8 198 198 198 19

)Jet Fan(با توان و راندمان باال محوري طراحي و ساخت فن

چكيده

با توجـه بـه مزايـاي ايـن . داردكاربردهوا كنندة جابجا وسيلة مختلف، به عنوان سيستمهاي كه امروزه در استاز جمله تجهيزاتي محوري يا جت فنها فنهاي در ايـن مبحـث، . ارائـه شـده اسـت محـوري فـن هاي چگونگي طراحي آيروديناميكي پرهحاتي در مورد در اين مقاله ابتدا توضينسبت به ديگر وسايل، سيستم

اي طراحي شده است كه اثرات متقابل آن بر هم در نظـر گرفتـه شـود؛ همچنـين هاي مستقيم كنندة جريان با الزامات خاص خود به گونه مجموعة روتور و پره برخي از مالحظات و عوامـل مـؤثر در نيز پيرامون در ادامه توضيحاتي . جريان به تفصيل ارائه و شرح داده شده استضمن ارائه فرمولهاي حاكم بر فن، هندسة

فرآيند ساخت مجموعة فن بـا دقـت بـاال اي و مودال نيز انجام شده و در فرآيند طراحي، تحليلهاي سازه.استارائه گرديده طراحي فن و مستقيم كنندة جريان پـس از سـاخت . باشـد مـي و بقيه بخشها از فلز غة فن از جنس الياف شيشه دما، ساخته شدهCNCها با دستگاه فرز پره. است توضيح داده شده ختصاردر حد ا يج آن نكته قابل مالحظه در فرآينـد آزمـايش و نتـا . مجموعة فن به يك تونل باد مونتاژ و عملكرد آن بررسي شده است ، و باالنس ديناميكي آن دستگاه كامل

.بدست آمده استبراي دستگاه درصد افت نسبت به وضعيت تئوري 10 كمتر از ،اين است كه با روش طراحي و ساخت انجام شده براي اين مجموعه

آزمايش تجربي – طراحي و ساخت –مستقيم كننده جريان –فن محوري – جت فن : كليديكلمات

فن و مستقيم كننده جريانآيروديناميكي طراحي

ايـن عمـل باعـث مـي شـود كـه اوالً . فن مجرايي نوعي سيستم است كه يك پروانه درون يك مجرا يا پوشش استوانه اي نصب شده اسـت ت فن يا جاقل ها نزديك به يك ديواره هستند جريان شعاعي در طول آنها به حـد ها از درمعرض اشياء خارجي بودن حفظ شود و ثانيا به لحاظ آيروديناميكي چون پره پره .]1[ برسدرسد و افتهاي ناشي از جريانهاي ثانويه به حداقل خود ب

بـه Wallis روشي را جهت طراحـي ارائـه داد كـه متعاقبـاً توسـط Patterson مالحظاتي مشروح در مورد طراحي فن ارائه داده است، اما Collarآقاي تخاب شده است زيرا مجموعـة فـن و مـستقيم كننـدة جريـان بـه عنـوان يـك انهمين روش براي طراحي انتخابي روش . صورت مشروح گسترش يافته است

در تئـوري گردابـة آزاد .استفاده شده اسـت ) Free-Vortex(براي طراحي از تئوري گردابه آزاد . سيستم در نظر گرفته شده و به صورت مستقل نگاه نشده است ..مقدار 2 Constr =ω يا.. ConstVr t با افزايش شعاع كاهش مي يابد؛ يعني در مجموعه فن فرض شده كه سرعت چرخـشي Vtابت است يا به عبارتي ث =

آيـد كـه يـك جريـان مناسـب اي به دسـت مـي اين فرض براي طراحي بسيار مفيد است زيرا هندسه فن به گونه .جريان پشت فن با افزايش شعاع كاهش يابد فرض ديگر در اين تئوري عدم وجود جريان شعاعي در فـن اسـت . فن با هندسه و سرعت چرخشي معلوم محاسبه شوددرون فن در نظر گرفته شده و عملكرد

. و ديگران در نظر گرفته شده و كاربرد زيـادي دارد Lewisاين چنين رفتاري به وسيله آقاي . و اين يك تعادل جريان شعاعي متناظر با فرض گردابه آزاد است .]5و2[ يابد و قيمت فن با اين روش افزايش چنداني نمي ن تحليل كامپيوتري وجود داردبا اين فرضيات امكا

از مقـادير معلـوم و ميـزان افـزايش فـشار ، سرعت جريان در جلوي فن ufسرعت . آمده است) 1(شكل شماتيكي از فن و مستقيم كننده جريان در شكل قوي است كه يك تعادل ميان گراديان فشار شعاعي و نيروي گريز از مركز استوار همـراه بـا فـرض تحليلها بر اساس جريان در داخل يك مجراي حل . باشد مي

