ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР Российский патент 2006 года по МПК F04D29/32 

Настоящее изобретение относится к области конструирования осевых вентиляторов и более конкретно касается создания усовершенствованных средств для установки лопастей вентилятора на вращающейся ступице.

Осевые вентиляторы широко используются для преобразования механической энергии, которой вентиляторы снабжаются от двигателя в перемещение воздуха. Вентиляторы применяются всякий раз, когда воздух или любой другой газ необходимо удалять или подавать.

Известен осевой вентилятор, содержащий вращающуюся ступицу, от которой отходит множество радиально расположенных рычагов, и лопастные элементы, каждый соединенный с соответствующим рычагом из множества рычагов (см., например, патент США 4640668 и патент Франции 1391367).

Настоящее изобретение относится к осевому вентилятору, содержащему ступицу, множество консолей, радиально отходящих наружу от ступицы, и лопастные элементы, при этом каждый лопастной элемент прикреплен к соответствующей консоли.

Осевые вентиляторы обычно подвергаются воздействию на них существенных силовых нагрузок, которые в первую очередь действуют на внутренние концевые участки лопастей, т.е. на основания лопастей. Нагрузки, действующие на лопасти, главным образом, состоят из силы тяги, действующей для того, чтобы толкать лопасти в аксиальном направлении, противоположном направлению воздушного потока, и следующей компоненты центробежной силы, оказывающей воздействие на лопасти для того, чтобы толкать их назад по направлению воздушного потока. В соответствии с этим некоторые из этих нагрузок и их изменения передаются в виде вибраций от лопастей к их основаниям и к группе, передающей энергию (к ступице и к приводу), в результате чего имеется существенный износ конструкции вентилятора. Соединение между внутренними концевыми участками лопастей и ступицей является местом возможного повреждения вентилятора вследствие наличия усталостного растрескивания.

В настоящее время уменьшение нагрузок, воздействующих на лопасти, достигается, например, посредством использования способа, состоящего в установке лопастей с фиксированным наклоном по отношению к плоскости вращения лопастей вентилятора в направлении, противоположном направлению воздушного потока. Такой узел конструкции вентилятора можно видеть на фиг.1, на котором показана лопасть 2, присоединенная к ступице 1 с помощью консоли 3. Консоль 3 прикреплена к ступице 1 с помощью зажимного устройства 4, а к лопасти 2 - посредством крепежного устройства 5.

Лопасть наклонена на угол α по отношению к плоскости ее вращения, которая перпендикулярна оси АА' вращения. Основными силами, воздействующими на лопасть 2, являются центробежная сила CF и сила тяги TF, направление воздушного потока показано стрелкой AF.

В результате использования фиксированного наклона лопастей, нагрузки могут быть нейтрализованы только в том случае, если вентилятор эксплуатируется точно при тех условиях работы, которые прогнозируются с помощью первоначального расчета, т.е. в том случае, когда эти условия предусматриваются при определенной и постоянной частоте вращения лопастей вентилятора.

При другом способе, известном из предшествующего уровня техники, предлагается соединять ступицу с основаниями лопастей с помощью шарнира, благодаря которому лопасти могут находиться в плавающем положении, когда работает вентилятор. Такой узел вентилятора можно видеть на фиг.2, где аналогично фиг.1, показана лопасть 2, соединенная со ступицей 1 с помощью консоли 3'. Консоль 3' присоединена к ступице 1 посредством зажимного устройства 4, а к лопасти 2 - крепежным устройством 5. Основными силами, воздействующими на лопасть 2, являются центробежная сила CF и сила тяги TF, направление воздушного потока показано стрелкой AF. Позицией 6 обозначен шарнир, обеспечивающий нежесткое соединение между лопастью 2 и ступицей 1. Поскольку обе части шарнира являются подвижными по отношению друг к другу, эти части изнашиваются и требуют частого выполнения рабочих операций технического обслуживания. Более того, зазор между двумя частями шарнира обеспечивает наличие пространства для проникновения элементов коррозии или для образования в шарнире отложений, которые, в конечном счете, могут препятствовать взаимному относительному перемещению обеих частей шарнира и выполнению ими своей функции нейтрализации силы тяжести и центробежной силы, действующих на лопасти.

