КАНАЛЬНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР Российский патент 2006 года по МПК F04D17/16 

Изобретение относится к вентиляционной технике, а именно к канальным вентиляторам с радиальным рабочим колесом.

Из уровня техники известны канальные вентиляторы с радиальным рабочим колесом. Так, из описания изобретения к патенту США №5810557, МПК F 04 D 17/08, НПК 415/206, дата публикации 22.09.98, [1], известен канальный вентилятор, содержащий цилиндрический корпус, входной коллектор, задний обтекатель, рабочее колесо, кинематически связанное с двигателем, образованное основным и покрывным дисками и размещенными между дисками загнутыми назад лопатками, осесимметричный входной коллектор, расположенный на одном из торцов корпуса, выполненный с криволинейным профилем в диаметральном сечении с образованием конфузорного зазора между поверхностями покрывного диска и входного коллектора, при этом ось вращения рабочего колеса выполнена соосной оси симметрии входного коллектора, между входным коллектором и покрывным диском образована вихревая полость, а между стенками корпуса - канал. Недостаток изобретения [1], принятого за наиболее близкий аналог вариантов изобретения, состоит в больших размерах поперечного сечения канала, что усложняет использование вентилятора в системах с воздуховодами с большой величиной соотношения сторон и при ограниченных размерах по высоте.

Решаемой технической задачей является создание канального вентилятора с малой величиной соотношения диаметров канала и рабочего колеса.

Технический результат заключается в повышении коэффициента полного давления в канальном вентиляторе при равной величине коэффициента производительности.

Раскрытие изобретения.

Канальный вентилятор, как и наиболее близкий аналог [1], содержит цилиндрический корпус, входной коллектор, задний обтекатель, рабочее колесо, кинематически связанное с двигателем, образованное основным и покрывным дисками и размещенными между дисками загнутые назад лопатками, осесимметричный входной коллектор, расположенный на одном из торцов корпуса, выполненный с криволинейным профилем в диаметральном сечении с образованием конфузорного зазора между поверхностями покрывного диска и входного коллектора, при этом ось вращения рабочего колеса выполнена соосной оси симметрии входного коллектора, между входным коллектором и покрывным диском образована вихревая полость, а между стенками корпуса - канал, но, в отличие от наиболее близкого аналога [1], вентилятор имеет лопаточный спрямляющий аппарат, расположенный сзади основного диска рабочего колеса, площадь поперечного сечения канала составляет не менее 2,4 площади окружности, описываемой концами лопаток рабочего колеса, задний обтекатель выполнен с участком конической формы и соединен со стенками канала лопатками направляющего аппарата.

Канальный вентилятор характеризуется тем, что в вихревой полости установлены вихрегасители.

При этом вихрегасители выполнены в виде направляющего аппарата, содержащего, по меньшей мере, одну пластину, расположенную в вихревой полости.

Кроме того, по меньшей мере, одна пластина вихрегасителя соединена со стенкой канала и входным коллектором.

Канальный вентилятор характеризуется тем, что двигатель расположен в заднем обтекателе и соединен с рабочим колесом посредством ступицы, расположенной на основном диске.

При этом обтекатель оснащен передней стенкой, в которой выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для охлаждения двигателя, участок обтекателя, в котором расположен двигатель, выполнен цилиндрической формы, а конический участок примыкает к цилиндрическому, задний торец конического участка может оснащаться заглушкой.

Кроме того, вентилятор оснащен трубой для вентиляции двигателя, пневматически соединенной с обтекателем, а задний торец конического участка оснащен заглушкой.

Канальный вентилятор характеризуется тем, что лопатки спрямляющего аппарата выполнены длиной 0,4...0,5 диаметра рабочего колеса.

При этом передняя кромка лопаток спрямляющего аппарата расположена впереди кромки основного диска на расстоянии 0,1...0,3 ширины лопаток рабочего колеса.

Кроме того, передний участок лопатки спрямляющего аппарата выполнен в виде дуги, свободная кромка которой расположена под углом не более 45° к оси вращения рабочего колеса навстречу направлению его вращения.

Канальный вентилятор характеризуется тем, что лопатки рабочего колеса выполнены плоскими.

