ITFI20110177A1 - Ventilatore centrifugo con setto antivortice per ridurre vibrazioni e rumore - Google Patents

Description

VENTILATORE CENTRIFUGO CON SETTO ANTIVORTICE PER RIDURRE

VIBRAZIONI E RUMORE

DESCRIZIONE

Campo dell’invenzione

L’invenzione si riferisce in generale al settore dei ventilatori centrifughi, in particolare a quelli impiegati nei sistemi di evacuazione dei fumi nelle centrali termoelettriche. Più precisamente l’invenzione riguarda un ventilatore centrifugo dotato di dispositivo atto a ridurre le vibrazioni, limitare il rumore emesso e ridurre le sollecitazioni meccaniche ai componenti investiti dal flusso di fumi in uscita.

Stato della tecnica

I ventilatori centrifughi per aeriformi (soprattutto aria e fumi) sono componenti impiantistici molto diffusi e trovano applicazione in numerosissimi ambiti. Il loro scopo à ̈ quello di fornire una spinta al fluido in modo da vincere le perdite idrostatiche che il flusso genera nei circuiti a monte e a valle del ventilatore.

Esistono ventilatori centrifughi di tutte le taglie. Le taglie maggiori, utilizzate ad esempio nel circuito di evacuazione fumi delle centrali termoelettriche, sono solitamente del tipo a doppio ingresso. In questo caso l’ingresso del fluido all’interno della girante avviene simmetricamente da entrambi i lati della cassa a voluta e la girante à ̈ solitamente suddivisa in 2 semigiranti affiancate.

E’ noto che i ventilatori centrifughi presentano elevati livelli di rumore e vibrazioni anche alle normali condizioni di esercizio. Il rumore à ̈ fastidioso e, oltre certi livelli, dannoso per le persone e inoltre può minacciare l’integrità e il regolare funzionamento dei ventilatori stessi e dei componenti limitrofi. Movimenti periodici e fluttuazioni di pressione possono portare a oscillazioni o pulsazioni fluidodinamiche di grande ampiezza quando la loro frequenza coincide con una di quelle di risonanza delle parti strutturali del ventilatore o dei componenti limitrofi, per esempio un condotto od una serranda.

Secondo la tecnica nota, si ritiene comunemente che la fonte principale delle pulsazioni, per i ventilatori centrifughi, siano le interazioni tra le parti rotanti e quelle fisse, cioà ̈ le interazioni tra le palette della girante da un lato e le parti fisse della cassa dall’altro, in particolare le interazioni con la lingua, cioà ̈ con l’elemento di raccordo tra l’inizio della voluta e il condotto di uscita allo sbocco del ventilatore. Queste pulsazioni presentano un valore di frequenza caratteristica ben determinato: la frequenza di passaggio delle palette (FPP). Il valore della FPP dipende, tramite una semplice relazione, dalla velocità di rotazione della girante e dal numero di palette della girante (o di una semigirante) ed à ̈ normalmente dell’ordine delle centinaia di Hz. Queste pulsazioni alla FPP possono essere rinforzate da risonanze strutturali che si instaurano nei condotti a valle del ventilatore oppure possono andare ad eccitare altre frequenze corrispondenti ai modi acustici di questi condotti.

Come detto più avanti degli studi fluidodinamici mediante CFD hanno mostrato che oltre alle pulsazioni a frequenza FPP possono instaurarsi, nella zona dello sbocco del ventilatore, delle ampie pulsazioni a bassa frequenza (qualche Hz) ascrivibili ad instabilità fluidodinamiche secondarie che si sovrappongono al flusso medio.

L’elevata ampiezza di variazione della spinta prodotta da queste pulsazioni provoca la sollecitazione a fatica delle strutture investite da questi fenomeni instazionari, la quale risulta particolarmente gravosa anche a causa della bassa frequenza del fenomeno e quindi determina la possibile rottura di queste strutture. Inoltre tali pulsazioni possono eccitare od alimentare l’energia acustica delle armoniche tipiche del sistema di condotti posti a valle del ventilatore, determinando un rafforzamento delle emissioni acustiche.

Il problema del rumore e delle pulsazioni di pressione a valle dei ventilatori centrifughi, limitatamente a quelli dovuti principalmente alle interazioni tra parti rotanti e parti fisse del ventilatore, à ̈ stato già affrontato. Ad esempio, EP 1378668 descrive un ventilatore centrifugo a doppio ingresso comprendente un elemento stabilizzatore posto tra la voluta e lo sbocco e disposto essenzialmente su un piano medio perpendicolare alla direzione di flusso per consentire l’omogeneizzazione del flusso in uscita. EP 2182220 viene descritto un ventilatore centrifugo con una lamiera forata che suddivide radialmente lo spazio della voluta in modo da formare due canali distinti che si estendono per un tratto fin dentro il condotto di scarico.

