ЛОПАТОЧНЫЙ НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА Российский патент 1998 года по МПК F04D29/54 

Изобретение относится к устройству направляющих лопаток осевого вентилятора, предназначенного для преобразования вращательной составляющей скорости газового потока после прохождения его через крыльчатку, преимущественно, в осевую скорость, при этом устройство включает в себя обечайку направляющих лопаток, размещенных по потоку вентилятора и с промежутками относительно друг друга.

Обычно газовый поток с крыльчатки осевого вентилятора вращается. Это вращательная энергия может быть переведена в полезную энергию с помощью устройства направляющих лопаток на выходе с вентилятора, такое устройство преобразует вращательную скорость потока в осевую составляющую скорости. При этом растет давление газов и повышается КПД вентилятора. Однако в то же время повышается обычно уровень звука.

Звук от вентилятора содержит тональные составляющие, т.е. тоны с дискретными частотами, и широкополосный шум с непрерывным частотным спектром. Были первоначально значительные усилия, чтобы понизить тональные составляющие, с помощью подходящих устройств и оснащения направляющих лопаток на выходе с вентилятора.

Соответственно главный вывод состоит в том, что производимые шумы уменьшаются по мере увеличения расстояния между крыльчаткой и направляющими лопатками /1/. Было установлено, однако, что это не всегда применимо.

Ранее также установлено, что неравномерное распределение направляющих лопаток по обечайке направляющих лопаток может способствовать усовершенствованию определенных акустических параметров, хотя установлено, что большие отклонения от равномерного распределения направляющих лопаток способствуют росту аэродинамических недостатков /2/.

Известно, что определенные акустические характеристики могут быть усовершенствованы путем вырезания из чередующихся направляющих лопаток, в их передней части, некоторой доли.

На фиг. 2 показано, как может быть уменьшена сила в отдельном тоне звука путем смещения направляющих лопаток по окружному направлению обечайки направляющих лопаток. Из этого чертежа видно также, что в то же самое время увеличивается шум на высокой частоте, примерно выше 500 Гц. Измерения были проведены при частоте вращения вентилятора n 970 об/мин и со смещением чередующихся направляющих лопаток при β 10^o и b 0^o.

Задача изобретения состоит в том, чтобы снизить отдельные возмущающие тоны в звуке вентилятора, а также снизить общий уровень шума простыми средствами.

Поставленная задача достигается с помощью обечайки направляющих лопаток такого типа, который упомянут в настоящем введении, и с помощью признаков, изложенных в п.1 формулы.

Вторая задача достигается последующим развитием изобретенного устройства направляющих лопаток, в котором чередующиеся направляющие лопатки смещены в осевом направлении относительно остальных лопаток таким образом, что чередующиеся направляющие лопатки находятся на первом осевом расстоянии от вентилятора, а остальные лопатки на втором расстоянии, одновременно с этим направляющие лопатки неравномерно распределены по окружности обечайки направляющих лопаток. Предпочтительно, чтобы чередующиеся направляющие лопатки были расположены по окружности относительно остальных лопаток с постоянным смещением таким образом, чтобы расстояние по окружности между прилежащими направляющими лопатками чередовалось между двумя заданными значениями. Такое размещение снижает как отдельные тоны, так и общий широкополосный шум от вентилятора. В дополнение к этому, сочетание осевого смещения и смещения по окружности направляющих лопаток способствует повышению КПД вентилятора по сравнению с устройствами, использующими размещение направляющих лопаток только с одним осевым смещением направляющих лопаток или только с одним поворотом их по окружности.

При комбинации мер согласно этому усовершенствованному устройству согласно изобретению достигнуты весьма важные преимущества как в части акустики, так и в части КПД, значительно превосходящие эффект, достигаемый при отдельных мерах с осевым смещением и с круговым поворотом направляющих лопаток.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением устройства по изобретению осевое смещение направляющих лопаток составляет от 0,4 до 0,7 l/l_ch, предпочтительно 0,5 l/l_ch, где l значение смещения, l_ch длина направляющей лопатки.

В соответствии с еще одним предпочтительным исполнением изобретения смещение по окружности составляет 5 15^o по углу, поворота, предпочтительно 10^o.

В соответствии с дальнейшим усовершенствованным исполнением устройства согласно изобретению обечайка направляющих лопаток разделена на два кольца, размещенных по оси один за другим, при этом чередующиеся направляющие лопатки удерживаются на одном кольце, а другие направляющие лопатки на другом кольце, и кольца выполнены с осевым смещением один от другого или повернутыми радиально относительно друг друга вокруг общей оси. Благодаря этому появляется возможность регулировать размещение направляющих лопаток простым образом, чтобы достигнуть оптимальных условий эксплуатации.