При этом образующая криволинейного покрывного диска на участке крепления лопаток рабочего колеса выполнена в соответствии с уравнениями:

y=(0,29±0,01)х+0,37,

z=(-0,39±0,01)x-0,27,

r²=х²+y²,

где z=Z/D - относительная координата, направленная вдоль оси вращения рабочего колеса в направлении от основного диска к входу в рабочее колесо;

x=X/D - относительная координата, перпендикулярная оси вращения рабочего колеса;

y=Y/D - относительная координата, перпендикулярная оси z и оси х;

r=R/D - относительный радиус рабочего колеса,

R - текущий радиус рабочего колеса;

X, Y, Z - текущие координаты;

D - диаметр рабочего колеса.

Канальный вентилятор характеризуется тем, что в канале корпуса установлен экран, соединенный с корпусом с образованием полости между экраном, корпусом и всасывающим патрубком, при этом кромка экрана расположена на расстоянии 0,01...0,10 ширины лопаток рабочего колеса от покрывного диска в сторону основного диска и отстоит от указанных лопаток не ближе, чем на 0,01 диаметра рабочего колеса.

Канальный вентилятор характеризуется тем, что корпус включает соединенные между собой переднюю и заднюю части, причем в передней части установлен входной коллектор и соединенное с двигателем рабочее колесо, а в задней части расположен обтекатель, соединенный со стенками корпуса посредством лопаток спрямляющего аппарата.

Канальный вентилятор характеризуется тем, что основной диск рабочего колеса выполнен с вентиляционными отверстиями.

Группа изобретений поясняется чертежами.

На фиг.1 показан продольный разрез канального вентилятора.

На фиг.2 показан продольный разрез канального вентилятора с экраном.

На фиг.3 показан продольный разрез канального вентилятора с охлаждением двигателя.

На фиг.4 показан разрез А-А на фиг.1, 2.

На фиг.5 показан разрез Б-Б на фиг.3.

На фиг.6 показан выносной элемент В на фиг.1, 3.

На фиг.7 показан выносной элемент Г на фиг.3.

На фиг.8 показан выносной элемент Д на фиг.2.

На фиг.9 представлена зависимость коэффициента статического давления ψ от относительной площади S/S_РК при постоянных величинах коэффициента производительности ϕ.

На фиг.10 представлена зависимость коэффициента статического давления ψ от коэффициента производительности ϕ при разных вариантах выполнения пластин вихрегасителя.

На фиг.11 представлена зависимость коэффициента статического давления ψ от коэффициента производительности ϕ предлагаемого вентилятора и наиболее близкого аналога.

Осуществление изобретения.

Канальный вентилятор содержит корпус 1, двигатель 2, рабочее колесо 3, входной коллектор 4, спрямляющий аппарат 5 и задний обтекатель 6 (фиг.1, 2, 3).

Корпус 1 выполнен с вихревой полостью 7, расположенной между входным коллектором 4, рабочим колесом 3, и каналом 8, имеющим цилиндрическую форму с основанием в виде круга. Для соединения с воздуховодами и вентиляционным оборудованием (не показано) на торцах корпуса 1 закреплены соединительные фланцы 9 (фиг.1, 3, 7). На стенках корпуса 1 могут устанавливаться панели (не показано), содержащие теплоизоляционный и/или звукопоглощающий материал.

Рабочее колесо 3 содержит покрывной (или передний) 10 и основной (или задний) 11 диски, размещенные между ними лопатки 12 (фиг.1, 2, 3), загнутые назад по направлению вращения колеса 3 (фиг.4), и кинематически связано с двигателем 2, например, посредством ступицы 13, закрепленной на основном диске 11 и соединенной с валом 14 двигателя 2 (фиг.7) ременной и т.п. передачей (не показано). Ось 15 вращения рабочего колеса 3 расположена вдоль канала 8 и, как правило, совпадает с осью симметрии входного коллектора 4 или параллельна ей. Корпус 1 выполнен таким образом, что в плоскости, перпендикулярной оси симметрии входного коллектора 4 в месте установки рабочего колеса 3 (фиг.1...4), отношение площади S поперечного сечения канала 8 (между стенками корпуса 1) к площади S_PK=πD²/4 рабочего колеса 3 (соответствующей площади, ограниченной окружностью максимального диаметра D, описываемой концами лопаток 12) составляет не менее 2,4: S/S_РК≥2,4.