Scopi dell’invenzione

Lo scopo generale della presente invenzione à ̈ di fornire un ventilatore centrifugo che presenti ridotte pulsazioni fluidodinamiche a valle della sua sezione di sbocco, in modo da attenuare le vibrazioni meccaniche a bassa frequenza riscontrate nei ventilatori centrifughi secondo la tecnica nota.

Un ulteriore scopo particolare della presente invenzione à ̈ ridurre le pulsazioni di qualsiasi frequenza che eccitano le emissioni acustiche generate all’interno del ventilatore e dei condotti ad esso collegati.

Questi scopi vengono raggiunti con il ventilatore centrifugo secondo la presente invenzione le cui caratteristiche essenziali sono riportate nella rivendicazione 1. Ulteriori importanti caratteristiche sono riportate nelle rivendicazioni dipendenti.

Breve descrizione dei disegni

Le caratteristiche e i vantaggi del ventilatore centrifugo secondo l’invenzione risulteranno chiare dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

la figura 1 mostra uno spaccato schematico di un ventilatore centrifugo a doppio ingresso secondo la presente invenzione;

le figure 2A e 2B mostrano schematicamente l’alternanza di vortici di scia a valle di un ventilatore centrifugo secondo la tecnica nota;

le figure 3A e 3B mostrano rispettivamente l’andamento temporale della spinta trasversale su una pala di serranda posta a valle di un ventilatore centrifugo secondo la tecnica nota e lo spettro della spinta sulla pala medesima;

le figure 4A e 4B mostrano schematicamente l’alternanza di vortici di scia a valle di un ventilatore centrifugo secondo la presente invenzione;

le figure 5A e 5B mostrano rispettivamente l’andamento temporale della spinta trasversale su una pala di serranda posta a valle di un ventilatore centrifugo secondo la presente invenzione e sul setto antivortice del medesimo.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Con riferimento alla figura 1, si à ̈ genericamente indicato con 1 un ventilatore centrifugo a doppio ingresso (mostrato in spaccato laterale) destinato, nell’esempio specifico, all’installazione in un sistema di evacuazione fumi di una centrale termoelettrica. Con 2 si à ̈ indicato una serranda dotata di pale 3 connessa alla bocca di uscita 4 (indicata con tratto discontinuo) del ventilatore. A valle della serranda 2 si estende un collettore di scarico dei fumi comunicante con un camino (entrambi non mostrati).

Il ventilatore 1 à ̈ formato da una cassa 5 costituita da due fiancate piane laterali 6 (una sola visibile nello spaccato) unite ad un dorso 7, costituito a sua volta da una lamiera incurvata con profilo a spirale. Tra le due fiancate 6 à ̈ disposta una girante 8 definente una sua camera centrale 8a entro cui viene convogliato il fluido aspirato. La girante comprende due piastre laterali 11, alle quali à ̈ fissata una doppia corona di palette 9 opportunamente sagomate, la cui rotazione imprime una spinta radiale al fluido che esce dalla superficie cilindrica esterna della girante 8 e si raccoglie in un volume esterno, detto voluta, indicato con 10, racchiuso dalla cassa 5 del ventilatore.

Come in generale previsto nei ventilatori a doppio ingresso, il volume interno della girante 8 à ̈ suddiviso a metà da un setto centrale 13 disposto sul piano mediano della girante. Si creano così due semigiranti dotate ciascuna di una schiera di pale. Questo consente di sfalsare angolarmente le schiere delle due semigiranti in modo da ottenere un flusso più uniforme all’uscita.

Allo scopo di avere una sezione di sbocco 4 sufficientemente larga le fiancate 6 della cassa 5 del ventilatore sono distanziate dalla girante 8, cosicché parte del fluido ricircola all’interno della cassa 5 attorno alla girante stessa. La cassa 5 presenta un’apertura normalmente di forma rettangolare, coincidente con la bocca di uscita 4, da cui fuoriesce il fluido con una pressione dinamica incrementata rispetto all’ingresso, vincendo così le perdite idrostatiche del resto del circuito.

