ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР Российский патент 1999 года по МПК F04D17/08 

Изобретение относится к области вентиляторной техники, в частности, к конструкции крышного и канального вентиляторов с центробежным рабочим колесом с загнутыми назад лопатками. Характерной особенностью вентиляторов указанных типов является отсутствие спирального корпуса и осевая симметрия конструкции, что обуславливает осесимметричность течения.

Из уровня техники известен центробежный вентилятор, используемый в качестве крышного вентилятора, содержащий опору с установленным на ней энергоприводом, на валу которого закреплено рабочее колесо с лопатками, размещенными между основным и покрывным дисками рабочего колеса, и всасывающий патрубок, имеющий в диаметральном сечении криволинейный профиль, описанный в авторском свидетельстве СССР 976133, МПК F 01 D 17/16, опубл. 23.11.82, принятый за наиболее близкий аналог. Для достижения максимально возможной производительности по воздуху рабочие колеса выполняют как можно шире. Однако, при ширине h рабочего колеса больше 0,25 его диаметра d (h = 0,25d) течение в рабочем колесе на большей части напорно-расходной характеристики теряет устойчивость и отрывается от покрывного диска рабочего колеса. Это приводит, как показано пунктирной линией на фиг. 7, к неустранимому снижению напорно-расходной характеристики и КПД, что является недостатком вентилятора, принятого за наиболее близкий аналог.

Решаемой технической задачей является улучшение напорно-расходной характеристики и КПД путем устранения отрыва течения от покрывного диска при ширине рабочего колеса более 0.25 диаметра. Технический результат заключается в увеличении ширины лопаток рабочего колеса.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Центробежный вентилятор, как и в наиболее близком аналоге, содержит опору с установленным на ней энергоприводом, на валу которого закреплено рабочее колесо с лопатками, размещенными между основным и покрывным дисками рабочего колеса, и всасывающий патрубок, имеющий в диаметральном сечении криволинейный профиль, но в отличие от наиболее близкого аналога, центробежный вентилятор снабжен кольцевым кожухом, охватывающим рабочее колесо, выполненным с кольцевой щелью, обращенной к лопаткам и внешней поверхности покрывного диска рабочего колеса, одна из кромок кольцевой щели перекрывает часть лопаток рабочего колеса на величину δ = 0.01...0.10 их ширины h и отстоит от указанных лопаток на d₂ = (0.05...0.10)d диаметра рабочего колеса d, а другая кромка расположена над внутренней поверхностью покрывного диска, с образованием конфузорного кольцевого зазора между внутренними поверхностями кожуха и покрывного диска на входе в рабочее колесо.

Центробежный вентилятор характеризуется тем, что конфузорный кольцевой зазор в диаметральном сечении выполнен с углом между образующей внутренней поверхности покрывного диска и контуром внутренней поверхности кожуха, равным γ = 0...10^o.

Центробежный вентилятор характеризуется также тем, что кольцевой кожух выполнен в виде кольцевой панели и соединенной с ней внешней поверхности всасывающего патрубка, а кольцевой зазор образован между внешней поверхностью всасывающего патрубка и внутренней поверхностью покрывного диска.

Центробежный вентилятор характеризуется тем, что кожух выполнен коаксиальным рабочему колесу, характерный размер кожуха d₁ в направлении, перпендикулярном оси рабочего колеса, равен d₁ = (1.05...1.50)d диаметра d рабочего колеса.

Кроме того, центробежный вентилятор характеризуется тем, что в полости кожуха напротив лопаток рабочего колеса размещено, по меньшей мере, две лопатки, соединенные с внутренней поверхностью кожуха, указанные лопатки установлены относительно окружности максимального диаметра рабочего колеса под углом β = 0. . . 40^o против направления вращения рабочего колеса, при этом свободный конец каждой лопатки расположен на уровне между кромкой покрывного диска со стороны входа в рабочее колесо и началом лопаток рабочего колеса со стороны покрывного диска.

Кожух центробежного вентилятора предлагается выполнять в виде кругового цилиндра с примыкающей к нему со стороны лопаток рабочего колеса панелью в виде плоского кольца, перпендикулярного оси вращения рабочего колеса, и соединенного с внешней поверхностью всасывающего патрубка.

