РАДИАЛЬНОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО И ВЕНТИЛЯТОРНЫЙ БЛОК С НИМ
RADIAL IMPELLER AND FAN UNIT HAVING SAME

Группа изобретений относится к области вентиляторостроения, а именно к радиальным колесам с вперед загнутыми лопатками для вентиляторов и компрессоров и вентиляторным блокам с такими радиальными рабочими колесами.
Из уровня техники известны радиальные рабочие колеса с вперед загнутыми лопатками и вентиляторные блоки с такими рабочими колесами.
Типичные аэродинамические схемы рабочих колес с вперед загнутыми лопатками представлены в книге «Центробежные вентиляторы. Аэродинамические схемы и характеристики: Справочник», авторы Соломахова Т.С., Чебышева К.В., М.: Машиностроение, 1980, [1], и в книге под редакцией Т.С. Соломаховой «Центробежные вентиляторы», М., «Машиностроение», 1975, [2].
Рабочие колеса с вперед загнутыми лопатками характеризуются диффузорными межлопаточными каналами на входе в лопаточную систему (например, Ц8-11, Ц8-13, Ц8-18, Ц8-23, Ц9-27, Ц8-39; Ц6-19, Ц7-28, Ц7-42; Ц7-22, [1]). На выходе из лопаточной системы каналы могут быть диффузорными (Ц6-19, Ц7-28, Ц7-42; Ц7-22, [1]) или конфузорными (Ц8-11, Ц8-13, Ц8-18, рис.2, Ц8-23, Ц9-27, Ц8-39, [2]). Передний диск или плоский, или с небольшой конусностью.
Радиальные рабочие колеса серии Ц8-18, [2], с плоским передним диском используются только в спиральном корпусе. Свободное радиальное рабочее колесо, а также радиальное рабочее колесо со спрямляющим аппаратом, выполненным в виде радиального диффузора на выходе, [2, стр.139], имеют аэродинамические характеристики с низкими величинами коэффициента полезного действия (КПД). Вентиляторы со спиральным корпусом и радиальными рабочими колесами с загнутыми вперед (в крайнем случае, радиально оканчивающимися) лопатками характеризуются высокими уровнями полного давления по сравнению с вентиляторами с рабочими колесами с назад загнутыми лопатками и имеют, как правило, более низкие уровни КПД по полным параметрам и большую долю динамической составляющей полного давления вентилятора. Это является недостатком известных из [1, 2] радиальных рабочих колес с вперед загнутыми лопатками.
Радиальное рабочее колесо серии Ц8-18, [2], содержащее задний диск, передний диск, расположенные между ними вперед загнутые лопатки, с образованием между соседними лопатками, передним и задним дисками межлопаточного каналов, принято в качестве наиболее близкого аналога.
Представленный в [2, стр.139] вентиляторный блок, образованный радиальным рабочим колесом и спрямляющим аппаратом на выходе из него, при этом радиальное рабочее колесо содержит задний диск, передний диск, расположенные между ними вперед загнутые лопатки, с образованием между соседними лопатками, передним и задним дисками межлопаточного каналов, принят в качестве наиболее близкого аналога вентиляторого блока.
Решаемой группой изобретений технической задачей является обеспечение безотрывного течения от входа в межлопаточные каналы к выходу из них как в свободном радиальном рабочем колесе с вперед загнутыми лопатками, так и в вентиляторном блоке, образованном таким радиальным рабочим колесом и установленным на выходе диффузором.
Технический результат заключается в повышении статической составляющей полного давления при увеличении диапазона коэффициентов расхода радиального рабочего колеса с вперед загнутыми лопатками и вентиляторного блока с ним.
Технический результат заключается также в повышении статического коэффициента полезного действия при увеличении диапазона коэффициентов расхода радиального рабочего колеса с вперед загнутыми лопатками и вентиляторного блока с ним.
Сущность группы изобретений состоит в следующем.
Радиальное рабочее колесо, как и в наиболее близком аналоге [2], содержит задний диск, передний диск, расположенные между ними лопатки с образованием между соседними лопатками, передним и задним дисками межлопаточного канала, при этом лопатки выполнены загнутыми вперед, но в отличие от наиболее близкого аналога [2] каждый из межлопаточных каналов выполнен с не увеличивающейся площадью поперечного сечения от входа к выходу из рабочего колеса.
