РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК F04D29/34 

Изобретение относится к вентиляторостроению и может быть использовано в составе систем терморегулирования изделий авиационной и ракетной техники.

Известно рабочее колесо осевого вентилятора, содержащее ступицу с выполненными заодно с ней профилированными лопатками (см. патент РФ №2133383, МПК: F04D 19/00, 1999 г.). Недостатком этого рабочего колеса осевого вентилятора является сложность конструкции, вызванная выполнением профилированных лопаток заодно со ступицей.

Этого недостатка лишено рабочее колесо осевого вентилятора, содержащее ступицу с основаниями, снабженными пазами шириной S, в которых установлены хвостовики листовых лопаток толщиной s, присоединенные к основаниям посредством штифтовых соединений, выбранное в качестве прототипа (см. патент РФ N 2422681, МПК: F04D 19/02, 2011 г.) Выполнение лопаток листовыми существенно упрощает конструкцию рабочего колеса.

Недостатком такого рабочего колеса осевого вентилятора является его низкая надежность, что вызвано наличием зазора в соединении между хвостовиком листовой лопатки и пазом за счет допусков на толщину листа и ширину паза. Наличие допусков на толщину листа, из которого изготавливают лопатки, неизбежно, также невозможно изготовление паза (а его можно сделать либо методом фрезерования, либо методом электроэрозионной обработки) с высокой точностью, обеспечивавшей бы плотную посадку хвостовика в паз. При вибрациях, свойственных изделиям авиационной, а особенно космической техники, листовая лопатка начинает колебаться в пределах указанного зазора, что приводит к увеличению амплитуды ее колебаний, и, в конечном итоге, к разрушению лопатки, вызванному циклическими напряжениями изгиба. Другим недостатком рабочего колеса является низкая технологичность, что связано с необходимостью крепления хвостовика каждой лопатки к основанию как минимум двумя штифтами - при креплении хвостовика лопатки одним штифтом невозможно обеспечить фиксацию лопатки в угловом направлении относительно оси этого штифта.

Техническим результатом заявляемого устройства является повышение надежности и технологичности.

Указанный технический результат по первому варианту достигается за счет того, что в известном рабочем колесе осевого вентилятора, содержащем ступицу с основаниями, снабженными пазами шириной S, в которых установлены хвостовики листовых лопаток толщиной s, присоединенные к основаниям посредством штифтового соединения, в отличие от известного внутренняя поверхность хвостовика каждой листовой лопатки выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса r с образующей, параллельной продольной оси листовой лопатки, а внутренняя поверхность паза каждого основания выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса R с образующей, параллельной образующей внутренней поверхности хвостовика листовой лопатки, и внутренние поверхности хвостовика и паза обращены друг к другу, при этом

$$R\ge \frac{r-\sqrt{r^2-L^2}-d}{2}+\frac{L^2}{2\left(r-\sqrt{r^2-L^2}-d\right)},$$

где d=S-s, a L - половина ширины хорды хвостовика листовой лопатки по ее внутренней поверхности;

Указанный технический результат по второму варианту достигается за счет того, что в известном рабочем колесе осевого вентилятора, содержащем ступицу с основаниями, снабженными пазами шириной S, в которых установлены хвостовики листовых лопаток толщиной s, присоединенные к основаниям посредством штифтового соединения, в отличие от известного, наружная поверхность хвостовика каждой листовой лопатки выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса r_H с образующей, параллельной продольной оси листовой лопатки, а наружная поверхность паза каждого основания выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса R с образующей, параллельной образующей внутренней поверхности хвостовика листовой лопатки, и наружные поверхности хвостовика и паза обращены друг к другу, при этом

$$R_i\le \frac{r_i{}^{}-\sqrt{r_i^2-L^2}+d}{2}+\frac{L^2}{2\left(r_i{}^{}-\sqrt{r_i^2-L^2}+d\right)},$$

где d=S-s, a L - половина ширины хорды хвостовика листовой лопатки по ее наружной поверхности.

Дополнительно, для максимального упрощения конструкции, при реализации как первого варианта, так и второго варианта, основания могут быть выполнены за одно целое со ступицей, при этом в конструкциях осевых вентиляторов с достаточно большим втулочным отношением, при котором окружные скорости точек в любом сечении лопатки близки по значению, вся листовая лопатка может быть выполнена с постоянным по ее длине профилем (как рабочая часть лопатки, находящаяся в потоке перекачиваемого воздуха, так и ее хвостовик).