Перечисленные признаки являются существенными для решения технической задачи и достижения технического результата, и взаимосвязаны между собой.

Выполнение центробежного вентилятора содержащим опору с установленным на ней энергоприводом, на валу которого закреплено рабочее колесо с загнутыми назад лопатками, размещенными между основным и покрывным дисками, всасывающим патрубком, имеющим криволинейный профиль в диаметральном сечении, а также наличие кольцевого кожуха, охватывающим рабочее колесо, выполненного с кольцевой щелью, обращенной к лопаткам и внешней поверхности покрывного диска рабочего колеса, перекрытие одной из кромок кольцевой щели части лопаток рабочего колеса на величину δ = (0.01...0.10)h их ширины h и отстояние от указанных лопаток на d₂ = (0.05...0.10)d диаметра d рабочего колеса, и расположение другой кромки над внутренней поверхностью покрывного диска, с образованием конфузорного кольцевого зазора между внутренними поверхностями кожуха и покрывного диска на входе в рабочее колесо обеспечивает создание циркуляционной полости между наружными поверхностями покрывного диска и внутренней поверхностью кольцевого кожуха, соединенной со входом в рабочее колесо посредством конфузорного зазора, формирующего струю, направленную из области повышенного давления в циркуляционной полости на поверхность покрывного диска. Такая конструкция создает условия для предотвращения отрыва течения от покрывного диска, что и позволяет увеличить ширину рабочих лопаток. При этом указанные величины отстояния верхней кромки кольцевой щели кожуха δ, d₂ от лопаток рабочего колеса обеспечивают необходимые условия для создания избыточного давления в циркуляционной полости, воздух в которую подается рабочим колесом на ширине δ = (0.01...0.10)h его лопаток, и уменьшения потерь давления в полости.

Выполнение конфузорного кольцевого зазора с углом γ между образующей внутренней поверхности покрывного диска и контуром внутренней поверхности кожуха, в диаметральном сечении равным γ = 0...10^o, обеспечивает формирование высокоскоростной струи, направленной на поверхность покрывного диска, что уменьшает зону отрыва и даже предотвращает отрыв потока от стенок покрывного диска и обеспечивает тем самым возможность увеличения ширины лопаток рабочего колеса.

Выполнение кольцевого кожуха в виде кольцевой панели и соединенной с ней внешней поверхности всасывающего патрубка, и формирование кольцевого конфузорного зазора внешней поверхностью всасывающего патрубка и внутренней поверхностью покрывного диска обеспечивает простоту конструкции центробежного вентилятора и реализацию технического результата.

Выполнение центробежного вентилятора с кожухом, коаксиальным рабочему колесу и характерным размером в направлении, перпендикулярном оси рабочего колеса, равным d₃ = (1.05...1.50)d диаметра d рабочего колеса придает симметричность потоку внутри циркуляционной полости, что способствует снижению аэродинамических потерь и повышению давления внутри полости.

Размещение в полости кожуха напротив лопаток рабочего колеса, по меньшей мере, двух лопаток, соединенных с внутренней поверхностью кожуха и установленных относительно окружности максимального диаметра рабочего колеса под углом β = 0...40^o против направления вращения рабочего колеса, при расположении свободного конца каждой лопатки на уровне между кромкой покрывного диска со стороны входа в рабочее колесо и началом лопаток рабочего колеса со стороны покрывного диска повышает эффективность торможения потока в полости кожуха, что способствует повышению импульса выдуваемой на покрывной диск струи и уменьшению зоны отрывного течения на поверхности покрывного диска.

Выполнение кольцевой панели кожуха в виде кругового цилиндра, соединенного с внешней поверхностью всасывающего патрубка и с примыкающей к нему со стороны лопаток рабочего колеса панелью в виде плоского кольца, перпендикулярного оси вращения рабочего колеса, обеспечивает компактность и технологичность вентилятора.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 дан продольный разрез центробежного вентилятора.

На фиг. 2 показан продольный разрез крышного вентилятора.

На фиг. 3 дан фрагмент сечения 1-1 на фиг. 2 и фиг. 5.

На фиг. 4 представлен узел А на фиг. 2.

На фиг. 5 показан продольный разрез канального вентилятора.

На фиг. 6 представлена напорно-расходная характеристика и КПД предлагаемого и известного из уровня техники вентиляторов.

