ВЕНТИЛЯТОР С ЛОПАСТЯМИ ВЕНТИЛЯТОРА
VANED FAN

Изобретение относится к вентилятору с лопастями вентилятора, в частности, для радиаторов автомобилей, причем лопасти вентилятора закреплены на ступице вентилятора.
В соответствии с решением согласно DE 19929978 A1 известен вентилятор с лопастями вентилятора, который на стороне нагнетания лопастей вентилятора имеет рампу ступицы, вследствие чего на стороне нагнетания лопастей вентилятора течение стабилизируется. В зоне лопастей вентилятора со стороны всасывания расположены элементы для проведения воздуха, которые образуют проточной канал и целенаправленным образом проводят воздух от ступицы на сторону всасывания лопастей вентилятора, то есть в зоне цилиндрической ступицы вентилятора или в зоне рампы ступицы.
Из EP 1219837 B1 известен другой вентилятор с лопастями вентилятора, у которого элементы для проведения воздуха выполнены в виде стабилизаторов по типу плавников. Расположенные снаружи поверхности стабилизаторов и поверхности других расположенных на стабилизаторах элементов радиальных лопастей интегрированы друг в друга, так что образуется общая поверхность без перехода. При этом рампа ступицы, расположенная на стороне нагнетания лопасти вентилятора, также проходит из зоны хвостовика лопасти, от которой наряду с элементом радиальной лопасти отходит и стабилизатор.
Такая конструкция имеет недостаток в том, что в зоне присоединения лопасти вентилятора к ступице вентилятора имеет место концентрация масс, которая таит в себе опасность в отношении того, что в этих местах концентрации масс имеются технологически обусловленные воздушные пузыри или усадочные раковины. Кроме того, необходим длительный производственный цикл, так как возникает необходимость в длительных циклах охлаждения. Одновременно необходим повышенный расход материала.
В основе изобретения лежит поэтому задача создания вентилятора с лопастями вентилятора, который обеспечивает снижение концентрации масс в зоне присоединения лопастей вентилятора, причем расходы на изготовление вентилятора уменьшаются и производственный цикл сокращается.
В соответствии с изобретением задача решается посредством того, что каждой лопасти вентилятора в направлении хвостовика лопасти придано поперечное V в направлении назад, причем зона лопасти вентилятора, которой придано поперечное V, по меньшей мере, частично опущена на ступицу вентилятора.
Преимущество данного решения состоит в том, что концентрация масс уменьшается, вследствие чего снижается опасность наличия технологически обусловленных воздушных пузырей и усадочных раковин и обеспечивается укороченный производственный цикл. За счет опущенной передней кромки лопасти вентилятора, при существенно меньшем расходе материала, улучшается прочность вентилятора.
В предпочтительном варианте кривизна и/или радиус лопасти вентилятора в распространяющейся от излома в направлении наружу первой зоне лопасти вентилятора отличается от кривизны и/или радиуса второй распространяющейся от излома в направлении ступицы вентилятора зоны, причем вторая зона лопасти вентилятора опущена на ступицу вентилятора. За счет такого варианта присоединения лопасти вентилятора к ступице вентилятора получают очень равномерный и оптимизированный по напряжению переход.
В варианте осуществления изобретения передняя кромка опущенной на ступицу вентилятора второй зоны лопасти вентилятора в направлении вращения осуществлена серповидно загнутой вперед. За счет такого варианта осуществления аэрогидродинамические условия между двумя следующими друг за другом лопастями вентилятора улучшаются. Серповидный изгиб лопасти вентилятора в зоне ступицы вентилятора улучшает акустические свойства вентилятора.
В варианте осуществления изобретения рампа ступицы между двумя лопастями вентилятора выполнена конической. Эта рампа ступицы стабилизирует зону ступицы, благодаря чему становится возможным аккуратное и с минимальными потерями обтекание хвостовика лопасти в зоне ступицы вентилятора.
В варианте осуществления изобретения рампа ступицы проведена от расположенного на ступице вентилятора хвостовика лопасти вентилятора непосредственно на нижнюю кромку следующей лопасти вентилятора. В данном варианте осуществления рампа ступицы представляет собой интегрированный в лопасть вентилятора элемент, что с точки зрения аэрогидродинамики является особенно предпочтительным. За счет этого обеспечивается прочность вентилятора при небольшом расходе материала.