Входной коллектор 4 расположен в торце корпуса 1, выполнен осесимметричным и имеет криволинейный профиль в диаметральном сечении, с образованием конфузорного зазора 16 между поверхностями покрывного диска 10 и входного коллектора 4 (фиг.6).

Спрямляющий аппарат 5 имеет лопатки 17, передняя кромка которых может располагаться между основным 11 и покрывным 10 дисками с входной частью, выполненной в виде дуги, расположенной под углом 40...45° к оси вращения 15 рабочего колеса 3 (фиг.7).

Задний обтекатель 6 включает цилиндрический 18 и/или конический 19 участки. Задний обтекатель 6 может соединяться с корпусом 1 посредством лопаток 17 спрямляющего аппарата 5 (фиг.4, 5) или другими элементами (не показано). В переднем торце заднего обтекателя 6 может устанавливаться стенка 20, в заднем торце - заглушка 21 (фиг.1, 3). Стенка 20 выполняется с отверстиями 22 для охлаждения двигателя воздухом, проходящим через вентилятор (фиг.5). Полость заднего обтекателя 6 может соединяться с атмосферой посредством воздуховода (трубы) 23, проходящего через корпус 1 (фиг.3, 5).

Рабочее колесо 3 может выполняться с плоскими лопатками 12. Для обеспечения пересечения плоских лопаток 12 с поверхностью покрывного диска 10 по прямой образующая покрывного диска 10 на участке крепления лопаток 12 рабочего колеса 3 выполнена в соответствии с уравнениями:

y=(0,29±0,01)х+0,37; z=(-0,39±0,01)х-0,27; r²=-x²+y²,

где V=Z/D - относительная координата, направленная вдоль оси вращения рабочего колеса в направлении от основного диска к входу в рабочее колесо;

x=X/D - относительная координата, перпендикулярная оси вращения рабочего колеса;

y=Y/D - относительная координата, перпендикулярная оси z и оси х;

r=R/D - относительный радиус рабочего колеса,

R, X, Y, Z - текущий радиус и текущие координаты рабочего колеса;

D - диаметр рабочего колеса.

Кроме того, в канале 8 канального вентилятора может устанавливаться экран 24, соединенный со стенками корпуса 1 (фиг.2), кромка 25 которого обращена к лопаткам 12 и удалена от покрывного диска 10 в сторону основного диска 11 на расстояние L, равное 0,01...0,10 ширины Н лопаток 12 на внешнем диаметре D рабочего колеса 3, а от концов лопаток 12 - на расстояние С, не менее 0,01 диаметра D рабочего колеса 3: L=(0,01...0,10)H; C≥0,01D (фиг.2, 8).

Канальный вентилятор оснащен вихрегасителем, расположенным в вихревой полости 7 (фиг.1, 2, 3). Вихрегаситель может выполняться в виде направляющего аппарата, выполненного в виде, по меньшей мере, одной пластины 26, установленной в канале 8 корпуса 1 перед конфузорным зазором 16 (фиг.1). При выполнении канального вентилятора с экраном 24 направляющий аппарат содержит, по меньшей мере, две пластины 27, соединенные со стенками корпуса 1 и/или экраном 24 (фиг.2).

