ファンの急増、失速、不安定性: 請負業者の謎

Mar 13, 2024

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、流量の測定がより困難になるだけでなく、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、非常に低い流量で深刻な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ているが、非常に低い圧力 (1 インチ sp 未満) で動作する遠心ファンは、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。