Вентиляторная установка Российский патент 2024 года по МПК F04D29/36 F04D29/54 

Изобретение относится к области турбомашин, в частности к вентиляторным установкам для аппаратов воздушного охлаждения (АВО). Применяемые в АВО вентиляторные установки отличаются большой производительностью и малым давлением, то есть большой удельной быстроходностью, что обусловливает внутренне противоречие между необходимостью максимально уменьшить вертикальные габариты АВО и одновременно обеспечивать высокую экономичность вентиляторных установок за счёт снижения потерь на вихреобразование в диффузорах в процессе преобразования динамического давления охлаждающего воздуха в статическое для преодоления гидравлического сопротивления оребренных труб теплообменников воздушного охлаждения (ТВО).

Известна вентиляторная установка для АВО, геометрические параметры диффузора которой определяются согласно ГОСТ ISO 13706-2011 Аппараты с воздушным охлаждением [1], содержащая втулку с установленными на ней лопатками, с возможностью их вращения вокруг осей, лежащих в одной плоскости, для изменения угла их установки, и аэродинамические гребни на тыльной поверхности, корпус в виде цилиндра с входным коллектором и диффузор, геометрические параметры которого определяются вышеуказанным ГОСТом.

В указанной вентиляторной установке диффузор обеспечивает подачу охлаждающего воздуха из корпуса вентиляторной установки на оребренные трубы ТВО с преобразованием динамического давления в статическое и уменьшением скорости охлаждающего воздуха пропорционально отношению площадей диффузора на выходе и входе.

Однако согласно [2] при углах раскрытия диффузора °° его коэффициент потерь давления , то есть происходит существенное увеличение потерь давления в диффузоре и, как результат, снижение экономичности вентиляторной установки. Уменьшение угла раскрытия диффузора приводит к существенному росту габаритов АВО.

Наиболее близким по исполнению к предлагаемому техническому решению является вентиляторная установка, приведённая в [3], содержащая втулку с установленными на ней лопатками с возможностью их поворота вокруг осей, лежащих в одной плоскости, для изменения угла их установки, аэродинамические гребни с основаниями и выходными кромками на тыльной поверхности, корпус в виде цилиндра с входным коллектором и ступенчатый диффузор.

Данное техническое решение позволяет частично устранить недостатки вышеуказанной конструкции вентиляторной установки, то есть существенно сократить габариты АВО при сохранении экономичности.

Однако такая конструкция лопатки вентиляторной установки с цилиндрическим корпусом и ступенчатым диффузором недостаточно снижает потери от внезапного расширения охлаждающего воздуха, так как значительная часть энергии под действием центробежной силы теряется от его соударения с цилиндрическим корпусом до входа в диффузор. Кроме того, расположение аэродинамических гребней по всей длине лопаток создаёт существенное разрежение в центральной части диффузора, вызывая перераспределение потока, поступающего на ТВО, снижая тем самым эффективность АВО. При внезапном расширении охлаждающего воздуха в ступенчатом диффузоре происходит отрыв потока от его основания и стенок вследствие резкого торможения, при этом коэффициент потери энергии на вихреобразование определяется по формуле:

где - площадь корпуса вентилятора, м²; - площадь ступенчатого диффузора, м².

Большие расходы охлаждающего воздуха в АВО и связанное с этим существенное увеличение площади ступенчатого диффузора снижают экономичность вентиляторной установки вследствие роста коэффициента потерь энергии стремящегося к 1.

