Kipas aksial

Kipas aksial adalah jenis kipas yang menyebabkan gas mengalir melaluinya dalam arah aksial, sejajar dengan poros tempat bilah berputar. Alirannya bersifat aksial pada saat masuk dan keluar. Kipas dirancang untuk menghasilkan perbedaan tekanan, dan karenanya gaya, untuk menyebabkan aliran melalui kipas.

Faktor-faktor yang menentukan kinerja kipas meliputi

• jumlah dan
• bentuk bilah.

Kipas memiliki banyak aplikasi termasuk di terowongan angin dan menara pendingin. Parameter desain meliputi

• daya,
• laju aliran,
• kenaikan tekanan, dan
• efisiensi .^[1]

Kipas aksial umumnya terdiri dari bilah yang lebih sedikit (dua hingga enam) daripada kipas sentrifugal. Kipas aksial umumnya memiliki radius yang lebih besar dan kecepatan yang lebih rendah (ω) daripada kipas saluran (khususnya pada daya yang sama. Tegangan sebanding dengan r^2).

Karena perhitungan tidak dapat dilakukan dengan menggunakan segitiga kecepatan masuk dan keluar, yang tidak terjadi pada turbomachines lain, perhitungan dilakukan dengan mempertimbangkan segitiga kecepatan rata-rata untuk aliran hanya melalui elemen bilah yang sangat kecil. Bilah dibagi menjadi banyak elemen kecil dan berbagai parameter ditentukan secara terpisah untuk setiap elemen. Ada dua teori yang memecahkan parameter untuk kipas aksial:

• Teori Slipstream
• Teori Elemen Blade

Pada gambar, ketebalan cakram propeller diasumsikan dapat diabaikan. Batas antara fluida yang bergerak dan fluida yang diam ditunjukkan. Oleh karena itu, aliran diasumsikan terjadi pada saluran konvergen imajiner ^[2] di mana:

• D = Diameter Cakram Baling-Baling.
• D_s = Diameter di Pintu Keluar.

Pada gambar, di cakram baling-baling , kecepatan (C₁ dan C₂) tidak dapat berubah secara tiba-tiba di cakram baling-baling karena hal itu akan menciptakan gelombang kejut tetapi kipas menciptakan perbedaan tekanan di cakram baling-baling.

${\displaystyle C_{\rm {1}}=C_{\rm {2}}=C}$ and ${\displaystyle P_{\rm {1}}\neq P_{\rm {2}}}$

• Luas cakram propeller dengan diameter D adalah:

${\displaystyle A={\frac {\pi D^{2}}{4}}}$

• Laju aliran massa melintasi baling-baling adalah:

${\displaystyle {\dot {m}}={\rho AC}}$

• Karena gaya dorong adalah perubahan massa dikalikan dengan kecepatan aliran massa, yaitu perubahan momentum , gaya dorong aksial pada cakram baling-baling disebabkan oleh perubahan momentum udara, yaitu:

${\displaystyle F_{\rm {x}}={\dot {m}}{(C_{\rm {s}}-C_{\rm {u}})}={\rho AC}{(C_{\rm {s}}-C_{\rm {u}})}}$

• Menerapkan prinsip Bernoulli di hulu dan hilir:

${\displaystyle {\begin{aligned}P_{a}+{\frac {1}{2}}{\rho C_{u}^{2}}&=P_{1}+{\frac {1}{2}}{\rho C^{2}}\\P_{a}+{\frac {1}{2}}{\rho C_{s}^{2}}&=P_{2}+{\frac {1}{2}}{\rho C^{2}}\end{aligned}}}$

Dengan mengurangkan persamaan di atas:

${\displaystyle P_{2}-P_{1}={\frac {1}{2}}\rho (C_{s}^{2}-C_{u}^{2})}$

• Perbedaan gaya dorong akibat perbedaan tekanan adalah luas proyeksi dikalikan dengan perbedaan tekanan. Gaya dorong aksial akibat perbedaan tekanan adalah:

${\displaystyle F_{x}=A(P_{2}-P_{1})={\frac {1}{2}}\rho A\left(C_{s}^{2}-C_{u}^{2}\right)}$

Dengan membandingkan dorongan ini dengan dorongan aksial yang disebabkan oleh perubahan momentum aliran udara, maka diperoleh:

${\displaystyle C={\frac {C_{s}+C_{u}}{2}}}$

Parameter 'a' didefinisikan sedemikian rupa sehingga -

${\displaystyle C=(1+a)C_{u}}$ where ${\displaystyle a={\frac {C}{C_{u}}}-1}$

Dengan menggunakan persamaan sebelumnya dan "a", ekspresi untuk C_s menjadi:

${\displaystyle C_{s}=(1+2a)C_{u}}$

• Menghitung perubahan entalpi stagnasi spesifik di seluruh cakram:

${\displaystyle \Delta h_{o}=h_{od}-h_{ou}=\left(h_{d}+{\frac {1}{2}}C_{s}^{2}\right)-\left(h_{u}+{\frac {1}{2}}C_{u}^{2}\right)={\frac {1}{2}}\left(C_{s}^{2}-C_{u}^{2}\right)}$