В варианте усовершенствования изобретения на обращенной от рампы ступицы стороне лопасти вентилятора расположен стабилизатор, который выполнен, в частности, на второй зоне лопасти вентилятора, на опущенном на ступицу вентилятора участке лопасти вентилятора. Стабилизатор служит в качестве элемента для проведения потока и препятствует образованию вихревых структур в зоне ступицы вентилятора.
В другом варианте осуществления изобретения стабилизатор проходит по меньшему, нежели рампа ступицы, радиусу, по обратной стороне лопасти вентилятора. При этом стабилизатор в виде литой детали располагается на лопасти вентилятора. Стабилизаторы в зоне хвостовиков лопастей вентилятора способствуют разделению потоков на ступице и на лопастях на стороне всасывания лопастей вентилятора и предотвращают отрыв потока, а также опасное вихреобразование.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения центр тяжести лопасти вентилятора, предпочтительно первая зона лопасти вентилятора, смещен вперед к стороне всасывания настолько, что действующая на лопасть вентилятора центробежная сила и образующаяся вследствие повышения давления аэродинамическая сила практически компенсируют друг друга. Преимуществом является то, что направление действия образующейся вследствие центробежной силы сила реакции лопасти вентилятора лежит в направлении потока перед ступицей вентилятора.
В варианте усовершенствования изобретения в месте присоединения хвостовика лопасти к ступице вентилятора на напорной стороне вентилятора в радиальном направлении расположено, по меньшей мере, одно ребро. Благодаря этому обеспечивается передача силового потока от ступицы вентилятора на лопасть вентилятора.
В варианте осуществления изобретения ребро имеет изогнутую внешнюю кромку, причем ребро отходит от ступицы вентилятора предпочтительно до рампы ступицы. За счет такого оптимизированного по напряжению изгиба задней кромки ребра уменьшается расход материала. Кроме того, по меньшей мере, одно ребро расположено рядом с местом присоединения лопасти вентилятора к ступице вентилятора, так что это место присоединения, которое подвергается максимальной нагрузке вследствие образующегося давления, разгружается.
В основе изобретения лежат многочисленные варианты осуществления. Один из них пояснен более детально на основании представленных чертежей, на которых показано:
фиг.1 - вариант осуществления вентилятора в соответствии с изобретением, в перспективном изображении;
фиг.2 - фрагмент передней стороны вентилятора в соответствии с фиг.1;
фиг.3 - фрагмент обратной стороны вентилятора в соответствии с фиг.1;
фиг.4 - изображение стабилизатора и рампы на лопасти вентилятора;
фиг.5 - радиально расположенные ребра на обратной стороне вентилятора;
фиг.6 - увеличенное изображение радиально расположенных ребер в соответствии с фиг.5;
фиг.7 - место присоединения лопасти вентилятора к ступице вентилятора;
фиг.8 - принципиальное изображение соотношения сил, которые воздействуют на лопасть вентилятора.
Одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
Вентилятор с лопастями вентилятора, выполненными в виде аксиальных лопастей, используется в грузовом автомобиле, где он приводится в действие от двигателя автомобиля. При этом вентилятор располагается на торцевой поверхности двигателя или непосредственно на коленчатом валу, или посредством ременного или зубчатого привода соединен с ним. Регулировка скорости вращения вентилятора осуществляется при этом посредством муфты сцепления, которая располагается внутри ступицы вентилятора. Вследствие такого варианта присоединения к двигателю автомобиля на вентилятор воздействуют существенные механические нагрузки, во-первых, в виде вибраций двигателя автомобиля или в результате изгиба коленчатого вала, во-вторых, за счет частоты вращения. К примеру, превышение частоты вращения автомобильного двигателя выше максимально допустимой, вследствие погрешности переключения муфты сцепления, регулируется не так быстро, так что на вентилятор воздействует существенная нагрузка в результате скорости вращения.
