Surge, stall e instabilidades nos ventiladores: mistérios dos empreiteiros

A Figura 1 (página 7) mostra o fluxo de um sistema ideal. As Figuras 2 a 5 (páginas 8 e 10) mostram uma variedade de condições para a variação temporal do fluxo.

Aqueles envolvidos com a medição de vazões sabem que as condições ideais de vazão não são comuns. Cada ponto de medição de fluxo é geralmente calculado em média por 10 segundos ou mais para obter uma leitura precisa. Variações nas leituras de fluxo e pressão de 10% em curtos períodos de tempo são relativamente comuns.

No entanto, ventiladores que são selecionados ou aplicados incorretamente podem produzir variações muito maiores do que isso. As condições podem se tornar tão severas que o fluxo através do ventilador pode oscilar entre direto e reverso (fluxo saindo da entrada) muitas vezes por minuto (consulte a Figura 4).

As variações no fluxo e na pressão não apenas tornam mais difícil medir o fluxo, mas também podem criar uma variedade de problemas:

Uma compreensão das causas do fluxo instável pode ser útil para evitar esses problemas. Como algumas das causas são complexas, os pesquisadores demonstraram algum interesse.

Não houve um acordo uniforme nas conclusões sobre quais são as causas exatas. No entanto, a partir de suas pesquisas, podemos aprender as condições que tendem a funcionar normalmente e evitar as condições que não funcionam.

Essa mudança de direção (e velocidades relativas) permite que o ventilador gere pressão. Se o ângulo de ataque se tornar muito severo, o ar não seguirá mais a superfície da pá uniformemente.

A quantidade de deflexão e a pressão gerada param de aumentar e normalmente caem. Isso é chamado de ponto de estol.

Em um ventilador, as pás normalmente giram a uma velocidade constante. Portanto, para alterar o ângulo de ataque, o sistema ao qual o ventilador está acoplado deve ser alterado. Taxas de fluxo mais altas através da entrada aumentam o ângulo de ataque; taxas de fluxo mais baixas diminuem isso.

Portanto, se um ventilador está operando em stall, é porque o cfm está muito baixo. Em um determinado sistema, isso é causado pela seleção de um ventilador muito grande (tornando as velocidades do ar muito baixas no ventilador).

Em alguns ventiladores, o ângulo de ataque não é uniforme em toda a largura da pá. Estes normalmente não são os ventiladores mais eficientes, embora a gravidade da parada seja frequentemente menor, pois apenas parte da pá está parando em qualquer taxa de fluxo.

Algumas pessoas dizem que os ventiladores centrífugos de pás radiais estão sempre parados, porque há uma má correspondência entre a velocidade direcional da pá e a do ar que se aproxima. Isso é essencialmente verdade. No entanto, esses tipos de ventiladores podem ter vazões variantes severas no tempo em vazões muito baixas, uma vez que as perdas internas são dominadas por estol e a pressão cai neste ponto.

Um ventilador operando no ponto de estol ou próximo a ele geralmente terá aumentos graves de ruído. Em alguns ventiladores soará quase como se o impulsor estivesse sendo impactado por um objeto sólido (martelando). A parada pura tende a ter uma frequência aleatória, mas há casos especiais em que uma frequência pura é gerada. Isso será discutido mais tarde.

Existe uma natureza variável no tempo para o fluxo de um ventilador em estol. No entanto, isso normalmente não é a principal causa de preocupação. O aumento do ruído gerado pode ser um problema, mas isso também pode ser resolvido.

A maior preocupação para um ventilador operando em estol é o potencial de danos mecânicos. Aqueles que tiveram uma viagem de avião acidentada têm uma ideia de quão severos os impactos de choque aerodinâmico podem ser.

Um ventilador operando continuamente em estol pode sustentar a fadiga do metal estrutural. Isso é especialmente verdadeiro para ventiladores de fluxo axial com pás longas e delgadas ou pás fabricadas em chapa de metal.

Ventiladores centrífugos são menos propensos a danos. Ventiladores centrífugos projetados para pressões relativamente altas, mas operando em pressões muito baixas (menos de 1 pol. sp) são conhecidos por operar continuamente em parada por muitos anos sem danos.

Há outra desvantagem em ter um ventilador operando em estol. Isso significa que a eficiência do ventilador está abaixo do ideal. Um ventilador de tamanho menor custa menos e tem um custo operacional menor. Provavelmente também durará mais que um ventilador maior.