8 198 198 198 19

جريـان از مقطـع . در شكل فوق يك برش از اين حلقه و بررسي جريان در سه ناحيه از فن را نشان داده شده است. عدم وجود جريان شعاعي در آن وجود دارد . رسد مي3هاي جريان به ناحيه ميرسد و از آنجا با عبور از مسقيم كننده2ور چرخنده فن به شرايط در مقطع شود و پس از عبور از مح وارد فن مي1

R r

Nacelle Fan

u3, p3, H 3 u2, p2, H2, 2

u1, p1, H 1

Cut through annulus at radius r Straightener

Nose uf

شكل شماتيك مجموعة فن و مستقيم كنندة جريان) ۱ (شكل

و بـا افـزايش فـشار فن روي اين جريان تاثير گذاشته. است) υ( فرض مي شود كه جريان يكنواخت و بدون هيچ گونه بردار سرعت چرخشي 1در ناحيه

2υانـد كـه بـا سـرعت چرخـشي اي تغيير كرده در هر شعاعي از مركز دوران فن به گونهP2 و u2سرعت و فشار استاتيكي . رسيده است H2كل به مقدار ثابت مقـدار فـشاركل و سـرعت جريـان هـا كـاهش يافتـه و متناسب بوده است و بر اساس فرض جريان گردابه آزاد اين مولفة سرعتي از مركز به سمت نـوك پـره

مستقيم كننده جريان روي جريان اين ناحيه تاثير گذاشته و با از بين بردن چرخش جريان، يك جريان يكنواخـت را در ناحيـه . محوري در طول پره ثابت است ضريب افزايش فشار كـل مجموعـه فـن و . شود ميابعاد فن بر اساس اين فرضيات بدست مي آيد و روابط حاكم بر هندسه جريان استخراج. ايجاد كرده است 3

.]3[ آيد مستقيم كننده جريان به صورت زير بدست مي)1(

sfifssfi

fs kkKKu

h

u

h

u

H

u

HHK −−=→∆−∆

−∆=−=2222

13

21

21

21

21 ρρρρ

. را به دست مي آوريم2و1ابتدا ضريبي به نام ضريب چرخش به صورت زير تعريف مي نماييم و سپس افزايش فشار استاتيكي ميان ناحيه 2

212 21 ρυ+−=∆−∆ pphH fi )(2

1 2212 ερ −−=−→ fi kKupp )2(

ضريب چرخش جريانuuυυε ==

1

2

مي دانيم با توجه به معادله مومنتم ميزان نيروي جلوبرندة فن با مقدار فشار استاتيك متناسب است و لذا در المان حلقوي فرض شده مي توان رابطة زيـر .را براي نيروي جلوبرنده به دست آورد

→−−== )(2

)(21

2222

εππ

πρfi

fC kK

Rrdr

Ru

dTdT )(2

2ε−+= sfsC kKxdxdT )3(

.شود بر اساس تعاريف، ضريب جريان و نسبت پيشروي به صورت زير به يكديگر مرتبط مي نسبت پيشروي

nduj = ضريب جريان

ωλ

ru= πλπω =→= jn2

)4(

λεωυ

ρ

22

21 22

=→=∆

= ii

i Kur

u

HK

بـا ) υ(يـا مؤلفـه چرخـشي سـرعت ) ε(اين رابطه نشان مي دهد كه در صورتي كه افزايش فشار كل ايده آل در فن ثابت باشد،ضـريب چـرخش جريـان قـدرت مفيـد .آل ثابـت اسـت افزايش شعاع كاهش مي يابد و اين همان فرض جريان گردابة آزاد است، و يا برعكس با فرض جريان گردابه آزاد، فشار كل ايده

8 198 198 198 19

دانيم كه راندمان كلي مجموعة فن و مستقيم كنندة جريـان از تقـسيم همچنين مي. خروجي از مجموعه فن و مستقيم كننده مي تواند از رابطه زير به دست آيد :لذا اين قدرت مفيد بر قدرت ورودي فن به دست مي آيد

)5( )()2()()2( 130 sfi hhHurdrHHurdrdP ∆−∆−∆=−= ππ

)6( ε

λε

λυπωρ

πη

22)(

)2()()2(0 fssfisfi

ffs

KkkKrurdr

hhHurdrdPdP

=−−

=∆−∆−∆

==

تـوان جـذب كـرده Hi∆در اين بخش فن به تنهايي بـه انـدازه . را به تنهايي محاسبه كرد) fη(در بخش فن مطابق همين روش مي توان راندمان فن .است توان توليد كردهHi-∆hf∆ يا (H2-H1)ولي به ميزان

