ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР
AXIAL FAN

Изобретение относится к вентиляторостроению и может быть использовано в составе систем терморегулирования изделий космической техники.
Известен осевой вентилятор, содержащий цилиндрический корпус с пилоном и установленный на пилоне через амортизатор башмак с фланцем, на котором размещен электродвигатель, а также рабочее колесо, установленное на его валу [1]. Недостатком этого осевого вентилятора является повышенный уровень шума, вызванный турбулизацией потока при обтекании пилона с башмаком, и низкий кпд, обусловленный отсутствием в конструкции спрямляющего аппарата.
Этих недостатков лишен осевой вентилятор, содержащий корпус, на внутренней цилиндрической поверхности которого жестко закреплен спрямляющий аппарат в виде втулки с лопатками, размещенную во втулке на амортизаторах гильзу, снабженную с одного ее торца фланцем и установленным неподвижно на другом ее торце кольцом, жестко закрепленный в гильзе электродвигатель со смонтированным на его валу рабочим колесом с лопастями, и снабженные винтами узлы фиксации гильзы и кольца относительно корпуса [2], выбранный в качестве прототипа. Втулка спрямляющего аппарата размещена между фланцем и кольцом, а наружные цилиндрические поверхности фланца и кольца образуют опорную поверхность, в которую опираются винты узлов фиксации гильзы и кольца относительно корпуса.
Недостатком этого осевого вентилятора является низкая технологичность при эксплуатации, вызванная необходимостью проведения работ по удалению узлов фиксации гильзы и корпуса на борту космической орбитальной станции, что требует затрат времени экипажа. Кроме того, недостатком является ограниченная область использования осевого вентилятора, который может быть использован только в качестве доставляемого оборудования, монтируемого на борту экипажем, что допустимо при замене выработавшего ресурс оборудования на существующих орбитальных станциях, но исключает установку такого вентилятора при изготовлении новых модулей. Еще одним недостатком является значительная масса вентилятора, вызванная наличием узлов фиксации, необходимых только на этапе доставки вентилятора на борт и не принимающих дальнейшего участия при эксплуатации вентилятора.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является повышение технологичности при эксплуатации, расширением области использования и снижение массы осевого вентилятора.
Этот результат достигается за счет того, что известный осевой вентилятор, содержащий корпус, на внутренней цилиндрической поверхности которого жестко закреплен спрямляющий аппарат в виде втулки с лопатками, размещенную внутри втулки гильзу с жестко закрепленным в ней электродвигателем со смонтированным на его валу рабочим колесом с лопастями и двумя кольцевыми амортизаторами на наружной поверхности гильзы, каждый из которых с одного торца оперт на один из двух упоров на противоположных краях гильзы и размещен между этими упорами, согласно изобретению, снабжен жестко установленным в цилиндрической обойме охватывающим гильзу цилиндрическим вкладышем, выполненным составным из не менее чем двух частей, разделенных плоскими поверхностями разъема, параллельными оси вентилятора, причем угловой размер каждой части вкладыша относительно оси вентилятора не превышает 180°, на одном торце вкладыша выполнен выступающий наружу фланец, а с на внутренней поверхности вкладыша выполнен внутренний бурт, контактирующий своими торцами с торцами кольцевых амортизаторов, втулка спрямляющего аппарата со стороны ближайшего к рабочему колесу торца снабжена выступающим внутрь фланцем, обойма размещена внутри втулки спрямляющего аппарата и присоединена к фланцу спрямляющего аппарата резьбовыми крепежными деталями, а фланец вкладыша размещен с упором между фланцем втулки спрямляющего аппарата и торцем обоймы, при этом оба упора гильзы размещены внутри вкладыша и установлены своей наружной цилиндрической поверхностью относительно внутренней цилиндрической поверхности вкладыша с радиальным зазором, при этом радиальный зазор между лопастями рабочего колеса и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса
,
где D и d - наружные диаметры лопастей рабочего колеса и наружной цилиндрической поверхности упоров,
L - расстояние между внешними торцами упоров,
А - расстояние от крайней точки наружной поверхности лопастей рабочего колеса до плоскости внешнего торца упора, ближайшего к рабочему колесу,
b - радиальный зазор между наружной цилиндрической поверхностью упоров и внутренней цилиндрической поверхностью вкладыша.