Целью настоящего изобретения является создание осевого вентилятора простой конструкции, в котором существенно уменьшены изменения нагрузок и вибрации.

В соответствии с настоящим изобретением эта цель достигается посредством создания осевого вентилятора такого типа, при котором он содержит ступицу, множество консолей, радиально отходящих наружу от ступицы, и лопастные элементы, при этом каждый лопастной элемент прикреплен к соответствующей ему консоли, и этот вентилятор характеризуется тем, что консоли состоят из гибких элементов с такой жесткостью на изгиб, что при эксплуатации лопастные элементы наклонены на угол, при котором центробежные силы, воздействующие на лопастные элементы, нейтрализуют силы тяжести, действующие на те же самые лопастные элементы.

В осевом вентиляторе, выполненном согласно настоящему изобретению, размеры гибких элементов выбраны в соответствии с эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к вентилятору, таким образом, что при работе вентилятора лопасти регулируются до положения, при котором изгибающий момент, создаваемый силами тяги TF, нейтрализуется противоположно действующим изгибающим моментом, создаваемым центробежными силами CF. Вследствие этого нагрузки, действующие на основания лопастей, стремятся погасить друг друга, и одновременно существенно уменьшаются изменения нагрузок и вибрации, передаваемые от лопастей к группе, передающей мощность, благодаря чему увеличивается эксплуатационная долговечность лопастей вентилятора и механизма привода. Вентилятор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, имеет более высокую усталостную стойкость, чем вентилятор, известный из предшествующего уровня техники.

Уменьшение вибрации лопастей, полученное при реализации настоящего изобретения, позволяет конструировать вентиляторные лопасти при использовании менее ценных материалов, при применении более тонких материалов или при сочетании и тех, и других материалов, что составляет дополнительное преимущество реализации изобретения.

Теперь изобретение будет описано с помощью примера и со ссылками на сопроводительные чертежи, где

- на фиг.1 показан вид сбоку осевого вентилятора при первом варианте его выполнения, известном из предшествующего уровня техники;

- на фиг.2 - вид сбоку осевого вентилятора при втором варианте его выполнения, известном из предшествующего уровня техники;

- на фиг.3а - вид сбоку осевого вентилятора, а на фиг.3b - его вид сверху при первом варианте осуществления изобретения, когда гибкий элемент прикреплен к основанию ступицы;

- на фиг.4а - вид сбоку осевого вентилятора, а на фиг.4b - его вид сверху при втором варианте осуществления изобретения, когда лопастной элемент является полой лопастью, а гибкий элемент прикреплен на внутренней стороне полой лопасти;

- на фиг.5а - вид сбоку осевого вентилятора, а на фиг.5b - его вид сверху при третьем варианте осуществления изобретения, когда гибкий элемент прикреплен к лопасти.

На фиг.3 (3а, 3b) показан первый вариант осуществления изобретения, при котором осевой вентилятор содержит множество лопастных элементов 12, соединенных со ступицей 1 посредством гибких элементов 7. Каждый гибкий элемент 7 прикреплен к ступице 1 посредством зажимного устройства 4 (дополнительно здесь не описываемого, поскольку такое устройство уже известно) и к лопастному элементу 12 посредством крепежного устройства 5 (дополнительно здесь не описываемого, поскольку такое устройство уже известно). Как описано выше в отношении вентиляторов, известных из предшествующего уровня техники, преимуществом является тот факт, что лопастной элемент 12 установлен под углом α относительно плоскости вращения, которая является перпендикулярной оси АА' вращения. Основными силами, воздействующими на лопастной элемент 12, являются центробежная сила CF и сила тяги TF, направление воздушного потока показано стрелкой AF.

Гибкий элемент 7, предпочтительно, имеет аэродинамически профилированное поперечное сечение, например, круглое поперечное сечение, но он, однако, может быть спроектирован как сочетание ряда различных форм, поскольку этот элемент выполняет функцию изгиба для того, чтобы компенсировать усилия, действующие на лопастной элемент 12 в противоположных друг другу направлениях.

Материалы, используемые при изготовлении гибких элементов 7, могут, например, состоять из пластмасс, армированных волокнами, которые, как известно, имеют модуль упругости, позволяющий подвергаться существенному изгибу даже в том случае, когда они испытывают на себе воздействие малых нагрузок.

