ВЕНТИЛЯТОРНОЕ КОЛЕСО, ВЕНТИЛЯТОР И СИСТЕМА, ИМЕЮЩАЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДИН ВЕНТИЛЯТОР
FAN WHEEL, FAN AND SYSTEM, HAVING AT LEAST ONE FAN

Изобретение касается вентиляторного колеса, вентилятора и системы, имеющей по меньшей мере один вентилятор.
Под вентиляторными колесами понимаются в общем колеса радиальных вентиляторов, колеса диагональных вентиляторов, колеса осевых вентиляторов, а также входные направляющие или выходные направляющие колеса (статоры) вентиляторов.
Создание вентиляторов, имеющих низкие эмиссии шума при достижении определенных требуемых производительностей по воздуху (расход и повышение давления) представляет основополагающий интерес для производителей вентиляторов. В частности, также у вентиляторов, которые встроены в систему, эмиссии шума должны быть низкими. Часто в таких системах имеются нарушения притока на входе в вентилятор. Такие нарушения притока у обычных вентиляторов, в частности при дискретных частотах, которые являются целочисленным кратным частоты следования лопастей, являются причиной высокого уровня шума (тональный шум). Если вентилятор состоит из нескольких вентиляторных колес, например, статора и ротора, вентиляторное колесо, расположенное ниже по потоку, испытывает нарушения притока, вызываемые вентиляторным колесом, расположенным выше по потоку. Это приводит к сильному, в частности тональному шуму. Кроме того, по технологическим и/или экономическим причинам предпочтительно иметь лопасти вентиляторного колеса из листа (непрофилированные вентиляторные лопасти). Однако вентиляторы, имеющие такие лопасти, склонны к наличию повышенных в широкой полосе эмиссий шума (широкополосный шум). Кроме того, тупая задняя кромка вентиляторных лопастей, которая может иметься у непрофилированных и профилированных вентиляторных лопастей, является источником шума (шум задней кромки).
Из EP 2 418 389 A2 известен отдельно рассматриваемый осевой вентилятор, который вследствие особой конфигурации вентиляторного колеса в радиально наружной области вентиляторных лопастей имеет особенно низкую эмиссию шума в широкополосном частотном диапазоне, которая обусловливается утечками в зазоре между лопатками и корпусом. Эта особая конфигурация достигается, в частности, за счет того, что локально в радиально наружной области форма вентиляторных лопастей, если смотреть в направлении размаха, отличается значительным отклонением от формы в направлении размаха в остальной области вентиляторных лопастей. Однако такая конфигурация вентиляторного колеса не может или может только недостаточно снижать тональный шум, вызываемый нарушениями притока. Также такая конфигурация не может или может только недостаточно снижать широкополосный шум у непрофилированных лопастей, а также шум задней кромки.
Из US 2013/0164488 A1 известна отдельно рассматриваемая профилированная вентиляторная лопасть, которая, благодаря особой волнистой конфигурации своей передней кромки, может снижать в вентиляторе тональный шум, возникающий вследствие нарушений притока.
В основе настоящего изобретения лежит задача, выполнить вентиляторное колесо таким образом, чтобы оно имело более низкие эмиссии шума по сравнению с уровнем техники. Одновременно оно должно быть простым по конструкции и в изготовлении. Должны быть предложены соответствующий вентилятор и система, имеющая вентилятор.
В соответствии с изобретением вышеназванная задача решается с помощью признаков п.1 формулы изобретения. В отношении заявленного вентилятора вышеназванная задача решается с помощью признаков пункта 11 формулы изобретения. В отношении системы задача решается с помощью пункта 13 формулы изобретения.
В соответствии с изобретением вентиляторное колесо включает в себя по меньшей мере две волнисто выполненные вентиляторные лопасти, при этом термин «волнисто» должен пониматься в самом широком смысле. Описание к фигурам 1-3 поясняет, что следует понимать под волнистым исполнением соответствующей вентиляторной лопасти.
В частности, в аспекте простой конструкции и простого изготовления предпочтительно, если поверхность вентиляторной лопасти в сечении неволнистая или почти не волнистая, так чтобы эта волнистость относилась по существу к передней кромке лопасти и/или задней кромке лопасти. Здесь имеет место компромисс между простым изготовлением и снижением шума.
Также возможно, чтобы волнистость распространялась предпочтительно по всей поверхности вентиляторной лопасти, чтобы, в частности, способствовать снижению шума в более широкой области. Конкретно, волнистость может предпочтительно с одинаковой или варьирующейся амплитудой распространяться от внутреннего конца лопасти до наружного конца лопасти и от передней кромки лопасти до задней стенки лопасти, причем эти две кромки предпочтительно выполнены волнистыми.
