ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР Российский патент 2025 года по МПК F04D25/08 

Изобретение относится к вентиляторостроению и может быть использовано в составе систем терморегулирования изделий ракетно-космической техники.

Известен осевой вентилятор, содержащий корпус из двух скрепленных посредством центрирующего соединения частей с посадочным буртом на торце первой части, входящим в центрирующую расточку на торце второй части корпуса, установленную в корпусе втулку с не менее чем тремя радиальными выступами, имеющими наружную сферическую поверхность, контактирующую с обращенными друг к другу коническими поверхностями первой и второй частей корпуса, соосными поверхностям посадочного бурта для первой части корпуса и центрирующей расточки для второй части корпуса, а также размещенный внутри втулки электродвигатель с установленным на его валу рабочим колесом (патент Российской федерации №2450166, МПК: F04D 19/00, 2012 г.). Недостатком этого осевого вентилятора является повышенное аэродинамическое сопротивление, вызванное сужением его аэродинамического тракта радиальными выступами достаточно большой ширины, обусловленной необходимостью размещения в этих выступах штифтов для фиксации выступов втулки с частями корпуса. Сужение аэродинамического тракта вызывает возрастание скорости создаваемого рабочим колесом потока при обтекании выступов с последующим ее снижением - при сходе с выступов, что сопровождается аэродинамическими потерями.

Этого недостатка лишен осевой вентилятор, содержащий корпус из двух частей, фланцы которых установлены с заданным осевым зазором и стянуты друг с другом посредством крепежных деталей, посадочный бурт на первой части, входящий в центрирующую расточку второй части корпуса, установленную в корпусе втулку с лопатками спрямляющего аппарата, имеющими наружную сферическую поверхность, контактирующую с первой конической поверхностью на второй части корпуса, соосной поверхности центрирующей расточки, и обращенной к первой конической поверхности второй конической поверхностью, а также установленный внутри втулки электродвигатель с рабочим колесом на его валу (патент Российской федерации №2790499, МПК: F04D 25/08, 2023 г.), выбранный в качестве прототипа.

Недостатком этого вентилятора является зависимость осевых размеров собранных вентиляторов от фактически выполненных размеров (в пределах допуска) входящих в вентилятор деталей из-за большого значения допуска на величину заданного осевого зазора δ вследствие большого числа переменных, входящих в формулу для расчета заданного осевого зазора 5, приведенную в описании изобретения. Влияние допусков на детали вентилятора весьма велико, например, подставив крайние значения размеров во вносящий максимальный вклад на разброс геометрических размеров член «(2R - D)*ctg α» этого выражения при достаточно точном задании размеров:

2R=105 h9;

D=100Н7;

α=15°±30',

получим значения этого члена от 19,335 мм до 17,59 мм, т.е. разницу в 1,745 мм. С учетом допусков на другие размеры в формуле для расчета заданного осевого зазора δ, получим значение допуска на размер δ (разность между максимальным и минимальным возможными значениями) более 2 мм, т.е. осевой размер вентиляторов может отличаться на величину более 2 мм от экземпляра к экземпляру. Непостоянство осевого размера вентиляторов может препятствовать их установке в систему вентиляции, а также вызывает необходимость увеличения длины стягивающих фланцы крепежных деталей с соответствующим увеличением массы. Надо отметить, что при увеличении проходного сечения вентилятора (в прототипе, например, приведен диаметр проточной части 0,2 м, т.е. 200 мм) будет увеличиваться и допуск на величину заданного осевого зазора δ и, соответственно, на осевой размер вентилятора из-за соответствующего увеличения полей допусков.

Техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является обеспечение независимости осевых размеров собранных вентиляторов от фактически выполненных размеров входящих в него деталей.

Технический результат достигается за счет того, что в известном осевом вентиляторе, содержащем корпус из двух частей, фланцы которых установлены с заданным осевым зазором и стянуты друг с другом посредством крепежных деталей, посадочный бурт на первой части, входящий в центрирующую расточку второй части корпуса, установленную в корпусе втулку с лопатками спрямляющего аппарата, имеющими наружную сферическую поверхность, контактирующую с первой конической поверхностью на второй части корпуса, соосной поверхности центрирующей расточки, и обращенной к первой конической поверхности второй конической поверхностью, а также установленный внутри втулки электродвигатель с рабочим колесом на его валу, согласно изобретению, внутренняя поверхность первой части корпуса выполнена цилиндрической, а торец посадочного бурта первой части корпуса выполнен плоским, осевой вентилятор снабжен кольцом, размещенным внутри центрирующей расточки второй части корпуса, с плоским торцом, выполненным с одной стороны кольца, и второй конической поверхностью, выполненной с другой стороны кольца, а также снабжен набором дистанционных шайб, размещенным внутри центрирующей расточки второй части корпуса с упором в плоский торец кольца с одной стороны и в плоский торец посадочного бурта - с другой стороны.