Радиальное рабочее колесо характеризуется тем, что диаметр переднего и/или заднего дисков превышает диаметр окружности, описываемой лопатками радиального рабочего колеса.
Радиальное рабочее колесо характеризуется тем, что передний и задний диски выполнены составными, содержащими соединенные с ними соответственно переднее и заднее кольца, причем диаметр указанных колец превосходит диаметр радиального рабочего колеса.
Вентиляторный блок, содержащий, как и в наиболее близком аналоге [2, стр.139], соединенные с корпусом радиальное рабочее колесо и спрямляющий аппарат, установленный на выходе из радиального рабочего колеса, при этом радиальное рабочее колесо выполнено содержащим задний диск, передний диск, расположенные между ними вперед загнутые лопатки с образованием между соседними лопатками, передним и задним дисками межлопаточного канала, но в отличие от наиболее близкого аналога [2, стр.139] каждый из межлопаточных каналов выполнен с не увеличивающейся площадью поперечного сечения от входа к выходу из рабочего колеса, а спрямляющий аппарат содержит радиальный диффузор, стенки которого выполнены в виде переднего и заднего колец.
Вентиляторный блок характеризуется тем, что, по меньшей мере, одно из колец радиального диффузора выполнено с радиальной протяженность Dca от выхода радиального рабочего колеса до диаметра Dca=(1,05…2)Dк, где Dк - максимальный диаметр окружности, описываемой лопатками вращающегося рабочего колеса.
Вентиляторный блок характеризуется тем, что расстояние Bca между передним и задним кольцами радиального диффузора находится в диапазоне Bca=(1,0…1,3)Bк, где Bк - ширина радиального рабочего колеса на выходе.
Вентиляторный блок характеризуется тем, что радиальный диффузор оснащен, по меньшей мере, одной лопаткой, установленной на выходе из радиального диффузора.
Вентиляторный блок характеризуется тем, что радиальный диффузор оснащен двумя лопатками.
При этом лопатки выполнены в виде аэродинамических гребней, прилегающих к переднему и заднему кольцам радиального диффузора.
Группа изобретений поясняется чертежами.
На фиг.1 приведен поперечный разрез радиального рабочего колеса.
На фиг.2 приведен продольный разрез радиального рабочего колеса.
На фиг.3 приведен поперечный разрез радиального рабочего колеса с увеличенными дисками.
На фиг.4 приведен продольный разрез радиального рабочего колеса с увеличенными дисками.
На фиг.5 показан график изменения относительной высоты лопасти по радиусу заявленного радиального рабочего колеса.
На фиг.6 показано изменение площади поперечного сечения межлопаточного канала по радиусу рабочего колеса заявленного рабочего колеса.
На фиг.7 приведен поперечный разрез вентиляторного блока с радиальным диффузором.
На фиг.8 показан выносной элемент A на фиг.7.
На фиг.9 приведен разрез Б-Б на фиг.7.
На фиг.10 показан разрез В-В на фиг.9 с лопатками спрямляющего аппарата.
На фиг.11 показан разрез В-В на фиг.9 с лопатками спрямляющего аппарата, выполненными в виде аэродинамических гребней.
На фиг.12 показана структура течения на расчетном режиме в рабочем колесе, принятом в качестве наиболее близкого аналога.
На фиг.13 показана картина течения на расчетном режиме в рабочем колесе, принятом в качестве наиболее близкого аналога.
s
На фиг.14 представлена зависимость коэффициента статического давления Ψ от коэффициента производительности φ наиболее близкого аналога, заявленного рабочего колеса и вентиляторного блока.
На фиг.15 представлена зависимость коэффициента аэродинамической мощности λ от коэффициента производительности φ наиболее близкого аналога, заявленного рабочего колеса и вентиляторного блока.
s
На фиг.16 представлена зависимость аэродинамического коэффициента полезного действия КПД от коэффициента производительности φ наиболее близкого аналога, заявленного рабочего колеса и вентиляторного блока.
Раскрытие группы изобретений.