Волнистость может проходить примерно синусоидально, предпочтительно с амплитудами в пределах от 3 мм до 50 мм, в зависимости от выбора размеров вентиляторной лопасти. Амплитуды могут составлять от 0,5% до 5% максимального диаметра вентиляторного колеса.
Крайняя наружная область вентиляторной лопасти вентиляторного колеса без верхнего кольца, то есть свободный конец, может заканчиваться отрицательной серповидностью и при необходимости V-образным положением. Благодаря этой особой конфигурации может снижаться широкополосный шум вентилятора при эксплуатации. Благодаря этой конфигурации достигается эффект, сравнимый с эффектом винглета.
Вентиляторная лопасть в области своего внутреннего и/или наружного конца в переходе к ступичному кольцу ступицы, соответственно, верхнему кольцу может выполняться предпочтительно благодаря волнистости. За счет конфигурации волнистости может достигаться расположение вентиляторной лопасти по меньшей мере в отдельных областях под углом от 75° до 105°, предпочтительно примерно 90°, к ступичному кольцу, соответственно, верхнему кольцу, хотя неволнистая эталонная лопасть располагалась бы под существенно более острым, соответственно, более тупым углом к ступичному кольцу, соответственно, верхнему кольцу. Это предпочтительно для изготовления, прочности, аэродинамики и аэроакустики.
С технологической (производственной) точки зрения и в отношении затрат особенно предпочтительно, если вентиляторная лопасть изготовлена однослойной из листа (металла или пластика). Вследствие волнистой конфигурации у вентиляторной лопасти из листа могут достигаться преимущества в аэродинамике и аэроакустике вентилятора, аналогичные преимуществам, которые могут достигаться с помощью вентиляторной лопасти, реализуемой существенно более трудоемким и дорогим образом, имеющей поперечные сечения, аналогичные поперечным сечениям профиля несущей лопасти (профиль крыла).
Также вентиляторные лопасти, имеющие поперечные сечения, аналогичные поперечным сечениям профиля несущей лопасти, могут быть выполнены предпочтительно волнистыми, при этом в рамках такого варианта осуществления предлагается изготовление по литейной технологии (пластик или металл) вентиляторных лопастей или всего вентиляторного колеса.
Вентиляторное колесо может представлять собой колесо радиального/диагонального/осевого вентилятора или входное направляющее или выходное направляющее колесо.
Предлагаемый изобретением вентилятор включает в себя по меньшей мере одно вентиляторное колесо соответственно вышестоящим рассуждениям. Возможно также, чтобы вентилятор имел по меньшей мере одно дополнительное, собственно известное вентиляторное колесо по уровню техники. Комбинация предлагаемого изобретением вентиляторного колеса с традиционным вентиляторным колесом может иметь преимущества, причем при этом должен приниматься компромисс в отношении эмиссии шума.
В отношении предлагаемой изобретением системы следует заметить, что речь идет при этом о системе, имеющей по меньшей мере один вентилятор вышеназванного вида, т.е. с использованием по меньшей мере одного предлагаемого изобретением вентиляторного колеса. Только в качестве примера можно назвать кондиционеры, соответственно, прецизионные кондиционеры, компактные блочные кондиционеры, модули охлаждения электроники, системы вентиляции генераторов для промышленного и жилого помещения, тепловой насос и пр. Существенным для предлагаемой изобретением системы является, что там применяется по меньшей мере один предлагаемый изобретением вентилятор, имеющий по меньшей мере одно предлагаемое изобретением вентиляторное колесо.