В предпочтительном варианте выполнения рабочее колесо 3 канального вентилятора содержит не менее 9 загнутых назад плоских лопаток 12, имеющих ширину H>0,3D, и участок образующей покрывного диска 10, выполненной по уравнениям: y=(0,29±0,01)x+0,37, z=(-0,39±0,01)x-0,27, r²=x²+у², что обеспечивает пересечение кромки лопатки 12 с поверхностью покрывного диска 10 по прямой (технологические погрешности при изготовлении покрывного диска 10 и износ оснастки, использующейся при его изготовлении, могут составлять: ±0,01х), между покрывным диском 10 и всасывающим патрубком 4 имеется конфузорный зазор 16. Соотношение площади поперечного сечения канала 8 к площади рабочего колеса 3 составляет S/S_PK=2,4...3,0. Вихрегаситель выполнен в виде направляющего аппарата, по меньшей мере, с одной пластиной 26, установленной в вихревой полости 7 перед конфузорным зазором 16. При выполнении канального вентилятора с экраном 24 направляющий аппарат содержит, по меньшей мере, две пластины 27, соединенные со стенками корпуса 1 и/или экраном 24. Двигатель 2 размещен в заднем обтекателе 6, который соединен с корпусом 1 посредством 8...10 лопаток 17 (фиг.4, 5). Лопатки 17 спрямляющего аппарата 5 выполнены длиной (0,4...0,5)D диаметра рабочего колеса 3, передняя кромка лопаток 17 удалена на расстоянии (0,1...0,3)Н от основного диска 11 в сторону к покрывному диску 10, входной участок лопаток 17 выполнен по дуге, наклоненной к оси 15 и навстречу направлению вращения рабочего колеса 3 примерно на 45° (фиг.7). Корпус 1 содержит установленные на торцах корпуса 1 фланцы 9, выполнен составным, содержащим переднюю 28 и заднюю 29 части, соединенные между собой. В передней части 28 корпуса 1 установлены входной коллектор 4, рабочее колесо 3 и соединенный с ним посредством ступицы двигатель 2. В задней части 29 корпуса 1 установлены задний обтекатель 6, соединенный со стенками корпуса 1 посредством лопаток 17 спрямляющего аппарата 5. Для повышения эффективности охлаждения вентилятора задний обтекатель оснащен заглушкой 21, его полость соединена с атмосферой посредством воздуховода 23, а в передней стенке 20 выполнены отверстия 22 (фиг.3, 5), причем при использовании вентилятора для перемещения горячего воздуха и газов основной диск 11 выполнен перфорированным (с отверстиями) для охлаждения лопаток 12 и переднего диска 10 рабочего колеса 3 (фиг.4).

Канальный вентилятор работает следующим образом. Вращающийся покрывной диск 10 создает кольцевое вихревое движение воздуха в вихревой полости 7. Течение на выходе из вращающегося рабочего колеса 3 имеет кинетическую энергию вращения и создает динамическое давление ρu²/2, где ρ - плотность воздуха, u - окружная скорость концов лопаток 12 на внешнем диаметре рабочего колеса 3. Часть потока, выходящая из рабочего колеса 3, подсасывается в вихревую полость 7 и, взаимодействуя с кольцевым вихрем, образует в ней торообразный вихрь. Введение в вихревую полость 7 вихрегасителя позволяет разрушить торообразный вихрь и преобразовать его полное давление в статическое давление. Вследствие разности статического давления в вихревой полости 7 и на внутренней поверхности покрывного диска 10 формируется кольцевая струя воздуха, истекающая из конфузорного кольцевого зазора 16 на внутреннюю поверхность покрывного диска 10. При этом затягивается отрыв пограничного слоя (потока) на внутренней поверхности покрывного диска 12, что позволяет увеличить ширину лопаток 12 рабочего колеса 3, вплоть до 0,38 диаметра D рабочего колеса 3: Н=0,38D, без ухудшения его аэродинамических характеристик. При соотношении площади S поперечного сечения канала 8 (между стенками корпуса 1) к площади S_PK рабочего колеса, соответствующем S/S_PK≥2,4 в плоскости, перпендикулярной оси симметрии входного коллектора 4 в месте установки рабочего колеса 3, поток за рабочим колесом 3 расширяется, скорость потока снижается, а лопатки 17 спрямляющего аппарата 5 уменьшают завихренность потока ("раскручивают" поток) и тем самым уменьшают скорость воздуха, что способствует повышению статического давления. В результате, как показано на графике на фиг.9, повышается коэффициент статического давления (равный отношению статического давления P_Sν к произведению плотности воздуха на квадрат окружной скорости лопатки рабочего колеса ψ=2P_Sν/ρu²) при постоянной величине коэффициента производительности ψ=Q/u·S_РК, где Q - производительность вентилятора. При этом, как показали исследования, форма поперечного сечения канала 8 слабо влияет на восстановление давления. При выполнении поверхности канала 8 цилиндрической (с контуром основания в виде круга) снижаются потери на аэродинамическое сопротивление и повышается эффективность вентилятора.

