Количественная оценка параметров турбинного генератора потока на основе требований к респираторным системам

Рассмотрены особенности проектирования генератора потока турбинного типа (называемого также турбиной, бловером, вентилятором, центробежным компрессором и пр.) для аппаратов искусственной вентиляции легких. Системные требования, предъявляемые к такому аппарату, трансформированы в геометрические и механические параметры вентилятора в виде, принятом для сферы турбостроения. Эти требования затрагивают не только показатели напора и производительности, но и время разгона (выхода на требуемый эксплуатационный режим) и уровень звукового давления. Обоснован выбор газодинамических параметров турбинного генератора потока, раскрыта специфика его работы с характеристиками вентилятора и влиянием на них крутящего момента электродвигателя. Рассмотрена концепция мониторинга остаточного ресурса электродвигателя по датчику вибрации и термометру сопротивления, которая позволяет вносить аварийные уставки в алгоритм управления аппаратом искусственной вентиляции легких. Все это позволит более обоснованно интерпретировать те решения и продукты, которые на сегодняшний день представлены на рынке, а также более детально учитывать специфику конкретного аппарата при разработке технического задания на вентилятор.

Литература

[1] Anderson N.J., Cassidy P.E., Janssen L.L. et al. Peak inspiratory flows of adults exercising at light J. Int. Soc. Respir. Prot., 2006, vol. 23, pp. 53–63.

[2] Amato M.B., Barbas C.S., Bonassa J. et al. Volume-assured pressure support ventilation (VAPSV). A new approach for reducing muscle workload during acute respiratory failure. Chest, 1992, vol. 102, no. 4, pp. 1225–1234, doi: https://doi.org/10.1378/chest.102.4.1225

[3] Hunnekens B., Kamps S., van de Wouw N. Variable-gain control for respiratory systems. IEEE Trans. Control Syst. Technol., 2020, vol. 28, no. 1, pp. 163–171, doi: https://doi.org/10.1109/TCST.2018.2871002

[4] Delgado C., Romero J.E., Puig J. et al. Performance of the new turbine mid-level critical care ventilators. Respir. Care, 2017, vol. 62, no. 1, pp. 34–41, doi: https://doi.org/10.4187/respcare.04938

[5] Tuchler S., Chen Z., Copeland C.D. Multipoint shape optimisation of an automotive radial compressor using a coupled computational fluid dynamics and genetic algorithm approach. Energy, 2018, vol. 165-A, pp. 543–561, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.09.076

[6] Ekradi K., Madadi A. Performance improvement of a transonic centrifugal compressor impeller with splitter blade by three-dimensional optimization. Energy, 2020, vol. 201, art. 117582, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117582

[7] Tang X., Wang Z., Xiao P. et al. Uncertainty quantification based optimization of centrifugal compressor impeller for aerodynamic robustness under stochastic operational conditions. Energy, 2020, vol. 195, art. 116930, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.116930

[8] Clarke C., Marechale R., Engeda A. et al. Investigation of centrifugal compressor vaneless diffuser stability via a local flow angle approach. Proc. Inst. Mech. Eng. A: J. Power Energy, 2016, vol. 230, no. 4, pp. 366–373, doi: https://doi.org/10.1177%2F0957650916637769

[9] Zhao P.F., Liu Y., Wang X.F. Analysis of vortices and performance of different diffusers in a large mass flow coefficient centrifugal compressor. Proc. Inst. Mech. Eng. A: J. Power Energy, 2017, vol. 231, no. 4, pp. 253–273, doi: https://doi.org/10.1177%2F0957650917701339

[10] Ohta Y., Fujisawa N. Unsteady behavior and control of vortices in centrifugal compressor. J. Therm. Sci., 2014, vol. 23, no. 5, pp. 401–411, doi: https://doi.org/10.1007/s11630-014-0723-5

[11] Yoshinaga Y., Kaneki T., Kobayashi H. et al. A study of performance improvement for high specific velocity centrifugal compressors by using diffusers with half guide vanes. J. Fluids Eng., 1987, vol. 109, no. 4, pp. 359–366, doi: https://doi.org/10.1115/1.3242672

[12] Cengel Y.A., Cimbala J.M. Fluid mechanics: fundamentals and applications. McGraw-Hill, 2013.

[13] Epple P., Karic B., Ili´c C. et al. Design of radial impellers: a combined extended analytical and numerical method. Proc. Inst. Mech. Eng. C J. Mech. Eng. Sci., 2009, vol. 223, no. 4, pp. 901–917, doi: http://dx.doi.org/10.1243/09544062JMES1196

[14] Dixon S.L. Fluid mechanics and thermodynamics of turbomachinery. Butterworth & Heinemann, 1998.

[15] Moosania S.M., Zheng X. Comparison of cooling different parts in a high-pressure ratio centrifugal compressor. Appl. Sci., 2017, vol. 7, no. 1, art. 16, doi: https://doi.org/10.3390/app7010016

[16] Mondal M.H.T., Shiplu K.S.P., Sen K.P. et al. Performance evaluation of small scale energy efficient mixed flow dryer for drying of high moisture paddy. Dry. Technol., 2019, vol. 37, no. 12, pp. 1541–1550, doi: https://doi.org/10.1080/07373937.2018.1518914

[17] Casey M., Krahenbuhl D., Zwyssig C. The design of ultra-high-velocity miniature centrifugal compressors. 10th Europ. Conf. Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics, 2013, pp. 506–519.

[18] Guo H., Xu Y., Zhang Y. et al. Off-design performance and an optimal operation strategy for the multistage compression process in adiabatic compressed air energy storage systems. Appl. Therm. Eng., 2019, vol. 149, pp. 262–274, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.12.035

[19] Anish S., Sitaram N. Computational investigation of impeller-diffuser interaction in a centrifugal compressor with different types of diffusers. P. I. Mech. Eng. A-J. Pow., 2009, vol. 223, no. 2, pp. 167–178, doi: http://dx.doi.org/10.1243/09576509JPE662

[20] Liu R., Xu Z. Numerical investigation of a high-velocity centrifugal compressor with hub vane diffusers. P. I. Mech. Eng. A-J. Pow., 2004, vol. 218, no. 3, pp. 155–170, doi: https://doi.org/10.1243%2F095765004323049887