Радиальное рабочее колесо содержит передний 1 и задний 2 диски, установленные между ними лопатки 3 (фиг.1, 2). Радиальное рабочее колесо оснащено втулкой 4 (фиг.1, 2), установленной на его оси вращения и кинематически связанной с энергоприводом (на фиг. не обозначено). Вход 5 воздушного потока в радиальное рабочее колесо расположен в плоскости, образованной передними кромками переднего диска 1, а выход 6 воздушного потока из радиального рабочего колеса расположен между внешними кромками переднего 1 и заднего 2 дисков (фиг.2, 4). Лопатки 3 выполнены загнутыми вперед, а именно по отношению к направлению вращения угол установки лопатки составляет не менее 90 градусов (фиг.1, 3). Передний диск 1 выполнен конусным, причем образующая конуса может выполняться как прямолинейной, так и криволинейной (фиг.2, 4).
Радиальное рабочее колесо может выполняться с увеличенными передним 1 и/или задним 2 дисками, причем увеличение диаметра переднего 1 и/или заднего 2 дисков может выполняться в виде переднего 7 и заднего 8 колец, прилегающих к переднему 1 и заднему 2 дискам и являющихся их продолжением. Диаметр колец 7, 8 превосходит диаметр Dк радиального рабочего колеса, равный диаметру окружности, описываемой концами лопаток 3 радиального рабочего колеса (фиг.3, 4): D=(1,05…2)Dк.
отн
Между соседними лопатками 3, передним 1 и задним 2 дисками образован межлопаточный канал 9. Каждый из межлопаточных каналов 9 в поперечном сечении имеет, как показано на графиках на фиг.5, 6, площадь, не увеличивающуюся по мере удаления от входа 5 к выходу 6 воздушного потока из радиального рабочего колеса (на графиках Fотн - локальная площадь поперечного сечения межлопаточного канала, отнесенная к площади сечения на выходе 6; Rотн - локальный радиус, отнесенный к диаметру радиального рабочего колеса Dк, b - локальная высота межлопаточного канала 9, отнесенная к диаметру радиального рабочего колеса Dк).
При установке на выходе 6 из рабочего колеса спрямляющего аппарата образуется вентиляторный блок (фиг.7, 8).
В вентиляторном блоке радиальное рабочее колесо установлено в корпусе 10, к которому крепятся стойки 11 для крепления спрямляющего аппарата, содержащего неподвижный радиальный диффузор, стенки которого выполнены в виде двух колец 12 и 13. По меньшей мере, одно из колец 12 или 13 радиального диффузора выполнено с радиальной протяженность Dca от выхода 6 радиального рабочего колеса до диаметра Dca=(1,05…2)Dк, где Dк - максимальный диаметр окружности, описываемой вращающимся рабочим колесом. Расстояние Bca между стенками колец 12 и 13 радиального диффузора находится в диапазоне Bca=(1,0…1,3)Bк, где Bк - ширина радиального рабочего колеса на выходе 6.
Радиальный диффузор может оснащаться, по меньшей мере, одной лопаткой 14 (в предпочтительном варианте двумя лопатками 14), установленной на выходе 15 из радиального диффузора (фиг.9, 10). При этом лопатки 14 могут выполняться в виде аэродинамических гребней 16, примыкающих к кольцам 12 и 13 (с зазором между гребнями 16) на выходе 15 из радиального диффузора (фиг.11).
Группа изобретений работает следующим образом.
Типичные аэродинамические схемы радиальных рабочих колес с загнутыми вперед лопатками, в том числе рассмотренные в качестве аналогов [1] и наиболее близкого аналога [2], характеризуются диффузорными межлопаточными каналами на входе 5 в лопаточную систему (например, Ц8-11, US-IS, Ц8-18, Ц8-23, Ц9-27, Ц8-39; Ц6-19, Ц7-28, Ц7-42; Ц7-22 [1]). На выходе 6 из лопаточной системы каналы могут быть диффузорными (Цб-19, Ц7-28, Ц7-42; Ц7-22 [1]) или конфузорными: Ц8-11, Ц8-13, Ц8-18, Ц8-23, Ц9-27, Ц8-39, [2]. На фиг.12 показаны экспериментально полученные распределения безразмерной относительной скорости на выходе радиального рабочего колеса с загнутыми вперед лопатками, принятого в качестве наиболее близкого аналога [2]. Представленная на фиг.13 структура течения в межлопаточных каналах 9, полученная результатам расчета, подтверждает данные на фиг.12, а именно, что в радиальном направлении, примерно в центре по длине межлопаточного канала 9, располагается отрывное вихревое течение. Оно связано с тем, что форма межлопаточного канала 9 соответствует диффузорному течению (канал расширяется). Если углы установки лопаток на выходе 90°, то межлопаточный канал 9 является диффузорным, т.