На фиг.1 приведен пример конкретного выполнения рабочего колеса осевого вентилятора, первый вариант, главный вид; на фиг.2 - то же, вид справа; на фиг.3 - то же, вид сверху; на фиг.4 - расчетная схема для вывода математической зависимости, первый вариант; на фиг.5 - пример конкретного выполнения рабочего колеса осевого вентилятора, второй вариант, главный вид; на фиг.6 - то же, вид сверху; на фиг.7 - расчетная схема для вывода математической зависимости, второй вариант. Фиг.2 относится к обоим вариантам исполнения рабочего колеса осевого вентилятора.

Рабочее колесо осевого вентилятора, как по первому варианту, так и по второму варианту, содержит ступицу 1 с основаниями 2, снабженными пазами 3, в которых установлены хвостовики 4 листовых лопаток 5, присоединенные к основаниям 2 посредством штифтового соединения штифтом 6. У каждой лопатки 5 есть продольная ось 7. Ширина каждого паза 3 равна S, а толщина хвостовика 4 каждой листовой лопатки 5 равна s. При выполнении рабочего колеса по первому варианту внутренняя поверхность 8 хвостовика 4 каждой листовой лопатки 5 выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса r с образующей, параллельной продольной оси 7 листовой лопатки 5, а внутренняя поверхность 9 паза 3 каждого основания 2 выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса R с образующей, параллельной образующей внутренней поверхности 8 хвостовика 4 листовой лопатки 5, внутренние поверхности 8 хвостовика 4 и 9 паза 3 обращены друг к другу, при этом

$$R\ge \frac{r-\sqrt{r^2-L^2}-d}{2}+\frac{L^2}{2\left(r-\sqrt{r^2-L^2}-d\right)},$$

где d=S-s, a L - половина ширины хорды хвостовика листовой лопатки по ее внутренней поверхности.

Рабочее колесо осевого вентилятора работает следующим образом: при приведении ступицы 1 во вращение от вала, установленного внутри нее (не показан), листовые лопатки 5 создают поток перекачиваемого газа. При этом за счет выполнения геометрических размеров паза и хвостовика по приведенной в формуле изобретения геометрической зависимости обеспечивается беззазорное соединение хвостовика 4 в пазу 3 - хвостовик 4 имеет три зоны линейного контакта со стенками паза 3 - одна зона контакта по образующей наружной поверхности хвостовика 4 в середине хвостовика и две зоны контакта по образующим внутренней поверхности хвостовика 4 по краям его поперечного сечения. Беззазорное соединение хвостовика с пазом позволяет устранить возможность колебаний лопаток 5 относительно пазов 3 и позволяет обеспечить угловую фиксацию лопатки 5 использованием только одного штифта 6 в каждом соединении хвостовика 4 с пазом 3. При попытке «провернуть» лопатку в угловом направлении относительно оси штифта 6 (за счет сил инерции, реакции потока перекачиваемого газа на лопатку) возникают реакции со стороны указанных трех зон линейного контакта, препятствующие этому перемещению, поскольку такое перемещение сразу вызывает упругие деформации хвостовика 4 лопатки 5, препятствующие такому перемещению. Таким образом, штифт обеспечивает фиксацию лопатки в радиальном направлении, а указанные три зоны линейного контакта - фиксацию лопатки в угловом направлении. Признак «внутренние поверхности хвостовика и паза обращены друг к другу» однозначно определяет их взаимное положение, для которого справедливы вышеприведенные выводы и расчетная схема. Теоретически возможно и другое взаимное расположение - когда внутренняя поверхность хвостовика и наружная поверхность паза обращены друг к другу - для него приведенное математическое выражение неприменимо, но такое взаимное расположение не имеет практического смысла, т.к. может быть обеспечено лишь при большой величине d = S-s, что будет сильно снижать аэродинамические характеристики колеса за счет сильной турбулизации потока. Для наглядности проведем расчет значения R для хвостовика лопатки со следующими параметрами: s = 1 мм, L = 6 мм, S = 1^+0,2мм, r = 35 мм. Подставив эти значения (приняв для S максимально возможное с учетом допуска S = 1,2 мм, получим по математическому выражению: R ≥ 56, 41 мм.