На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения осевого вентилятора, продольный разрез, на фиг. 2 - то же, сечение лопатки спрямляющего аппарата.

Осевой вентилятор содержит корпус 1, выполненный состоящим из двух частей - первой 2 и второй 3, фланцы 4 и 5 которых установлены с заданным осевым зазором δ и стянуты друг с другом посредством крепежных деталей 6 - в данном примере конкретного исполнения винтами, которые ввернуты в резьбовые отверстия 7 на фланце 5. На первой части 2 корпуса 1 выполнен посадочный бурт 8, входящий в центрирующую расточку 9 второй части 3 корпуса 1. В корпусе 1 установлена втулка 10 с выполненными на ней лопатками 11 спрямляющего аппарата. Формулировка «лопатки спрямляющего аппарата» определяет как их профиль, показанный на фиг. 2 и определяемый по известным методикам, так и их количество, которое также выбирается по известным рекомендациям. Для данного примера конкретного исполнения число лопаток спрямляющего аппарата равно девяти. Лопатки 11 спрямляющего аппарата имеют наружную сферическую поверхность 12, контактирующую с первой конической поверхностью 13 на второй части 3 корпуса 1, соосной поверхности центрирующей расточки 9. Сферическая поверхность 12 лопаток 11 также контактирует с обращенной к первой конической поверхности 13 второй конической поверхностью 14. Внутри втулки 10 также установлен электродвигатель 15 посредством разрезного кольца 16 и гайки 17, ввернутой во втулку 10. На валу электродвигателя 15 установлено рабочее колесо 18 с лопатками 19. Внутренняя поверхность 20 первой части 2 корпуса 1 выполнена цилиндрической, а торец 21 посадочного бурта 8 первой части 2 корпуса 1 выполнен плоским. Осевой вентилятор снабжен кольцом 22, размещенной внутри центрирующей расточки 9 второй части 3 корпуса 1, с плоским торцом 23, выполненным с одной стороны кольца 22, и второй конической поверхностью 14, выполненной с другой стороны кольца 22. Осевой вентилятор также снабжен набором 24 дистанционных шайб, размещенным внутри центрирующей расточки 9 второй части 3 корпуса 1 с упором в плоский торец 23 кольца 22 с одной стороны и в плоский торец 21 посадочного бурта 8 - с другой стороны.