Экспериментально установлено, что при разрушении торообразного вихря вихрегасителем потери статического давления P_Sν снижаются, что позволяет уменьшить диаметр канала 8. Так, при выполнении вихрегасителя в виде направляющего аппарата с пластинами 26, расположенными перед конфузорным зазором 16, как показано на фиг.10, коэффициент статического давления вентилятора увеличился до уровня свободного рабочего колеса 3. При этом в вихревую полость 7 попадает часть воздуха, отбрасываемая лопатками 12 рабочего колеса 3, что позволяет сформировать кольцевую струю, вытекающую через конфузорный зазор 16 на поверхность покрывного диска 10.

В результате, как показано на фиг.11, аэродинамические характеристики канального вентилятора заметно лучше, чем у вентилятора, принятого за наиболее близкий аналог и представленные в рекламных материалах.

Наличие на торцах корпуса 1 соединительных фланцев 9 повышает технологичность соединения канального вентилятора к воздуховодам и другим агрегатам вентиляционных установок (калориферам, фильтрам, глушителям и др.) и снижает потери напора вследствие возможности соединения с агрегатами без изменения площади поперечного сечения. Выполнение стенок 6 корпуса 1 с панелями, содержащими теплоизоляционный и/или звукопоглощающий материал (не показано), снижает шум и повышает потребительские свойства вентилятора. Выполнение рабочего колеса 3 с плоскими лопатками 12 повышает технологичность изготовления вентилятора. При выполнении поверхности покрывного диска 10 на участке крепления плоских лопаток 12 с образующей, выполненной по уравнениям: y=(0,29±0,01)х+0,37, z=(-0,39±0,01)x-0,27, r²=х²+y² (данные уравнения могут быть получены простыми линейными преобразованиями системы координат, величина ±0,01 учитывает возможные технологические погрешности изготовления рабочего колеса 3), обеспечивается соединение лопаток 12 с поверхностью покрывного диска 10 по прямой, что повышает технологичность изготовления рабочего колеса 3 при сохранении у него высоких аэродинамических характеристик.

Оснащение вентилятора экраном 24, соединенным со стенками корпуса 1 (фиг.1, 9) с кромками 25, обращенными к лопаткам 12 и внешней поверхности покрывного диска 10 рабочего колеса 3 и расположенными на расстоянии L=(0,01...0,10)H от покрывного диска 10 в сторону основного диска 11 и от лопаток 12 на расстоянии С≥0,01D, предотвращает отсос воздуха в вихревую полость 7 тороидальным вихрем, что приводит к повышению давления в полости 7, в результате увеличивается интенсивность струи, выдуваемой из конфузорного кольцевого зазора 16. Наличие в вихревой полости 7 вихрегасителя, выполненного, например, в виде направляющего аппарата, содержащего, по меньшей мере, две пластины 27, соединенные со стенками корпуса 1 и/или входного коллектора 4 и/или экраном 24, дополнительно затормаживает поток, что повышает статическое давление в вихревой полости 7 и увеличивает интенсивность струи, формирующейся в конфузорном зазоре 16 и выдуваемой на поверхность покрывного диска 12.

Изобретение может быть осуществлено на любом специализированном предприятии. Представленная в описании совокупность признаков достаточна для создания канальных вентиляторов в корпусе с цилиндрическим каналом без дополнительного изобретательского творчества.