В соответствии с дальнейшим улучшенным исполнением изобретения в части, обращенной к крыльчатке, направляющие лопатки выполнены в форме перемычки между радиальными наружной и внутренней частями направляющей лопатки, таким образом, что длина по дуге направляющей лопатки, изогнутой по единственной кривой, на уровне перемычки короче, чем упомянутые наружная и внутренняя части.

На фиг. 1 изображен вентилятор с направляющими лопатками, расставленными по потоку вентилятора; на фиг. 2 эффект уровня звука от вентилятора, получаемый при чередующихся направляющих лопатках, поставленных по окружности согласно известному уровню техники; на фиг. 3 схематичный вид пяти разных размещений направляющих лопаток: а) направляющие лопатки расставлены одинаково согласно известному уровню техники, б) чередующиеся направляющие лопатки, смещенные по окружности обечайки для направляющих лопаток согласно известному уровню техники, в) чередующиеся направляющие лопатки, смешенные по осевому направлению согласно изобретению, г) комбинация осевого смещения и смещения по углу поворота окружности обечайки для направляющих лопаток в соответствии с изобретением, д) комбинация смещения по окружности и наличия выреза в чередующихся направляющих лопатках согласно изобретению; на фиг. 4 звуковой эффект от вентилятора, возникающий при осевом смещении чередующихся направляющих лопаток в соответствии с рабочими условиями в) на фиг. 3; на фиг. 5 действие уровня звука вентилятора при сочетании осевого смещения и смещения направляющих лопаток по окружности обечайки направляющих лопаток согласно рабочим условиям г) на фиг.3; на фиг. 6 снижение тональной составляющей звука при частоте лопасти в функции углового смещения по окружности при заданном осевом смещении; на фиг. 7 пример реализации расстановки, при которой используются кольца для направляющих лопаток; на фиг. 8 отдельная форма направляющей лопатки.

Осевой вентилятор установлен в тракте 4 и имеет обечайку 2 направляющих лопаток, размещенную с промежутком по отношению к нему, и установленную по потоку крыльчатку 1. Количество направляющих лопаток предпочтительно в 0,5 - 2,1 раза больше числа лопастей крыльчатки.

На фиг. 2 показано, что звуковой эффект от вентилятора с направляющими лопатками, размещенными согласно принципам на фиг. За и Зв, соизмерим с условиями, оговоренными выше. Из фиг.1 видно, что смещение чередующихся направляющих лопаток по углу поворота окружности обечайки направляющих лопаток согласно фиг.3в приводит к резкому понижению звуковой тональной составляющей при частоте лопасти 160 Гц, в то же время имеется повышение уровня шума на частотах, превышающих 500 Гц.

Фиг. 4 сравнивает эффект уровня звука от размещения направляющих лопаток согласно фиг. За и Зс. Видно, что имеется значительное снижение тона при частоте лопасти 180 Гц на 3,5 дб, хотя существует повышение широкополосного высокочастотного шума при значениях частот несколько выше 500 Гц. Условия работы те же, что для фиг. 2.

На фиг. 5 сравниваются уровни звука для размещения направляющих лопаток согласно фиг. 3а и 3д. Удивительный результат по этому чертежу показывает, что сочетание осевого смещения и смещения по углу поворота окружности обечайки направляющих лопаток приводит к понижению уровня звука всего частотного промежутка по сравнению с обычным размещением направляющих лопаток с равномерным распределением направляющих лопаток. Фиг. 5 показывает, что и дискретные тоны на низких частотах и широкополосный шум на высоких частотах ослаблены в примере исполнения по фиг. 3д. Осевое смещение направляющих лопаток составляет l/l_ch 0,5, где l-означает величину смещения, а l_ch длину вдоль направляющей лопатки, т.е. смещение составляет половину длины направляющей лопатки. Смещение по углу поворота окружности составляет 10^o. Кривые на чертеже получены для частоты вращения вентилятора при n 970 об/мин.

На фиг. 6 представлено ослабление DL_w звука на частоте лопасти в функции углового поворота β чередующихся направляющих лопаток при таком размещении направляющих лопаток, когда чередующиеся направляющие лопатки смещены также на половину длины направляющей лопатки. Графики приведены для двух различных скоростей вращения: n 970 об/мин и n 1430 об/мин. Эти графики показывают, что значительное понижение тональных составляющих звука достигается при значениях угла смещения в пределах 5 15^o с одновременным осевым смещением направляющих лопаток, рассматриваемым в данном случае. Измерения показали также, что улучшение аэродинамической эффективности вентилятора имеется в той зоне, где достигается наилучшее ослабление звука.