Il dorso 7 che delimita radialmente la voluta 10, à ̈ sagomato in modo da incrementare la distanza tra la periferia della girante e la voluta stessa a partire da un valore minimo, in corrispondenza dell’inizio della voluta, fino ad un valore massimo, posto alla fine della voluta. L’inizio e la fine della voluta sono raccordati allo sbocco 4. L’inizio della voluta à ̈ raccordato tramite un profilo, detto lingua, indicato con 12, che separa il flusso diretto verso lo sbocco 4, dalla piccola parte che ricircola rientrando nella voluta 10.

Secondo l’invenzione, in corrispondenza della sezione di sbocco 4 à ̈ disposto un elemento bidimensionale 14, denominato setto antivortice, sostanzialmente piastriforme, con piano medio di giacenza parallelo alla direzione media del flusso dei fumi, indicata con la freccia F in figura 1. Essendo la sezione di sbocco e i condotti a valle generalmente di sezione quadrilatera e in particolare quadrata o rettangolare, il setto antivortice 14 si estende tra due lati opposti di detta sezione ed il suo piano medio di giacenza à ̈ sostanzialmente ortogonale all’asse della girante 8. Preferibilmente il suo piano medio di giacenza à ̈ complanare al piano mediano della girante 8 e, nell’esempio considerato, complanare al setto centrale 13 della girante.

Dalle verifiche effettuate à ̈ stato rilevato che il setto antivortice 14 disposto nella posizione suddetta ha l’effetto di ostacolare la componente trasversale della velocità dei vortici di scia che si formano a valle della sezione di sbocco 4 riducendo in modo consistente l’intensità di fluttuazione. Da rilevare inoltre che il suo orientamento parallelo alla direzione del flusso di uscita dei fumi non produce una significativa perdita di carico.

L’efficacia del setto antivortice 14 al fine della riduzione delle fluttuazioni à ̈ stata verificata numericamente mediante CFD (fluidodinamica computazionale). In particolare questa tecnica à ̈ stata applicata dapprima ad un ventilatore centrifugo operante secondo la tecnica nota e quindi a uno operante secondo la presente invenzione.

Nel primo caso la tecnica di simulazione CFD à ̈ stata applicata ad un dominio di calcolo che riproduce la configurazione reale presente in una centrale termoelettrica. Il dominio di calcolo comprende anche le due pale di una serranda di isolamento posta a breve distanza dallo sbocco del ventilatore. Ciò consente di valutare l’impatto dei vortici generati dal ventilatore su dette pale in termini di spinta totale agente sulle superfici delle pale stesse. Le condizioni operative simulate sono quelle relative ad un basso livello di carico della centrale che, nel caso esaminato, si sono rivelate le più critiche per quanto riguarda lo sviluppo di fenomeni oscillatori.

La simulazione nelle condizioni originarie di impianto (figure 2A, 2B) ha evidenziato la formazione di scie di vortici alternati che si distaccano dalla girante allungandosi verso il condotto di sbocco. L’intensità dei vortici à ̈ tale che nella regione centrale del condotto si hanno delle zone in cui il flusso scorre in senso opposto a quello medio. Le strutture vorticose periodiche possono assumere una configurazione simmetrica, come quella illustrata nelle figure, o possono sovrapporsi ad un campo di moto fortemente asimmetrico e sbilanciato verso un lato del condotto.

Le figure 3A, 3B mostrano dei grafici che si riferiscono alla condizione simulata sopra descritta. La figura 3A riporta l’andamento temporale della componente trasversale, rispetto all’asse del condotto di scarico, della spinta globale agente su una delle due pale della serranda. La spinta risulta sempre positiva, cioà ̈ diretta verso la sezione mediana del condotto, ma presenta una forte componente fluttuante (F1), su cui si sovrappone l’oscillazione, di maggiore frequenza ma di minore ampiezza (F2), dovuta alla FPP.

In fig. 3B viene presentato lo spettro in frequenza del precedente grafico. Sono evidenziati i due picchi relativi alla FPP (indicato con F2) e quello molto più intenso relativo ai vortici alternati (indicato con F1). Questi ultimi presentano una frequenza di alcuni Hz, cioà ̈ circa due ordini di grandezza inferiore alla FPP.

La simulazione à ̈ stata poi ripetuta introducendo nel dominio di calcolo utilizzato in precedenza il setto antivortice 14, e osservando l’evoluzione temporale del campo fluidodinamico a partire dalle condizioni raggiunte nel calcolo senza detto elemento.