Цель предлагаемого изобретения заключается в создании конструктивной схемы вентиляторной установки, обеспечивающей устранение отрывного вихреобразования на выходе охлаждающего газа из рабочего колеса в ступенчатый диффузор за счёт сообщения части охлаждающего воздуха кинетической энергии радиального движения под действием центробежных сил, исключая при этом обратное перетекание потока на вход в рабочее колесо, то есть в зону низкого давления.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемой вентиляторной установке, содержащей втулку с установленными на ней лопатками, с возможностью их поворота вокруг осей, лежащих в одной плоскости, для изменения угла их установки и разделяющих лопатки на входную и выходную части, аэродинамические гребни с основаниями и выходными кромками на их тыльной поверхности, корпус в виде цилиндра с входным коллектором и ступенчатый диффузор, отличающаяся тем, что плоскость расположения осей совмещения профиля лопаток, то есть осей поворота для изменения угла установки лопаток расположена в плоскости перехода корпуса вентиляторной установки в ступенчатый диффузор. Кроме того, в ступенчатом диффузоре на высоте отклонения выходной части лопатки от плоскости перехода корпуса вентиляторной установки в ступенчатый диффузор при максимальном угле их установки расположено осесимметричное сетчатое кольцо как продолжение корпуса вентилятора, выходная часть лопаток выполнена длиннее входной их части на 20 - 30 % хорды лопатки, аэродинамические гребни выполнены эквидистантно по дугам окружностей, расположены за средним аэродинамическим радиусом лопатки на рабочей и тыльной её поверхностях, с основаниями, направленными на входе на лопатку таким образом, чтобы выходная кромка крайнего аэродинамического гребня каждой лопатки была направлена по касательной к оси поворота в точке её пересечения с торцевой кромкой лопатки.

Установка втулки вентиляторной установки таким образом, что плоскость расположения осей поворота лопаток расположена в плоскости перехода корпуса вентиляторной установки в ступенчатый диффузор формирует в области выходной части лопаток осерадиальное течение охлаждающего воздуха, сообщая ему кинетическую энергию движения в радиальном направлении за счёт центробежных сил, обусловленных вращением лопаток при отсутствии ограничения в виде корпуса вентиляторной установки. Осерадиальное движение потока охлаждающего воздуха способствует равномерному заполнению ступенчатого диффузора, устраняет потери энергии на вихреобразование от «внезапного расширения» ступенчатого диффузора вентиляторной установки. При этом торцы входных участков лопаток исключают обратное перетекание потока охлаждающего воздуха через зазор между ними и корпусом вентиляторной установки.

Установка осесимметричного сетчатого кольца как продолжение корпуса вентиляторной установки позволяет формировать сквозь него на входе в ступенчатый диффузор осерадиальное течение охлаждающего воздуха, снижая потери энергии от «внезапного расширения» ступенчатого диффузор вентиляторной установки, исключая обратное перетекание потока через зазор между торцами лопаток и корпусом вентиляторной установки с учётом сетчатого кольца как его продолжением.

Выполнение выходной части лопаток, выступающей в ступенчатый диффузор длиннее входной их части на 20-30% хорды лопатки, также способствует сообщению охлаждающему воздуху кинетической энергии движения в радиальном направлении за счёт центробежных сил, обусловленных вращением лопаток, устраняет потери энергии на вихреобразование от «внезапного расширения» проточной части вентиляторной установки.

Аэродинамические гребни, выполненные эквидистантно по дугам окружности, расположенные за средним аэродинамическим радиусом лопатки на рабочей и тыльной её поверхностях, с основаниями, направленными на входе на лопатку таким образом, чтобы выходная кромка крайнего аэродинамического гребня каждой лопатки была направлена по касательной к оси поворота в точке её пересечения с торцом лопатки, способствует плавному повороту части охлаждающего воздуха из осевого в радиальное направление на выходе в ступенчатый диффузор, тем самым дополнительно устраняя потери энергии на вихреобразование от «внезапного расширения» проточной части вентиляторной установки.

На фиг. 1 изображён продольный разрез вентиляторной установки АВО.

На фиг. 2 изображён продольный разрез вентиляторной установки по п. 2 изобретения.

На фиг. 3 изображён продольный разрез вентиляторной установки по п. 3 изобретения.

На фиг. 4 изображён продольный разрез вентиляторной установки по п. 4 изобретения.