Осевой вентилятор работает следующим образом: при включении электродвигателя 15 начинает вращаться рабочее колесо 18, создавая лопатками 19 поток воздуха внутри корпуса 1, состоящего из первой 2 и второй 3 частей, фланцы 4 и 5 которых установлены с заданным осевым зазором δ и стянуты друг с другом посредством крепежных деталей 6, обеспечивающих целостность конструкции осевого вентилятора. Равные зазоры между лопатками 19 рабочего колеса 18 и внутренней поверхностью 20 первой части 2 корпуса 1 по всему ее периметру обеспечивается разворотом втулки 10 до необходимого положения (зазоры контролируются индикатором в процессе сборки, при этом конические поверхности 13 и 14 служат опорой для наружной сферической поверхности 12 лопаток 11 спрямляющего аппарата), поджатия частей 2 и 3 технологическим приспособлением друг к другу для обеспечения контакта поверхностей 13 и 14 с поверхностью 12 и последующей установки крепежных деталей 6 и их ввинчивния в резьбовые отверстия 7 для обеспечения стягивания фланцев 4 и 5 частей 2 и 3 корпуса 1. Стягивание фланцев 4 и 5 вызывает значительные нормальные реакции в местах касания сферической поверхности 12 лопаток 11 спрямляющего аппарата с коническими поверхностями 13 и 14, что позволяет обеспечить значительный момент трения между лопатками 11 спрямляющего аппарата и поверхностями 13 и 14 и неизменное взаимное положение частей 2 и 3 корпуса 1 и лопаток 11 спрямляющего аппарата втулки 10. Осевое усилие, развиваемое затягиванием крепежных деталей 6, передается на сферическую поверхность 12 лопаток 11 спрямляющего аппарата, с одной стороны, через первую коническую поверхность 13 на второй части 3 корпуса 1, а с другой стороны - через плоский торец 21 посадочного бурта 8 первой части 2 корпуса 1, набор 24 дистанционных шайб, плоский торец 23 кольца 22 и вторую коническую поверхность 14 кольца 22. Поскольку поверхности 13 и 14 контактируют со сферической поверхностью 12, т.е. выполнены касательными к ней, то между этими поверхностями и поверхностью 12 всегда будет линейный контакт, позволяющий вращать втулку 10 (до момента затягивания крепежных деталей 6) до достижения равенства зазоров между лопатками 19 рабочего колеса 18 и внутренней поверхностью 20 части 2 корпуса 1 по всему ее сечению. Конкретная величина угла наклона конических поверхностей 13 и 14 определятся обычным проектированием: максимальный угол определяется условием касательности поверхностей 13 и 14 к поверхности 12 в крайних ее точках на лопатках 11 спрямляющего аппарата в направлении продольной оси вентилятора, а минимальный определяется, исходя из осевого размера кольца 22. При этом поток воздуха распределяется лопатками 11 спрямляющего аппарата с оптимальным к.п.д. Профиль лопаток 11 спрямляющего аппарата, показанный на фиг. 2, определяется по известным методикам, например - К.А. Ушаков, И.В. Брусиловский, А.Р. Бушель, Аэродинамика осевых вентиляторов и элементы их конструкций, М., Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, 1960, стр. 165. Количество лопаток 11 также выбирается по известным рекомендациям - например, Г.А. Хорошев, Ю.И. Петров, Н.Ф. Егоров, Борьба с шумом вентиляторов, М., Энергоиздат, 1981, стр. 40, формула (71). В данном примере конкретного исполнения осевого вентилятора при диаметре проточной части D₂=0,2 м, числе лопаток 19 z_p=4, частоте вращения n=50 об/с и скорости распространения импульсов давления (скорости звука в воздухе, перекачиваемом вентилятором) с=343 м/с число лопаток 11 спрямляющего аппарата должно находиться в пределах

7,7≤z_cт≤9,9,

т.е. поскольку число лопаток спрямляющего аппарата целое, то оно может быть равно либо восьми, либо девяти. Но по рекомендациям того же источника (Г.А. Хорошев, Ю.И. Петров, Н.Ф. Егоров, Борьба с шумом вентиляторов, М., Энергоиздат, 1981, стр. 37) числа лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппарата должны быть взаимно простыми, поэтому при выбранном z_p=4 значение z_cт должно быть выбрано равным девяти.

Заявленная конструкция обладает минимальным аэродинамическим сопротивлением, позволяет оптимально реализовать расчетные профили лопаток спрямляющего аппарата, поскольку элементы фиксации корпуса и втулки полностью вынесены из потока, создаваемого вентилятором. В то же время, за счет большого числа лопаток спрямляющего аппарата - при минимальном числе лопаток рабочего колеса z_p=3 (колеса с двумя лопатками практически не применяются из-за крайне низкого к.п.д.), вышеприведенная зависимость дает минимально возможное число лопаток спрямляющего аппарата z_cт=7 - обеспечивается значительный момент трения поверхности 12, следствием чего является неизменность положения втулки 10 относительно корпуса 1. Фиксация втулки 10 осуществляется как минимум в 14 участках сферической поверхности 12 (при минимально возможном числе лопаток спрямляющего аппарата, равном семи). Фланцы 4 и 5 установлены с заданным осевым зазором δ, который необходим для контроля того, что фланцы 4 и 5 стянуты между собой и фиксируют лопатки 11 спрямляющего аппарата. Заданный осевой зазор необходим для того, чтобы после сборки гарантировать достаточный момент затяжки крепежных деталей 6, т.к. при отсутствии такого зазора невозможно судить о достаточности осевой силы, стягивающей части 2 и 3 корпуса 1, и момента сопротивления вращению втулки 10 с лопатками 11 спрямляющего аппарата, поскольку даже если прикладывать заданный момент затяжки к крепежным деталям 6, после соприкосновения фланцев 4 и 5 этот момент будет использован на деформацию резьбы, но не будет достаточен для развития сил нормальной реакции в местах контакта поверхности 12 с поверхностями 13, 14. Минимальное значение заданного осевого зазора δ определяется измерительными средствами, которыми он может быть достоверно замерен - например, щупом толщиной от 0,2 мм (более тонкие щупы тоже можно применять, но с ними трудней работать из-за их малой жесткости на изгиб). При этом за счет подбора толщины набора 24 дистанционных шайб (устанавливая то или иное количество шайб определенной толщины, обычно набор собирают из шайб разной толщины - толстых для грубой регулировки зазора, и тонких - для точной регулировки) можно устанавливать величину заданного осевого зазора 5 с достаточной точностью, равной толщине самой тонкой шайбы из набора 24 дистанционных шайб, например, 0,1 мм. При этом колебания осевого смещения кольца 22, на котором выполнена вторая коническая поверхность 14, относительно второй 3 части корпуса 1 могут из-за допусков быть достаточно большими - порядка нескольких миллиметров, как описано выше, однако за счет подбора толщины набора 24 дистанционных шайб заданный осевой зазор 5 может быть выставлен с высокой точностью, что, в свою очередь, приводит к обеспечению независимости осевых размеров собранных вентиляторов от фактически выполненных размеров входящих в него деталей. А поскольку внутренний диаметр дистанционных шайб из набора 24 и минимальный внутренний диаметр кольца 22 методами обычного проектирования могут быть выбраны равными диаметру внутренней поверхности 20, то аэродинамический тракт осевого вентилятора не ухудшен по сравнению с прототипом.