Изобретение относится к канальным вентиляторам с радиальным рабочим колесом 3 и обеспечивает повышение коэффициента полного давления в канальном вентиляторе при равной величине коэффициента производительности. Вентилятор содержит корпус 1, двигатель 2, рабочее колесо 3, входной коллектор 4, спрямляющий аппарат 5, задний обтекатель 6. Задний обтекатель 6 соединен с корпусом 1 посредством лопаток аппарата 5. Канал 8 в корпусе выполнен цилиндрическим, двигатель 2 соединен со ступицей 13 колеса 3 с покрывным 10 и основным 11 дисками и загнутыми назад лопатками 12. В вихревой полости 7 между коллектором 4 и диском 10 установлен вихрегаситель, выполненный в виде направляющего аппарата с пластинами 26. Площадь S канала 8 и S_РК колеса 3 соответствуют условиям: S/S_РК ≥2,4. Корпус 1 может выполняться составным из передней и задней частей, в которых установлены коллектор 4, колесо 3, двигатель 2, обтекатель 6 и аппарат 5. Лопатки 9 могут выполняться плоскими и соединяться с диском 7 по прямой линии. 14 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Канальный вентилятор, содержащий цилиндрический корпус, входной коллектор, задний обтекатель, рабочее колесо, кинематически связанное с двигателем, образованное основным и покрывным дисками и размещенными между дисками загнутыми назад лопатками, осесимметричный входной коллектор, расположенный на одном из торцов корпуса, выполненный с криволинейным профилем в диаметральном сечении с образованием конфузорного зазора между поверхностями покрывного диска и входного коллектора, при этом ось вращения рабочего колеса выполнена соосной оси симметрии входного коллектора, между входным коллектором и покрывным диском образована вихревая полость, а между стенками корпуса - канал, отличающийся тем, что вентилятор имеет лопаточный спрямляющий аппарат, расположенный сзади основного диска рабочего колеса, площадь поперечного сечения канала составляет не менее 2,4 площади окружности, описываемой концами лопаток рабочего колеса, задний обтекатель выполнен с учетом конической формы и соединен со стенками канала лопатками направляющего аппарата.2. Канальный вентилятор по п.1, отличающийся тем, что в вихревой полости установлены вихрегасители.3. Канальный вентилятор по п.2, отличающийся тем, что вихрегасители выполнены в виде направляющего аппарата, содержащего, по меньшей мере, одну пластину, расположенную в вихревой полости.4. Канальный вентилятор по п.3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна пластина вихрегасителя соединена со стенкой канала и входным коллектором.5. Канальный вентилятор по п.1, отличающийся тем, что двигатель расположен в заднем обтекателе и соединен с рабочим колесом посредством ступицы, расположенной на основном диске.6. Канальный вентилятор по п.3, отличающийся тем, что обтекатель оснащен передней стенкой, в которой выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для охлаждения двигателя, при этом участок обтекателя, в котором расположен двигатель, выполнен цилиндрической формы, а конический участок примыкает к цилиндрическому, задний торец конического участка может оснащаться заглушкой.7. Канальный вентилятор по п.3 или 6, отличающийся тем, что вентилятор оснащен трубой для вентиляции двигателя, пневматически соединенной с обтекателем, а задний торец конического участка оснащен заглушкой.8. Канальный вентилятор по п.1, отличающийся тем, что лопатки спрямляющего аппарата выполнены длиной 0,4÷0,5 диаметра рабочего колеса.9. Канальный вентилятор по п.8, отличающийся тем, что передняя кромка лопаток спрямляющего аппарата расположена впереди кромки основного диска на расстоянии 0,1÷0,3 ширины лопаток рабочего колеса.10. Канальный вентилятор по п.8 или 9, отличающийся тем, что передний участок лопатки спрямляющего аппарата выполнен в виде дуги, свободная кромка которой расположена под углом не более 45° к оси вращения рабочего колеса навстречу направлению его вращения.11. Канальный вентилятор по п.1, отличающийся тем, что лопатки рабочего колеса выполнены плоскими.12. Канальный вентилятор по п.11, отличающийся тем, что образующая криволинейного покрывного диска на участке крепления лопаток рабочего колеса выполнена в соответствии с уравнениями:

y=(0,29±0,01)х+0,37

z=(-0,39±0,01)x-0,27

r²=x²+y²,

где z=Z/D - относительная координата, направленная вдоль оси вращения рабочего колеса в направлении от основного диска к входу в рабочее колесо;

x=X/D - относительная координата, перпендикулярная оси вращения рабочего колеса;

y=Y/D - относительная координата, перпендикулярная оси z и оси х;

r=R/D - относительный радиус рабочего колеса,

R - текущий радиус рабочего колеса;

X, Y, Z - текущие координаты;

D - диаметр рабочего колеса.