)7( ε

λε

λη

2)(

2)( sfsfi

fkKkK +

=−

=

. آيد است و لذا روابط زير بدست ميhs∆ يا (H3-H2) جذب شده ولي خروجي آن تنها Hi∆نده جريان نيز توان در قسمت مستقيم كن)8(

fs

sfs

ss K

kkη

ελ

η ==2

)9( sfssfsf kK ηηελη +=+= )(2

)10( ελλω

υ

η21)(2

10 +=

+==

f

f

f

ff

f

ff dQ

dTr

dQ

dQr

udT

dPdP

با ضرايب آيروديناميكي حاكم بر ايرفويلها با استفاده از رابطه اخير، الزم است در مورد يك المان از پره بـا مقطـع ηfجهت پيدا كردن ارتباط بين راندمان .دهد شكل زير مثلث سرعتها در يك پره را نشان مي. ايرفويل و سرعتها و نيروهاي آن به تفصيل صحبت شود

بردارهاي سرعت و نيرويي حاكم بر مقطع پره) ۲ (شكل

N و تعـداد پـره c و انـدازه وتـر Vتواند به صورت زير با ضرايب اين نيروها و مقدار سرعت نده و گشتاور پيچشي حاكم بر يك مقطع پره مي نيروي جلوبر .توان بصورت زير تبديل نمود معادله راندمان را مي،با توجه به اين معادالت. ارتباط داشته باشد

)11( φφ sincos dlt CCC −= )12( φφ cossin dlg CCC −=

)13( )

21

1()(

)211(

21)(

211

21

21

1

ελλ

ελελλη

ελ

λ

υωφ

ελφ

φλη

−+

−+−=→−−

⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

−=

−=

++

−=

d

l

d

l

fd

l

d

l

f

CC

CC

r

utg

tgCC

tgCC

8 198 198 198 19

شكلهاي زير، چگونگي تغييرات راندمان فن در مقادير مختلف d

l

CC و λاسـت كـه در اين شكلها فرض شـده . را بر پايه معادله راندمان فن ارائه داده است

شود با افزايش نسبت برآ به پسا راندمان فن افزايش يافتـه اسـت ولـي تعغييـرات آن خطـي ن كه مشاهده ميهمچنا. باشدηfs=0.93 و 678/0 برابر Kfsمقدار دهد كه با انتخاب مناسب ضريب جريان و نسبت اين دو نمودار نشان مي. باشد نمي

d

l

CC نكتـه ديگـر . ميتوان به مقادير مناسب از راندمان فن رسـيد 60 باالي

بـسيار مـشكلتر از همـين ميـزان % 95حث فوق، سختي رسيدن به راندمانهاي باال است كه بعنوان مثال يك درصد افزايش راندمان در مقادير نزديك به از مب .است% 85افزايش در راندمان

L / D

η

20 30 40 50 60 70 80 90 1000.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

0.94

0.96

0.98

1

λ = 0.25λ = 0.5λ = 1λ = 2λ = 2.5

λ

η

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

0.94

0.96

0.98

1

L / D = 20L / D = 40L / D = 60L / D = 80L / D = 100

)L/D(و نسبت برآ به پسا ) λ(با مقادير ضريب جريان ) ηf( تغييرات راندمان فن هاينمودار) ۳ (شكل

وλ ن فن ميتواند بصورتهاي زير نيز باشد كه در واقع استخراج مقاديرمعادله راندماd

l

CCاست13 از معادله .

)14( 42

2

)1(

)4

(

)1(

)4

)(1(1

)1(λ

η

ηλ

η

ηη

η

ηλ

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−+

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

+−+

−=

d

lf

fs

fs

d

lf

fs

fsf

d

lf

f

CC

K

CC

K

CC

)15( 32

1

)4

(

1

)4

)(1(1

)1(λ

ηη

λη

ηη

ληη

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−+

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

+−+

−=

f

fs

fs

f

fs

fsf

f

f

d

l

KK

CC

8 198 198 198 19

.]4[ توصيه شده زير را براي اين كار نام بردگيرد ولي ميتوان چهار گروه ايرفويلهاي زيادي جهت طراحي و ساخت پره فن مورد استفاده قرار مي . نياز به افزايش فشار باال دارند با كارآيي و عملكرد زياد و مخصوص واحدهايي كه(Circular arc blade)هاي با ايرفويل كماني از دايره پره .1 .اي كه نياز به افزايش فشار كم دارند با كارآيي زياد و مخصوص واحده(Flat undersurface blade)هاي با ايروفويل زير تخت پره .2 . براي جريانهايي كه در طراحي آنها نياز به جريان معكوس وجود دارد(Elliptical section)هاي با مقطع بيضوي پره .3 هاي ساخته شده با ورق و داراي انحناء هاي با راندمان كم و ارزان قيمت مانند پره پره .4

همچنـان كـه قـبالً بيـان . ابط حاكم بر آن الزم است از رابطه ميان نيروهاي وارده به پره كمك گرفته شودجهت بدست آوردن مشخصات هندسي و رو