В результате использования изобретения при сохранении низкого аэродинамического сопротивления осевого вентилятора обеспечивается независимость осевых размеров собранных вентиляторов от фактически выполненных размеров входящих в них деталей, что улучшает компоновочные возможности осевого вентилятора в систему вентиляции и снижает его массу за счет снижения длины крепежных деталей 6, поскольку осевой зазор δ обеспечивается с высокой точностью, что позволяет избежать искусственного увеличения длины крепежных деталей для компенсации возможно большой величины осевого зазора δ (из-за сочетания допусков) в прототипе. Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное решение к широкому использованию в агрегатах космической техники, где обеспечение постоянных габаритов агрегатов имеет большое значение из-за ограниченных зон возможного размещения.

Заявленный осевой вентилятор может быть использован в составе систем терморегулирования изделий ракетно-космической техники. Существующие осевые вентиляторы обладают осевым размером, зависящим от фактически выполненных размеров деталей. Техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является обеспечение независимости осевых размеров собранных вентиляторов от фактически выполненных размеров входящих в него деталей. Осевой вентилятор содержит корпус из двух частей, фланцы которых установлены с заданным осевым зазором и стянуты друг с другом посредством крепежных деталей, и установленную в корпусе втулку с лопатками спрямляющего аппарата, имеющими наружную сферическую поверхность, контактирующую с первой конической поверхностью на второй части корпуса и обращенной к первой конической поверхности второй конической поверхностью на кольце, размещенном между плоским торцом бурта первой части корпуса и сферической поверхностью лопаток спрямляющего аппарата. Осевой вентилятор снабжен набором дистанционных шайб, размещенным внутри расточки второй части корпуса с упором в плоский торец кольца с одной стороны и в плоский торец посадочного бурта - с другой стороны. 2 ил.

Осевой вентилятор, содержащий корпус из двух частей, фланцы которых установлены с заданным осевым зазором и стянуты друг с другом посредством крепежных деталей, посадочный бурт на первой части, входящий в центрирующую расточку второй части корпуса, установленную в корпусе втулку с лопатками спрямляющего аппарата, имеющими наружную сферическую поверхность, контактирующую с первой конической поверхностью на второй части корпуса, соосной поверхности центрирующей расточки, и обращенной к первой конической поверхности второй конической поверхностью, а также установленный внутри втулки электродвигатель с рабочим колесом на его валу, отличающийся тем, что внутренняя поверхность первой части корпуса выполнена цилиндрической, а торец посадочного бурта первой части корпуса выполнен плоским, осевой вентилятор снабжен кольцом, размещенным внутри центрирующей расточки второй части корпуса, с плоским торцом, выполненным с одной стороны кольца, и второй конической поверхностью, выполненной с другой стороны кольца, а также снабжен набором дистанционных шайб, размещенным внутри центрирующей расточки второй части корпуса с упором в плоский торец кольца с одной стороны и в плоский торец посадочного бурта - с другой стороны.