Come mostrato nelle figure 4A e 4B, resta la generazione di scie di vortici alternati, ma la loro estensione verso valle risulta ora ridotta e investe le pale della serranda con intensità molto minore.

L’andamento della spinta trasversale sulla pala à ̈ riportato in figura 5A. Si nota il rapido smorzamento della componente fluttuante a bassa frequenza ( curva mediana), sovrapposta ad una componente quasi stazionaria agente sempre verso il centro del condotto. Questo andamento della spinta sollecita molto meno la resistenza meccanica dei materiali.

Ovviamente lo stesso setto antivortice 14 si trova immerso nel campo fluidodinamico fluttuante e quindi à ̈ soggetto alle spinte che ne derivano. La figura 5B mostra la spinta che agirebbe sul setto antivortice 14. Questa spinta presenta un’ampia componente fluttuante a bassa frequenza (curva mediana); tuttavia l’ampiezza di questa spinta à ̈ inferiore all’ampiezza della spinta che agiva sulla pala serranda in assenza del setto antivortice. Inoltre quest’ultimo, essendo una struttura senza parti in movimento, può essere realizzato in modo da resistere meglio a queste sollecitazioni meccaniche.

Oltre al beneficio sopra descritto riguardante le sollecitazioni meccaniche sulle strutture a valle dello sbocco del ventilatore, si à ̈ notato pure un deciso abbassamento, di circa un ordine di grandezza, delle fluttuazioni di pressione in tutto il dominio di calcolo, sia all’interno della voluta del ventilatore, sia nei condotti a valle dello sbocco.

Il setto antivortice 14 à ̈, nella sua forma più semplice, costituito da una piastra rettangolare estendentesi tra due pareti opposte dello sbocco del ventilatore. Essa può avere un profilo simile a quello di un’ala e presentare bordi arrotondati nella direzione di flusso. La larghezza della piastra lungo l’altezza potrà essere uniforme, di più facile realizzazione, oppure variare in modo da essere più ampia all’estremità opposta alla lingua, presentando così una maggiore superficie di ancoraggio alla cassa del ventilatore.

La posizione di montaggio del setto antivortice 14 secondo la presente invenzione à ̈ in corrispondenza della sezione di sbocco del ventilatore. In pratica ciò potrà essere ottenuto collocandolo direttamente sullo sbocco della cassa a voluta del ventilatore oppure premontandolo su un telaio delle stesse dimensioni del condotto di scarico da addossare e fissare allo sbocco del ventilatore.

Benché nella presente descrizione si sia fatto riferimento ad un ventilatore centrifugo a doppio ingresso, l’invenzione in oggetto à ̈ da intendersi applicabile anche ai ventilatori centrifughi a singolo ingresso.

Varianti e/o modifiche potranno essere apportate ventilatore centrifugo secondo la presente invenzione senza per questo uscire dall’ambito protettivo dell’invenzione medesima come definita nelle seguenti rivendicazioni.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un ventilatore centrifugo (1) comprendente una cassa (5) che delimita una voluta (10) e alloggia una girante (8) per convogliare un fluido in detta voluta e attraverso una sua sezione di sbocco (4), caratterizzato dal fatto che in corrispondenza di detta sezione di sbocco (4) Ã ̈ previsto un setto antivortice (14) estendentesi su un piano di giacenza parallelo alla direzione di flusso (F) del fluido.
2. 2. Il ventilatore centrifugo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto setto antivortice (14) Ã ̈ complanare al piano mediano di detta girante (8).
3. 3. Il ventilatore centrifugo (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto setto antivortice (14) Ã ̈ un elemento piastriforme di sezione quadrilatera.
4. 4. Il ventilatore centrifugo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detta sezione di sbocco (4) Ã ̈ di forma quadrilatera e detto setto antivortice (14) si estende tra due lati opposti di essa.
5. 5. Il ventilatore centrifugo (1) secondo la rivendicazione 4, in cui la larghezza di detto setto antivortice (14) Ã ̈ variabile con la distanza da uno di detti due lati opposti
6. 6. Il ventilatore centrifugo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto setto antivortice (14) presenta bordi arrotondati nella direzione di flusso (F) del fluido.
7. 7. Il ventilatore centrifugo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto setto antivortice (14) Ã ̈ montato in detta sezione di sbocco (4).
8. 8. Il ventilatore centrifugo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui detto setto antivortice (14) à ̈ premontato su un telaio avente le stesse dimensioni di detta sezione di sbocco (4) ed applicabile all’uscita di detto ventilatore.