R است با مقدار Tf كه يك ضريب براي نيروي Tcشد مقدار rx . رابطه زير را دارد=

با فرضRcNy

π.= )(2

sin2

2 εφ−+== sfs

tC kKxyC

dxdT )16(

. توان مقدار وتر را محاسبه نمود دهد و در واقع با استفاده از اين رابطه مي و متغيرهاي ديگر را به خوبي نشان مي(c)رابطه ارتباط ميان وتر پره اين اي مـستقيم هـ پـره . هاي مستقيم كننده و افتهاي آن معين باشد همچنان كه بيان شد جهت طراحي مجموعه فن و مستقيم كننده جريان، الزم است پره

اين ايرفويلها با وترهاي موازي، چرخش جريان پشت فن را از بين مـي برنـد و در واقـع . تشكيل شده استNACAكننده جريان معموالً از ايرفويلهاي متقارن بحـث زاويـه حملـه برخـوردي عامل محدود كننده در اين م. شود باعث از بين رفتن سرعت جانبي پشت فن كه در مقايسه با سرعت محوري ناچيز هستند، مي

.ويه به صورت زير قابل محاسبه استها است كه مقدار اين زا جريان با اين پره)17( τυε tg

u==

ده نـشان دا NACA0015اثر فوق در شـكل زيـر بـراي ايرفويـل . افزايش مي يابد% 33به ميزان ايرفويلهاي مجاور زاويه واماندگي دراثر تداخل جريان .شده است

NACA0015تاثير تداخل جريان در ايرفويلهاي مجاور روي زاويه واماندگي ايرفويل ) ۴ (شكل

هاي مستقيم كننده جريان مانند يك ديفيوزر در پشت فن عمل مي كنند و در واقع چرخش جريان پـشت فـن را بـه افـزايش هـد اسـتاتيكي در فـن پرهافت در جريان نيز مي شوند كه نمي توان گفت كه تمام اين افت ناشي از اصطكاك بـين جريـان و ديـواره هـاي اين پره ها به نوبة خود باعث . كنند تبديل مي اين معادله با توجه به روابـط قبلـي بـه صـورت . به صورت تجربي با فرمول زير به دست مي آيد NASAضريب افت فشار براي ايرفويلهاي متقارن . پره است

:زير خالصه مي شود)18( 003.0)(045.0 +=

s

ss c

tk

)19( 003.0)(2045.0 += sss Ntr

kπ

نماينـد؛ كـه ايـن نيـروي توليـد شـده گيرند، توليد نيروي برا مي قرار ميτهاي مستقيم كننده جريان هنگامي كه در معرض جريان هوا و زاويه حملة پره . مستقيم كننده اعمال نمايدهاي تواند گشتاور پيچشي را به پره مي

8 198 198 198 19

در نقطه شروع اين فرآيند با توجه به پيكر بندي فـن، پارامترهـايي فـرض . فن مانند تمام سيستمهاي مهندسي يك فرآيند با چند بار تكرار است طراحي .را به شرح زير بيان نمودمحوري توان روند طراحي يك فن مي. شود شده تلقي مي شود و بقيه پارامترها از روابط و مالحظات آنها استخراج مي

.نماييم را انتخاب ميp0∆ و هاي فن و مستقيم كننده جريان، نوع ايرفويل با توجه به نياز مقادير قطر فن، قطر بخش مركزي، تعداد پره )1 .نماييم يان محاسبه ميدبي جر را با توجه به uسرعت )2 .نماييم به مي را محاسKi و Kfs مقدار p0∆ را فرض نموده و با توجه به fsη مقدار )3

مقدار )4ct 9(و ) 8(و ) 19( نوك پره مستقيم كننده جريان را فرض نموده و با توجه به روابط(ssf k,, ηηنماييم را در نوك پره فن محاسبه مي.

.نماييم ا در نوك پره محاسبه مي رλو چند بار تكرار آن، مقدار ) 14( در نوك پره وبا توجه به رابطه L/Dبا فرض نسبت )5)2(با توجه به رابطه )6

fDu

λω بايستي كنترل نماييم كه سرعت در نوك پره به ωپس از محاسبه . مقدار چرخش مورد نياز موتور را محاسبه مي نماييم=

. گالرت استفاده نماييم-نتلتوانيم از ضريب تصحيح تراكم پذيري پرا در صورت لزوم مي.عدد ماخ بحراني نرسيده باشد)(بدست آورده و با توجه به رابطه ) 6( در نوك پره را با رابطه εمقدار )7

b

ftiproot D

Dεε مقدار اين ضريب چرخش جريان در ريشه پره را محاسبه =

1)(از آنجائيكه . نماييم مي ετ −= tg مستقيم كننده جريان است، بايستي كنترل نمود كه اين پره در است و اين زاويه همان زاويه برخورد جريان به پره .در واماندگي قرار نگرفته باشد) ناحيه حداكثري زاويه(اين ناحيه

.در مراحل بعدي خصوصيات پره فن در مقاطع مختلف بين ريشه و نوك پره محاسبه مي شود با توجه به ثابت بودن ضخامت در پره مستقيم كننده جريان و رابطه )8

ss N

rc π2= مقادير ) 19( و رابطهcs و ksنماييم را محاسبه مي.

