РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА Российский патент 2002 года по МПК F04D29/26 

Изобретение относится к области вентиляторостроения и касается конструкции рабочих колес центробежных вентиляторов, преимущественно систем охлаждения военных машин (ВМ).

Вентиляторные установки систем охлаждения ВМ, особенно танков, и соответственно рабочие колеса вентиляторов работают в специфических условиях. Для них характерны значительные загромождения, затенение входных сечений агрегатами моторно-трансмиссионных установок, что существенно искажает поле скоростей воздуха на входе в вентилятор и снижает КПД установок.

Требования высокой компактности вентиляторных установок ВМ при наличии загромождений входных сечений обуславливают большие затраты мощности на привод, высокую быстроходность рабочих колес вентиляторов и повышенные требования к их прочности. Исходя их этого, лопатки рабочих колес вентиляторов изготавливают с развитыми подкосами, т. е. продлевают лопатку со стороны несущего диска в направлении к оси вращения. Такие развитые подкосы отрицательно сказываются на аэродинамических характеристиках, снижают КПД и расход, т.к. углы атаки участка подкосов обычно завышены из соображений прочности колеса. Современные рабочие колеса вентиляторов с лопатками, загнутыми назад, работают в зоне быстроходности и расходов, характерной для диагональных вентиляторов, имеют большие относительные диаметры входа, более 0,8 диаметра рабочего колеса и в силу низкого КПД потребляют значительные мощности на привод. Например, в танке Т-90 (Россия) при мощности двигателя 840 л. с. мощность, потребляемая вентилятором, может достигать 85 л.с., в танке "Леопард" (Германия) при мощности двигателя 1500 л.с. затраты на вентиляторы системы охлаждения достигают 240-270 л.с.

В силу описанных особенностей вентиляторные установки ВМ образуют специфическую группу по сравнению с общетехническими, их усовершенствование сказывается на общемашинных тактико-технических характеристиках.

Известна вентиляторная установка танка Т-64, которая является вспомогательной и дополняет эжекционную систему охлаждения. Рабочие колеса вентиляторов барабанного типа имеют лопатки, загнутые вперед (β₂>90^°). [1].

Такие рабочие колеса имеют на выходе значительный скоростной напор, который затруднительно использовать из-за дефицита объемов и их высокой чувствительности к условиям на выходе. В частности, трудно реализовать эффективную защиту зоны выброса воздуха. Поэтому такие вентиляторные установки используют как вспомогательные, для сравнительно небольших абсолютных расходов воздуха.

Известно, что профиль межлопаточного канала играет важную роль в характеристике вентиляторной установки.

В техническом решении по а. с. 382849 для рабочего колеса с лопатками, загнутыми вперед (β₂>90^°), принято изменение площади сечения межлопаточных каналов по параболе пятой степени. Достоинства и недостатки такого рабочего колеса приведены в рассмотренном примере для танка Т-64.

В литературе описаны общетехнические конструкции рабочих колес центробежных вентиляторов с лопатками знакопеременной кривизны и освещены вопросы профилирования подкосов лопаток с целью повышения аэродинамических характеристик [2].

Приведены рекомендации по определению очертаний начального участка подкосов в диапазоне при D₁max=(1,0...1,05)D₀ и D₁min=(0,7...0,8)D₀ и метод расчета текущих углов β₁ и углов атаки.

Однако приведенные соотношения не могут быть выполнены в вентиляторной установке ВМ, в частности, углы β₁ (и углы атаки входного участка) значительно завышают по конструктивным соображениям для обеспечения прочности колеса и лопаток от действия центробежных сил. Приведенные соотношения справедливы при равномерном поле скоростей воздуха на входе в вентилятор, что практически не может быть реализовано в компоновке ВМ.

Таким образом, выполнение приведенных геометрических рекомендаций в условиях ВМ невозможно по соображениям прочности и не обеспечивает эффективность в силу значительной неравномерности поля скоростей на входе в рабочее колесо.