На фиг.1 приведен пример конкретного выполнения осевого вентилятора, продольный разрез, на фиг.2 - то же, поперечное сечение по А-А, электродвигатель условно не показан, на фиг.3 и 4 - расчетные схемы для вывода математического выражения.
Осевой вентилятор содержит корпус 1, на внутренней цилиндрической поверхности которого жестко закреплен спрямляющий аппарат 2 в виде втулки 3 с лопатками 4. Внутри втулки 3 размещена гильза 5 с жестко закрепленным в ней посредством винтов 6 электродвигателем 7, на валу которого смонтировано рабочее колесо 8 с лопастями 9. На наружной поверхности гильзы 5 размещены два кольцевых амортизатора 10 и 11, каждый из которых с одного торца оперт на один из двух упоров (12 и 13 соответственно) на противоположных краях гильзы 5 и размещен между этими упорами. Осевой вентилятор снабжен жестко установленным в цилиндрической обойме 14 охватывающим гильзу 5 цилиндрическим вкладышем 15, выполненным составным из двух частей, на одном торце вкладыша выполнен выступающий наружу фланец 16, а на внутренней поверхности вкладыша выполнен внутренний бурт 17, контактирующий своими торцами с торцами кольцевых амортизаторов 10 и 11. Втулка 3 спрямляющего аппарата 2 со стороны ближайшего к рабочему колесу 8 торца 18 снабжена выступающим внутрь фланцем 19. Обойма 14 размещена внутри втулки 3 спрямляющего аппарата и присоединена к фланцу 19 спрямляющего аппарата резьбовыми крепежными деталями - винтами 20, а фланец 16 вкладыша 15 размещен с упором между фланцем 19 втулки 3 спрямляющего аппарата и торцем 21 обоймы 14. Оба упора 12 и 13 гильзы 5 размещены внутри вкладыша 15 и установлены своей наружной цилиндрической поверхностью относительно внутренней цилиндрической поверхности вкладыша 15 с радиальным зазором, при этом радиальный зазор между лопастями рабочего колеса и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса
,
где D и d - наружные диаметры лопастей рабочего колеса и наружной цилиндрической поверхности упоров,
L - расстояние между внешними торцами упоров,
А - расстояние от крайней точки наружной поверхности лопастей рабочего колеса до плоскости внешнего торца упора, ближайшего к рабочему колесу,
1
2
1
2
b - радиальный зазор между наружной цилиндрической поверхностью упоров и внутренней цилиндрической поверхностью вкладыша. К противоположному торцу 21 концу обоймы 14 резьбовым соединением присоединена защитная крышка 22 с радиальными спицами 23, базирующимися по внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1. Спрямляющий аппарат 2 жестко закреплен на корпусе 1 посредством штифтов 24, установленных в отверстиях корпуса 1 и лопаток 4 спрямляющего аппарата 2, а спицы 23 крышки 22 соединены с корпусом 1 посредством штифтов 25. Части 15 и 15 вкладыша 15 разделены плоскими поверхностями разъема 26, параллельными оси вентилятора, причем угловой размер каждой части вкладыша относительно оси вентилятора не превышает 180° - это необходимо для обеспечения собираемости осевого вентилятора, так как амортизаторы 10 и 11 устанавливаются на гильзу 5 и зажимаются посредством радиального перемещения частей 15 и 15 вкладыша 15.
Осевой вентилятор работает следующим образом: при включении электродвигателя 7 начинает вращаться рабочее колесо 8, лопасти 9 которого создают поток воздуха внутри корпуса 1. Лопатки 4 спрямляющего аппарата 2 преобразуют динамический напор потока воздуха в статический, повышая кпд вентилятора. Вибрации от работающего электродвигателя 7 проходят через гильзу 5, к которой присоединен электродвигатель, гасятся амортизаторами 10 и 11 и не передаются на втулку 3 спрямляющего аппарата, за счет чего снижается уровень шума. Поскольку размеры вентилятора связаны вышеописанной математической формулой, лопасти 9 при всех возможных колебаниях гильзы 5, величина которых ограничивается величиной зазоров b, не соприкасаются с внутренней поверхностью корпуса 1. Осевая фиксация гильзы 5 осуществляется посредством контакта амортизаторов 10 и 11 с упорами 12 и 13 с одной стороны и внутренним буртом 17 - с другой стороны.