Центробежный вентилятор устроен следующим образом.

Центробежный вентилятор содержит опору, выполненную, например, в виде опорной плиты 1, с установленным на ней энергоприводом, например, электродвигателем 2, на валу 3 которого (на крышном вентиляторе вал 3, как правило, расположен вертикально) закреплено рабочее колесо 4 с диаметром d и загнутыми назад лопатками 5, закрепленными между покрывным (передним) 6 и основным 7 дисками, и всасывающий патрубок 8, имеющий криволинейный профиль в диаметральном сечении (фиг. 1, 2, 5).

Центробежный вентилятор снабжен также кольцевым кожухом 9, имеющим произвольный замкнутый контур в сечении, перпендикулярном оси вращения рабочего колеса 4 (например, в виде окружности, многоугольника и т.д.), охватывающим рабочее колесо 4, и выполненным с кольцевой щелью, обращенной к лопаткам 5 и внешней поверхности покрывного диска 6 рабочего колеса 4. Кромка 10 кольцевой щели со стороны покрывного диска 6 расположена на уровне δ = (0.01. . . 0.10)h ширины h лопаток 5 и отстоит от них на d₂ = (0.05...0.10)d диаметра d (в частном случае, максимального диаметра d) рабочего колеса 4, а кромка 11 со стороны входа 12 в рабочее колесо 4 расположена над внутренней поверхностью покрывного диска 6, с образованием конфузорного кольцевого зазора 13 между внутренними поверхностями кожуха 9 и покрывного диска 6 на входе в рабочее колесо 4.

В полости 14 кожуха 9 могут размещаться, по меньшей мере, две лопатки 15, соединенные с кожухом 9 и установленные под углом β = 0...40^o к диаметральному сечению рабочего колеса 4 против его направления вращения. Одна из кромок каждой лопатки 15, например, кромка 16, расположена на уровне между кромкой покрывного диска 6 со стороны входа 12 в рабочее колесо 4 и началом лопаток 5 рабочего колеса 4 со стороны покрывного диска 6. Кромки 10, 11 кольцевой щели в кольцевом кожухе 9 могут выполняться как параллельными друг другу и/или перпендикулярно валу 3 рабочего колеса 4, так и произвольно относительно друг друга и вала 3. Каждая из кромок 10 или 11 может выполняться в виде неплоской пространственной кривой.

В предпочтительном варианте выполнения центробежного вентилятора кожух 9 расположен коаксиально рабочему колесу 4, лопатки 15 в полости 14 кожуха размещены симметрично, а кожух 9 выполнен в виде кольцевой панели (на фиг. 2, 5 не обозначена), и соединенной с ней внешней поверхности всасывающего патрубка 8. При этом конфузорный кольцевой зазор 13 формируется между внешней поверхностью всасывающего патрубка и внутренней поверхностью покрывного диска 6 (фиг. 2, 4, 5), а угол между образующей внутренней поверхности покрывного диска 6 и внешней поверхностью всасывающего патрубка 8 в диаметральном сечении равен γ = 0...10^o. Характерный размер кожуха 9 равен d₁ = (1.05. . . 1.50)d, кромка 10 удалена от лопаток 5 рабочего колеса 4 на расстояние d₂ = (0.05...0.10)d и перпендикулярна оси вращения рабочего колеса 4.

В предпочтительном варианте выполнения центробежного вентилятора в качестве крышного (фиг. 2, 3, 4) кожух 9 выполнен в виде цилиндра 17, и соединенной с ним внешней поверхности всасывающего патрубка 8, и с плоским кольцом 18, перпендикулярным оси вращения рабочего колеса 4, внутренняя кромка 10 которого расположена на расстоянии d₂ = (0.05...0.10)d от лопаток 5 рабочего колеса 4. Характерный размер d₁ цилиндра 17 равен d₁ = (1.05...1.50)d диаметра d (в частном случае - максимального диаметра) рабочего колеса 4, а опорная плита 1 выполнена в виде диска диаметром d₃ = (1.0...1.1)d. Кольцо 18 может располагаться под любым углом к валу 3 и выполняться неплоским, однако, при этом технологичность изготовления вентилятора ухудшается.