Теперь имеются разные возможности предпочтительным образом выполнить и усовершенствовать идею настоящего изобретения. В этой связи можно сослаться, с одной стороны, на зависимые от пунктов 1 и 11 пункты формулы изобретения, а с другой стороны, на последующее пояснение, с одной стороны, волнистого варианта осуществления вентиляторного колеса, а с другой стороны, предпочтительных примеров осуществления изобретения с помощью чертежей. При пояснении предпочтительных примеров осуществления изобретения с помощью чертежей поясняются также предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования этой идеи вообще. На фигурах показано:
фиг.1-3: схематичные изображения для рассмотрения волнистого варианта осуществления вентиляторного колеса, конкретно
фиг.1a: схематичное изображение сечения колеса радиального вентилятора для пояснения определения изоповерхностей размаха;
фиг.1b: схематичное изображение сечения колеса диагонального вентилятора для пояснения определения изоповерхностей размаха;
фиг.1c: схематичное изображение сечения колеса осевого вентилятора для пояснения определения изоповерхностей размаха;
фиг.2a: схематичное изображение сечения изоповерхности размаха при непрофилированной вентиляторной лопасти;
фиг.2b: схематичное изображение сечения изоповерхности размаха при профилированной вентиляторной лопасти;
фиг.3: изображение графиков функций для пояснения определения волнистости графика функции в направлении размаха;
фиг.4a: изображение в перспективе колеса осевого вентилятора, имеющего волнистые вентиляторные лопасти, при этом их внутренние и наружные концы имеют особую конфигурацию;
фиг.4b: вентиляторная лопасть колеса осевого вентилятора в соответствии с фиг.4a, если смотреть в осевом направлении и в плоском сечении;
фиг.5a: изображение в перспективе колеса радиального вентилятора листовой конструкции, имеющего непрофилированные, волнистые вентиляторные лопасти, при этом поверхности лопастей неволнистые;
фиг.5b: колесо радиального вентилятора в соответствии с фиг.5a, если смотреть в радиальном направлении и в плоском сечении;
фиг.6a: изображение в перспективе колеса радиального вентилятора листовой конструкции, имеющего непрофилированные, волнистые вентиляторные лопасти, при этом поверхности лопастей волнистые;
фиг.6b: колесо радиального вентилятора в соответствии с фиг.6a, если смотреть в радиальном направлении;
фиг.6c: колесо радиального вентилятора в соответствии с фиг.6a, если смотреть в радиальном направлении и в плоском сечении;
фиг.7a: изображение в перспективе выходного направляющего колеса (статора), имеющего профилированные, волнистые вентиляторные лопасти, при этом поверхности лопастей вблизи передней кромки лопасти волнистые, и
фиг.7b: вентиляторная лопасть выходного направляющего колеса в соответствии с фиг.7a, если смотреть в радиальном направлении и в плоском сечении.
С помощью фигур 1a, 1b и 1c надо пояснить определение изоповерхностей размаха вентиляторного колеса, которое далее является основой определения волнистости лопасти вентиляторного колеса. Изоповерхности размаха являются поверхностями вращения определенных кривых, далее называемых изокривыми размаха, которые лежат в меридиональной плоскости вокруг соответствующей оси вентиляторного колеса. Тогда, в частности, с вентиляторными лопастями рассматриваются сечения таких изоповерхностей размаха.
На фиг.1a на схематичном изображении показано вентиляторное колесо 2 радиальной конструкции в плоскости через ось 1 вентиляторного колеса, которая соответствует оси вращения. Такая плоскость в общем называется меридиональной плоскостью. Ось 1 вентиляторного колеса на выбранном изображении всегда ориентирована горизонтально. Приведенное в качестве примера колесо радиального вентилятора состоит по существу их ступичного кольца 4, верхнего кольца 5, а также вентиляторных лопастей, которые распространяются между ступичным кольцом 4 и верхним кольцом 5. Ступичное кольцо 4, а также верхнее кольцо 5 в этом примере осуществления представляют собой тела вращения по отношению к оси 1 вентиляторного колеса. Они точечно изображены в сечении через плоскость вида, при этом выше оси 1 вентиляторного колеса показано только по половине ступичного кольца 4 и верхнего кольца 5. Вентиляторные лопасти показаны в форме меридиональной поверхности 3a этих вентиляторных лопастей. Меридиональная поверхность 3a вентиляторных лопастей соответствует совокупности всех точек меридиональной плоскости сечения выше оси 1 вентиляторного колеса, которые при по меньшей мере одном произвольном положении вращения вентиляторного колеса 2 лежат вокруг оси 1 вентиляторного колеса внутри вентиляторной лопасти.
Меридиональная поверхность 3a вентиляторных лопастей имеет четыре края 6, 7, 8 и 9. Расположенный со стороны притока край 6, а также расположенный со стороны оттока край 7 представляют собой ограничение поверхности 3a вентиляторных лопастей в направлении протока. Внутренний край 8, который соответствует внутреннему, расположенному со стороны ступичного кольца концу лопастей, а также наружный край 9, который соответствует наружному, расположенному со стороны верхнего кольца краю лопастей, представляют собой ограничения в направлении размаха.
С помощью внутреннего края 8, соответственно, наружного края 9 определяется крайняя внутренняя, соответственно, крайняя наружная изокривая 10, соответственно, 11 размаха при нормированной координате s=0.0, соответственно, s=1.0 размаха. Сначала края 8, соответственно, 9 сами используются как участки соответствующих изокривых 10, 11 размаха. Чтобы вся меридиональная поверхность 3a вентиляторной лопасти лежала внутри общего четырехугольника, который образован обеими изокривыми 10 и 11 размаха, а также обоими прямыми отрезками 12 и 13, соединяющими по две расположенные со стороны притока, соответственно, расположенные со стороны оттока конечные точки тех же самых изокривых 10 и 11 размаха, при необходимости в расположенных со стороны притока и/или расположенных со стороны оттока конечных точках этих двух краев 8 и/или 9 еще устанавливаются достаточно длинные прямолинейные, примыкающие по касательной к краям 8, 8 продолжения, которые тогда тоже являются частью соответствующих изокривых 10, 11 размаха. Прямой отрезок 12 называется расположенной со стороны притока изокривой меридионального положения, в которой задается начало координат меридионального положения m по длине. Прямой отрезок 13 называется расположенной со стороны оттока изокривой меридионального положения, в которой меридиональное положение m по длине принимает в качестве значения длину соответствующей изокривой размаха от прямого отрезка 12 до прямого отрезка 13. Значение меридионального положения m по длине в некоторой точке между отрезками 12 и 13 соответствует длине отрезка соответствующих изокривых размаха от прямого отрезка 12 до рассматриваемой точки.