Вентиляторная установка содержит втулку 1, установленные на ней лопатки 2, имеющие оси 3 поворота для изменения угла их установки и лежащие на одной плоскости 4, корпус 5 в виде цилиндра с входным коллектором и ступенчатый диффузором 6, плоскость 7 перехода в который корпуса 5 вентиляторной установки расположена в плоскости 4 расположения осей 3 поворота лопаток 2. Лопатки 2 имеют хорду 8 входной 9 и выходной 10 части, разделённые осью 3 поворота. В ступенчатом диффузоре 6 на высоту отклонения выходной части 10 лопаток 2 от плоскости 7 перехода корпуса 5 вентиляторной установки в ступенчатый диффузор 6 при максимальном угле их установки расположено осесимметричное сетчатое кольцо 11 как продолжение корпуса вентилятора. Выходная часть 10 лопаток 2 выполнена длиннее входной 9 их части на 20 - 30 % хорды 8 лопаток 2. На рабочей 12 и тыльной 13 поверхностях лопаток 2 в области от среднего аэродинамического радиуса 14 до их торца 15 эквидистантно по дугам окружностей выполнены аэродинамические гребни 16 с основаниями 17, направленными на входном участке 9 лопатки 2 таким образом, чтобы выходная кромка 18 крайнего аэродинамического гребня 16 каждой лопатки 2 была направлена по касательной к оси 3 поворота в точке её пересечения с торцом 15 лопатки 2.

В процессе работы вентиляторной установки лопатки 2 преобразуют механическую энергию их вращения в потенциальную и кинетическую энергию охлаждающего воздуха, вынуждая его двигаться в направлении из цилиндрического корпуса 5 в ступенчатый диффузор 6. Лопатки 2 при вращении набегают на охлаждающий воздух под углом их установки, равном углу между хордой 8 лопатки 2 на среднем аэродинамическом радиусе 14 и плоскостью вращения 4, то есть плоскостью расположения оси 3 поворота лопаток 2. Поскольку выходная часть 10 рабочей поверхности 12 лопаток 2 вращается в ступенчатом диффузоре 6, то есть за плоскостью 7 перехода цилиндрического корпуса 5 в ступенчатый диффузор 6 под действием центробежной силы часть охлаждающего воздуха плавно изменяет направление движения из осевого в радиальное при входе в ступенчатый диффузор 6, снижая тем самым потери давления, обусловленные с резким расширением ступенчатого диффузора 6 вентиляторной установки. При этом радиальный зазор между торцом 15 входной части 9 лопаток 2 и цилиндрическим корпусом 5 устраняет обратное перетекание охлаждающего воздуха из ступенчатого диффузора 6 в цилиндрический корпус 5 с пониженным давлением.

Установка втулки 1 вентиляторной установки таким образом, что плоскость 4 расположения осей 3 поворота лопаток 2 расположена в плоскости 7 перехода корпуса 5 вентиляторной установки в ступенчатый диффузор 6, формирует в области выходной части 10 лопаток 2 осерадиальное течение охлаждающего воздуха, сообщая ему кинетическую энергию движения в радиальном направлении за счёт центробежных сил, обусловленных вращением лопаток 2 при отсутствии ограничения в виде корпуса 5 вентиляторной установки. Осерадиальное движение потока охлаждающего воздуха способствует равномерному заполнению ступенчатого диффузора 6, устраняет потери энергии на вихреобразование от «внезапного расширения» ступенчатого диффузора 6 вентиляторной установки. При этом торцы 15 входных участков 9 лопаток 2, исключают обратное перетекание потока охлаждающего воздуха через зазор между ними и корпусом 5 вентиляторной установки.