Наиболее близким по технической сущности является рабочее колесо центробежного вентилятора вентиляторной установки системы охлаждения танка Т-72 и его модификаций [3].

Рабочее колесо ц.б. вентилятора танка Т-72 содержит несущий и наклонный покрывной диск с диаметром входа - 0,85 диаметра рабочего колеса, загнутые назад лопатки с подкосами, с относительной шириной на выходе 0,2 от диаметра рабочего колеса, профиль лопаток очерчен одним радиусом в сечении, параллельном плоскости несущего диска. Рабочее колесо ц.б. вентилятора танка Т-72 выполняет функции в условиях высокой неравномерности поля скоростей на входе в колесо, что обусловлено компоновочным размещением агрегатов моторно-трансмиссионного отделения. Статический КПД вентиляторной установки танка Т-72 по линии всасывания составляет около 16%.

Подкосы лопаток обеспечивают прочность колеса от центробежных сил. Углы атаки подкосов завышены по конструктивным соображениям из условия обеспечения прочности. Для повышения жесткости на лопатках выполнены выштамповки ("зиги"), ухудшающие аэродинамические характеристики.

Дальнейшее повышение расхода воздуха на лопатках, очерченных одним радиусом, возможно за счет поворота всей лопатки на больший угол с обеспечением увеличения угла β₂, но это противоречит условиям на входе и еще более завышает углы атаки.

Предлагаемым изобретением решается задача: повышения расхода воздуха и прочности рабочего колеса без увеличения объема вентиляторной установки и повышение КПД установки в условиях неравномерности поля скоростей на входе в рабочее колесо вентилятора.

Для достижения этого технического эффекта в рабочем колесе центробежного вентилятора, преимущественно систем охлаждения военных машин, содержащем несущий и наклоненный покрывной диск с диаметром входа ≤0,85 диаметра колеса, с установленными между дисками загнутыми назад листовыми лопатками с подкосами, с относительной шириной на входе 0,2-0,28 диаметра колеса, в сечении, параллельном несущему диску, профиль лопаток с подкосами выполнен со знакопеременной кривизной, при этом место изменения знака кривизны расположено на 0,85-0,95 диаметра рабочего колеса, а относительная кривизна оси межлопаточного канала на участке между проекциями входной и выходной кромок соседних лопаток не превышает 4%.

Признаки, отличающие предлагаемое рабочее колесо центробежного вентилятора от наиболее близкого к нему известного [3], заключаются в том, что в сечении, параллельном несущему диску, профиль лопаток с подкосами выполнен со знакопеременной кривизной, при этом место изменения знака кривизны расположено на 0,85-0,95 диаметра рабочего колеса, а относительная кривизна оси межлопаточного канала на участке между проекциями входной и выходной кромок соседних лопаток не превышает 4%.

Эти признаки обуславливают возможность повысить расход воздуха и прочность колеса центробежного вентилятора без увеличения объема вентиляторной установки. При этом обеспечивается возможность дальнейшего наращивания расхода воздуха за счет повышения оборотов и повышение КПД вентиляторной установки в условиях неравномерности поля скоростей на входе в рабочее колесо вентилятора.

Предлагаемое колесо центробежного вентилятора представлено на чертеже.

Разработанный профиль лопатки со знакопеременной кривизной обеспечивает возможность увеличения угла β₂ на выходе из рабочего колеса, при одновременном сохранении углов β₁ и углов атаки на участке подкосов, а также позволяет обеспечить желаемую степень диффузорности межлопаточногo канала и повышенную жесткость лопатки от действия центробежных сил. При этом функцию "зига" выполняет S-образный профиль без ухудшения аэродинамических характеристик.

Из теории известно, что криволинейный диффузор в условиях неравномерного поля скоростей на входе является одной из наиболее несовершенных по уровню потерь формой канала. Из криволинейных диффузоров состоит классическая круговая решетка вентилятора с лопатками, загнутыми назад. Известно, что при определенных соотношениях замена криволинейного диффузора на поворот постоянным сечением с последующим коротким диффузором способна снизить потери в канале [4].