Изокривые размаха между крайней внутренней и крайней наружной изокривой 10 и 11 размаха определены в каждой нормированной координате s размаха от 0.0 до 1.0 линейной комбинацией из крайней внутренней и крайней наружной изокривой размаха, причем эта линейная комбинация всегда выполняется для одинаковых значений меридиональной координаты m. На фиг.1a показан пример 14 изокривой размаха при s=0.7.
На фиг.1b показано схематичное изображение вентиляторного колеса 2 диагональной конструкции в меридиональной плоскости. Изокривые размаха могут определяться аналогично рассуждениям к фиг.1a. В отличие от примера в соответствии с фиг.1a, в этом случае необходимо продолжение краев 8, 9 на их конце, расположенном со стороны оттока, в то время как в примере в соответствии с фиг.1a необходимо продолжение краев 8, 9 на их конце, расположенном со стороны притока. В зависимости от геометрии вентиляторного колеса, необходимость в продолжении может также отсутствовать, или может быть необходимо продолжение на тех и других концах.
Также на фиг.1c показано схематичное изображение вентиляторного колеса 2 осевой конструкции в меридиональной плоскости. Верхнего кольца в этом примере нет, вентиляторная лопасть имеет один наружный свободный конец. И здесь изокривые размаха могут определяться эквивалентно рассуждениям к фиг.1a или 1b. Изоповерхности размаха, которые всегда определены как поверхности вращения изокривых размаха вокруг оси 1 вентиляторного колеса, в показанном примере представляют собой боковые поверхности цилиндра, что является характерным случаем для колес осевых вентиляторов.
Существуют также геометрии вентиляторных колес, в частности, у вентиляторных лопастей, имеющих свободные наружные концы, при которых разделение края меридиональной поверхности 3a вентиляторной лопасти на ограничения 6, 7, 8, 9 неоднозначно. В частности, при некоторых геометриях неоднозначно согласуются внутреннее ограничение 8 и/или наружное ограничение 9. В таких случаях разделение всего ограничения меридиональной поверхности вентиляторной лопасти на ограничения 6, 7, 8, 9 конечной длины в смысле понятий «со стороны притока» и «со стороны оттока» для ограничений 6, соответственно, 7, а также «внутри в направлении размаха» и «снаружи в направлении размаха» для ограничений 8, соответственно, 9, производятся интуитивно. Определение изокривых размаха неоднозначно, то есть для одной геометрии вентиляторного колеса может существовать несколько определений, действующих в смысле описанного изобретения. Лопасть в смысле изобретения является волнистой, когда действующее определение изокривых размаха соответствует сделанному далее определению волнистости.
Таким же образом изокривые размаха и изоповерхности размаха определяются также для статоров (например, входных или выходных направляющих колес).
На фиг.2a и 2b в качестве примера и схематично изображены сечения 16 вентиляторных лопастей 3 с изоповерхностями размаха в произвольных нормированных координатах s размаха от 0.0 до 1.0. Такие сечения вообще не лежат в одной плоскости. Для получения схематичного изображения в одной плоскости используется конформное (сохраняющее углы) отображение, то есть показанные на чертеже углы на фиг.2a и 2b имеют ту же величину, что и в 3-мерном сечении изоповерхностей размаха с одной лопастью. Все данные длины этих сечений означают фактические длины на 3-мерной поверхности сечения. Они искажены вследствие отображения на плоскость.
На фиг.2a схематично изображено сечение 16 непрофилированной лопасти 3 с изоповерхностью размаха. В сечении на чертеже показана 2-мерная система 15 координат, имеющая оси Θ и m координат в начале координат (нулевой точке). Θ является координатой длины в окружном направлении вентиляторного колеса, а m является уже поясненной меридиональной координатой. Начало координат (нулевая точка) применительно к Θ для каждой координаты s размаха лежит в том же угловом положении (той же самой меридиональной плоскости) в системе координат, неподвижной относительно вентиляторного колеса. Начало координат (нулевая точка) применительно к m лежит, как описано на фиг.1a-1c, на расположенной со стороны притока изокривой 12 меридионального положения.