е. с увеличивающейся площадью поперечного сечения по всей длине от входа 5 до выхода 6 из радиального рабочего колеса. При увеличении угла установки лопаток 3 на выходе 6 из радиального рабочего колеса, межлопаточный канал 9 сужается к выходу, и течение в нем становится конфузорным, т.е. с уменьшающейся площадью Fотн поперечного сечения. С точки зрения натекания потока на лопаточную систему радиального рабочего колеса, при углах установки лопаток 3 на выходе 6 больше 90°, становится равновероятным течение внутрь радиального рабочего колеса как на внутреннем диаметре лопаточной системы, так и на внешнем, т.е. поток может втекать в радиальное рабочее колесо как на входе 5, так и на выходе 6 из него. Поэтому течение внутри радиального рабочего колеса неустойчиво, разнонаправлено. В середине межлопаточного канала 9, как правило, формируется вихревое течение от взаимодействия противоположных течений. Наличие спирального корпуса меняет условия на выходе 6 радиального рабочего колеса, формирует диффузорный канал за ним и способствует формированию в межлопаточных каналах 9 течения преимущественно со входа 5 на выход 6. Однако вихревая зона в средней по радиусу области радиального рабочего колеса продолжает существовать и занимает существенную часть проходного сечения. Поэтому КПД таких вентиляторов, как правило, ниже, чем у аналогичных вентиляторов с загнутыми назад лопатками.
Как показано на фиг.14, 15, 16, свободное радиальное рабочее колесо, а также радиальное рабочее колесо со спрямляющим аппаратом, выполненным в виде радиального диффузора (образующего с радиальным рабочим колесом вентиляторный блок), без спирального корпуса, имеют плохие аэродинамические характеристики и очень низкие величины КПД. Вентиляторы со спиральным корпусом и рабочими колесами с загнутыми вперед (в крайнем случае, радиально оканчивающимися) лопатками характеризуются высокими уровнями полного давления, но имеют низкие уровни КПД по полным параметрам и большую долю динамической составляющей в полном давлении вентилятора.
Достаточным условием обеспечения формы межлопаточного канала 9 радиального рабочего колеса, обеспечивающим решение поставленной технической задачи, т.е. безотрывному течению от входа 5 в межлопаточный канал 9 к выходу 6, даже для свободного радиального рабочего колеса с вперед загнутыми лопатками является выполнение межлопаточного канала 9 нерасширяющимся (фиг.5, 6), то есть с не увеличивающейся площадью поперечного сечения от входа 5 к выходу 6 из радиального рабочего колеса:
F=b·(π·D/z-δ)·sin β,
где
b - локальная высота межлопаточного канала 7 (расстояние от заднего диска 2 до переднего диска 1);
D - локальный диаметр в данном сечении межлопаточного канала 7;
z - количество лопаток;
δ - толщина лопатки в окружном направлении;
β - локальный угол установки лопатки.
Необходимым условием является обеспечение минимальной конфузорности межлопаточного канала 9. Это можно обеспечить профилированием переднего диска 1 радиального рабочего колеса при сохранении заднего диска 2 плоским.
Для подтверждения достижения заявленных технических результатов были проведены сравнительные испытания радиальных рабочих колес и вентиляторного блока, показанных на фиг.1-4 и 7-11, а также принятого за наиболее близкий аналог свободного и установленного в спиральный корпус радиального рабочего колеса.
s
s
Достижение технического результата изобретения подтверждается представленными на фиг.14, 15, 16 результатами экспериментального сравнения в виде зависимости коэффициента статического давления Ψ, коэффициента мощности λ и КПД от коэффициента производительности φ наиболее близкого аналога, заявленного рабочего колеса и вентиляторного блока, в том числе оснащенного лопатками 14, установленными на выходе 15 из радиального диффузора:
- принятого в качестве наиболее близкого аналога радиального рабочего колеса [2] в спиральном корпусе (радиальные вентиляторы «Ц8-18» и «Ц8-11»);
- принятого в качестве наиболее близкого аналога радиального рабочего колеса [2] без корпуса («Ц8-18 Свободное Колесо»);
- заявленного свободного радиального рабочего колеса («Свободное Колесо»);
- заявленного вентиляторного блока («Колесо + БЛД»);
- заявленного вентиляторного блока, оснащенного лопатками 14, установленными на выходе из радиального диффузора («СА 18 град.-2 лопатки»).
