ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР Российский патент 2003 года по МПК F04D17/08 

Изобретение относится к области вентиляторостроения, а именно к центробежным вентиляторам и их входным устройствам.

Из уровня техники известны центробежные вентиляторы с направляющим аппаратом на входе в рабочее колесо.

В описании изобретения "Центробежный вентилятор", защищенного патентом РФ 2135837, МПК F 04 D 17/08, приоритет 06.02.1998, [1], представлен центробежный вентилятор, содержащий спиральный корпус, установленное в нем на валу рабочее колесо с загнутыми назад лопатками и с конусным покрывным диском, всасывающий патрубок с участками криволинейного профиля в диаметральном сечении, внешняя поверхность которого образует с внутренней поверхностью покрывного диска на входе в рабочее колесо циркуляционный зазор, направляющий аппарат, размещенный с внешней стороны всасывающего патрубка перед циркуляционным зазором, выходной патрубок, равный по ширине корпусу вентилятора.

Недостатком известного вентилятора является неравномерность потока на входе в рабочее колесо, что приводит к потере коэффициента давления ψ = 2P/ρu² при больших значениях коэффициента расхода ϕ = 4Q/πD²u (сужение справа рабочей характеристики вентилятора), где Q - расход вентилятора, куб. м/с; Р - полное или статическое давление. Па; D - диаметр рабочего колеса вентилятора, м; u - окружная скорость лопаток на внешнем диаметре рабочего колеса вентилятора, м/с; ρ - плотность перекачиваемого воздуха, кг/куб. м.

В описании изобретения по заявке Германии 4025006 А1, "Ventilatoreinheit", приоритет 07.08.1990 г., дата публикации 13.02.1992 г., [2] , представлен вентилятор, содержащий спиральный корпус, установленное в нем на валу рабочее колесо с загнутыми назад лопатками и с конусным покрывным диском, всасывающий патрубок с цилиндрическим участком и с диаметром входа в рабочее колесо, равным 0.7...0.9 диаметра рабочего колеса, и участками криволинейного профиля в диаметральном сечении, внешняя поверхность которого образует с внутренней поверхностью покрывного диска на входе в рабочее колесо циркуляционный зазор.

Недостатком изобретения [2] является выполнение выходного патрубка с шириной меньшей, чем ширина корпуса, и примерно равной ширине рабочего колеса, что приводит к снижению коэффициента давления ψ при меньших коэффициентах расхода ϕ по сравнению с изобретением [1].

Изобретение [1] принято за наиболее близкий аналог.

Решаемой технической задачей является обеспечение безотрывного обтекания покрывного диска и лопаток рабочего колеса при больших коэффициентах расхода ϕ вентилятора. Технический результат заключается в расширении рабочей области вентилятора в сторону больших коэффициентов расхода ϕ, по сравнению с наиболее близким аналогом [1] , а также уменьшение разницы между полным и статическим давлением, что снижает аэродинамические потери на преобразование скоростного напора вентилятора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Центробежный вентилятор, как и в наиболее близком аналоге [1], содержит спиральный корпус, установленное в нем на валу рабочее колесо с загнутыми назад лопатками и с конусным покрывным диском, всасывающий патрубок с участками криволинейного профиля в диаметральном сечении, внешняя поверхность которого образует с внутренней поверхностью покрывного диска на входе в рабочее колесо циркуляционный зазор, направляющий аппарат, размещенный с внешней стороны всасывающего патрубка перед циркуляционным зазором, выходной патрубок, равный по ширине корпусу вентилятора, но в отличие от наиболее близкого аналога, ширина корпуса L составляет 0.9...1.1 диаметра D рабочего колеса, всасывающий патрубок содержит цилиндрический участок, длина всасывающего патрубка L_BХ составляет 0.40...0.63 диаметра рабочего колеса D, а диаметр входа D_ВХ в рабочее колесо равен 0.66...0.69 диаметра D рабочего колеса, направляющий аппарат выполнен в виде не менее одной пластины, одна из которых установлена в зоне наибольшего раскрытия спирального корпуса.

Центробежный вентилятор характеризуется тем, что по меньшей мере, одна пластина направляющего аппарата выполнена плоской.