.آيد درهمه مقاطع بدست ميfsK و fsηمقادير فوق با توجه به فرض ثابت بودن . نماييم در هر شعاع از پره را محاسبه ميfη و sηمقادير )9

)(با توجه به فرض گردابه آزاد و رابطه )10Rr

tipλλ .نماييم را محاسبه ميL/Dمقدار ) 15( و رابطه =

)(با توجه به فرض گردابه آزاد و رابطه )11Rr

tipεε dx و φمقادير ) 16(و ) 13( و رابطه =dTCنماييم را محاسبه مي.

φ2sinبا توجه به رابطه )12dx

dTyC Ct .نماييم را محاسبه ميyCt مقدار =

.آوريم را به دست ميCl و مراجعه به نمودار مشخصات ايرفويل مقدار تقريبي L/Dبا توجه به مقدار )13φcosltبا توجه به رابطه )14 CC مقدار yCt و مقدار ≈

t

t

CyCy Nاز اين مقدار، مقدار وتر تقريبي . آوريم را به دست مي=

Ryc π=آوريم را به دست مي.

تقريبي و رابطه cبا توجه به مقدار )15φµ

ρsinucRe و مراجعه به نمودار مشخصات Re و L/Dآيد، لذا با معلوم بودن مقدار عدد رينولدز تقريبي بدست مي=

.آيد به دست ميα و Cd و Clايرفويل، مقادير

φφبا استفاده از رابطه )16 sincos dlt CCC و=−t

c

CdxdTy φ

2sin.=وNRyc π=نماييم مقدار وتر پره را محاسبه مي.

αφβگام پره در هر موقعيت نيز از رابطه )17 .آيد بدست مي=+ .م اين فرآيند توسط نويسنده تهيه شده استنرم افزاري جهت انجا

اي يك پره خراب شـود مـي تـوان بـه راحتـي آن را مزيتي كه مي توان براي پره قابل تعويض در فن بيان كرد اين است كه در صورتي كه در اثر حادثه هـا را دچـار مـشكل كه باالنس مجموعة چرخنده ديسك و پرهاي باشد تعويض نمود، اما بايد در نظر داشت كه اين پره تعويض شده به لحاظ جرمي بايد بگونه

درصد راندمان آنهـا از رانـدمان تئـوري، كمتـر بـه دسـت 5 تا 3اند نشان داده است كه حدود فنهايي كه به روش فوق الذكر ساخته شده و تست گرديده . نكند .]2[ مرزي و اثرات آن در نوك پره و بخش مركزي فن دانستآيد كه علت آن را مي توان فاصله بين لبه پره تا ديواره و وجود اليه مي

8 198 198 198 19

و ديسكوارده به پره فناي و تنشه گشتاورها،نيروهابصورت كلي ميتوان نيروهاي وارده بر يك پـره از مجموعـه فـن را بـه دو گـروه نيروهـاي آيرودينـاميكي ناشـي از جريـان و نيروهـاي ناشـي از دوران

محاسبه ايـن نيروهـا . گردد ندي مربوط به نيروهاي استاتيكي و پايدار حاكم بر پره است و شامل نيروهاي ديناميكي و ناپايدار نمياين دسته ب . بندي نمود تقسيمقابـل صـرفنظر نيروهاي ناشي از دوران در برابر نيروهاي آيروديناميكي عموماً . اي، استحكامي و طراحي مكانيكي الزم و ضروريست جهت بررسي مسائل سازه

ميتـوان .شـود اين نيروها در نظر گرفته مـي جهت پوشش دادن MS=5معادل با ) Margin of Safety( و جهت نيروهاي ناپايدار، حاشية ايمني باشد ردن ميك .زير محاسبه نمودبه صورت هاي آن بر مركز جرم منطبق باشد بصورت خالصه xنيروها و گشتاورهاي وارده بر يك مقطع را كه محور

∑=

=N

tipiiiNx rmF

2)( ω )20(

∑=

=N

tipiifNy dTF )()( )21(

∑=

=N

tipiifNz dGF )()( )22(

∑=

∆=−=N

tipiizymNxNx xIMM )()()(

221 ωρ )23(

∑=

−=N

tipiiNifNy rrdGM )()()( )24(

∑=

−=N

tipiNiifNz rrdTM )()()( )25(

با توجه به نيروها و گشتاورهاي وارده بـر يـك . راي ساخت پره استمحاسبه تنش وارده به پره فن از الزامات مهم جهت تعيين جنس ماده مورد استفاده ب تـنش محـوري وارده بـر . المان و با فرض ساده كننده تير يك سر گيردار براي پره فن، به راحتي ميتوان تنش محوري و برشي وارد بر يك پره را تعيين نمـود