Установка осесимметричного сетчатого кольца 11 как продолжения корпуса 5 вентиляторной установки на входе в ступенчатый диффузор 6 не препятствует формированию в нем осерадиального течения, снижая потери энергии от «внезапного расширения» ступенчатого диффузора 6 вентиляторной установки, при этом дополнительно снижая обратное перетекание потока через зазор между торцами 15 лопаток 2 и корпусом 5 вентиляторной установки с учётом сетчатого кольца 11 как его продолжением.

Выполнение выходной части 10 лопаток 2, выступающей в ступенчатый диффузор 6 длиннее входной их части 9 на 20 - 30% хорды 8 лопатки 2 также способствует сообщению охлаждающему воздуху кинетической энергии движения в радиальном направлении за счёт центробежных сил, обусловленных вращением лопаток 2, устраняет потери энергии на вихреобразование от «внезапного расширения» ступенчатого диффузора 6 вентиляторной установки, дополнительно устраняя обратное перетекание охлаждающего воздуха через ступенчатый зазор между выходной частью 10 лопатки 2 и плоскостью 7 перехода корпуса 5 в ступенчатый диффузор 6, а так же между торцами 15 входных участков 9 лопаток 2 и корпусом 5 вентиляторной установки.

Установка аэродинамических гребней 16 на рабочей 12 и тыльной 13 поверхностях лопаток 2 в области от среднего аэродинамического радиуса 14 эквидистантно по дугам окружностей с основаниями 17, направленными на входном участке 9 лопаток 2 таким образом, чтобы выходная кромка 18 крайнего аэродинамического гребня 16 каждой лопатки 2 была направлена по касательной к оси 3 поворота в точке её пересечения с торцом 15 лопатки 2 способствует плавному повороту части охлаждающего воздуха из осевого в радиальное направление на выходе в ступенчатый диффузор 6, тем самым дополнительно устраняя потери энергии на вихреобразование от «внезапного расширения» ступенчатого диффузора вентиляторной установки.

Осевая вентиляторная установка в кольцевом канале за средним аэродинамическим радиусом лопаток фактически по принципу действия трансформируется в осерадиальную установку, способствуя плавному, устойчивому течению охлаждающего воздуха на входе в ступенчатый диффузор.

По результатам проведённых экспериментальных исследований вентиляторных установок со ступенчатым диффузором по конструкции п. 1 снижение коэффициента смягчения от внезапного расширения охлаждающего воздуха составило в завимости от положения оси поворота лопаток по длине хорды профиля в диапазоне , что позволило увеличить давление, развиваемое вентиляторной установки не менее чем на 6%.

Экспериментальная вентиляторная установка по пп. 1, 2 обеспечивает значение величины за счёт дополнительного устранения обратного перетекания охлаждающего воздуха в область низкого давления.

Применение лопаток для вентиляторной установки согласно п. 3 с учётом п.п. 1-2 позволяется достигать за счёт эффективного заполнения охлаждающим воздухом застойных зон в ступенчатом диффузоре и устранения обратного перетекания.

Применение аэродинамических гребней на лопатках для вентиляторных установок по п. 4 с учётом пп. 1-3 за счёт плавного поворота части охлаждающего воздуха из осевого направления в радиальное позволило достичь значения , повысив тем самым развиваемое вентиляторной установки давление на 14 %.

Таким образом смещение плоскости 4 расположения осей поворота лопаток 2 по отношению к плоскости 7 перехода цилиндрического корпуса 5 в ступенчатый диффузор 6, установка за плоскостью 7 осесимметричного сетчатого кольца 11, выполнение выступающей в ступенчатый диффузор 6 выходной части 10 лопаток 2 длиннее входной части 9, а так же расположение аэродинамических гребней 16 на рабочей 12 и тыльной 13 поверхностях лопаток 2 за их средним аэродинамическим радиусом 14 эквидистантно по дугам окружностей с основаниями 17, направленными на входном участке 9 лопаток 2 таким образом, чтобы выходная кромка 18 крайнего аэродинамического гребня 16 каждой лопатки 2 была направлена по касательной к оси 3 поворота в точке её пересечения с торцом 15 лопатки 2 снижает коэффициент смягчения от внезапного расширения воздуха, что способствует повышению развиваемого вентиляторной установки давления на 14 %, без роста потребляемой мощности, то есть увеличивает её экономичность.