Центробежный вентилятор характеризуется тем, что по меньшей мере, одна пластина направляющего аппарата установлена на внешней поверхности входного патрубка радиально и перпендикулярно цилиндрической поверхности патрубка вдоль оси рабочего колеса в пределах угла 10^o относительно оси рабочего колеса от места наибольшего раскрытия спирального корпуса в сторону уменьшения раскрытия спирального корпуса.

Центробежный вентилятор характеризуется тем, что внешняя кромка, по меньшей мере, одной пластины соприкасается с входным патрубком.

Центробежный вентилятор характеризуется тем, что направляющий аппарат выполнен в виде одной пластины, расположенной в зоне наибольшего раскрытия спирального корпуса, а в диаметральном сечении под углом 0...45 градусов к всасывающему патрубку с отсчетом навстречу направлению вращения рабочего колеса и под углом ±10 градусов к оси вращения рабочего колеса.

Центробежный вентилятор характеризуется тем, что угол γ в диаметральном сечении между образующими конусной части внутренней поверхности покрывного диска и наружной поверхности всасывающего патрубка со стороны входа в рабочее колесо равен 0...10^o.

Представленные признаки существенны для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата, и образуют совокупность, при исключении из которой одного из признаков технический результат не достигается.

Действительно, выполнение центробежного вентилятора содержащим, как и в наиболее близком аналоге [1], спиральный корпус, установленное в нем на валу рабочее колесо с загнутыми назад лопатками и с конусным покрывным диском, всасывающий патрубок с участками криволинейного профиля в диаметральном сечении, внешняя поверхность которого образует с внутренней поверхностью покрывного диска на входе в рабочее колесо циркуляционный зазор, направляющий аппарат, размещенный с внешней стороны всасывающего патрубка перед циркуляционным зазором, выходной патрубок, равный по ширине L корпуса вентилятора, обеспечивает достаточно хорошую напорно-скоростную характеристику известного из наиболее близкого аналога вентилятора. Увеличение ширины спирального корпуса и выходного патрубка с предлагаемыми в настоящем изобретении параметрами приводит, как показано на графике на фиг.4, к смещению и расширению аэродинамической характеристики вентилятора в сторону больших коэффициентов расхода по сравнению с существующими с наиболее близким аналогом [1] , а также к уменьшению разницы между кривыми коэффициентов полного и статического давления, что существенно полезно при использовании вентилятора в вентиляционных системах, поскольку способствует снижению аэродинамических потерь на преобразование скоростного напора вентилятора.

Указанный выше технический результат достигается за счет того, что при выполнении центробежного вентилятора, в отличие от наиболее близкого аналога [1] , с всасывающим патрубком длиной L_ВХ=0.40...0.63 диаметра D рабочего колеса за счет включения цилиндрического участка, с диаметром входа D_ВХ в рабочее колесо, равным 0.66...0.69 диаметра D рабочего колеса, обеспечивает повышение равномерности входящего в рабочее колесо потока, что затягивает отрыв пограничного слоя с поверхности покрывного диска и лопаток рабочего колеса при его вращении. Это дает возможность увеличить ширину корпуса L до 0.9. ..1.1 диаметра D рабочего колеса и обеспечивает, как показано на фиг.4, увеличение коэффициентов расхода ϕ и давления ψ по сравнению с наиболее близким аналогом.

Выполнение направляющего аппарата центробежного вентилятора в виде, не менее одной пластины, одна из которых установлена в зоне наибольшего раскрытия спирального корпуса, обеспечивает уменьшение толщины пограничного слоя на покрывном диске рабочего колеса при его вращении, что позволяет увеличить ширину b лопаток рабочего колеса благодаря затягиванию отрыва потока.

Выполнение направляющего аппарата в виде, по меньшей мере, одной пластины с внешней кромкой, соприкасающейся с поверхностью входного патрубка, предотвращает перетекание воздуха между пластиной и входным патрубком, что способствует снижению аэродинамических потерь вентилятора в целом.

Выполнение направляющего аппарата в виде одной плоской пластины, установленной в зоне наибольшего раскрытия спирального корпуса, упрощает технологию изготовления вентилятора при достижении заявленного технического результата.

При установке одной из пластин на внешней поверхности входного патрубка радиально (перпендикулярно цилиндрической поверхности патрубка) вдоль оси рабочего колеса в месте наибольшего раскрытия спирального корпуса или в пределах угла 10^o от этого положения в сторону уменьшения раскрытия спирального корпуса (относительно оси рабочего колеса) оптимально с точки зрения аэродинамики. При этом высота пластины в радиальном направлении ограничивается диаметром рабочего колеса.

Выполнение пластины плоской, в диаметральном сечении расположенной под углом α= 0. . .45^o к всасывающему патрубку с отсчетом навстречу направлению вращения рабочего колеса и под углом в пределах β=±10^o к оси вращения рабочего колеса оптимально для снижения потерь во входном патрубке, и снижает требования к точности установки пластины.

Выполнение угла в диаметральном сечении между образующими конусной части внутренней поверхности покрывного диска и наружной поверхности всасывающего патрубка со стороны входа в рабочее колесо, равным γ=0...10^o обеспечивает формирование и прижатие струи, выходящей из области повышенного давления с внешней стороны покрывного диска к внутренней поверхности покрывного диска, что также способствует снижению аэродинамических потерь и повышению КПД вентилятора вследствие уменьшения зоны отрыва потока от покрывного диска.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен продольный разрез вентилятора.

На фиг.2 показан разрез 1-1 на фиг.1.

На фиг.3 показан вид Б на фиг.1.

На фиг. 4 представлен график зависимости коэффициента давления от коэффициента расхода ψ = f(ϕ) для предлагаемого вентилятора и наиболее близкого аналога.

Центробежный вентилятор устроен следующим образом.

Центробежный вентилятор содержит спиральный корпус 1 (фиг.1, 2), установленный в нем на валу 2 энергопривод, например электродвигатель (на фиг. не показано), рабочее колесо 3, включающее лопатки 4 и покрывной диск 5, всасывающий патрубок 6 с криволинейным профилем в диаметральном сечении и цилиндрической вставкой 7, и выходной патрубок 8 на всю ширину корпуса 1 (фиг. 1). Между внешней поверхностью 9 всасывающего патрубка 6, покрывного диска 5 и стенками корпуса 1 образуется циркуляционная камера 10.

Выход всасывающего патрубка 6 образует с покрывным диском 5 на входе в рабочее колесо 3 циркуляционный зазор 11, формируемый внутренней поверхностью 12 покрывного диска 5 и внешней поверхностью 9 всасывающего патрубка 6. По окружности с внешней стороны всасывающего патрубка 6 размещен направляющий аппарат, который выполнен в виде нескольких (на фиг. не показаны) пластин. При этом, по меньшей мере, одна пластина 13 установлена в зоне 14 наибольшего раскрытия спирального корпуса 1 (фиг.2) в диапазоне углов ±25^o от диаметрального сечения с наибольшим раскрытием. Внутренняя кромка, по меньшей мере, одной пластины 13 соединена с поверхностью всасывающего патрубка 6. Пластины 13 в диаметральном сечении могут устанавливаться под углом α= 0. ..45^o к всасывающему патрубку 6 с отсчетом навстречу направлению вращения рабочего колеса 3 (фиг.2) и под углом в пределах β=±10^o относительно оси вращения рабочего колеса 3 (фиг.3), а внешняя кромка пластины 13 может выполняться как прямолинейной, так и криволинейной.

Длина L_ВХ всасывающего патрубка 6 составляет L_ВХ=(0.40...0.63)D, диаметр D_ВХ всасывающего патрубка 6 на входе в рабочее колесо 3 равен D_ВХ=(0.66... 0.69)D. При ширине b рабочего колеса 3, равной b≥0.27D, ширина L корпуса 1 вентилятора составит L==(0.9...1.1 )D, где D - диаметр рабочего колеса 3.

В предпочтительном варианте выполнения центробежного вентилятора входной патрубок 6 имеет длину L_ВХ=0.5D, цилиндрический участок 7 входного участка - длину L_ЦУ=0.6L_ВХ, диаметр всасывающего патрубка 6 на входе в рабочее колесо 3 D_ВХ=0.68D и ширину корпуса 1, равную диаметру рабочего колеса вентилятора L= 1.0D. Направляющий аппарат содержит одну пластину 13, которая выполнена плоской, внешней кромкой, соприкасающейся с внешней поверхностью всасывающего патрубка 6 и с высотой в радиальном сечении, ограниченной диаметром рабочего колеса 3. Пластина 13 установлена радиально (перпендикулярно цилиндрической поверхности участка 7 всасывающего патрубка 6) вдоль оси рабочего колеса 3 под углом 0...10^o от сечения с наибольшим раскрытием корпуса 1 в сторону уменьшения раскрытия спирального корпуса 1, и под углами α=0^o и β= 0^o. Угол γ между образующими конусной части внутренней поверхности 12 покрывного диска 5 и внешней поверхности 9 всасывающего патрубка диаметрального сечения со стороны входа в рабочее колесо 3 равен γ=0...10^o.

Центробежный вентилятор функционирует следующим образом.

При вращении рабочего колеса 3 проходящий через входной патрубок 6 поток в цилиндрическом участке 7 становится более равномерным, что способствует затягиванию отрыва пограничного слоя с лопаток 3 и покрывного диска 5 рабочего колеса 3. При вращении рабочего колеса 3 за счет течения на выходе колеса, а также за счет дискового трения о внешнюю поверхность покрывного диска 5, в циркуляционной камере 10 возникает закрученное тороидальное течение, которое повышает аэродинамические потери, что снижает КПД вентилятора. Установка направляющего аппарата, содержащего по меньшей мере одну пластину 13 обеспечивает преобразование кинетической энергии тороидального течения в потенциальную энергию давления торможения тороидального течения. В результате разности давления в циркуляционной камере 10 и на входе в рабочее колесо 3 через циркуляционный зазор 11 на внутреннюю поверхность 12 покрывного диска 5 выдувается кольцевая струя, приводящая к уменьшению зоны отрыва потока от внутренней поверхности 12 покрывного диска 5. Взаимодействие сформированной в циркуляционном зазоре 11 струи с выравненным в цилиндрической вставке 7 потоком, обеспечивает затягивание отрыва потока, что проявляется, по сравнению с наиболее близким аналогом [1], как показано на графике на фиг.4, в увеличении диапазона величин коэффициента расхода ϕ и увеличении коэффициента давления ψ при больших коэффициентах расхода ϕ. Кроме того, при таком выполнении вентилятора возможно увеличение ширины b лопаток 4 рабочего колеса 3 до 0.42 диаметра рабочего колеса, увеличение длины всасывающего патрубка и увеличение ширины корпуса L до 0.9...1.1D диаметра рабочего колеса 3 при ширине выходного патрубка 8, равной ширине корпуса.

Размещение пластины 13 в зоне 14 наибольшего раскрытия спирального корпуса обеспечивает наиболее эффективное торможение тороидального потока и местное повышение давления перед циркуляционным зазором 11. В результате увеличивается импульс струи, формируемой в циркуляционном зазоре 11, что создает дополнительное разрежение на внутренней поверхности 12 покрывного диска 5, предотвращающее формирование отрыва, и, следовательно, снижающее аэродинамические потери не только на входе в рабочее колесо 3, но и вентилятора в целом.

Выполнение пластины 13 с внешней кромкой, соприкасающейся с внешней поверхностью 9 всасывающего патрубка 6 и расположение пластины 13 вдоль образующей в диаметральном сечении всасывающего патрубка 6 под углом α навстречу направлению вращения рабочего колеса 3 обеспечивает технологичность изготовления направляющего аппарата и вентилятора в целом. При этом величина угла α зависит от характеристик вентилятора, и изменяется в диапазоне α=0... 45^o, а также контур внешней кромки задается в зависимости от параметров вентилятора. Размещение пластины 13 под углом в пределах β=±10^o обусловлено снижением требований к технологии выполнения соединения пластины 13 с внешней поверхностью 9 всасывающего патрубка 6, и практически мало влияет на технический результат.