Сечение 16 лопасти решающим образом характеризовано своей воображаемой средней линией 17. На эту среднюю линию наложена толщина d. У непрофилированных лопастей 3 толщина d в меридиональной протяженности лопасти по существу постоянна. У таких вентиляторных лопастей толщина d, как правило, по существу постоянна также для всех координат s размаха. Это позволяет экономично изготавливать вентиляторную лопасть их металлического или пластикового листа. Вблизи передней кромки 18 лопасти толщина d в этом примере отклоняется от постоянной толщины, так как листовая лопасть там закруглена, что может давать преимущества в акустике. Вблизи задней кромки 19 лопасти очертание толщины имеет сужение, что, например, может достигаться путем последующей обработки листа постоянной толщины, для снижения шума задней кромки. Тем не менее, такая лопасть называется непрофилированной листовой лопастью.
c
c
Средняя точка 20 средней линии 17, которая лежит на половине меридиональной протяженности средней линии 17, измеренной от передней кромки 18 лопасти, имеет координаты m и Θ. Этими координатами характеризуется смещение сечения в меридиональном направлении, соответственно, в окружном направлении. Сечение 16 имеет протяженность l в направлении меридиональной координаты m. На передней кромке 18 лопасти средняя линия 17 заключает угол β1 с окружным направлением. На задней кромке 19 лопасти средняя линия 17 заключает угол β2 с окружным направлением. Углы β1 и β2 являются решающими для аэродинамических и аэроакустических свойств вентиляторного колеса. Среднее значение обоих углов является мерой угла установки сечения 16 лопасти, разность этих двух углов является мерой для относительной выпуклости сечения 16 лопасти. Протяженность сечения 16 лопасти в окружном направлении решающим образом зависит от его протяженности l в меридиональном направлении и угла установки, то есть примерно среднего значения β1 и β2.
max
max
На фиг.2b схематично показано сечение 16 профилированной лопасти 3 с изоповерхностью размаха. В общем и целом, справедливы рассуждения к фиг.2a. Однако распределение толщины не постоянно. Более того, толщина является функцией меридионального положения m. В этом примере осуществления имеет место распределение толщины, похожее на распределение толщины профиля несущей лопасти. У сечения 16 лопасти есть максимальная толщина d. Такие распределения толщины характерны для профилированных вентиляторных лопастей 3. Профилированные вентиляторные лопасти 3 предпочтительны для коэффициента полезного действия и акустики вентилятора. Однако изготовление таких вентиляторных лопастей является более трудоемким, чем у непрофилированных лопастей, в частности при изготовлении из листа. У профилированных лопастей распределение толщины и максимальная толщина d могут дополнительно зависеть от координаты s размаха.
Сечения 16 лопасти на фиг.2a и 2b включают в себя у лопасти 3 без прерывания всю область от передней кромки 18 лопасти до задней кромки 19 лопасти. В зависимости от геометрии вентилятора и определения крайней внутренней и крайней наружной изокривой размаха, в частности, для нормированных координат s размаха в области крайней внутренней и/или крайней наружной изокривой размаха возможен случай, когда лопасть 3 рассекается только частично, то есть сечения 16 не содержат без прерывания всю область от передней кромки 18 лопасти до задней кромки 19 лопасти. Такие сечения 16 определяются как не релевантные для определения волнистости, и область рассматриваемых нормированных координат s размаха для определения волнистости ограничивается таким образом, чтобы не возникали такие неполные сечения.
Для определенных в соответствии с фиг.2a и 2b геометрических размеров сечения 16 вентиляторной лопасти 3 с изоповерхностью размаха форма произвольной вентиляторной лопасти 3 может рассматриваться как функция нормированной координаты s размаха.
c
c
max
С помощью фиг.3 поясняется, когда такой график функции определен как волнистый. На фиг.3 показан график 21 функции произвольного размера, который может представлять собой, например, β1, β2, l, m, Θ, β1-β2, d, толщины d в определенном положении m* в меридиональном направлении или другой размер сечения лопасти, в зависимости от нормированной координаты s размаха. Очевидно, что график функции 21 является волнистым. Также нанесенный график 22 функции по своей тенденции похож на график 21 функции, однако не является волнистым. Он был выведен путем фильтрации графика 21 функции. Примененный фильтр представляет собой аппроксимацию графика 21 полиномом 3-ей степени методом наименьших квадратичных погрешностей в релевантном здесь интервале от s=0.0 до s=1.0.
Также изображена разность 23 графика 21 функции и фильтрованного графика 22 функции. С помощью функции 23 разности могут даваться надлежащие определения волнистости. В частности, функция 23 разности в релевантном интервале от s=0.0 до s=1.0 имеет несколько экстремумов, предпочтительно больше 4 экстремумов. Функция 23 разности имеет в этом интервале несколько переходов через ноль, предпочтительно больше 3. Также функция разности имеет несколько точек перегиба, предпочтительно больше 3. Каждый из названных критериев для графика 21 функции приводит к утверждению, что он является волнистым. По этому примеру можно также понять, что, чтобы, исходя из неволнистого графика какой-либо функции, прийти к волнистому графику, можно аддитивно наложить неволнистый на надлежащую волнистую функцию, похожую на функцию 23 разности.