Такой вентилятор 1 представлен на фиг.1 и состоит из большого количества лопастей 2 вентилятора, располагающихся вокруг ступицы 3 вентилятора и закрепленных на ней посредством хвостовиков 15 лопастей. Каждая лопасть 2 вентилятора разделена на две зоны 4, 5. Между этими двумя зонами 4, 5 лопасть 2 вентилятора имеет излом 6. Вторая, ведущая к ступице вентилятора, расположенная внутри зона 5 при этом отведена назад от первой выступающей наружу зоны 4 и располагается на ступице 3 вентилятора. Первая зона 4 лопасти 2 вентилятора имеет при этом отличный от второй зоны 5 лопасти 2 вентилятора, опускающийся на ступицу 3 вентилятора, дуговой профиль. На изломе 6 к первому, большему, радиусу первой зоны 4 лопасти 2 вентилятора подведен меньший радиус, так что вторая зона 5 лопасти 2 вентилятора образует другой дуговой профиль, чем первая зона 4 лопасти 2 вентилятора. Таким образом, изменяется кривизна первой зоны 4 и кривизна второй зоны 5 лопасти 2 вентилятора. За счет такого излома 6 добиваются лопатообразной формы лопасти 2 вентилятора. За счет опускания второй зоны 5 лопасти 2 вентилятора на ступицу 3 вентилятора добиваются равномерного и оптимизированного по напряжению перехода между лопастью 2 вентилятора и ступицей 3 вентилятора, который одновременно обеспечивает хорошую вентиляцию муфты сцепления, которая не представлена более детально и обычно располагается внутри ступицы 3 вентилятора.
Как очевидно из фиг.2, передняя кромка 8 опущенной второй зоны 5 лопасти 2 вентилятора в направлении вращения вентилятора 1 серповидно загнута вперед. Серповидно загнутая зона передней кромки 8 лопасти 2 вентилятора в зоне ступицы 3 вентилятора обозначена ссылочной позицией 8a. Такая серповидная форма способствует улучшению акустики вентилятора 1. Изгиб второй зоны 5 лопасти 2 вентилятора отходит при этом из зоны ступицы 3 вентилятора.
На фиг.3 представлен фрагмент обратной стороны (стороны нагнетания) вентилятора 1, причем на каждой лопасти 2 вентилятора расположена рампа 9 ступицы. Эта рампа 9 ступицы в зоне между лопастью 2 вентилятора и следующей лопастью 2a вентилятора выполнена конической. Передняя кромка 13 рампы закруглена и смещена внутрь к ступице 3 вентилятора. Рампа 9 ступицы, отходя от ступицы 3 вентилятора, проходит непосредственно от предыдущей лопасти 2 вентилятора к нижней кромке 10 следующей лопасти 2a вентилятора. При этом рампа 9 ступицы и лопасть 2 вентилятора образуют конструктивный узел и объединены воедино друг с другом, так как рампа 9 ступицы распространяется от места соединения второй зоны 5 лопасти 2 вентилятора. Рампа 9 ступицы заканчивается при этом на задней кромке 10 следующей лопасти 2a вентилятора, примерно на середине высоты лопасти 2a вентилятора. Посредством такого варианта осуществления гарантируется прочность вентилятора 1 при небольшом расходе материала. Рампа 9 ступицы стабилизируется при этом относительно ступицы 3 вентилятора за счет использования нескольких ребер 11.
На фиг.4 представлен фрагмент передней части (подпорной стороны) вентилятора 1. На передней стороне лопасти 2 вентилятора расположен стабилизатор 7. Рампа 9 ступицы, которая находится на обратной стороне лопасти 2 вентилятора, изображена поэтому пунктирной линией. Стабилизатор 7 располагается практически перпендикулярно лопасти 2 вентилятора и выступает за ее пределы, благодаря чему поток стабилизируется. Стабилизатор 7 служит в качестве проводящего поток элемента, препятствующего распространению вихревых структур в зоне ступицы 3 вентилятора. Стабилизатор 7 начинается на лопасти 2 вентилятора в опущенной зоне 5 (вторая зона 5 лопасти 2 вентилятора) и заканчивается на передней кромке 8 лопасти 2 вентилятора. По сравнению со ступицей 3 вентилятора стабилизатор 7 имеет меньший радиус, чем рампа 9 ступицы.
