ファンの急増、失速、不安定性: 請負業者の謎

図 1 (7 ページ) は、理想的なシステムのフローを示しています。 図 2 ～ 5 (8 ページおよび 10 ページ) は、流量の時間変化のさまざまな条件を示しています。

流量の測定に携わっている人は、理想的な流量条件が一般的ではないことを知っています。 流量測定の各ポイントは、通常、正確な読み取り値を得るために 10 秒以上の時間平均が行われます。 流量と圧力の測定値が短期間で 10% 変動することは比較的一般的です。

ただし、ファンが不適切に選択または適用されると、これよりもはるかに大きな変動が生じる可能性があります。 条件が非常に厳しくなり、ファンを通る流れが 1 分間に何度も順方向と逆方向 (入口から出る流れ) の間で振動することがあります (図 4 を参照)。

流量と圧力の変動により、流量の測定が難しくなるだけでなく、さまざまな問題が発生する可能性があります。

非定常流れの原因を理解することは、これらの問題を回避するのに役立ちます。 原因の一部は複雑であるため、研究者はある程度の関心を示しています。

正確な原因が何かについての結論については、まだ統一された合意が得られていません。 しかし、彼らの研究から、正常に動作しやすい条件を知り、正常に動作しない条件を回避することができます。

この方向 (および相対速度) の変化により、ファンは圧力を生成できます。 迎え角が厳しくなりすぎると、空気がブレード表面に均一に追従しなくなります。

たわみ量と発生する圧力は増加を停止し、通常は低下します。 これをストールポイントと呼びます。

ファンでは通常、ブレードは一定の速度で回転します。 したがって、迎え角を変更するには、ファンが取り付けられているシステムを変更する必要があります。 入口を通る流量が増加すると、迎え角が増加します。 流量が低いと減少します。

したがって、ファンが停止状態で動作している場合は、CFM が低すぎることが原因です。 特定のシステムでは、これは選択したファンが大きすぎる (ファン内の空気速度が低すぎる) ことが原因で発生します。

一部のファンでは、迎え角がブレードの全幅にわたって均一ではありません。 これらは通常、最も効率的なファンではありませんが、いずれか 1 つの流量で停止するのはブレードの一部だけであるため、停止の重大度は多くの場合それほど高くありません。

ラジアルブレードの遠心ファンは、ブレードの方向速度と接近​​する空気の方向速度が一致していないため、常に失速していると言う人もいます。 これは本質的に真実です。 ただし、このタイプのファンでは、内部損失が失速によって支配され、この時点で圧力が低下するため、非常に低い流量で厳しい時間変化の流れが発生する可能性があります。

失速点またはその近くでファンが動作すると、通常、騒音が大幅に増加します。 一部のファンでは、羽根車が固体の物体によって衝撃を受けたような音 (ハンマー音) が発生します。 純粋な失速はランダムな周波数を持つ傾向がありますが、純粋な周波数が生成される特殊なケースもあります。 これについては後で説明します。

失速中のファンの流れには時間とともに変化する性質があります。 ただし、これは通常、大きな懸念の原因ではありません。 発生するノイズの増加が問題になる可能性がありますが、これも対処できます。

ファンが停止状態で動作する場合の主な懸念は、機械的損傷の可能性です。 でこぼこした飛行機に乗ったことがある人は、空気力学的な衝撃がどれほど深刻であるかを実感しているでしょう。

ファンが停止状態で継続的に動作すると、構造的な金属疲労が発生する可能性があります。 これは、細長いブレード、または板金から製造されたブレードを備えた軸流ファンに特に当てはまります。

遠心ファンは損傷しにくいです。 比較的高圧向けに設計された遠心ファンは、非常に低い圧力 (1 インチ sp 未満) で動作しますが、損傷することなく、失速状態で長年にわたって継続的に動作することが知られています。

ファンを停止状態で動作させることには、もう 1 つの欠点があります。 これは、ファンの効率が最適値よりも低いことを意味します。 ファンのサイズが小さいほどコストが低くなり、運用コストも低くなります。 また、大型ファンよりも長持ちする可能性があります。

これらのファンはスクロール型のハウジングに収められており、ファンの圧力の生成に役立ちます。 ファン ホイールの周囲の圧力は、ファンの出口 (最も高い場所) にどれだけ近いかに応じて変化します。 これらのファンには複数のブレードがあり、通常は 9 ～ 12 枚です。

各ブレード間の通路をセルと呼びます。 周囲の圧力が変化するため、各セルを通過する流れは変化する可能性があります。 失速点の近くでは、ほとんどのセルが通常の順方向の流れを持ち、1 つまたは 2 つのセルが逆方向の流れを持つことが可能になります。

これらのセルを通って後方に「噴出」する空気は行き場がないため、隣接するセルに移動し、既にそこを通過していた空気の向きをそらします。 この攻撃角の変化により、このセルは強制的に失速します。 その後、逆流も発生し、空気の泡が送風機の周りを延々と通過します。