Ниже приведен вывод математической зависимости для первого варианта. На фиг.4 приведена расчетная схема, где точка А - середина хорды внутренней поверхности хвостовика, В - крайняя точка внутренней поверхности хвостовика, О и О₁- центры внутренних поверхностей паза 3 и хвостовика 4 соответственно, точка С - точка касания наружной поверхности хвостовика 4 и наружной поверхности паза 3. На фиг.4 приведен случай, когда наружная поверхность хвостовика 4 точно касается (без зазора и натяга) наружной поверхности паза 3.

Тогда расстояние

$$O_{1}C=r+s\left(1\right)$$

Примем расстояние AC=h (высота верхней точки профиля наружной поверхности хвостовика 4 над хордой внутренней поверхности хвостовика.

$$h=O_{1}C-O_{1}A=r+s-\sqrt{r^2-L^2}\left(2\right)$$

- следует из свойств прямоугольного треугольника O₁AB.

Аналогично, приняв расстояние АС - Н (высота верхней точки профиля наружной поверхности паза 3 над хордой внутренней поверхности хвостовика - в общем случае величины Н и h не равны друг другу, но на фиг.4 приведен частный случай равенства), из свойств треугольника ОАВ получим:

$$H=OC-OA=R+S-\sqrt{R^2-L^2}\left(3\right)$$

очевидно, что условием беззазорного соединения будет неравенство Н ≤ h (4), т.е. хвостовик лопатки, опираясь краями (точка В и вторая, не показанная на фиг.4, но симметричная ей относительно прямой О₁О) на внутреннюю поверхность паза 3, своей наружной поверхностью опирается на наружную поверхность паза 3 в точке С.

Подставив в (4) значения Н и h из выражений (3) и (2), получим

$$R+S-\sqrt{R^2-L^2}\le r+s-\sqrt{r^2-L^2}\left(5\right)$$

Введя обозначение d=S-s, получим, перенеся некоторые члены неравенства:

$$R+d-r+\sqrt{r^2-L^2}\le \sqrt{R^2-L^2}\left(6\right)$$

Введем обозначение $$N=r-\sqrt{r^2-L^2}-d\text{ (7)}$$ и подставим в (6):

$$R-N\le \sqrt{R^2-L^2}\left(8\right)$$

Возведя обе части неравенства в квадрат и приведя подобные члены, получим:

$$-2RN+N^2\le -L^2\left(9\right),$$

или

$$2RN\ge N^2+L^2\left(10\right)$$

Поскольку N - величина положительная (на фиг.4 это расстояние от точки А до внутренней поверхности паза 3, измеренное по прямой ОС), то R ≥N/2+L²/2N (11), откуда, подставив значение N из (7), получим приведенное в формуле изобретения для первого варианта математическое выражение.

Конструкция рабочего колеса осевого вентилятора (второй вариант) в основном схожа с конструкцией рабочего колеса по первому варианту. Отличия в следующем: наружная поверхность 10 хвостовика 4 каждой листовой лопатки 5 выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса R_H с образующей, параллельной продольной оси 7 листовой лопатки 5, а наружная поверхность 11 паза 3 каждого основания 2 выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса R_H с образующей, параллельной образующей наружной поверхности 10 хвостовика 4 листовой лопатки 5, наружные поверхности 10 хвостовика 4 и 11 паза 3 обращены друг к другу, при этом

$$R_i\le \frac{r_i{}^{}-\sqrt{r_i^2-L^2}+d}{2}+\frac{L^2}{2\left(r_i-\sqrt{r_i^2-L^2}+d\right)},$$

где d=S-s, a L - половина ширины хорды хвостовика листовой лопатки по ее наружной поверхности.

