An Aerodynamic Method to Design Low-Speed Axial Fans with Imposed Diameter and Rotor speed

Questa tesi tratta la progettazione aerodinamica di ventilatori assiali a bassa velocità per applicazioni industriali, considerando vincoli dimensionali e / o di velocità del rotore come eventuali requisiti di progettazione aggiuntivi. Negli ultimi anni, la complessità del compito di progettazione e il numero di strumenti ad esso correlati sono aumentati esponenzialmente nelle turbomacchine. I recenti software di progettazione automatizzata e le routine di ottimizzazione offrono progetti di ventilatori altamente efficienti. Indipendentemente dall'efficacia di questi metodi basati su computer tuttavia, le variabili che influiscono maggiormente sulle prestazioni e sull'efficienza del ventilatore sono ancora legate alle scelte di base del progetto, come ad esempio la selezione della configurazione del ventilatore. Nonostante una lunga storia, alcune domande di base sulla progettazione aerodinamica dei ventilatori assiali non hanno ancora una risposta chiara e definitiva nella letteratura tecnica. In particolare, sono stati identificati due principali mancanze: a) la mancanza di indicazioni quantitative che guidino il progettista nella scelta della configurazione del ventilatore assiale, tra macchine a sola girante, rotore-raddrizzatore, preswirler-rotor e macchine a multistadio; b) la mancanza di informazioni quantitative che guidino il progettista di ventilatori nella scelta della distribuzione aerodinamica di carico (cioè, il criterio di vortice di progettazione) adatta per l'operazione richiesta, in caso di ventilatori assiali a sola girante. In base a queste esigenze, è stata condotta una ricerca su diversi aspetti della progettazione aerodinamica dei ventilatori assiali industriali. È stata raccolta una base di dati sulle prestazioni e l'efficienza dei ventilatori per fornire mappe che possano guidare i progettisti nelle scelte progettuali primarie riportate ai punti a) e b). La costruzione di questo database ha richiesto la raccolta di dati dalla letteratura disponibile e una campagna sperimentale dedicata. La maggior parte delle macchine che sono stati testate (su due banchi prova ISO-5801) sono ventilatori a sola girante appositamente progettati. Pertanto, un metodo di progettazione aerodinamica efficace è stato sviluppato per questo tipo di macchina ampiamente utilizzate. Il metodo è basato sulle informazioni risultanti dal data-base, nonché su una procedura preliminare di calcolo della prestazione e dell'efficienza. Il comportamento locale (vale a dire il campo di velocità) e globale (cioè, le prestazioni e l'efficienza) delle geometrie risultanti sono stati verificati mediante un modello CFD (Computational Fluid Dynamic), prima della produzione dei prototipi. Le simulazioni CFD sono eseguite su un modello semplificato che è particolarmente appropriato per esigenze industriali di rapidità e accuratezza dei risultati. Sono fornite tutte le informazioni necessarie per eseguire in modo soddisfacente il design aerodinamico del rotore del ventilatore. La maggior parte di queste indicazioni può essere estesa direttamente per progettare anche macchine con schiere palari fisse. I principali risultati dell'indagine sono grafici che riassumono le prestazioni del ventilatore assiale attorno alla curva di Cordier, identificando: i) aree operative adatte per ciascuna configurazione di ventilatore, e ii) aree operative idonee per i criteri di vortice in caso di macchine a sola girante. Spiegazioni teoriche sono fornite a supporto delle tendenze osservate. Tali informazioni rappresentano indicazioni semplici e quantitative per guidare i progettisti nelle scelte progettuali basilari. In particolare, i dati mostrano che i ventilatori con schiere fisse e quelli contro-rotanti operano a velocità e diametri specifici inferiori rispetto a quelli a sola girante. Pertanto, uno schema Cordier-line specifico per ventilatori assiali a sola girante si basa su diametri specifici più elevati rispetto alle macchine a schiere fisse. Quando la configurazione a sola girante è l'unica consentita (ad esempio a causa di vincoli dimensionali), i rotori a vortice forzato (cioè con distribuzioni di carico aerodinamiche che aumentano verso la punta della lama) rappresentano una soluzione adatta per operazioni a basse velocità specifiche, relativamente grandi portate e aumenti di pressione. Tuttavia, l'efficienza dei ventilatori a vortice forzato è inferiore a quella delle macchine rotore-raddrizzatore che operano alla stessa pressione, rendendo la soluzione di progettazione a vortice forzato appropriata in presenza di vincoli sia sulla lunghezza assiale della ventola, sia sulla diametro del ventilatore e velocità del rotore (ad esempio, le ventole installate sulle unità esterne del climatizzatori). Lo scopo del lavoro è fornire una metodologia di progettazione aerodinamica per i ventilatori assiali industriali. Le informazioni riportate in questo lavoro possono essere utili per progettisti e produttori di ventole, nonché per chiunque sia interessato al campo della ventilazione meccanica.