ほとんどの研究者は、この回転失速の移動頻度はファン回転 rpm の約 3 分の 2 で発生すると報告しています。 2つの移動セルが同時に4/3rpmの周波数を生成するのを観察した人もいます。

他にも、動作周波数の 3 分の 2 から 90% 以上にわたる回転失速の報告があります。 この周波数は音と振動の両方の測定に現れますが、通常は騒音の苦情によって見つかります。

このシステムは定期的にバーナーの入口から火を「げっぷ」と吐き出します。 これはおそらくシステム サージの深刻なケースでした。

ファンが押し寄せる音が発する音は、観察者によって一般的に「ヒュー」または「ヒュー」と表現されます。 サージを発生させるには、いくつかの基準を満たす必要があります。

概念的には、サージ中のシステムは発振器のようなものです。 空気に与えられるエネルギーは、運動エネルギー (ダクト内の高速度) と位置エネルギー (プレナム内の空気の圧縮) を交互に生成します。 ファン曲線の正の傾きにより、この振動が大幅に増幅されます。

極端な状況では、空気が一時的に吸気口から逆流する可能性があります。

固定システムでは、サージの周波数は一定です。 通常、周波数は十分に低いため、1 分あたりのサイクル数 (cpm) を数えることができます。 それはかなり聞こえます。 最も深刻なレポートは、300 cpm 未満の頻度で発生します。 ある研究者は、この効果は 450 cpm を超える周波数では消失するようだと報告しました。

可変容量システムでは、センサーを使用して、ダンパー、ベーン、速度制御、または流量を設定するその他の手段を制御する情報を提供します。 制御システムの応答が速すぎると、過剰補正が発生し、別の方向に再調整する必要があります。

極限状態では、システムは継続的に前後を探索する可能性があります。

一部のファンはすべての流量範囲で安定していません。

空気テスト中に大型遠心分離機の入口の近くを歩くと (絶対にやめてください!)、流量が 15% 以上減少しました。 このファンは、テストが再開されるまで、より低い流量で動作し続けました。

ファンの安定性は、2 つのエアテストを実行することで判断できます。 1 つのテストでは、フル流量 (自由送出) から開始し、徐々に抵抗を加えながら流量と圧力を測定します。 2 番目のテストでは、遮断から開始して抵抗を徐々に減らします。

これで、2 つの流量対圧力ファンの曲線ができました。 それらが重なっていない場合は、不安定な領域が存在します。 どのシステムでも考えられる条件は 2 つだけであるため、これは双安定流れと呼ばれます。

騒音は 2 つの流れ条件の間で変化しますが、どちらも特に不快なものではありません。 ファンが高流量条件で定格されており、低流量条件にトリップすると、流量の損失が問題になる可能性があります。

双安定流れは、後方に傾斜した遠心ファンで観察されており、通常は自由吐出に近い性能で、ほとんどの場合、最高の効率が得られる流量よりも高い流量で発生します。

失速領域に大きなディップがあるファンには、別の種類の問題が発生する可能性があります。 羽根軸遠心ファンと前方湾曲遠心ファンはどちらも大きなディップが発生する可能性があります。

パラレルフロー システムの問題は、始動シーケンスで発生する可能性があります。 ファンのサイズが適切で、同時に起動する場合は問題ありません。 ただし、1 つのファンが最初に起動されると、2 番目のファンは速度が上がるまでにすでに背圧にさらされています。

フルスピードでは、一方のファンがピーク静圧点の右側の流量で動作しているのに、もう一方のファンがピークの左側に閉じ込められるという状況が発生する可能性があります。

2 つの同一のファンが負荷を均等に共有しない可能性は十分にあります。 異なるファンが並列で動作している場合、より深刻な状況が発生する可能性があります。

数年前、2 つのファンを並列に搭載したシステムに関する苦情がお客様から届きました。 動作していた小型ファンと並列して 2 台目の大型ファンを設置したところ、組み合わせた流れは予想どおりではありませんでした。測定の結果、2 台目のファン自体が最初のファンの能力を超える圧力を生成していることが判明しました。ファンカーブ上の点。 元のファンの出力が完全に過剰になり、流れが入口から逆流していました。 お客様には、元のファンを停止し (電力を節約)、元のファンへのダクト分岐をしっかりとブロックする (漏れを塞ぐ) ようにアドバイスされました。

ここで得られた教訓は 2 つあります。

1. 並列運転の場合、2 つの異なるファンを混合 (または 2 つの同一のファンを異なる速度で運転) しないでください。

2. 一定のシステムでより多くの流量が必要な場合は、ファンの圧力能力を高めるか、直列に 2 番目のファンを追加します。

私たちは皆、システムにファンを接続するだけで、継続的で安定した流れを実現したいと考えています。 システムの計算が超高精度で、悪い動作点を簡単に回避できるようになれば素晴らしいでしょう。

ただし、現実の世界では、ファンは最適とは言えない条件で使用されることが多く、失速する可能性が高い条件で使用されることもよくあります。 それでも、深刻な問題が発生することはほとんどありません。

問題が発生した場合、問題の種類を特定する方法があり、特定されたら解決策を実装できます。