Рабочее колесо осевого вентилятора (второй вариант) работает следующим образом: при приведении ступицы 1 во вращение от вала, установленного внутри нее (не показан), листовые лопатки 5 создают поток перекачиваемого газа. При этом за счет выполнения геометрических размеров паза и хвостовика по приведенной в формуле изобретения геометрической зависимости обеспечивается беззазорное соединение хвостовика 4 в пазу 3 - хвостовик 4 имеет три зоны линейного контакта со стенками паза 3 - одна зона контакта по образующей внутренней поверхности хвостовика 4 в середине хвостовика и две зоны контакта по образующим наружной поверхности хвостовика 4 по краям его поперечного сечения. Беззазорное соединение хвостовика с пазом позволяет устранить возможность колебаний лопаток 5 относительно пазов 3, и позволяет обеспечить угловую фиксацию лопатки 5 использованием только одного штифта 6 в каждом соединении хвостовика 4 с пазом 3. При попытке «провернуть» лопатку в угловом направлении относительно оси штифта 6 (за счет сил инерции, реакции потока перекачиваемого газа на лопатку) возникают реакции со стороны указанных трех зон линейного контакта, препятствующие этому перемещению, поскольку такое перемещение сразу вызывает упругие деформации хвостовика 4 лопатки 5, препятствующие такому перемещению. Таким образом, штифт обеспечивает фиксацию лопатки в радиальном направлении, а указанные три зоны линейного контакта - фиксацию лопатки в угловом направлении. Признак «наружные поверхности хвостовика и паза обращены друг к другу» однозначно определяет их взаимное положение, для которого справедливы вышеприведенные выводы и расчетная схема. Теоретически возможно и другое взаимное расположение - когда внутренняя поверхность хвостовика и наружная поверхность паза обращены друг к другу - для него приведенное математическое выражение неприменимо, но такое взаимное расположение не имеет практического смысла, т.к. может быть обеспечено лишь при большой величине d = S-s, что будет сильно снижать аэродинамические характеристики колеса за счет сильной турбулизации потока.

Ниже приведен вывод математической зависимости для второго варианта. На фиг.7 приведена расчетная схема, где точка D -середина хорды наружной поверхности хвостовика, Е - крайняя точка наружной поверхности хвостовика, Q и Q₁ - центры наружных поверхностей паза 3 и хвостовика 4 соответственно, точка F - точка касания внутренней поверхности хвостовика 4 и внутренней поверхности паза 3. На фиг.7 приведен случай, когда внутренняя поверхность хвостовика 4 точно касается (без зазора и натяга) внутренней поверхности паза 3.

Тогда расстояние Q₁F = r_H - s (12)

Примем расстояние FD= z (расстояние от центра профиля внутренней поверхности хвостовика 4 до хорды наружной поверхности хвостовика

$$z=Q_{1}D-Q_{1}F=\sqrt{r_i{}^2-L^2}-r_H+s\left(13\right)$$ - следует из свойств прямоугольного треугольника Q₁ED.

Аналогично, приняв расстояние DF - Z (расстояние от центра профиля внутренней поверхности паза 3 до хорды наружной поверхности хвостовика в общем случае величины Z и z не равны друг другу, но на фиг.7 приведен частный случай равенства), из свойств треугольника QED получим:

$$Z=FG-DG=FG-\left(QG-QD\right)=S-(R_H-\sqrt{R_i{}^2-L^2})=S-R_H+\sqrt{R_i{}^2-L^2}\left(14\right)$$ Очевидно, что условием беззазорного соединения будет неравенство Z ≤ z (15), т.е. хвостовик лопатки, опираясь краями (точка Е и вторая, не показанная на фиг.7, но симметричная ей относительно прямой Q₁Q) на наружную поверхность паза 3, своей внутренней поверхностью опирается на внутреннюю поверхность паза 3 в точке F.

Подставив в (15) значения Z и z из выражений (14) и (13), получим

$$S-R_H+\sqrt{R_i{}^2-L^2}\le \sqrt{r_i{}^2-L^2}-r_H+s\left(16\right)$$

Введя обозначение d-S-s, получим, перенеся некоторые члены неравенства: $$$$

$$\sqrt{R_i{}^2-L^2}\le R_H-d-r_H+\sqrt{r_i{}^2-L^2}\left(17\right)$$

Введем обозначение $$M=d+r_H-\sqrt{r_i{}^2-L^2}$$ (18) и подставим в (17):

$$R_H-M\ge \sqrt{R_i^2-L^2}\left(19\right)$$

Возведя обе части неравенства в квадрат и приведя подобные члены, получим:

$$-2R_{H}M+M^2\ge -L^2\left(20\right)$$ ,или

$$2R_{H}M\le M^2+L^2\left(21\right)$$

Поскольку М величина положительная (на фиг.4 это расстояние DG),то

$$R_H\le M/2+L^2/2M\left(22\right)$$

откуда, подставив значение М из (18), получим приведенное в формуле изобретения для второго варианта математическое выражение.

В приведенных примерах конкретного исполнения рабочего колеса, как по первому варианту, так и по второму варианту, основания выполнены за одно целое со ступицей в виде фрезерованных выступов на внутренней стороне ступицы. Однако, возможно и крепление лопатки к поворотному (как в прототипе) основанию, поэтому в независимых пунктах формулы изобретения приведен обобщающий признак «основание», которое может быть как элементом ступицы, так и установленной в ней отдельной детали. Также в примерах конкретного исполнения приведен случай, когда вся листовая лопатка выполнена с постоянным по ее длине профилем. Однако заявленное изобретение может быть использовано и в случае разных сечений хвостовика и рабочей части лопатки. Приведенные математические выражения накладывают точный предел только с одной стороны - минимальное значение радиуса внутренней поверхности паза для первого варианта, и максимальное значение радиуса наружной поверхности паза для второго варианта. Конкретное значение этих радиусов определяется методами обычного проектирования, например, исходя из критерия, чтобы при установке хвостовиков в пазы деформации хвостовиков оставались бы упругими.

В результате использования изобретения существенно повышается надежность рабочего колеса, т.к. беззазорное соединение хвостовика с пазом позволяет устранить возможность колебаний лопаток 5 относительно пазов 3. Также повышается и технологичность рабочего колеса за счет обеспечения фиксации лопатки использованием только одного штифта. Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное техническое решение для использования в изделиях авиационной и космической техники.

Литература

1. Патент РФ №2133383, МПК: F04D 19/00, 1999 г.

2. Патент РФ N 2422681, МПК: F04D 19/02, 2011 г. (прототип).

Заявленное рабочее колесо осевого вентилятора может быть использовано в составе систем терморегулирования изделий авиационной и ракетной техники. Рабочее колесо содержит ступицу с основаниями, снабженными пазами шириной S. В указанных пазах установлены хвостовики листовых лопаток толщиной s, присоединенные к основаниям посредством штифтового соединения. Внутренние поверхности хвостовика и паза выполнены в виде участков кругового цилиндра разных радиусов. При этом в первом варианте внутренние поверхности хвостовика и паза обращены друг к другу, а во втором - наружные поверхности хвостовика и паза обращены друг к другу. Приведены математические выражения для радиуса паза как функции от радиуса хвостовика, толщин паза и хвостовика и хорды хвостовика. Группа изобретений направлена на повышение надежности и технологичности. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Рабочее колесо осевого вентилятора, содержащее ступицу с основаниями, снабженными пазами шириной S, в которых установлены хвостовики листовых лопаток толщиной s, присоединенные к основаниям посредством штифтового соединения, отличающееся тем, что внутренняя поверхность хвостовика каждой листовой лопатки выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса r с образующей, параллельной продольной оси листовой лопатки, а внутренняя поверхность паза каждого основания выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса R с образующей, параллельной образующей внутренней поверхности хвостовика листовой лопатки, и внутренние поверхности хвостовика и паза обращены друг к другу, при этом
$$R\ge \frac{r-\sqrt{r^2-L^2}-d}{2}+\frac{L^2}{2\left(r-\sqrt{r^2-L^2}-d\right)},$$
где d=S-s, a L - половина ширины хорды хвостовика листовой лопатки по ее внутренней поверхности.

2. Рабочее колесо осевого вентилятора по п.1, отличающееся тем, что основания выполнены за одно целое со ступицей.

3. Рабочее колесо осевого вентилятора по п.1, отличающееся тем, что вся листовая лопатка выполнена с постоянным по ее длине профилем.

4. Рабочее колесо осевого вентилятора, содержащее ступицу с основаниями, снабженными пазами шириной S, в которых установлены хвостовики листовых лопаток толщиной s, присоединенные к основаниям посредством штифтового соединения, отличающееся тем, что наружная поверхность хвостовика каждой листовой лопатки выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса r_н с образующей, параллельной продольной оси листовой лопатки, а наружная поверхность паза каждого основания выполнена в виде участка кругового цилиндра радиуса R_н с образующей, параллельной образующей наружной поверхности хвостовика листовой лопатки, и наружные поверхности хвостовика и паза обращены друг к другу, при этом
$$R_i\le \frac{r_i-\sqrt{r_i{}^2-L^2}+d}{2}+\frac{L^2}{2\left(r_i-\sqrt{r_i{}^2-L^2}+d\right)},$$
где d=S-s, a L - половина ширины хорды хвостовика листовой лопатки по ее наружной поверхности.

5. Рабочее колесо осевого вентилятора по п.4, отличающееся тем, что основания выполнены за одно целое со ступицей.

6. Рабочее колесо осевого вентилятора по п.4, отличающееся тем, что вся листовая лопатка выполнена с постоянным по ее длине профилем.