كننـد، امـا الذكر هم تنش فشاري و هم كششي به پـره اعمـال مـي گشتاورهاي فوق. آيد مي بوجودMz و Myو گشتاورهاي Fxاين تير يك سر گيردار از نيروي . توان حداكثر تنش كششي وارده به پره كه ممكن است به بخشي از هر مقطع اعمال شود را بصورت زير تعيين نمود مي

JtM

ItM

AF NJNI

N

Nxx

21max

)()()()( ++=σ )26(

اي و بر اساس شـرايط بارگـذاري نهـايي و بـا در نظرگـرفتن شود از نظر سازه زيادي به آنها وارد ميبرخي قطعات حساس مجموعه روتور كه بار معموالً تحليل ديسك و پره مونتـاژ شـده بـه همـراه اجـزاء ، تحليل ديسك به تنهايي، تحليل پره به تنهايياين تحليل شامل . شود ميضريب اطمينان مناسب تحليل

و هـا بـار در پـيچ دهنده در شرايط وجود پـيش تحليل ديسك و پره مونتاژ شده به همراه اجزاء اتصال، )اتصال دهنده به شفتها و قطعه شامل پيچ (دهنده اتصال .دهد شكلهاي زير اين فرآيند را نشان مي. استتحليل مودال

8 198 198 198 19

قطاع ديسك و بندي شده پره مدل مش) ۵ (شكل

عه مونتاژ شده قطعات روتورمجموو ميزز در مجموعه ديسك كانتور معيار تنش ون) ۶ (شكل

بـه عنـوان نتيجـه باشد؛ هاي ساده و پايه جسم مي آناليز مودال مبتني بر شناخت حركت. باشد آناليز مودال روشي براي بررسي حركت ارتعاشي اجسام مي ت جـسم را در هنگـام بـروز ارتعـاش توان بـه روش مـودال، نحـوه حركـ مي، و ساده هاي پايه توان گفت كه در صورت مشخص كردن حركت روش مودال مي

.باشد سم ميج) Mode Shapes (هاي اي آن و مود هاي پايه هاي پايه همان روش محاسبه فركانس طبيعي و حركت روش محاسبه اين حركت .بيني كرد پيش

هرتز133 در فركانس شكل مود پنجم نوساني) ۷ (شكل

8 198 198 198 19

فن، ديسك و ساير متعلقات ها پرهساخت .استزير شكل ه ابعاد اوليه فن ب .توان به صورت زير آن را بيان نمود از بخشهاي مختلفي تشكيل شده كه مي) Axial Fan(ري يك مجموعه فن محو

پرة فن و پرة مستقيم كننده جريان -1 مجموعه ديسك و متعلقات آن تا موتور الكتريكي -2 پوسته دروني، بيروني و دماغة فن -3

2.001.65

2.801.60

0.924

نما و ابعاد اولية فن محوري) ۸ (شكل

.ساخته شدطراحي و مطابق شكل زير مدل سه بعدي از اين قطعه ،هاي مستقيم كننده جريان اده شدن ابعاد نهايي براي پرهپس از آم

نماي پرة مستقيم كنندة جريان) ۹ (شكل

باال از مجموعه فن با راندمانروش ريخته گري براي توليد انبوه مناسبترين روش است ولي . با روشهاي مختلفي قابل انجام استساخت پره فن فرآيند قبل از .ه استاستفاده شد) حداقل سه محوره (CNCفرز آيد و همچنين با توجه به اولين نمونه، روش انتخابي با دستگاه روشهاي دقيق ساختي بدست مي

) با توجه به تنشهاي اعمالي (AL7075س عدد پره از جن10 .انجام عمليات ماشين كاري الزم است مدل مناسب جهت انجام اين كار در كامپيوتر ايجاد شود .دهد شكل زير فرآيند ماشين كاري را نشان مي. با اين روش توليد گرديد

CNCپرة فن با ماشينكاري ) ۱۰ (شكل

8 198 198 198 19

ا ه را به پره) موتور(تواند با يك ضخامت ثابت، مكانيزم چرخنده يك ديسك مي. تواند در طرحهاي مختلف اجرا شود هاي فن مي ديسك متصل به پرهتواند تابعي هذلولي، تابعي مخروطي و يا داراي توزيع ضخامت به اين توزيع ضخامت مي. تواند داراي توزيعي از ضخامت در طول خود باشد متصل كند يا مي

