ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР
AXIAL FAN

Изобретение относится к вентиляторостроению и может быть использовано в составе систем терморегулирования изделий ракетно-космической техники.
Известен осевой вентилятор, содержащий корпус с внутренней цилиндрической поверхностью и профилированной расточкой на ней, установленную в нем втулку с не менее чем тремя радиальными выступами, имеющими наружную сферическую поверхность, контактирующую с поверхностью профилированной расточки корпуса, размещенный внутри втулки электродвигатель с установленным на его валу рабочим колесом, а также штифты и винты, соединяющие корпус с радиальными выступами (патент Российской федерации №2061907, МПК: F04D 19/00, 1996 г.). Недостатком этого осевого вентилятора является низкая технологичность, вызванная сложностью точного изготовления и контроля профилированной расточки на внутренней поверхности корпуса, а также наличием винтов, служащих для технологической фиксации втулки с выступами к корпусу при засверловке отверстий под штифты и установке штифтов. Другим недостатком прототипа является низкая вибропрочность, так как изготовление сферических поверхностей расточки и выступов практически недостижимо из-за наличия допусков на их изготовление, и вследствие наличия зазоров между деталями все вибрационные нагрузки будут передаваться на штифты, что приведет к сминанию поверхностей отверстий под штифты в деталях, изготовленных, как правило, из алюминиевых сплавов.
Первого из этих недостатков лишен 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.), выбранный в качестве прототипа. Также этот осевой вентилятор имеет лучшую вибропрочность по сравнению с описанным аналогом.
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. Другим недостатком прототипа является недостаточная вибропрочность, поскольку при незначительном числе штифтов напряжения смятия в контактирующих со штифтами частях корпуса и выступах втулки будут весьма значительными. При достаточно большом ресурсе вентилятора, особенно в случае его неоднократного повторного применения в составе космического корабля многоразового использования, испытывающего значительные ударные и виброперегрузки на этапе выведения на орбиту, возможно сминание поверхностей отверстий под штифт в частях корпуса и выступах втулки, изготовленных, как правило, из алюминиевых сплавов, существенно уступающих по прочностным характеристикам материалу стального штифта. Следствием этого является постепенное ослабление штифтовых соединений, возможность незначительных перемещений втулки относительно корпуса и возможность касания лопатками рабочего колеса внутренней поверхности корпуса. Это, в худшем случае, может привести к полному отказу вентилятора, а в лучшем - повышению его шума за счет появления шума от трения лопаток по корпусу, что также неприемлемо на борту космического корабля. В прототипе количество штифтов, равное количеству выступов втулки, не менее трех. Увеличение количества штифтов с соответственным увеличением количества выступов втулки снижает напряжения в штифтовых соединениях, но одновременно приводит к еще большему сужению аэродинамического тракта и, соответственно, к увеличению аэродинамического сопротивления, т.е. усиливает первый недостаток.
Техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является снижение аэродинамического сопротивления с одновременным повышением вибропрочности осевого вентилятора.
Технический результат достигается за счет того, что в известном осевом вентиляторе, содержащем 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 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, согласно изобретению, радиальные выступы выполнены в виде лопаток спрямляющего аппарата, а обе части корпуса снабжены фланцами, стянутыми друг с другом посредством крепежных деталей, причем фланцы установлены с заданным осевым зазором.
На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения осевого вентилятора, продольный разрез, на фиг. 2 - то же, сечение выступа втулки, на фиг. 3 - расчетная схема для определения заданного осевого зазора, на фиг. 4 приведен общий вид разработанной для перспективного вентилятора втулки с выступами в виде лопаток спрямляющего аппарата.
Осевой вентилятор содержит корпус 1, выполненный состоящим из первой 2 и второй 3 частей, скрепленных посредством центрирующего соединения 4. На торце первой части 2 выполнен посадочный бурт 5, входящий в центрирующую расточку 6 на торце второй части 3 корпуса. Части корпуса 2 и 3 снабжены фланцами 7 и 8 соответственно, стянутыми друг с другом посредством крепежных деталей 9 - в данном примере конкретного исполнения винтами, которые ввернуты в резьбовые отверстия 10 на фланце 8. На внутренней части частей 2 и 3 корпуса 1 выполнены обращенные друг к другу конические поверхности 11 и 12 соответственно. Коническая поверхность 11 соосна поверхности посадочного бурта 5, а коническая поверхность 12 соосна поверхности центрирующей расточки 6. В корпусе 1 установлена втулка 13 с радиальными выступами 14, имеющими наружную сферическую поверхность 15, контактирующую с коническими поверхностями 11 и 12. Внутри втулки 13 размещен электродвигатель 16 посредством разрезного кольца 17 и гайки 18, ввернутой во втулку 13. На валу электродвигателя 16 установлено рабочее колесо 19 с лопатками 20. Радиальные выступы 14 выполнены в виде лопаток 21 спрямляющего аппарата. Фланцы 7 и 8 установлены с заданным осевым зазором δ. Формулировка «радиальные выступы 14 выполнены в виде лопаток 21 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.