Sekarang, Nilai Ideal Daya yang diberikan ke Propeller = Laju aliran massa * Perubahan entalpi Stagnasi ;

${\displaystyle P_{i}={\dot {m}}{\Delta h_{o}}}$ where ${\displaystyle {\dot {m}}=\rho AC}$

Jika baling-baling digunakan untuk mendorong pesawat terbang pada kecepatan = C_u; maka Daya Berguna = Dorongan Aksial * Kecepatan Pesawat;

${\displaystyle P=F_{x}C_{u}}$

• Oleh karena itu ekspresi efisiensi menjadi:

${\displaystyle \eta _{p}={\frac {{\text{Actual Power}}(P)}{{\text{Ideal Power}}(P_{i})}}={\frac {F_{x}C_{u}}{{\frac {1}{2}}\rho AC\left(C_{s}^{2}-C_{u}^{2}\right)}}={\frac {C_{u}}{C}}={\frac {1}{1+a}}}$

• Misalkan D_s adalah diameter silinder keluaran imajiner. Dengan Persamaan Kontinuitas ;

  ${\displaystyle {\begin{aligned}C{\frac {\pi D^{2}}{4}}&=C_{s}{\frac {\pi D_{s}^{2}}{4}}\\\Rightarrow D_{s}^{2}&={\frac {C}{C_{s}}}D^{2}\end{aligned}}}$

• Dari persamaan di atas diketahui bahwa -

  ${\displaystyle C_{s}={\frac {1+2a}{1+a}}C}$

Karena itu ;

${\displaystyle D_{s}^{2}=\left({\frac {1+a}{1+2a}}\right)D^{2}}$

Oleh karena itu aliran dapat dimodelkan dimana udara mengalir melalui saluran divergen imajiner, dimana diameter cakram baling-baling dan diameter saluran keluar saling terkait.

Dalam teori ini , elemen kecil ( dr ) diambil pada jarak r dari akar bilah dan semua gaya yang bekerja pada elemen tersebut dianalisis untuk mendapatkan solusi. Diasumsikan bahwa aliran melalui setiap bagian dengan ketebalan radial kecil dr diasumsikan independen dari aliran melalui elemen lainnya.^[3]

Gaya Penyelesaian pada gambar -

${\displaystyle \Delta F_{x}=\Delta L\sin(\beta )-\Delta D\cos(\beta )}$

${\displaystyle \Delta F_{y}=\Delta L\cos(\beta )+\Delta D\sin(\beta )}$

Koefisien Angkat (C_L) dan Koefisien Hambatan (C_D) diberikan sebagai -

${\displaystyle \mathrm {Lift} (\Delta L)={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}(ldr)}$

${\displaystyle \mathrm {Drag} (\Delta D)={\frac {1}{2}}C_{D}\rho w^{2}(ldr)}$

Juga dari gambar -

${\displaystyle \tan(\phi )={\frac {\Delta D}{\Delta L}}={\frac {C_{D}}{C_{L}}}}$

Sekarang,

${\displaystyle \Delta F_{x}=\Delta L(\sin \beta -{\frac {\Delta D}{\Delta L}}\cos \beta )=\Delta L(\sin \beta -\tan \phi \cos \beta )={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}ldr{\frac {\sin(\beta -\phi )}{\cos \phi }}}$

Jumlah Bilah (z) dan Jarak (s) berhubungan sebagai, ${\displaystyle s={\frac {2\pi r}{z}}}$ dan daya dorong total untuk bagian elemen baling-baling adalah zΔF_x.

Oleh karena itu,

${\displaystyle \Delta p(2\pi rdr)=z\Delta F_{x}}$

${\displaystyle \Rightarrow \Delta p={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}({\frac {l}{s}}){\frac {\sin(\beta -\phi )}{\cos \phi }}={\frac {1}{2}}C_{D}\rho w^{2}({\frac {l}{s}}){\frac {\sin(\beta -\phi )}{\sin \phi }}}$

Demikian pula, penyelesaian untuk ΔF_y, ΔF_y ditemukan menjadi-

${\displaystyle \Delta F_{y}={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}ldr{\frac {\cos(\beta -\phi )}{\cos \phi }}}$

dan ${\displaystyle (\mathrm {Torque} )\Delta Q=r\Delta F_{y}}$

Akhirnya, gaya dorong dan torsi dapat diketahui pada penampang elemen karena keduanya sebanding denganF_x dan F_y.

Hubungan antara variasi tekanan dan laju aliran volume merupakan karakteristik penting dari kipas. Karakteristik khas kipas aksial dapat dipelajari dari kurva kinerja . Kurva kinerja untuk kipas aksial ditunjukkan pada gambar. (Garis vertikal yang menghubungkan titik efisiensi maksimum ditarik yang bertemu dengan kurva Tekanan di titik "S") Berikut ini dapat disimpulkan dari kurva -

• Ketika laju aliran meningkat dari nol, efisiensi meningkat hingga titik tertentu mencapai nilai maksimum dan kemudian menurun.
• Daya keluaran kipas meningkat dengan kemiringan positif yang hampir konstan.
• Fluktuasi tekanan diamati pada pembuangan rendah dan pada laju aliran (seperti ditunjukkan oleh titik "S") tekanan menurun.
• Variasi tekanan di sebelah kiri titik "S" menyebabkan aliran tidak stabil yang disebabkan oleh dua efek, yakni terhenti dan melonjak.