.در طول ديسك گردد) برابري تنش گريز از مركز در همه مقاطع آن(اي باشد كه باعث استحكام ثابت گونهبراي ديسك حداقل حاشيه ايمني مجموعه و حداكثر تنش وارده به دسيك 7075 براي آلومينيوم Mpa 500تسليم حدود با توجه به حداكثر تنش

شكل ).حاشيه ايمني صفر يعني حداكثر تنش وارده با تنش تسليم برابر است(رسد مي10 به 1675 است كه اين عدد براي دور 25/5 عدد دور بر دقيقه3000 .دهد ساخته شده را نشان ميزير مجموعه طراحي و

هاي مونتاژ شده به ديسك قبل از نصب پينها پره) ۱۱ (شكل

شـود ايجاد پين باعث مي. اي باشد كه هر پره در محل خود قادر به نصب شدن باشد ها و ديسكها بايد به گونه الزم به ذكراست شماره گذاري بر روي پره ها و ديسك و مجموعه مركزي آن، باز و بسته شـدن مجموعـه باعـث عـدم بـاالنس ياً پس از باالنس شدن پرهپره و مكانيزم وسط اوالً لقي نداشته باشد و ثان

.نگرددشكل زير اين . با حداقل پسا هستند) Streamlined bodies of revolution(هاي يكنواخت شده ترين شكل براي پوششها آيروديناميكي، بدنه آل ايده

تواند محيط مي) جلوي حداكثر قطر(بخش جلويي اين شكل . درصدي طول كلي آن قرار دارد 40دهد كه حداكثر قطر آن در يآل را نشان م دهي ايده پوشش .تواند تضمين كننده يك جريان خوب در طول سطح اين بخش از ورودي فن باشد مي75/0مناسب براي دماغه جلوي فن باشد و نسبت طول به قطر

X/L

Y/R

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

1

2

خشيشكل بدنه يكنواخت شدة چر) ۱۲ (شكل

باعث بوجود Xb=0.5 و نسبت قطر بخش مركزي فن به قطر فن λ=0.5 در شرايط ضريب جريان 3/0 با نسبت طول به قطر Spinnerاستفاده از )(47.0آمدن ضريب افت فشاري معادل با 2210 =∆ ωρ Rp25/0اين در حالي است كه اين ضريب فشار در حالت بدون وجود دماغه به عدد . گردد مي

. ]4[ گردد يا بزرگتر باعث افزايش راندمان فن مي5/0استفاده از نسبت طول به قطر . رسد مي53/0ره، افت فشار به عدد رسد و براي حالت استفاده از نيمك مي

8 198 198 198 19

ه براي دماغه،خت شدمنحني يكنوابا انتخاب . آيد شكل زير بدست ميميليمتري براي فن، 924با توجه به موارد فوق و با توجه به قطر بخش مركزي .است افزار انجام شد كه نتايج آن در شكل زير ارائه شده جهت بررسي كيفيت جريان و بررسي ميزان يكنواختي جريان بعد از گذر از روي دماغه، تحليل نرم

.الزم به ذكر است نيروي وارده به دماغه جهت ساخت بايستي مورد توجه قرار گيرد

ماغهتوزيع فشار اطراف سطح د) ۱۳ (شكل

آيروديناميكي جلوي فنپوششطراحي و ساخت ) ۱۴ (شكل

اين قسمت بايد با دقت . گيرد هاي مستقيم كننده جريان و بخش مركزي فن را در بر مي اي است كه روتور، دماغه، پره بخش بيروني فن، محفظهتواند منجر به از بين رفتن كامل ساخت اين قسمت ميرسد و عدم دقت در مناسب ساخته شود زيرا در محل چرخش روتور، قطر روتور به حداكثر خود مي

بايست عالوه بر تغيير طول ناشي از بار گريزازمركز روتور، تغييرات طول ناشي از تغيير دما در جهت محاسبه قطر داخلي الزم در بخش روتور مي. روتور شود .فصلهاي مختلف را نيز در نظر گرفت

شود و راندمان فن آن در راندمان فن بسيار مؤثر است و هر چه اين فاصله كمتر باشد اثرات گردابه نوك پره كمتر ميفاصله ميان روتور و ديواره بيروني . درصد تجاوز كند عمالً تفاوتي ميان راندمان پرة ايرفويلي و غير ايرفويلي وجود ندارد10از S/Dجدول زير هنگامي كه ميزان مطابق . رود باالتر مي

8 198 198 198 19

Dروي يك فن راديال به قطر ) S(يوارة داخلي بدنة فن تا قطر بيروني روتور اثر فاصلة د .۱‐جدول%5 %4 %3 %2 %1 % (S/D) 0.80 0.82 0.84 0.86 0.88 maxη

د به گيرن هايي كه در زير بخش مركزي قرار مي عدد از پره4. شود هاي مستقيم كننده جريان برقرار مي ارتباط ميان بخش مركزي و بيروني بوسيله پره