2
p
Осевой вентилятор работает следующим образом: при включении электродвигателя 16 начинает вращаться рабочее колесо 19, создавая лопатками 20 поток воздуха внутри корпуса 1, состоящего из первой 2 и второй 3 частей, скрепленных посредством центрирующего соединения 4, обеспечивающего целостность конструкции осевого вентилятора. Центрирующее соединение - достаточно широко применяемое в технике понятие, см., например, П.И. Орлов, «Основы конструирования», справочно-методическое пособие, М, «Машиностроение», 1988 г., книга 2, стр. 244. Равные зазоры между лопатками 20 рабочего колеса 19 и внутренней поверхностью части 2 корпуса 1 по всему ее периметру обеспечивается разворотом втулки 13 до необходимого положения (зазоры контролируются индикатором в процессе сборки, при этом конические поверхности 11 и 12 служат опорой для наружной сферической поверхности 15 выступов 14, выполненных в виде лопаток 21 спрямляющего аппарата), поджатая частей 2 и 3 технологическим приспособлением друг к другу для обеспечения контакта поверхностей 11 и 12 с поверхностью 15 и последующей установки крепежных деталей 9 и их ввинчивания в резьбовые отверстия 10 для обеспечения стягивания фланцев 7 и 8 частей 2 и 3 корпуса 1. Стягивание фланцев 7 и 8 вызывает значительные нормальные реакции в местах касания сферической поверхности 15 выступов 14 с коническими поверхностями 11 и 12, что позволяет обеспечить значительный момент трения между выступами 14 и поверхностями 11 и 12 неизменное взаимное положение частей 2 и 3 корпуса 1 и выступов 14 втулки 13. Поскольку поверхности 11 и 12 контактируют со сферической поверхностью 15, т.е. выполнены касательными к ней, то между этими поверхностями и поверхностью 15 всегда будет линейный контакт, позволяющий вращать втулку 13 (до момента затягивания крепежных деталей 9) до достижения равенства зазоров между лопатками 20 рабочего колеса 19 и внутренней поверхностью части 2 корпуса 1 по всему ее сечению. Конкретная величина угла наклона конических поверхностей 11 и 12 определятся обычным проектированием: максимальный угол определяется условием касательности поверхностей 11 и 12 к поверхности 15 в крайних ее точках на лопатках 21 в направлении продольной оси вентилятора, а минимальный определяется, исходя из размера между посадочным буртом 5 и задними кромками лопаток 20 на их наружной цилиндрической поверхности, чтобы избежать увеличения зазора между лопатками и цилиндрической поверхностью 7, которое приводит к снижению к.п.д. вентилятора. При этом поток воздуха распределяется лопатками 21 спрямляющего аппарата с оптимальным к.п.д., поскольку профиль лопаток не расширяется искусственно для размещения штифтов, как в прототипе. Профиль лопаток 21 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 21 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 D=0,2 м, числе лопаток 20 z=4, частоте вращения n=50 об/с и скорости распространения импульсов давления (скорости звука в воздухе, перекачиваемом вентилятором) с=343 м/с число лопаток спрямляющего аппарата должно находиться в пределах
ст
7,7 ≤ z ≤ 9,9,
p
ст
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=4 значение z должно быть выбрано равным девяти.