В предпочтительном варианте выполнения центробежного вентилятора в качестве канального кожух 9 совмещен с корпусом 19 вентилятора, имеющего произвольное поперечное, в т.ч. круглое сечение, соединенного с внешней поверхностью всасывающего патрубка 8 (фиг. 3, 5).

Центробежный вентилятор работает следующим образом.

При вращении рабочего колеса 4, даже при наличии отрывного течения вдоль покрывного диска 6, течение на выходе из рабочего колеса 4 имеет кинетическую энергию вращения и создает динамическое давление p = ρu²/2, где ρ - плотность воздуха; u - касательная скорость на внешнем диаметре рабочего колеса 4. За счет выполнения кожуха 9 с кольцевой щелью, кромка 10 которой перекрывает на величину δ = (0.01...0.10)h ширину лопаток 5 рабочего колеса 4 тангенциальное течение на выходе из рабочего колеса 4 попадает в полость 14 кожуха 9, в которой динамическое давление P преобразуется в статическое, превышающее давление на входе в рабочее колесо 4. При установке лопаток 15 эффективность преобразования динамического давления в статическое возрастает. При этом статическое давление в полости 14 превосходит давление на входе 12 в рабочее колесо 4 настолько, что через кольцевой конфузорный зазор 13 производится интенсивный вдув струи вдоль внутренней поверхности 14 покрывного диска 6. За счет указанного вдува основное течение на входе в рабочее колесо 4 подсасывается к внутренней поверхности покрывного диска 6 и устраняется отрыв течения от нее. В результате течение в вентиляторе становится устойчивым. Это приводит, как показано на фиг. 6 (сплошная линия относится к предлагаемому вентилятору в предпочтительном варианте выполнения, пунктирная линия - к вентилятору, известному из уровня техники) улучшению характеристик вентилятора, что выражается в повышении с ростом коэффициента ϕ расхода Q: ϕ = 4Q/πd²u коэффициента давления: ψ = 4P/πd²u², коэффициента мощности λ = ψϕ/η, и коэффициента полезного действия η вентилятора.

Эффективность центробежного вентилятора повышается при правильной организации течения в кольцевом конфузорном зазоре 13, который в диаметральном сечении должен иметь малую площадь выхода для получения высокоскоростной тонкой струи вдоль внутренней поверхности покрывного диска 6, причем угол γ между образующими внутренней поверхности покрывного диска 6 и внешней поверхности всасывающего патрубка 8 со стороны покрывного диска 6 в диаметральном сечении должен находиться в пределах γ = 0...10^o (фиг. 4).

При выполнении кожуха 9 соединенным с внешней поверхностью всасывающего патрубка 8 струя формируется в конфузорном кольцевом зазоре 13, образованном между внешней поверхностью всасывающего патрубка 8 и внутренней поверхностью покрывного диска 6, а кромка 11 кожуха 9 является кромкой всасывающего патрубка 8, расположенной внутри входа в рабочее колесо 4. При этом потери давления в рабочем колесе 4 снижаются в связи с отсутствием стыка между всасывающим патрубком 8 и кромкой 11 кольцевого зазора в кожухе 9, и формированием зазора 13 всасывающим патрубком 8.

Выполнение кожуха 9 в виде цилиндра 19 и сопряженной с ним внешней поверхности всасывающего патрубка 6 и с кольцом 20, который в предпочтительном варианте выполнения является плоским, расположенным перпендикулярно оси вращения рабочего колеса 4, и параллельно плоскости входной кромки покрывного диска 6, обеспечивает простоту и технологичность конструкции центробежного вентилятора.

Уровень техники позволяет реализовать изобретение без дополнительного изобретательского творчества, причем такие геометрические параметры вентилятора, как диаметры рабочего колеса d, кожуха d₁, опорной плиты d₃, зазора d₂, углы лопаток β в циркуляционной камере и γ рециркуляционного зазора, и т.п., могут быть оптимизированы в зависимости от условий эксплуатации и предъявляемых к характеристикам вентилятора требованиям.