Источники информации

1. ГОСТ ISO 13706-2011 Аппараты с воздушным охлаждением.

2. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. (Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов). - М.: Машиностроение, 1983 - 351 с. Ил.

3. Пат. 2553596 Российская федерация, МПК F04D 29/28 (2006.01); заявитель и патентообладатель ИГАУ им. А. Ежевского. №2008115404/06; заявл. 25.06.2014; опубл. 20.06.2015. Бюл. № 17.

4. Пат. 2369780 Российская федерация, МПК F04D 29/28 (2006.01); заявитель и патентообладатель СИБГУ им. М.Ф Решетнёва № 2008115404/06; заявл. 18.04.2008; опубл. 10.10.2009. Бюл. № 28.

Изобретение относится к области турбомашин, в частности к вентиляторным установкам для аппаратов воздушного охлаждения. Цель предлагаемого изобретения заключается в создании конструктивной схемы вентиляторной установки, обеспечивающей устранение отрывного вихреобразования на выходе охлаждающего газа из рабочего колеса в ступенчатый диффузор за счёт сообщения части охлаждающего воздуха кинетической энергии радиального движения под действием центробежных сил, исключая при этом обратное перетекание потока на вход в рабочее колесо, то есть в зону низкого давления. Данная цель достигается благодаря тому, что в вентиляторной установке плоскость расположения осей совмещения профиля лопаток, то есть осей поворота для изменении угла установки лопаток, расположена в плоскости перехода корпуса вентиляторной установки в ступенчатый диффузор, дополнительно в ступенчатом диффузоре на высоте отклонения выходной части лопаток от плоскости перехода корпуса вентиляторной установки в ступенчатый диффузор при максимальном угле их установки расположено осесимметричное сетчатое кольцо как продолжение корпуса вентилятора, кроме того, выходная часть лопаток выполнена длиннее входной их части на 20-30% хорды лопаток, а аэродинамические гребни выполнены эквидистантно по дуге окружности, расположены за средним аэродинамическим радиусом лопатки на рабочей и тыльной её поверхностях, с основаниями направленными на входе на лопатку таким образом, чтобы выходная кромка крайнего аэродинамического гребня каждой лопатки была направлена по касательной к оси поворота в точке её пересечения с торцом лопатки. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вентиляторная установка, содержащая втулку с установленными на ней лопатками, с возможностью их поворота вокруг осей, лежащих в одной плоскости, для изменения угла их установки и разделяющих лопатки на входную и выходную части, аэродинамические гребни с основаниями и выходными кромками на их тыльной поверхности, корпус в виде цилиндра с входным коллектором и ступенчатый диффузор, отличающаяся тем, что плоскость расположения осей совмещения профиля лопаток, то есть осей поворота для изменения угла установки лопаток, расположена в плоскости перехода корпуса вентиляторной установки в ступенчатый диффузор.

2. Вентиляторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в ступенчатом диффузоре на высоте отклонения выходной части лопаток от плоскости перехода корпуса вентиляторной установки в ступенчатый диффузор при максимальном угле их установки расположено осесимметричное сетчатое кольцо как продолжение корпуса вентилятора.

3. Вентиляторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что выходная часть лопаток выполнена длиннее входной их части на 20-30% хорды лопаток.

4. Вентиляторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что аэродинамические гребни выполнены эквидистантно по дугам окружностей, расположены за средним аэродинамическим радиусом лопатки на рабочей и тыльной её поверхностях, с основаниями, направленными на входном участке лопатки таким образом, чтобы выходная кромка крайнего аэродинамического гребня каждой лопатки была направлена по касательной к оси поворота в точке её пересечения с торцом лопатки.