Аналогичный эффект может быть получен при спрямлении криволинейного диффузора на участке между проекциями входной и выходной кромок соседних лопаток, что может характеризоваться относительной кривизной оси межлопаточного канала, т. е. отношением стрелы прогиба С к длине участка диффузора В, т.е. Под осью понимается линия, соединяющая геометрическое место центров вписанных окружностей.

Являясь условием профилирования, относительная кривизна оси межлопаточного канала при прочих условиях определяет форму и количество лопаток, при этом значительно снижаются потери в межлопаточном канале в условиях неравномерного поля скоростей на входе в рабочее колесо.

Экспериментально подтверждено, что выполнение профиля лопаток с подкосами со знакопеременной кривизной, с расположением места изменения знака кривизны на D₃=(0,85-0,95) диаметра рабочего колеса, при относительной кривизне оси межлопаточного канала на участке между проекциями входной и выходной кромок соседних лопаток, не превышающей 4%, обеспечивает снижение уровня потерь в рабочем колесе ц.б. вентилятора в условиях неравномерного поля скоростей на входе. Это справедливо для рабочих колес ц.б. вентиляторов с относительной шириной на выходе и диаметром входа D₀≤0,85 D₂. При этом на экспериментальном образце при сохранении диаметра и ширины рабочего колеса расход воздуха вырос приблизительно на 12%, статический КПД по линии всасывания достиг 24% по сравнению с 16% прототипа, танка Т-72.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить КПД, расход воздуха, прочность лопаток рабочего колеса центробежнего вентилятора. Выполнение этих функций обеспечивается без увеличения объема вентиляторной установки и в условиях существенно неравномерного поля скоростей на входе в рабочее колесо.

Источники информации
1. "Техническое описание танка Т-64". Военное издательство Министерства обороны СССР, М., 1969.

2. "Центробежные вентиляторы". М.И. Невельсон. Госэнергоиздат, М., 1954, с. 70-74.

3. "Объект 172М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации". Книга вторая. Военное издательство Министерства обороны СССР. М., 1975.

4. "Самолетные силовые установки". В.И. Поликовский. Оборонгиз, 1952, с. 225.

Изобретение относится к конструкции рабочих колес центробежных вентиляторов систем охлаждения транспортных изделий, преимущественно военных машин (ВМ), и обеспечивает повышение расхода воздуха, КПД и прочности рабочего колеса без увеличения объема вентиляторной установки. Параметры рабочего колеса адаптированы к условиям значительной неравномерности поля скоростей на входе в вентиляторную установку, что связано с плотной компоновкой и загромождениями входа агрегатами моторно-трансмиссионной установки ВМ. Для повышения КПД в указанных условиях профиль лопатки выполнен со знакопеременной кривизной (S-образной), место изменения знака кривизны расположено на 0,8-0,95 диаметра рабочего колеса, при этом число лопаток и их профиль определяются из условия, что относительная кривизна оси межлопаточного канала на участке между проекциями входной и выходной кромок соединения лопаток не превышает 4%. Указанные соотношения справедливы для рабочих колес центробежных вентиляторов с лопатками, загнутыми назад, систем охлаждения ВМ, с относительным диаметром входа 0,85 и относительной шириной на выходе 0,2-0,28 от диаметра рабочего колеса. 1 ил.

Рабочее колесо центробежного вентилятора преимущественно систем охлаждения военных машин, содержащее несущий и наклонный покрывной диск с диаметром входа до 0,85 диаметра колеса, с установленными между дисками загнутыми назад листовыми лопатками с подкосами, с относительной шириной на выходе 0,2-0,28 диаметра колеса, отличающееся тем, что в сечении, параллельном несущему диску, профиль лопаток с подкосами выполнен со знакопеременной кривизной, при этом место изменения знака кривизны расположено на 0,85-0,95 диаметра рабочего колеса, а относительная кривизна оси межлопаточного канала на участке между проекциями входной и выходной кромок соседних лопаток не превышает 4%.