Другое акустически выгодное исполнение устройства согласно изобретению показано на фиг. 3е. По этому исполнению доля кромочной части, обращенной к крыльчатке чередующихся направляющих лопаток, выражена таким образом, что передняя кромка этих направляющих лопаток находится на первом осевом расстоянии от крыльчатки, а остальная ее часть на втором осевом расстоянии. К тому же, направляющие лопатки распределены неравномерно по окружности обечайки.

На фиг. 7 показано дальнейшее выгодное исполнение обечайки 2/ направляющих лопаток в устройстве согласно изобретению. Обечайка 2 выполнена из двух колец 20 и 22, установленных на общем валу. Здесь чередующиеся направляющие лопатки удерживаются на одном из двух колец, а другие на другом кольце. Два кольца с взаимным осевым смещением установлены с возможностью вращения на общем валу. Благодаря этому исполнению обечайки 2 для направляющих лопаток появляется возможность простым способом обеспечить осевое смещение и смещение по углу поворота окружности направляющих лопаток относительно друг друга так, чтобы достичь желаемых результатов.

На фиг. 8 показан пример реализации направляющей лопатки 6, который обнаруживает преимущества при расположении, соответствующем изобретению. Кромочная часть направляющей лопатки 10, которая предназначена для установки лицом к крыльчатке, имеет край 10 параболической формы, так что между внутренней и внешней продольными кромками 12 и 14 направляющей лопатки 6 имеется перемычка с длиной L₂, которая по длине лопатки короче чем кромки L₁ и L₃ соответственно. Направляющая лопатка имеет прямую заднюю кромку 16. Если высоту перемычки, измеренную от внутренней продольной кромки 12, обозначить Н₁, а всю высоту направляющей лопатки H₂ то положение перемычки определяется условием 0,4 ≤ H₁ / H₂ <0,9, предпочтительно 0,5 < H₁ / H₂ <0,8.

Изобретение используется в вентиляторостроении. Лопаточный направляющий аппарат осевого вентилятора содержит обечайку 2 направляющих лопаток, расположенных по потоку вентилятора и расставленных с промежутками между ними. Чередующиеся направляющие лопатки смещены в осевом направлении по отношению к остальным направляющим лопаткам таким образом, что чередующиеся направляющие лопатки находятся на первом осевом расстоянии от вентилятора, а остальные лопатки - на втором осевом расстоянии от вентилятора. В качестве переменных чередующиеся лопатки имеют часть на концевой части, обращенной к вентилятору, снятую таким образом, что передняя кромка чередующейся направляющей лопатки находится на первом расстоянии от вентилятора, а остальная часть направляющей лопатки находится на втором осевом расстоянии, и направляющие лопатки неравномерно распределены по периферии обечайки. Предложены оптимальные геометрические соотношения лопаточного аппарата. 6 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Лопаточный направляющий аппарат осевого вентилятора, содержащий установленные в обечайке за рабочим колесом лопатки, распределенные неравномерно по окружности колеса за счет смещения по окружности одна относительно другой, отличающийся тем, что лопатки в чередующемся порядке смещены по оси одна относительно другой, причем осевое смещение определяется из следующего соотношения l/l_c h 0,4 0,7, преимущественно l/l_c h 0,5, где l_c h длина направляющей лопатки, а смещение по окружности составляет 5 15^o, премущественно 10^o. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что входные кромки соседних лопаток срезаны на разные расстояния, образуя смещенные в осевом направлении чередующиеся лопатки. 3. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что лопатки смещены по окружности одна относительно другой с постоянным смещением, при этом расстояние по окружности между соседними лопатками изменяется в пределах двух заданных величин. 4. Аппарат по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что обечайка состоит из двух колец, установленных по оси друг за другом, при этом чередующиеся лопатки закреплены на разных кольцах. 5. Аппарат по п.4, отличающийся тем, что эти кольца смещены по окружности относительно друг друга. 6. Аппарат по пп.1 5, отличающийся тем, что входная кромка лопатки по всей высоте выполнена вогнутой, при этом длина лопатки в ее средней части меньше, чем длина лопатки на периферии или у корня. 7. Аппарат по пп.1 6, отличающийся тем, что количество направляющих лопаток составляет 0,5 2,1 числа лопаток рабочего колеса.