riscontrare la validità del metodo proposto.
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Parole chiave: Fluidodinamica, Ventilazione industriale