p
ст
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=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=7 - обеспечивается надежный момент трения поверхности 15, следствием чего является неизменность положения втулки 13 относительно корпуса 1. Фиксация втулки 13 осуществляется как минимум в 14 участках сферической поверхности 15 (при минимально возможном числе лопаток спрямляющего аппарата, равном семи). Фланцы 7 и 8 установлены с заданным осевым зазором δ, который необходим для контроля того, что фланцы 7 и 8 стянуты между собой и фиксируют выступы 14. Осевой зазор δ может быть рассчитан методами обычного проектирования и опытным путем. На фиг. 3 приведена расчетная схема для его определения. Буквами на ней обозначены:
О - центр сферической поверхности 15 с радиусом R; лежащий на продольной оси вентилятора;
D - диаметр внутренней поверхности частей 2, 3 корпуса 1;
α - угол между направляющими конических поверхностей 11, 12 и продольной осью вентилятора;
А, В - точки касания конических поверхностей 11, 12 соответственно со сферической поверхностью 15;
F, G - точки на линии пересечения конических поверхностей 11, 12 с диаметром D частей 2, 3 соответственно;
с, d - расстояния между плоскостями фланцев 7, 8 и точками F и G соответственно;
e, f - горизонтальные размеры между точками А и F, В и G соответственно;
γ - теоретический осевой зазор между фланцами 7 и 8 перед затяжкой стягивающих их винтов 9;
ρ - величина осевого смещения фланцев друг относительно друга после затяжки стягивающих их винтов 9;
δ - заданный осевой зазор.
Как видно из фиг. 3, угол ЕОВ равен углу α, как углы с соответственно перпендикулярными сторонами. Отсюда следует
Из рассмотрения фиг. 3 также следует:
Также очевидно
Тогда
В выражение (4) входят только конструктивные параметры, известные из чертежей деталей осевого вентилятора. Зазор γ - теоретический осевой зазор между фланцами 7 и 8 перед затяжкой стягивающих их винтов при достижении касания сферической поверхностью 15 поверхностей 11 и 12. После затяжки винтов 9 фланцы 7 и 8 сдвинутся по направлению друг к другу на величину ρ вследствие упругой деформации материала частей 2 и 3 и лопаток 21 в зонах их контакта. Упругая деформация в соответствии с законом Гука неизбежна при достижении значительных сил нормальной реакции в упомянутых зонах контакта, и как следствие - при достижении значительного момента трения между поверхностью 15 и поверхностями 11, 12. Вследствие большой громоздкости математического вычисления величины ρ, и неполного соответствия расчетной модели реальным процессам деформации, величину ρ предпочтительней получить опытным путем, замерив ее величину на опытном образце осевого вентилятора при заданном в документации моменте затяжки винтов 9. Определив это значение, получим
Заданный осевой зазор необходим для того, чтобы после сборки гарантировать достаточный момент затяжки винтов 9, т.к. при отсутствии такого зазора невозможно судить о достаточности осевой силы, стягивающей части 2 и 3 корпуса 1, и момента сопротивления вращению втулки 13 с лопатками 21, поскольку даже если прикладывать заданный момент затяжки к винтам 19, после соприкосновения фланцев 7 и 8 этот момент будет использован на деформацию резьбы, но не будет достаточен для развития сил нормальной реакции в местах контакта поверхности 15 с поверхностями 11, 12. 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). Надо понимать, что заданный осевой зазор - это минимально допустимый зазор, т.к. величина теоретического осевого зазора γ может меняться в зависимости от фактических размеров входящих в выражение (4) геометрических параметров из-за наличия допусков. При изготовлении осевого вентилятора после затяжки винтов 9 необходимо убедиться, что заданный осевой зазор δ больше или равен заданной величине, например, 0,2 мм. Общий вид разработанной для перспективного вентилятора втулки с выступами в виде лопаток спрямляющего аппарата приведен на фиг. 4.
В результате использования изобретения снижается аэродинамическое сопротивление осевого вентилятора, так как из аэродинамического тракта полностью удалены искусственно расширенные выступы, и возможно выполнение спрямляющего аппарата в полном соответствии с известными рекомендациями по его профилированию. Одновременно повышается вибропрочность осевого вентилятора за счет существенного, более чем в 2 раза, увеличения зон контакта сферической поверхности выступов втулки с коническими поверхностями частей корпуса. Оптимальное с точки зрения аэродинамики число выступов втулки в прототипе равно трем, минимально рекомендованное для заявленного устройства равно семи. Расположение крепежных деталей вне аэродинамического тракта дает практически неограниченные возможности достижения необходимого стягивающего части корпуса усилия - как за счет увеличения числа стягивающих фланцы крепежных деталей, так и за счет увеличения их диаметра - в прототипе увеличение диаметра штифтов с целью снижения действующих напряжений приведет к увеличению толщины выступов и повышению аэродинамического сопротивления. Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное решение к широкому использованию в агрегатах космической техники.