С помощью фиг.3 определяется длина λ волны, а также амплитуда A волнистой функции. Длина λ волны определяется как разность нормированной координаты s размаха между проходом через ноль и вторым следующим за ним проходом через ноль функции 23 разности. λ является безразмерной длиной волны, которая должна рассматриваться по отношению к нормированной координате s размаха, изменяющейся для всей вентиляторной лопасти от 0.0 до 1.0. Поэтому количество волн на размахе вентиляторной лопасти примерно 1.0/λ.
Также вводится размерная длина Λ волны, которая имеет единицу измерения длины, и которая, в частности, имеет в качестве значения геометрическое расстояние между двумя следующими друг за другом гребнями волн, измеренное в направлении размаха. Амплитуда A соответствует величине значения функции экстремума функции 23 разности. λ, Λ и A не являются константами, а могут варьироваться, если смотреть по ходу функции 23 разности, соответственно, по вентиляторной лопасти, в некотором диапазоне. Однозначно ссылаемся на то, что функция разности не обязательно имеет форму, похожую на синусоидальную функцию. Она может также иметь зубчатые, ступенчатые, имеющие форму зубьев пилы, имеющие форму гребня, имеющие форму язычка или прочие формы, пока только выполнено вышеописанное определение волнистости.
c
c
max
c
c
max
Вообще, вентиляторная лопасть называется волнистой в направлении размаха тогда, когда график по меньшей мере одной из функций β1, β2, l, m, Θ, β1-β2, d, β1, β2, l, m, Θ, β1-β2, d, β1+β2 или d(m*) является волнистым в соответствии со сделанными определениями.
c
c
На фиг.4a показан вид в перспективе вентиляторного колеса 2 осевой конструкции, если смотреть наискосок сзади. Вентиляторные лопасти 3 являются волнистыми. Волнистость этих вентиляторных лопастей 3 была достигнута наложением координаты Θ длины в окружном направлении неволнистой эталонной лопасти на синусоидальную волнистость с амплитудой 10 мм. Предпочтительными амплитудами при волнистостях размеров длины являются 3 мм-20 мм. В отношении вентиляторной лопасти 3 это приводит к волнистости серповидности и V-образного положения. Волнистость вентиляторной лопасти 3 в этом примере осуществления можно распознать по выраженной волнистости передней кромки 18 лопасти и задней кромки 19 лопасти. При этом виде волнистости амплитуда, которая наложена на координату Θ длины, может воспроизводиться примерно в том же размере также при волнистости передней кромки 18 лопасти и задней кромки 19 лопасти.
На фиг.4b, на которой показана вентиляторная лопасть 3 того же самого вентиляторного колеса 2 в рассеченном изображении, можно понять, что волнистость продолжается по всей вентиляторной лопасти 3. Вся поверхность вентиляторной лопасти волнистая. Примерно 4¼ длины волны проходят по всей протяженности размаха вентиляторных лопастей 3. Предпочтительно примерно 3-12 длин волны распространяются по всей протяженности размаха вентиляторных лопастей 3. На фиг.4b на чертеже показано направление координат нормированного размаха s, которое лежит в плоскости сечения. Кроме того, в одном месте в сечении на чертеже показана размерная длина Λ волны в направлении размаха. В этом примере осуществления эта длина волны составляет примерно 3 см при максимальном диаметре вентиляторного колеса 630 мм. В зависимости от дизайна, такие длины волны могут предпочтительно составлять от 5 мм до 50 мм или предпочтительно от 0,5% и 5% максимального диаметра вентиляторного колеса.
c
Волнистость передней кромки 18 лопасти приводит к снижению, в частности, тонального шума, который возникает вследствие нарушений притока к вентиляторному колесу при эксплуатации. Волнистость серповидности в примере фиг.4a и 4b, с аэродинамической точки зрения, приводит к волнистости коэффициента подъемной силы. Эта волнистость вызывает продольные завихрения, которые стабилизируют обтекание лопасти со стороны всасывания и тем самым снижают срывы потока с сопутствующим возникновением шума. Благодаря волнистости задней кромки 19 лопасти механизмы возникновения шума ослабляются локальными зонами срыва или, соответственно, тупой геометрией задней кромки. Вследствие волнистости поверхности лопасти возникающий и отражающийся шум на лопасти рассеивается сильнее, что приводит к преимуществам в шумовых характеристиках вентилятора. С помощью простой меры наложения координаты Θ длины в окружном направлении на волнистость акустические характеристики вентилятора могут улучшаться по нескольким причинным механизмам.