اي نصب شوند كه امكان باز و بسته شدن نيمه بااليي بخش مركزي در مكانيزم آن وجود داشته سه پره باقيمانده بايد بگونه. اند اي تقويت شده لحاظ سازه .دهد شكل زير مجموعة مونتاژ شدة فوق را نشان مي. باشد

مونتاژ بخش مركزي به پوستة بيروني) ۱۵ (شكل

اندازي و آزمايش مجموعة فن راهو باالنس ديناميكي

و ناميزاني جرمـي آن ) باالنس(ها به ديسكها و نصب پيچها و پينهاي آن، بايستي مجموعة ايجاد شده به لحاظ ديناميكي متعادل پس از مونتاژ كامل پره ر مجموعه باعـث بوجـود آمـدن لرزشـهاي شـديد و اي برخوردار است، زيرا عدم تعادل د هاي چرخنده از اهميت ويژه باالنس ديناميكي مجموعه . برطرف گردد

.دهد تصوير زير دستگاه باالنس و مجموعة مونتاژ شده روي آن را نشان مي .گردد حتي بروز پديدة تشديد و انهدام مجموعه مي

باالنس ديناميكي مجموعة روتور فن) ۱۶ (شكل

8 198 198 198 19

دبي در اين آزمايشها با استفاده از ميكرومانومتر . لكرد فن انجام شدپس از نصب فن در جايگاه اصلي خود روي تونل باد آزمايشهايي جهت بررسي عمظرفيت كنترل دور تا محدودة توان موتور الكتريكي است ولذا مراحل آزمايش به . گيري شد در دورهاي مختلف چرخش فن اندازهحجمي هواي جريان يافته

گيري ميزان شدت جريان موتور يابد و در اين فرآيند با اندازه الكتريكي، افزايش دور ادامه مي دوربردقيقه تا ظرفيت نهايي توان موتور100اينگونه است كه از .آيد الكتريكي، توان مصرفي نيز بدست مي

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

(RPM) دور بر دقيقه

(m³ /

hت (

رفيظ

تست بدون درپوش موتور و بدون ديفيوزر انتهايي و بدون دماغهتست با درپوش موتور و بدون ديفيوزر و بدون دماغهتست با درپوش موتور و با ديفيوزر انتهايي و بدون دماغهتست با درپوش موتور و با ديفيوزر انتهايي و با دماغه

با تغيير دور فن در وضعيتهاي مختلفظرفيتنمودار تغيير ) ۱۷ (شكل

.ستنتايج زير بدست آمده امدار جريان نشتي هوا از با از بين بردن در وضعيت نهايي

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

(RPM) دور بر دقيقه

(m³ / h) ظرفيت

با اعمال بار با تغيير دور در وضعيت نهاييظرفيت فننمودار تغيير ) ۱۸ (شكل

8 198 198 198 19

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 50000 100000 150000 200000 250000 300000(m³ / h) ظرفيت

(KW) توان

ظرفيت آن با تغيير فننمودار تغيير توان مصرفي در ) ۱۹ (شكل

نتيجه

طراحي و پاسكال 1100 مترمكعب بر ساعت تحت فشار 270,000حداكثري يك فن محوري براي مشخصات ظرفيت ، با توجه به مطالب ارائه شدههاي فن از جنس پره. كيلووات بوده كه در نوع خود در وضعيت مناسبي قرار دارد110توان مصرفي در اين فن . و مورد آزمايش قرار گرفته استساخته شده

از الياف هاي مستقيم كنندة جريان، بدنه و سازة مركزي از جنس فوالد و دماغة فن پره. توليد شده استCNCآلومينيم آلياژي و با روش ماشينكاري دقيق اي و مودال انجام و مورد توجه قرار گرفته و باالنس جرمي در شرايط ديناميكي كه از فرآيندهاي اجتناب ناپذير در فرآيند طراحي، تحليل سازه.باشد شيشه مي

صدي مشخصات طراحي تئوري و در10 درصد است و نكته قابل توجه در آن اختالف كمتر از 90 راندمان اين فن نزديك به . نيز انجام شده است،است .باشد عملي آن مي

مراجع

[1] F. Marc de Piolenc & George E. Wright Jr., "Ducted fan design", Vol.1, 2001. [2] Alan Pope, "Low Speed Wind Tunnel Testing", 3rd Ed., John Wiley & Sons, 1999.

، علم و صنعت ايران ، پايان نامه كارشناسي ارشد دانشگاه " 5/0 تا 1/0عدد ماخ طراحي تونل باد مادون صوت در محدودة "، عليرضا ربيعي ]3[1378.

[4] Wallis, R. Allan, "Axial flow fans and ducts" Krieger, Malabar, FL, 1993. [5] Patterson, G. N. "Ducted fan: Design for high efficiency ", Australian Council for Aeronautics, ACA Vol.7, July 1944