Перечень позиций к чертежам изобретения "Центробежный вентилятор"
1 - опорная плита;
2 - электродвигатель;
3 - вал электродвигателя;
4 - рабочее колесо с диаметром d;
5 - загнутые назад лопатки рабочего колеса;
6 - покрывной (передний) диск;
7 - основной диск;
8 - всасывающий патрубок;
9 - кольцевой кожух;
10 - кромка кольцевой щели со стороны покрывного диска;
11 - кромка кольцевой щели со стороны входа в рабочее колесо;
12 - вход в рабочее колесо;
13 - конфузорный кольцевой зазор;
14 - полость кожуха;
15 - лопатки в полости;
16 - кромка лопатки со стороны всасывающего патрубка;
17 - цилиндр;
18 - кольцо кожуха;
19 - корпус вентилятора;
d - диаметр рабочего колеса;
d₁ - характерный размер кожуха;
d₂ - зазор между лопатками рабочего колеса и кромкой кольцевой щели в кожухе;
d₃ - диаметр опорной плиты;
β - угол установки лопаток, расположенных в полости кожуха;
γ - угол между образующей внутренней поверхности покрывного диска и контуром внутренней поверхности кожуха.

Центробежный вентилятор может быть использован при работе с осесимметричным потоком. Вентилятор содержит опорную плиту, энергопривод, на валу которого установлено рабочее колесо диаметром d с лопатками, покрывной и основной диски. Всасывающий патрубок образует с диском конфузорный кольцевой зазор, который соединяет вход рабочего колеса с полостью кольцевого кожуха, образованного патрубком, цилиндром с характерным размером d₁ и кольцом, установленным с зазором d₂ = (0,05-0,10)d. При этом d₁ = (l,05-l,5)d, кольцо размещено с перекрытием лопаток на величину δ =(0,01-0,10)h. Направляемый в полость частью δ лопаток рабочего колеса воздух под давлением через зазор направляется на диск, что предотвращает отрыв потока от диска и улучшает характеристики вентилятора, при увеличении ширины лопаток рабочего колеса. 5 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Центробежный вентилятор, содержащий опору с установленным на ней энергоприводом, на валу которого закреплено рабочее колесо с лопатками, размещенными между основным и покрывным дисками рабочего колеса, и всасывающий патрубок, имеющий в диаметральном сечении криволинейный профиль, отличающийся тем, что центробежный вентилятор снабжен кольцевым кожухом, охватывающим рабочее колесо, выполненным с кольцевой щелью, обращенной к лопаткам и внешней поверхности покрывного диска рабочего колеса, одна из кромок кольцевой щели перекрывает часть лопаток рабочего колеса, выполненных загнутыми назад, на величину 0,01 - 0,10 их ширины и отстоит от указанных лопаток на 0,05 - 0,10 диаметра рабочего колеса, а другая кромка расположена над внутренней поверхностью покрывного диска, с образованием конфузорного кольцевого зазора между внутренними поверхностями кожуха и покрывного диска на входе в рабочее колесо. 2. Центробежный вентилятор по п.1, отличающийся тем, что конфузорный кольцевой зазор в диаметральном сечении выполнен с углом между образующей внутренней поверхности покрывного диска и контуром внутренней поверхности кожуха, равным 0 - 10^o. 3. Центробежный вентилятор по п.1 или 2, отличающийся тем, что кольцевой кожух выполнен в виде кольцевой панели и соединенной с ней внешней поверхности всасывающего патрубка, а кольцевой зазор образован между внешней поверхностью всасывающего патрубка и внутренней поверхностью покрывного диска. 4. Центробежный вентилятор по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что кожух выполнен коаксиальным рабочему колесу, характерный размер кожуха в направлении, перпендикулярном оси рабочего колеса, равен 1,05 - 1,50 диаметра рабочего колеса. 5. Центробежный вентилятор по пп.1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что в полости кожуха напротив лопаток рабочего колеса размещены по меньшей мере две лопатки, соединенные с внутренней поверхностью кожуха, указанные лопатки установлены относительно окружности максимального диаметра рабочего колеса под углом 0 - 40^o против направления вращения рабочего колеса, при этом одна из кромок каждой лопатки расположена на уровне между кромкой покрывного диска со стороны входа в рабочее колесо и началом лопаток рабочего колеса со стороны покрывного диска. 6. Центробежный вентилятор по пп. 3, 4 или 5, отличающийся тем, что кольцевая панель кожуха выполнена в виде кругового цилиндра с примыкающей к нему со стороны лопаток рабочего колеса панелью в виде плоского кольца, перпендикулярного оси вращения рабочего колеса.