Особенно предпочтительные варианты осуществления волнистости содержатся также на фиг.4a и 4b. Во-первых, крайняя наружная область 26 лопасти 3 осевого вентилятора очень точно выполнена с помощью волнистости. В этой области вентиляторная лопасть 3 заканчивается высокой по величине отрицательной серповидностью и V-положением. Крайние наружные сечения лопасти локально сильно смещены против направления вращения. Такая конфигурация оказывает интенсивное снижающее действие на широкополосный шум, который вследствие перетекания через зазор между лопатками и корпусом у осевого вентилятора часто является значительным источником шума. Поэтому приведенная в качестве примера конфигурация одновременно выполняет аэроакустическую функцию винглета. Можно также сказать, винглет и волнистость превосходным и безукоризненным образом интегрированы друг в друга с помощью одной единственной конструктивной меры.
Также в крайней внутренней области вентиляторной лопасти 3 применена очень точная конфигурация. Так, как можно понять на фиг.4b, вентиляторная лопасть 3 локально примерно под прямым углом попадает на ступичное кольцо 4. Это дает решающие преимущества при процессах стыкования ступичного кольца 4 и вентиляторной лопасти 3, в частности при сварке. Также для способа изготовления литьем под давлением пластика при интегральном изготовлении вентиляторного колеса 2 такая конфигурация особенно предпочтительна. Кроме того, местные напряжения у ножки лопасти при такой конфигурации минимизируются. Попадание вентиляторной лопасти 3 примерно под прямым углом, предпочтительно примерно под углом от 75° до 115°, на ступичное кольцо 4 достигается за счет волнистости. Неволнистая эталонная лопасть, которая имеет сравнимые аэродинамические свойства (коэффициент полезного действия и производительность по воздуху), попадала бы на ступичное кольцо 4 под значительно более острым углом.
c
c
На фиг.5a показан вид в перспективе вентиляторного колеса 2 радиальной конструкции наискосок спереди. Вентиляторные лопасти 3 являются волнистыми. Волнистость этих вентиляторных лопастей 3 выражается, в частности, в волнистости размеров m (положение сечения лопасти в направлении меридиональной координаты) и Θ (положение сечения лопасти в направлении окружной координаты длины). Протяженность l сечений в меридиональном направлении не является волнистой. Другие размеры могут, к тому же, иметь еще менее выраженную волнистость. Волнистость воспроизводится в форме передней кромки 18 лопасти и задней кромки 19 лопасти. Тем самым снижается шум передней кромки вследствие нарушений притока, а также шум задней кромки. В этом примере по всему размаху имеются примерно 7½ длины волны. Размерная длина Λ волны в области передней кромки 18 лопасти по своей тенденции больше, чем на задней кромке 19 лопасти, что объясняется тем, что передняя кромка 18 лопасти, измеренная по всему размаху, вследствие своей формы заметно длиннее, чем задняя кромка 19 лопасти.
Из фиг.5b, на которой показан предмет фиг.5a на радиальном виде в сечении, становится ясно, что волнистость в этом примере осуществления выбрана так, что поверхность вентиляторной лопасти 3, если смотреть в сечении, неволнистая. Это приводит к незначительному снижению акустических преимуществ вследствие волнистости, но имеет технологические преимущества. Вентиляторное колесо 2 в этом примере представляет собой вентиляторное колесо, имеющее непрофилированные вентиляторные лопасти 3.
Толщины d вентиляторных лопастей 3, как можно понять в плоском сечении 24 вентиляторной лопасти 3 на фиг.5b, по существу постоянны. Такое вентиляторное колесо изготовлено предпочтительным образом из листа (металла или пластика). Изготовление вентиляторных лопастей 3 из листа существенно проще и экономичнее, когда поверхность вентиляторных лопастей 3, если смотреть в сечении, неволнистая, так как необходимая энергия деформации при прессовании или глубокой вытяжке листовых лопастей в этом случае существенно меньше. Волнистость передних и задних кромок, которая уже сама по себе приносит большие акустические преимущества, может технологически реализовываться, например, с помощью обрезки или штамповки.
c
c
На фиг.6a показано на виде в перспективе вентиляторное колесо 2 радиальной конструкции, если смотреть наискосок спереди. Вентиляторные лопасти 3 волнистые. Вентиляторное колесо 2 в этом примере осуществления похоже на вентиляторное колесо примера осуществления в соответствии с фиг.5a, 5b. В частности, неволнистые эталонные лопасти имеют такую же геометрию. Однако волнистость этих вентиляторных лопастей 3 в этом примере осуществления отличается от предыдущей. Она выражается, в частности, в волнистости размера (β1+β2)/2, то есть, в частности, волнистости угла установки. При этом геометрическое изменение направления (β1-β2), координаты Θ и m, а также меридиональная протяженность l вентиляторных лопастей 3 неволнистые в направлении размаха. Амплитуда A волнистости (β1+β2)/2 составляет примерно 1°. Амплитуды волнистостей угловых размеров составляют предпочтительно 0,5°-3°. На фиг.6a можно понять, что, по причине описанной волнистости, в частности формы передних кромок 18 и задних кромок 19 вентиляторных лопастей 3 имеют выраженную волнистость, что приводит к уже описанным акустическим преимуществам.