s
s
Из графиков на фиг.14, 15, 16 видно, что заявленное радиальное рабочее колесо в свободном виде («Свободное колесо») имеет лучшие характеристики, по сравнению со свободным колесом наиболее близкого аналога Ц8-18 («Ц8-18 Свободное Колесо»), как по уровню коэффициента давления Ψ и КПД так и по ширине зоны работы φ, т.е. в отличие от наиболее близкого аналога [2], заявленное радиальное рабочее колесо работает без спирального корпуса. Кривые аэродинамической мощности всех испытанных радиальных рабочих колес, вентиляторного блока и вентиляторов в спиральном корпусе, похожи (фиг.15).
s
s
s
s
Вентиляторный блок, представляющий заявленное радиальное рабочее колесо с установленным на выходе 6 спрямляющим аппаратом («Колесо + БЛД»), который имел ширину около 12 мм (ширина колеса на выходе, с учетом толщины дисков 12, 13) и располагался от диаметра 225 мм (129%) до диаметра 360 мм (206%), обладает существенно большим статическим давлением Ψ и КПД в более широком диапазоне коэффициентов расхода φ (фиг.14, 16). Использование спрямляющего аппарата с двумя лопатками 14, установленными в области выхода 15 из безлопаточного диффузора, также увеличило величины коэффициента статического давления Ψ и КПД (фиг.14, 16).
Таким образом, заявленная совокупность признаков обеспечивает по сравнению с наиболее близкими аналогами решение поставленной технической задачи и достижение заявленных технических результатов.
Представленные в описании радиальное рабочее колесо и вентиляторный блок с ним образуют группу изобретений и соответствуют требованиям единства изобретений, поскольку как радиальное рабочее колесо с вперед загнутыми лопатками, так и вентиляторный блок, образованный таким радиальным рабочим колесом и установленным на выходе из него спрямляющим аппаратом, обеспечивают решение общих технической задачи и достижение заявленных технических результатов.
Уровень раскрытия группы изобретений достаточен для разработки и изготовления радиального рабочего колеса и вентиляторного блока с таким радиальным рабочим колесом с достижением указанного технического результата. Изобретения соответствуют условию патентоспособности «промышленная применимость».
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 - передний диск;
2 - основной диск;
3 - лопатки, установленные между передним 1 и основным 2 дисками;
4 - втулка рабочего колеса;
5 - вход в рабочее колесо;
6 - выход из рабочего колеса;
7 - переднее кольцо, соединенное с передним диском 1 радиального рабочего колеса;
8 - заднее кольцо, соединенное с задним диском 2 радиального рабочего колеса;
9 - межлопаточный канал;
10 - корпус вентиляторного блока;
11 - стойки для крепления к корпусу 10 спрямляющего аппарата;
12 - переднее кольцо радиального диффузора;
13 - заднее кольцо радиального диффузора;
14 - лопатка радиального диффузора;
15 - выход из радиального диффузора;
16 - аэродинамический гребень радиального диффузора;
Dк - диаметр рабочего колеса, равный диаметру окружности, описываемой концами 16 лопаток 3 при вращении рабочего колеса;
Dca - диаметр колец радиального диффузора;
Bк - ширина радиального рабочего колеса на выходе 6;
Bca - ширина радиального диффузора, равная расстоянию между стенками колец 12 и 13;
s
SV
2
Ψ=2P/ρu - коэффициент статического давления вентилятора;
PK
φ=Q/u*S - коэффициент производительности вентилятора;
ρ - плотность воздуха;
u - окружная скорость лопатки 3 рабочего колеса;
F=b·(π·D/z-δ)·sin β - площадь поперечного сечения межлопаточного канала 9;
b - локальная высота межлопаточного канала 9 (расстояние от заднего диска 2 до переднего диска 1);
D - локальный диаметр в данном сечении межлопаточного канала 9;
z - количество лопаток;
δ - толщина лопатки в окружном направлении;
β - локальный угол установки лопатки;
Fотн - локальная площадь поперечного сечения межлопаточного канала 9, отнесенная к площади сечения на выходе 6;
отн
R - локальный радиус, отнесенный к диаметру D радиального рабочего колеса;
отн
b - локальная высота межлопаточного канала 9, отнесенная к диаметру радиального рабочего колеса D.