Для гибких элементов 7 могут применяться другие материалы, имеющие слоистые структуры. Такие слоистые структуры могут предусматриваться у обеих концов крайних участков, согласующихся с соответствующими участками на лопастных элементах 12 и на ступице 1. Предпочтительно, эти концевые участки выполнены в виде цельных частей слоистой структуры. В альтернативном варианте, лопастные элементы 12 могут быть выполнены из материалов слоистой структуры, благодаря чему гибкие элементы 7 образуют цельную часть лопастных элементов 12.

При втором варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.4, осевой вентилятор содержит множество лопастных элементов 12' типа аэродинамического профиля, связанных со ступицей 1 посредством гибких элементов 7. Лопастные элементы типа аэродинамического профиля, как правило, состоят из листов, согнутых по форме крыла, образуя аэродинамический профиль полой структуры.

Это позволяет гибкому элементу 7 крепиться к лопастному элементу 12' на его внутренней стороне внутри полой конструкции, как это можно видеть на фиг.4, где гибкий элемент 7 прикреплен к лопастному элементу 12' посредством крепежного устройства 5, а к ступице 1 с помощью зажимного устройства 4. Как пояснено выше в отношении вентиляторов, известных из предшествующего уровня техники, преимуществом является тот факт, что лопастной элемент 12' установлен под углом α относительно плоскости вращения, которая является перпендикулярной оси вращения АА'. Основными силами, воздействующими на лопастной элемент, являются центробежная сила CF и сила тяги TF, направление воздушного потока показано стрелкой AF.

В том случае, если отсутствует необходимость в установке лопастных элементов (12, 12') под различным углом α относительно плоскости вращения, возможно использование слоистого гибкого элемента 7, закрепленного непосредственно на ступице 1.

Если требуется увеличение угла наклона α лопастного элемента 12' типа аэродинамического профиля при малых нагрузках, гибкий элемент 7 выполняется с продолжением вовнутрь лопастного элемента 12, и тогда он дополнительно фиксируется снаружи: когда вентилятор находится в рабочем положении, для устранения нежелательного взаимодействия между гибким элементом 7 и лопастным элементом 12' (который является более жестким) размеры двух составных частей выбираются таким образом, чтобы между ними оставалось необходимое пространство.

При осуществлении вариантов изобретения, показанных на фиг.3 и 4, один крайний участок гибкого элемента 7 удерживается зажимным устройством 4, которое жестко зафиксировано на ступице 1 вентилятора, тогда как другой крайний участок гибкого элемента 7 фиксирован на теле лопастных элементов (12, 12'): упомянутые выше варианты осуществления изобретения не являются пригодными для их применения в том случае, если нет необходимости установки лопастных элементов (12, 12') при переменной величине угла α по отношению к плоскости вращения лопастей вентилятора.

В действительности, для корректной работы гибкого элемента 7 (обычно, имеющего форму слоистого тела), необходимо соблюдать условие, при котором гибкий элемент 7 побуждается к (почти) исключительному осуществлению изгиба под прямым углом к плоскости вращения вентилятора, т.е., большая сторона гибкого элемента 7 должна находиться (насколько это возможно) в плоскости вращения лопастей вентилятора.

Когда (при осуществлении вариантов изобретения, иллюстрированных на фиг.3 и 4) изменяется угол α установки лопастных элементов (12, 12') относительно плоскости вращения лопастей вентилятора, гибкий элемент 7, выполненный за одно целое с лопастным элементом (12, 12'), также поворачивается, а большая сторона гибкого элемента 7 уже не находится в плоскости вращения лопастей вентилятора и поэтому находится под давлением воздушного потока в направлении AF: это приводит к увеличению жесткости на изгиб гибкого элемента 7 и не позволяет гибкому элементу 7 "работать", как требуется (даже в том случае, когда этот рабочий режим не "нагружает" гибкий элемент 7 до его излома).