При формировании циркуляционного зазора 11 с углом γ в диаметральном сечении между образующими конусной части внутренней поверхности 11 покрывного диска 5 и внешней поверхности 8 всасывающего патрубка 6 со стороны входа в рабочее колесо 3, равным γ=0...10^o, создаются условия для создания высокоскоростной струи, увеличивающей площадь внутренней поверхности 12 покрывного диска 5 с безотрывным обтеканием, что позволяет увеличить ширину лопаток 4 рабочего колеса 3.

Представленный в описании изобретения центробежный вентилятор может быть изготовлен на любом специализированном предприятии. Реализация изобретения обеспечивает достижение заявленного технического результата. Параметры направляющего аппарата, выполненного в виде пластины 13, и размеры циркуляционного зазора 11 могут быть оптимизированы в зависимости от условий эксплуатации и характеристик вентилятора.

Изобретение относится к области вентиляторостроения, а именно к центробежным вентиляторам, их входным устройствам, и обеспечивает расширение диапазона коэффициента расхода ϕ и величины коэффициента давления ψ при больших величинах коэффициента ϕ. Вентилятор содержит спиральный корпус 1, вал 2, рабочее колесо 3 с лопатками 4 и покрывным диском 5, всасывающий патрубок 6 с цилиндрическим участком 7, выходной патрубок 8, равный ширине L корпуса 1, циркуляционный зазор 11 между патрубком 6 и диском 5, направляющий аппарат, выполненный в виде пластины 13, соединенной с поверхностью 9 патрубка 6 в зоне наибольшего раскрытия корпуса. Ширина корпуса 1 L=(0,9...1,1)D, длина патрубка 6 L_BХ= (0,40. . .0,63)D, диаметр на входе в колесо 3 D_ВХ=(0,66... 0,69)D, где D - диаметр колеса 3. Пластина 13 тормозит тороидальный поток в камере 10, что формирует струю в зазоре 11, направленную вдоль поверхности 12 диска 5. Это совместно с входящим выровненным на участке 7 потоком увеличивает зону безотрывного обтекания диска 5 и лопаток 4. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Центробежный вентилятор, содержащий спиральный корпус, установленное в нем на валу рабочее колесо с загнутыми назад лопатками и с конусным покрывным диском, всасывающий патрубок с участками криволинейного профиля в диаметральном сечении, внешняя поверхность которого образует с внутренней поверхностью покрывного диска на входе в рабочее колесо циркуляционный зазор, направляющий аппарат, размещенный с внешней стороны всасывающего патрубка перед циркуляционным зазором, выходной патрубок, равный по ширине корпусу вентилятора, отличающийся тем, что ширина корпуса составляет 0,9. . . 1,1 диаметра рабочего колеса, всасывающий патрубок содержит цилиндрический участок, длина всасывающего патрубка составляет 0,40. . . 0,63 диаметра рабочего колеса, диаметр входа в рабочее колесо равен 0,66. . . 0,69 диаметра рабочего колеса, направляющий аппарат выполнен в виде не менее одной пластины, одна из которых установлена в зоне наибольшего раскрытия спирального корпуса. 2. Центробежный вентилятор по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна пластина направляющего аппарата выполнена плоской. 3. Центробежный вентилятор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна пластина направляющего аппарата установлена на внешней поверхности входного патрубка радиально и перпендикулярно цилиндрической поверхности патрубка вдоль оси рабочего колеса в пределах угла 10^o относительно оси рабочего колеса от места наибольшего раскрытия спирального корпуса в сторону уменьшения раскрытия спирального корпуса. 4. Центробежный вентилятор по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что внешняя кромка, по меньшей мере, одной пластины соприкасается с входным патрубком. 5. Центробежный вентилятор по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что направляющий аппарат выполнен в виде одной пластины, расположенной в зоне наибольшего раскрытия спирального корпуса, а в диаметральном сечении под углом 0. . . 45^o к всасывающему патрубку с отсчетом навстречу направлению вращения рабочего колеса и под углом ±10^o к оси вращения рабочего колеса. 6. Центробежный вентилятор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что угол в диаметральном сечении между образующими конусной части внутренней поверхности покрывного диска и наружной поверхности всасывающего патрубка со стороны входа в рабочее колесо равен 0. . . 10^o.