Фиг.5 демонстрирует вид сверху обратной стороны вентилятора 1, на которой расположены проходящие в радиальном направлении ребра 11, придающие жесткость вентилятору 1. В данном варианте осуществления на каждой лопасти 2 вентилятора предусмотрены по меньшей мере три ребра 11, причем по меньшей мере два ребра 11 подпирают рампу 9 ступицы. Посредством этих ребер 11 на соответствующей лопасти 2 вентилятора при возникновении пиков напряжения происходит улучшенное снятие нагрузки. При этом передача усилия от ступицы 3 вентилятора на лопасть 2 вентилятора обеспечивается через ребра 11.
Как следует из фиг.6 и 7, лопасть 2 вентилятора в том месте, где она входит в контакт со ступицей 3 вентилятора, усилена ребром 11a. Ребра 11 расположены при этом справа и слева от места 14 присоединения лопасти 2 вентилятора к ступице 3 вентилятора. За счет этого место с максимальной нагрузкой разгружается. Глубина ребер 11 в месте 14 присоединения к ступице 3 вентилятора и к рампе 9 ступицы из соображений экономии материала минимальна, однако достаточна для того, чтобы напряжение в рампе 9 ступицы за счет центробежной силы, которая воздействует на лопасть 2 вентилятора, было не слишком велико. Ребро 11 заканчивается примерно в 2 см перед задней кромкой рампы 9 ступицы. Ребра 11 имеют при этом изогнутую внешнюю кромку 12 и в своей плоскости распространяются от ступицы 3 вентилятора в направлении рампы 9 вентилятора. Эта изогнутая форма ребра улучшает условия обтекания в данном месте.
z
z
R
Фиг.8 демонстрирует схематичное изображение сил, возникающих на вентиляторе 1 при его вращении, на виде сбоку на лопасть 2 вентилятора. Лопасть 2 вентилятора располагается при этом не по центру относительно ступицы 3 вентилятора, а центр 16 тяжести лопасти 2 вентилятора смещен вперед к передней стороне (стороне всасывания) вентилятора 1. Подача воздуха осуществляется в направлении, обозначенном стрелкой 17, слева от лопасти 2 вентилятора. При вращении вентилятора 1 формируется центробежная сила F лопасти 2 вентилятора, которая возникает на передней кромке лопасти 2 вентилятора. Это означает, что направление действия образующейся в результате действия центробежных сил F результирующей силы F реакции лопасти 2 вентилятора, определяемой из уравнения:
R
2
F=∫ωρdVdr,
причем
ω - скорость вращения вентилятора,
ρ - плотность,
V - вытесненный объем воздуха,
R - радиус вентилятора,
лежит в направлении потока от ступицы 3 вентилятора.
z
D
D
Этой центробежной силе F противодействует аэродинамическая сила F, которая возникает на обратной стороне (напорной стороне) лопасти 2 вентилятора за счет повышения давления. Аэродинамическая сила F воздействует на заднюю кромку лопасти 2 вентилятора, стремясь переместить лопасть 2 вентилятора в направлении стрелки 17 подачи воздуха. Лопасть 2 вентилятора создает при этом давление.
Эти аэродинамические силы при постоянной скорости вращения вентилятора 1 зависят от рабочей точки, так что для осуществления вентилятора 1 должно быть сделано допущение касательно рабочей точки. В ступицу 3 вентилятора не вводится никакого момента. Аэродинамические силы и центробежные силы увеличиваются при этом квадратично увеличению числа оборотов.
z
D
Ввиду бокового смещения центра тяжести лопасти 2 вентилятора на расстояние А от ступицы 2 вентилятора в направлении 17 подачи воздуха центробежная сила F не оказывает воздействия на ступицу 3 вентилятора, а пытается опрокинуть лопасть 2 вентилятора вниз. Это компенсируется за счет действия аэродинамических сил F ввиду наличия особого зазора между лопастью 2 вентилятора и ступицей вентилятора.
Описанный вентилятор 1 изготовлен из полимерного материала. Технологически вентилятор 1 изготавливается посредством простого инструмента возвратно-поступательного действия без использования ползуна, причем применение полимерного материала минимизируется.