Для вывода математической формулы, ограничивающей величину радиального зазора между лопастями рабочего колеса и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса h, воспользуемся расчетной схемой на фиг.3 и 4. На фиг.3 приведено исходное рабочее положение осевого вентилятора, на фиг.4 - положение при максимально возможном смещении рабочего колеса по отношению к корпусу. В исходном положении показан размер L - расстояние между внешними торцами упоров, наружный диаметр упоров d и наружный диаметр D лопастей рабочего колеса. Размер А - это расстояние от крайней точки наружной поверхности лопастей рабочего колеса до плоскости внешнего торца упора, ближайшего к рабочему колесу. Радиальный зазор (номинальный) между лопастями рабочего колеса и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса обозначен размером h. Точка О размещена на продольной оси вентилятора посредине размера L, т.е. на равном расстоянии от внешних торцов упоров. Упоры гильзы установлены своей наружной цилиндрической поверхностью относительно внутренней цилиндрической поверхности вкладыша с радиальным зазором b. Обозначим точкой Р крайнюю наружную точку внешнего торца упора, наиболее удаленного от рабочего колеса, и углом f - угол между продольной осью вентилятора и прямой ОР. Из фиг.3 очевидно, что
.
При воздействии внешнего крутящего момента, обусловленного, например, инерционными нагрузками, вызванными несовпадением центра масс частей вентилятора, установленных неподвижно относительно гильзы (т.е. сама гильза, электродвигатель и рабочее колесо) с центром вращения - точкой О, упомянутые детали могут занять положение, показанное на фиг.4. Понятно, что они могут занимать и другие, промежуточные положения, но положение на фиг.4, определяемое контактом обоих упоров с внутренней поверхностью вкладыша, характеризуется максимальным угловым отклонением этих деталей (угол поворота относительно исходного состояния обозначен Q) и максимальным приближением кромки лопасти рабочего колеса (обозначено точкой W) к внутренней поверхности корпуса. Касание корпуса вращающимся рабочим колесом недопустимо, т.к. может привести к поломке его лопасти. Исходя из этого условия, выведем выражение для величины радиального зазора между лопастями рабочего колеса и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса h:
При максимальном развороте гильзы угол между продольной осью вентилятора и прямой ОР примет значение j.
Из фиг.4 очевидно
Из фиг.3 по теореме Пифагора следует
Подставив (3) в (2), получим
Очевидно, что угловое смещение гильзы, электродвигателя и рабочего колеса
Угол Q однозначно определяется геометрическими параметрами конструкции - d, L, b. Теперь определим радиальное смещение точки W, полученное ей вследствие поворота конструкции на угол Q. В исходном случае угол между продольной осью вентилятора и прямой OW равен значению Е (в общем случае не равному значению f). Из фиг.3 очевидно, что
, и
В положении, показанном на фиг.4, угол между продольной осью вентилятора и прямой OW будет равен значению V. Поскольку все точки гильзы, электродвигателя и рабочего колеса повернутся на угол Q, то
, и расстояние WY между продольной осью вентилятора и точкой W будет равно
.
Для того чтобы не происходило касания внутренней поверхности корпуса лопатками в точке W, необходимо и достаточно, чтобы величина WY была меньше, чем радиус внутренней поверхности корпуса, равный значению (D/2+h), т.е.
, или .
Подставив в (11) значение WY из (9), получи математическую формулу, приведенную в формуле изобретения:
В результате использования заявленного изобретения достигается повышение технологичности при эксплуатации - вентилятор не требует никаких регламентных работ со стороны экипажа, расширение области использования - вентилятор можно устанавливать в процессе изготовления космического модуля, при этом он полностью работоспособен на этапе выведения на орбиту, характеризующемся значительным уровнем вибрационных нагрузок, и снижение массы осевого вентилятора за счет исключения из конструкции узлов фиксации.
Полученные преимущества позволяют рекомендовать заявленное техническое решение для использования в изделиях космической техники.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №800427 по кл. F04D 19/00, 1981 г.
2. Патент РФ №2295653 по кл. F04D 19/00, 2007 г. (прототип).