Gangguan dan lonjakan arus memengaruhi kinerja kipas , bilah kipas, serta output dan karenanya tidak diinginkan. Gangguan dan lonjakan arus terjadi karena desain yang tidak tepat, sifat fisik kipas, dan umumnya disertai dengan timbulnya kebisingan.

Penyebabnya adalah pemisahan aliran dari permukaan bilah. Efek ini dapat dijelaskan oleh aliran di atas foil udara. Ketika sudut datang meningkat (selama aliran kecepatan rendah) di pintu masuk foil udara, pola aliran berubah dan pemisahan terjadi. Ini adalah tahap pertama dari penghentian dan melalui titik pemisahan ini aliran terpisah yang mengarah ke pembentukan pusaran, aliran balik di wilayah yang dipisahkan. Untuk penjelasan lebih lanjut tentang penghentian dan penghentian berputar, lihat lonjakan kompresor . Zona penghentian untuk kipas aksial tunggal dan kipas aksial yang dioperasikan secara paralel ditunjukkan pada gambar. [ 4 ].^[4]

Berikut ini dapat disimpulkan dari grafik tersebut:

• Untuk Kipas yang dioperasikan secara paralel, kinerjanya lebih rendah dibandingkan dengan kipas individual.
• Kipas harus dioperasikan di zona operasi aman untuk menghindari efek macet

Banyak kegagalan kipas aksial terjadi setelah kipas aksial bilah terkendali dikunci dalam posisi tetap dan Variable Frequency Drives (VFD) dipasang. VFD tidak praktis untuk beberapa kipas aksial. Kipas aksial dengan daerah ketidakstabilan parah tidak boleh dioperasikan pada sudut bilah, kecepatan putar, laju aliran massa, dan tekanan yang membuat kipas mengalami kondisi macet.^[5]

Surging tidak boleh disamakan dengan stalling. Stalling hanya terjadi jika tidak ada cukup udara yang masuk ke bilah kipas yang menyebabkan pemisahan aliran pada permukaan bilah. Surging atau aliran tidak stabil yang menyebabkan kerusakan total pada kipas terutama disebabkan oleh tiga faktor

• Lonjakan sistem
• Lonjakan kipas
• Paralel

Situasi ini terjadi ketika kurva resistansi sistem dan kurva tekanan statis kipas berpotongan dan memiliki kemiringan yang sama atau sejajar satu sama lain. Alih-alih berpotongan pada titik tertentu, kurva berpotongan pada wilayah tertentu yang melaporkan lonjakan sistem. Karakteristik ini tidak diamati pada kipas aksial .

Operasi yang tidak stabil ini disebabkan oleh perkembangan gradien tekanan dalam arah yang berlawanan dengan aliran. Tekanan maksimum diamati pada pembuangan bilah impeller dan tekanan minimum pada sisi yang berlawanan dengan sisi pembuangan. Ketika bilah impeller tidak berputar, gradien tekanan yang merugikan ini memompa aliran ke arah yang berlawanan dengan arah kipas. Hasilnya adalah osilasi bilah kipas yang menciptakan getaran dan karenanya kebisingan .^[6]

Efek ini hanya terlihat jika terdapat beberapa kipas. Kapasitas aliran udara kipas dibandingkan dan dihubungkan pada kondisi saluran keluar atau saluran masuk yang sama. Hal ini menyebabkan suara bising , yang secara khusus disebut sebagai ketukan jika terdapat kipas yang dipasang secara paralel. Untuk menghindari ketukan, digunakan kondisi saluran masuk yang berbeda, perbedaan kecepatan putaran kipas , dll.

Dengan merancang bilah kipas dengan rasio hub-to-tip yang tepat dan menganalisis kinerja pada jumlah bilah sehingga aliran tidak terpisah pada permukaan bilah, efek ini dapat dikurangi. Beberapa metode untuk mengatasi efek ini adalah sirkulasi ulang udara berlebih melalui kipas, kipas aksial adalah perangkat kecepatan spesifik tinggi yang mengoperasikannya pada efisiensi tinggi dan untuk meminimalkan efeknya, kipas harus dioperasikan pada kecepatan rendah . Untuk mengendalikan dan mengarahkan aliran, disarankan penggunaan bilah pemandu . Aliran turbulen di saluran masuk dan keluar kipas menyebabkan macet sehingga aliran harus dibuat laminar dengan memperkenalkan stator untuk mencegah efeknya.^[7]

• Penyejuk udara (air conditioner)
• Kompresor (pemampat)
• Bilah
• Gaya (fisika)
• Daya
• Laju
• Tekanan
• Efisiensi energi
• Mesin jet
• Turbojet
• Turbofan
• Propfan
• Turboshaft
• Turboprop
• Turbin gas
• Mesin reaksi
• Baling-baling
• Baling-baling pesawat