На чертеже фиг.5 (5a, 5b) показан дополнительный вариант осуществления изобретения, пригодный для использования при переменной величине угла α установки лопастных элементов (12, 12') по отношению к плоскости вращения лопастей вентилятора, причем этом вариант осуществления изобретения существенно отличается от других вариантов, иллюстрированных на фиг.3 и 4, тем, что один крайний участок гибкого элемента 7 жестко закреплен на ступице 1, тогда как другой крайний участок гибкого элемента 7 закреплен зажимным устройством 4, которое поддерживает основание лопастных элементов (12, 12'): большая сторона гибкого элемента 7 всегда лежит в плоскости вращения лопастей вентилятора (гибкий элемент 7 поэтому всегда "работает" или может "работать" в оптимальном режиме), и тогда (при воздействии на зажимное устройство 4) угол α установки лопастных элементов (12, 12') по отношению к плоскости вращения лопастей вентилятора может быть изменен таким образом, как это требуется при конкретном применении без вовлечения во вращение гибкого элемента 7, который больше не является выполненным за одно целое с лопастными элементами (12, 12').

Когда вентилятор находится в нерабочем статическом положении, масса лопастных элементов (12, 12') и жесткость на изгиб гибких элементов 7 могут быть такими, что лопастные элементы (12, 12') наклоняются случайно или до такой степени, что они нежелательно взаимодействуют с другими элементами вентилятора.

В таких случаях опорный элемент (не показанный на чертежах) при фиксировании его на ступице может быть предусмотрен для того, чтобы поддерживать лопастные элементы. Этот опорный элемент, например, может являться простым диском.

Изобретение относится к осевому вентилятору, содержащему ступицу, множество консолей, радиально отходящих наружу от ступицы, и лопастные элементы, при этом каждый лопастной элемент прикреплен к соответствующей консоли. Консоли состоят из гибких элементов с такой жесткостью на изгиб, что при эксплуатации лопастные элементы наклонены на угол, при котором центробежные силы, воздействующие на лопастные элементы, нейтрализуют силы тяги, действующие на эти лопастные элементы. Таким образом существенно уменьшаются изменения нагрузок и возникающие вследствие этих изменений вибрации, благодаря чему увеличивается эксплуатационная долговечность лопастей вентилятора и механизма привода. 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Осевой вентилятор, содержащий ступицу, множество консолей, радиально отходящих наружу от ступицы, и лопастные элементы, прикрепленные к соответствующей ему консоли, отличающийся тем, что консоли состоят из гибких элементов, обладающих жесткостью на изгиб, обеспечивающей при эксплуатации наклон лопастных элементов на угол, при котором центробежные силы, воздействующие на лопастные элементы, нейтрализуют силы тяги, действующие на эти лопастные элементы.2. Осевой вентилятор по п.1, отличающийся тем, что лопастные элементы выполнены из листов, согнутых по форме аэродинамической поверхности, образуя аэродинамический профиль полой конструкции.3. Осевой вентилятор по п.2, отличающийся тем, что гибкие элементы прикреплены к лопастным элементам на их внутренней стороне внутри полой конструкции.4. Осевой вентилятор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что гибкие элементы имеют круглое поперечное сечение.5. Осевой вентилятор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что гибкие элементы выполнены из пластмасс, армированных волокнами.6. Осевой вентилятор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что гибкие элементы имеют слоистую структуру.7. Осевой вентилятор по п.6, отличающийся тем, что слоистая структура содержит на обоих краях концевые участки, согласующиеся с концевыми участками лопастных элементов и ступицы.8. Осевой вентилятор по п.7, отличающийся тем, что концевые участки выполнены в виде цельных частей слоистой структуры.9. Осевой вентилятор по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что лопастные элементы состоят из слоистой структуры и составляют цельную часть со слоистой структурой гибких элементов.10. Осевой вентилятор по п.1, отличающийся тем, что один крайний участок гибкого элемента удерживается зажимным устройством, жестко зафиксированным на ступице вентилятора, тогда как другой крайний участок гибкого элемента прикреплен к телу лопастных элементов.11. Осевой вентилятор по п.1, отличающийся тем, что один крайний участок гибкого элемента жестко прикреплен к ступице вентилятора, а другой крайний участок гибкого элемента закреплен зажимным устройством, поддерживающим основание лопастных элементов.12. Осевой вентилятор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что лопастные элементы в неподвижном положении поддерживаются опорным элементом, прикрепленным к ступице.

Приоритет по пунктам: