ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР Российский патент 2017 года по МПК F04D29/32 

Изобретение относится к осевому вентилятору для подачи охлаждающего воздуха, в частности для двигателя внутреннего сгорания автомобиля, в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.

Осевой вентилятор в соответствии с родовым понятием выявлен в более ранней патентной заявке данного заявителя с ведомственным номером 102010042325.4. Осевой вентилятор имеет закрепленные на кольце ступицы лопасти вентилятора, которые на своей стороне нагнетания имеют рампу ступицы, а на своей стороне разрежения имеют элементы для направления потока воздуха, называемые также стабилизаторами, которые служат для оказания воздействия на воздушный поток. Лопасти вентилятора имеют, соответственно, переднюю кромку, называемую также кромкой набегания потока, а также заднюю кромку, именуемую также кромкой стекания потока. Задняя кромка лопасти вентилятора имеет, в основном, два радиально проходящих участка, а именно внешний, расположенный снаружи рампы ступицы участок, и внутренний, расположенный внутри рампы ступицы участок. Внутреннему участку задней кромки, из соображений экономии массы вовнутрь, то есть в направлении кольца ступицы, придано поперечное V, так что образуется выемка для задней кромки и, тем самым, уменьшается ширина лопасти вентилятора. Выявило себя то обстоятельство, что вследствие наличия такой выемки задней кромки возникает поперечное и/или обратное течение на лопасти вентилятора, которое оказывает негативное воздействие на поток на стороне нагнетания соседней лопасти вентилятора. Вследствие наличия такого поперечного и/или обратного течения в зоне рампы ступицы возникает турбулентная структура, которая приводит к снижению кпд.

Из EP 05151839 A1 известен осевой вентилятор с лопастями вентилятора, на стороне нагнетания которых располагается имеющая подъем против направления течения рампа ступицы. Рампа ступицы заполняет собой как бы область стоячей воды в зоне хвостовика лопасти и предотвращает, тем самым, образование сопровождающегося потерями турбулентного течения.

Из DE 19929978 B4 известен осевой вентилятор с лопастями вентилятора, на стороне разрежения которых располагаются элементы для направления потока воздуха, а на стороне нагнетания - рампы ступицы. Благодаря этому, образуется проточный канал, который способствует стабильному проведению потока в зоне хвостовиков лопастей.

Задачей предложенного на рассмотрение изобретения является создание осевого вентилятора с улучшенными условиями обтекания, в частности предотвращение образования сопровождающегося потерями турбулентного потока.

Задача изобретения решается посредством независимого пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения следуют из последующих зависимых пунктов формулы изобретения. В соответствии с формулой изобретения лопасть вентилятора имеет заднюю кромку с двумя участками, причем первый внешний участок находится радиально снаружи рампы ступицы, а второй внутренний участок радиально внутри рампы ступицы. В соответствии с изобретением предпочтительным является, если задняя кромка во внешней зоне радиально снаружи рампы ступицы имеет форму, которая от радиального положения рампы ступицы, в основном, неизменным образом продолжается радиально внутрь во внутреннюю зону, и в радиально самой внутренней зоне проходит к ступице. Благодаря этому, добиваются результата в соответствии с изобретением в плане достижения стабилизации течения на лопасти вентилятора в зоне рампы ступицы, то есть поперченное и/или обратное течение вокруг задней кромки лопасти вентилятора, по меньшей мере, уменьшается или прекращается совсем. Это приводит к существенному повышению кпд вентилятора и к значительному увеличению перемещенного посредством вентилятора объемного потока в рабочей точке вентилятора. Кроме того, снижается характерный уровень громкости звука.

Далее предпочтительным является, если радиально самая внутренняя зона является радиально внутренней частью радиуса радиально внутренней зоны.

Также предпочтительно, если эта часть составляет примерно третью часть, примерно четвертую часть или предпочтительно менее чем примерно пятую часть радиуса внутренней зоны задней кромки.

Таким образом, имеются три зоны, внешняя зона и внутренняя зона, причем внутренняя зона опять же разделена на так называемую промежуточную зону и на самую внутреннюю зону. Таким образом, в соответствии с изобретением предпочтительным является, если задняя кромка во внешней зоне радиально снаружи рампы ступицы имеет форму, которая от радиального положения рампы ступицы, в основном, неизменным образом продолжается радиально внутрь в так называемую промежуточную зону внутренней зоны, и в радиально самой внутренней зоне проходит к ступице. При этом эта форма в направлении к ступице может представлять собой изгиб или может быть выполнена с приданием ей поперечного V и т.д.

В предпочтительном варианте осуществления лопасть вентилятора имеет также и во внутренней зоне, в основном, ту же глубину лопасти, что и во внешней зоне, то есть, в частности, задняя кромка лопасти от внешнего участка, в основном, по прямой переходит во внутренний участок, так что, в целом, образуется прямая задняя кромка до зоны хвостовика лопасти. При этом определенное искривление передней кромки, которое в данном случае для упрощения изображено в виде прямой линии, не мешает, причем непрямая изогнутая передняя кромка также была бы допустима.

Таким образом, по сравнению с вентилятором из более ранней патентной заявки, глубина лопасти, а также ширина лопасти в зоне внутри рампы ступицы в предпочтительном варианте увеличены.

Под термином «глубина лопасти» понимается аксиальная протяженность лопасти вентилятора. Глубина лопасти - это проекция ширины лопасти в направлении периферии, причем ширина лопасти это расстояние между передней кромкой лопасти и задней кромкой лопасти, измеренное по хорде.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения задняя кромка в самой внутренней зоне закруглена. Благодаря этому, оказывается возможен снижающий напряжение переход задней кромки лопасти в зону ступицы.

В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления изобретения задняя кромка лопасти в своей самой внутренней зоне посредством закругления переходит в свободную кромку рампы ступицы. Таким образом, добиваются увеличения прочности в зоне хвостовика лопасти для присоединения лопасти вентилятора к ступице. Кроме того, образуется обтекаемый канал между стороной разрежения и стороной нагнетания в зоне хвостовика лопасти и рампы ступицы. Под «свободным концом рампы ступицы» понимается обращенная от лопасти вентилятора и выступающая за лопасть вентилятора кромка рампы ступицы.

В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения на стороне разрежения лопастей вентилятора располагаются стабилизаторы, которые в предпочтительном варианте находятся радиально внутри рампы ступицы. Размещенная вниз по течению потока зона стабилизатора входит, таким образом, во внутренний участок задней кромки лопасти. Посредством стабилизаторов, в сочетании с рампами ступицы между двумя лопастями добиваются дальнейшей стабилизации потока в зоне хвостовика лопасти.

В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления изобретения ступица выполнена в виде кольца ступицы, имеющего, в основном, меньшую аксиальную протяженность, чем лопасти вентилятора. Цилиндрической ступицы в классическом понимании в данном случае больше не существует. Аксиальная протяжность лопастей вентилятора - как упоминалось ранее - обозначается как глубина лопасти, которая представляет собой проекцию ширины лопасти в направлении периферии. Лопасти вентилятора выступают как своими передними кромками, так и своими задними кромками за пределы торцевых поверхностей кольца ступицы. Таким образом, проходящая по прямой в самую внутреннюю зону задняя кромка образует аксиальный выступ лопасти вентилятора относительно кольца рампы.

В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения осевой вентилятор имеет относительную величину ступицы D_i/D_a более 42%, причем относительная величина ступицы представляет собой частное от диаметра ступицы и наружного диаметра лопастей вентилятора. Аксиальный выступ задней кромки лопасти во внутренней зоне работает особо предпочтительно у вентиляторов со сравнительно большой относительной величиной ступицы, так как эта величина неблагоприятным образом влияет на кпд и на перемещенный вентилятором объемный поток и, таким образом, в данном случае происходит компенсация. Увеличенная относительная величина ступицы может выявляться при этом в случае меньшего наружного диаметра, когда лопасти вентилятора из-за ступенчатого изменения мощности укорачиваются.

В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения осевой вентилятор посредством кольца ступицы прочно соединен с муфтой жидкостного трения, которая, со своей стороны, приводится в действие от двигателя внутреннего сгорания и приводит в действие вентилятор с регламентированной частотой вращения выходного вала. При более высоких мощностях увеличивается диаметр муфты жидкостного трения и, тем самым, диаметр ступицы, что может приводить к увеличению относительной величины ступицы. В данном случае выступ лопасти в соответствии с изобретением, который приводит к увеличению кпд и объемного потока, воздействует особенно положительно.

В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления изобретения лопасти вентилятора имеют поперечное V в зоне хвостовика лопасти, вследствие чего лопасть вентилятора приобретает форму лопатки. Предпочтительным при этом является незначительное утолщение материала в зоне соединения лопасти вентилятора и кольца ступицы, а также повышенная прочность.

Примеры осуществления изобретения представлены на чертежах и описываются далее более детально, причем из описания и/или чертежей очевидны другие признаки и/или преимущества изобретения. На чертежах представлено:

фиг.1 - вариант осуществления лопасти вентилятора в соответствии с уровнем техники;

фиг.2 - вариант осуществления лопасти вентилятора в соответствии с изобретением со стабилизированным течением;

фиг.3 - фрагмент вентилятора в соответствии с изобретением, в объемном изображении;

фиг.4 - радиальный разрез ступицы вентилятора;

фиг.5 - фрагмент осевого вентилятора в плоскости сечения VI-VI;

фиг.6 - разрез в плоскости сечения VI-VI с фиг.5.

Фиг.1 демонстрирует расположение лопастей 1, 2 осевого вентилятора в соответствии с уровнем техники. Направление вращения вентилятора обозначено стрелкой D. Лопасти 1, 2 вентилятора имеют соответственно на своей стороне нагнетания рампы 3, 4 ступицы, а также задние кромки 1a, 2a лопастей. Задние кромки, называемые также кромками 1a, 2a стекания потока, имеют в своей зоне, расположенной радиально внутри, то есть внутри рампы 3, 4 ступицы, соответственно углубления или выемки 5, 6. Такие выемки или укорачивания ширины лопастей вентилятора использовались в уровне техники, так как, с одной стороны, их наличие означало уменьшение веса, а с другой стороны, имело место мнение, что лопасть вентилятора в зоне хвостовика в этом случае не способствует увеличению мощности. В качестве недостатка выявило себя, однако, поперечное и/или обратное течение, обозначенное стрелками W. Вследствие обтекания задней кромки лопасти в зоне выемки 5 выявляется обозначенный стрелкой W шлейф турбулентности, который приводит к снижению кпд вентилятора, к уменьшению объема потока и к повышенному шумообразованию.

Фиг.2 схематично демонстрирует вариант осуществления лопастей 7, 8 вентилятора и их задних кромок 7a, 8a в соответствии с изобретением. Направление вращения осевого вентилятора обозначено стрелкой D. На сторонах нагнетания лопастей 7, 8 вентилятора расположены рампы 9, 10 ступицы, которые разделяют задние кромки 7a, 8a лопастей на радиально внешние и радиально внутренние зоны. В соответствии с изобретением радиально внутренняя зона задней кромки 7a вентилятора проходит, в основном, по прямой, то есть от перехода внешней зоны к внутренней зоне имеет место, в основном, прямое расположение.

Другими словами, ширина лопасти 7 вентилятора, по сравнению с шириной лопасти 1 вентилятора в соответствии с уровнем техники, в радиально внутренней зоне увеличена, так что выемка отсутствует.

Эта увеличенная зона выделена посредством обозначенного жирной линией контура 7b. Увеличенная ширина лопасти в зоне 7b препятствует представленному на фиг.1, сопряженному с потерями мощности, поперечному и/или обратному течению. В частности, обозначенное стрелкой S течение радиально снаружи рампы 10 ступицы на лопасти 8 вентилятора далее не искажается. С другой стороны, и под рампой 10 ступицы образуется сравнительно стабильное и свободное от турбулентности течение, обозначенное стрелкой Р. Удлинение задней кромки лопасти в радиально внутренней зоне 7b, то есть увеличение ширины лопасти, приводит к значительному наращиванию объема потока и кпд, а также к снижению шума.

Под термином «ширина лопасти» следует понимать расстояние между передней кромкой и задней кромкой или длину хорды лопасти. Под глубиной лопатки понимается проекция ширины лопатки в направлении периферии.

Фиг.3 демонстрирует фрагмент осевого вентилятора 11 в соответствии с изобретением в трехмерном изображении. Изображение демонстрирует кольцо 12 ступицы, на котором закреплены, то есть монолитно отлиты, лопасти 13, 14, 15 вентилятора. Лопасти 13, 14, 15 вентилятора имеют соответственно на своих сторонах нагнетания рампы 13a, 14a, 15a ступицы, которые имеют подъем против обозначенного стрелкой D направления вращения. Рампы 13a, 14a, 15a ступицы, из соображений прочности, соединены ребрами с кольцом ступицы на его задней стороне. Лопасти 13, 14, 15 вентилятора имеют соответственно задние кромки 16, 17, 18, называемые также кромками 16, 17, 18 стекания потока, которые проходят, в основном, по прямой в радиальном направлении снаружи внутрь. Посредством расположенного по течению потока конца рампы 13a, 14a, 15a ступицы задние кромки 16, 17, 18 разделяются на два участка, а именно на радиально внешние участки или зоны 16a, 17a, 18a, а также на радиально внутренние участки или зоны 16b, 17b, 18b. Внутренние участки 16b, 17b, 18b задних кромок 16, 17, 18 лопастей по радиусу или по закруглению R переходят в свободные кромки рампы 13a, 14a, 15a ступицы, причем выносные линии ссылочных позиций 13a, 14a, 15a отходят от свободных кромок. Таким образом, создается оптимизированная по прочности структура вентилятора, которая может воспринимать возникающие в процессе работы вентилятора силы, в частности центробежные силы. Стороны разрежения лопастей вентилятора имеют стабилизаторы 19 в форме плавников.

Фиг.4 демонстрирует радиальный разрез (разрез в радиальной плоскости) кольца 12 ступицы осевого вентилятора 11, причем для одинаковых элементов используются те же ссылочные позиции, что и на фиг.3. Направление потока воздуха обозначено стрелкой L. Кольцо 12 ступицы имеет аксиальную протяженность а, и лопасть 14 вентилятора имеет глубину t, которая - как упоминалось ранее - определена как проекция ширины лопасти в направлении периферии. На чертеже видно, что глубина t лопасти существенно больше аксиальной протяженности а кольца 12 ступицы. Глубина t лопасти предпочтительно примерно в два раза больше аксиальной протяженности а кольца 12 ступицы. Задняя кромка 17 лопасти вентилятора проходит, в основном, прямолинейно в радиальном направлении, причем самый внутренний участок задней кромки 17 закруглен. Рампа ступицы представляется как площадь сечения, обозначенная 14a.

Фиг.5 демонстрирует вид не представленного полностью осевого вентилятора 20 с передней стороны или со стороны разрежения лопастей 21 вентилятора, на которых расположены элементы 22 для направления потока воздуха. Осевой вентилятор 20 включает в себя металлическое несущее кольцо 23, которое, с одной стороны, соединено с пластмассовой ступицей осевого вентилятора 20, а с другой стороны, может быть закреплено на не изображенной муфте, предпочтительно на муфте жидкостного трения. Обозначенные ссылочными позициями 21a, 21b, 21c лопасти вентилятора разрезаны в плоскости VI-VI.

Фиг.6 демонстрирует разрез осевого вентилятора 20 в плоскости VI-VI. Изображение демонстрирует различные площади сечения лопастей 21a, 21b, 21c вентилятора. Как видно в плоскости VI-VI разреза с фиг.5, лопасти 21a, 21b, 21c вентилятора относительно своих радиальных центральных линий разрезаны в различных плоскостях, причем площадь сечения для центральной лопасти 21b может рассматриваться как касательное сечение и располагается радиально внутри рампы ступицы. Площадь сечения лопасти 21c с фиг.6 располагается выше рампы ступицы, которая в данном случае снабжена ссылочной позицией 24 и на фиг.5 не видна, так как располагается на обратной стороне лопастей 21 вентилятора. На основании площади сечения центральной лопасти 21b вентилятора можно сделать заключение о ширине b лопасти, то есть о расстоянии между передней и задней кромками. Проекция ширины b лопасти в направлении периферии выявляет не обозначенную глубину t лопасти, которая по всей радиальной зоне примерно постоянна и притом при примерно прямо проходящей задней кромке лопасти.

Другие признаки и предпочтительные варианты осуществления изобретения выявляются на основании упомянутой в начале, более ранней патентной заявки данного заявителя со служебным номером 102010042325.4 - эта более ранняя патентная заявка в полном объеме включена в содержание предложенной на рассмотрение заявки. В соответствии с этим, преимуществом может являться сгибание лопастей вентилятора в направлении их хвостовиков, а также смещение расположенной внутри зоны с поперечным V на кольцо ступицы. За счет придания поперечного V добиваются лопатообразной формы лопастей вентилятора и оптимизированного по напряжению перехода между лопастью вентилятора и кольцом ступицы.

Изобретение относится к осевому вентилятору для перемещения охлаждающего воздуха, в частности для двигателя внутреннего сгорания автомобиля, включающему в себя закрепленные на ступице (12), имеющие сторону нагнетания и сторону разрежения, заднюю кромку (16, 17, 18) и глубину (t) лопасти (13, 14, 15) вентилятора, на соответствующей стороне нагнетания которых располагается имеющая подъем против направления (D) вращения осевого вентилятора (11) рампа (13a, 14a, 15a) ступицы. Задняя кромка (16, 17, 18) имеет расположенную радиально снаружи рампы (13a, 14a, 15a) ступицы внешнюю зону (16a, 17a, 18a) и расположенную радиально внутри рампы (13a, 14a, 15a) ступицы внутреннюю зону (16b, 17b, 18b). Изобретение направлено на улучшение обтекания воздуха. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Осевой вентилятор для перемещения охлаждающего воздуха, в частности, для двигателя внутреннего сгорания автомобиля, включающий в себя закрепленные на ступице (12), имеющие сторону нагнетания и сторону разрежения, заднюю кромку (16, 17, 18) и глубину (t) лопасти (13, 14, 15) вентилятора, на соответствующей стороне нагнетания которых располагается имеющая подъем против направления (D) вращения осевого вентилятора (11) рампа (13а, 14а, 15а) ступицы, причем задняя кромка (16, 17, 18) имеет расположенную радиально снаружи рампы (13а, 14а, 15а) ступицы внешнюю зону (16а, 17а, 18а) и расположенную радиально внутри рампы (13а, 14а, 15а) ступицы внутреннюю зону (16b, 17b, 18b), причем задняя кромка во внешней зоне радиально снаружи рампы ступицы имеет форму, которая от радиального положения рампы ступицы, в основном, неизменным образом продолжается радиально внутрь во внутреннюю зону и в радиально самой внутренней зоне проходит к ступице, отличающийся тем, что задняя кромка (16, 17, 18) в своей радиально самой внутренней зоне закруглена и посредством закругления (R) переходит в свободную кромку рампы (13а, 14а, 15а) ступицы.

2. Осевой вентилятор по п. 1, отличающийся тем, что радиально самая внутренняя зона является радиально внутренней частью радиуса радиально внутренней зоны.

3. Осевой вентилятор по п. 2, отличающийся тем, что частью является примерно третья часть, примерно четвертая часть или предпочтительно менее чем примерно пятая часть радиуса внутренней зоны задней кромки.

4. Осевой вентилятор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что глубина (t) лопасти во внутренней зоне (16b, 17b, 18b) соответствует глубине (t) лопасти во внешней зоне (16а, 17а, 18а).

5. Осевой вентилятор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что задняя кромка (16, 17, 18) во внешней и во внутренней зонах (16а, 16b, 17а, 17b, 18а, 18b) выполнена, однако, без самой внутренней зоны, в основном, в виде прямой кромки.

6. Осевой вентилятор по п. 1, отличающийся тем, что на стороне разрежения лопастей (21) вентилятора располагаются выполненные в виде стабилизаторов элементы (22) для направления потока воздуха.

7. Осевой вентилятор по п. 6, отличающийся тем, что стабилизаторы (22) проходят во внутреннюю зону (16b, 17b, 18b) задних кромок (16, 17, 18).

8. Осевой вентилятор по п. 1, отличающийся тем, что ступица выполнена в виде кольца (12) ступицы с аксиальной протяженностью (а), которая существенно меньше, чем глубина (t) лопастей вентилятора.

9. Осевой вентилятор по любому из пп. 1-3, 6-8, отличающийся тем, что осевой вентилятор (11) имеет относительную величину ступицы D_i/D_a более 42%, причем D_i - это наружный диаметр ступицы (12), a D_a - наружный диаметр лопастей (14) вентилятора.

10. Осевой вентилятор по любому из пп. 1-3, 6-8, отличающийся тем, что внутри кольца (12) ступицы расположена и жестко соединена с кольцом (12) ступицы муфта жидкостного трения.

11. Осевой вентилятор по любому из пп. 1-3, 6-8, отличающийся тем, что лопастям (13, 14, 15) вентилятора в направлении их хвостовиков придано поперечное V, причем зона лопасти (13, 14, 15) вентилятора, которой придано поперечное V, по меньшей мере, частично опущена на ступицу или на кольцо (12) ступицы.