c
На фиг.6b на радиальном виде сбоку показан предмет фиг.6a. Волнистость задних кромок 19 лопастей различима в различной степени, в зависимости от направления взгляда. Так как m и l неволнистые, положение задних кромок 19 лопастей, если смотреть в меридиональном направлении, тоже неволнистое. Это может прослеживаться, например, по задней кромке 19 лопасти, находящейся на фиг.6b внизу. Однако волнистость (β1+β2)/2 приводит к волнистости положения в окружном направлении задних кромок 19 лопастей. На фиг.6b это можно особенно выраженно понять по задней кромке 19 лопасти, находящейся примерно в середине рисунка. Амплитуда A этой волнистости задней кромки лопасти составляет предпочтительно 3 мм-20 мм, или 05%-5% максимального диаметра вентиляторного колеса. Описанное для формы задних кромок 19 лопастей относится в этом примере осуществления также к форме передних кромок 18 лопастей.
На фиг.6b, кроме того, можно видеть особенно предпочтительную конфигурацию внутренних и наружных областей 25 и 26 вентиляторных лопастей 3 вентиляторного колеса 2, изготовленного из листа. Благодаря особой конфигурации волнистости во внутренней области 25, соответственно, в наружной области 26 вентиляторных лопастей 3 было достигнуто, что угол поперечного V, который заключают ступичное кольцо 4, соответственно, верхнее кольцо 5 с вентиляторными лопастями 3 у области соединения, в широких диапазонах близок к 90°. Это очень предпочтительно для изготовления, в частности при сварке листовых колес, а также при литье под давлением целых вентиляторных колес. У колес радиальных вентиляторов в области пересечения верхнего кольца 5 и передних кромок 18 лопастей это свойство, в частности, предпочтительно для акустики. Эта прямоугольность была достигнута несмотря на то, что для аэродинамического и оптимизированного по коэффициенту полезного действия предварительного расчета, который отличается неволнистой эталонной вентиляторной лопастью, имеют место заметно более острые, соответственно, более тупые углы. Одна из особенно предпочтительных конфигурация волнистости достигнута тогда, когда наибольшее и/или среднее по величине отклонение от 90° между вентиляторными лопастями 3 и ступичным кольцом 4, соответственно, верхним кольцом 5 за счет волнистости было снижено по меньшей мере на 10°.
На фиг.6c показан в плоском сечении предмет фиг.6a, 6b, если смотреть радиально сбоку. Также в плоских сечениях 24 лопастей различима волнистость. То есть в этом примере осуществления поверхность вентиляторных лопастей 3 волнистая. Это приводит, как уже описано, к дополнительным акустическим преимуществам. Однако изготовление из листа затруднено. Необходима затрата относительно высокой энергии деформации для прессования или глубокой вытяжки вентиляторных лопастей, в частности для получения волнистого контура. Кроме того, должно быть обеспечено, что листы при таком процессе деформации не разорвутся. Могут применяться особые жидкотекучие металлические или пластиковые листы. Основным критерием затрачиваемой энергии деформации является локальная амплитуда A волны смещения поверхности лопасти вследствие волнистости относительно ее неволнистого эталонного положения, отнесенная к размерной длине Λ волны. Для достижения хороших акустических эффектов и, тем не менее, получения технологичных листовых лопаток, особенно предпочтительным оказалось отношение A/Λ в пределах от 0.03 до 0.3.
с
с
Волнистость вентиляторных лопастей 3 в примере в соответствии с фиг.6a-6c имеет ту особенность, что в области средней точки сечений лопастей, если смотреть в меридиональном направлении, то есть если смотреть примерно в середине вентиляторных лопастей в меридиональном направлении, не появляется никакая или только мало выраженная волнистость (там, если смотреть в сечении, появляется амплитуда волнистости, равная нулю или близкая к нулю). На нижнем сечении 24 лопасти на фиг.6c такая средняя область, например, рассечена, из-за чего там выраженность волнистости кажется относительно небольшой. Это объясняется, в частности, тем, что ни на m, ни на Θ не наложена волнистость. Этот вид конфигурации особенно предпочтителен, прежде всего, у вентиляторных лопастей 3 листовой конструкции. Во-первых, сильная выраженность волнистости ограничена важнейшими с точки зрения возникновения шума областями вблизи передней кромки 18 лопасти и задней кромки 19 лопасти. В менее важной области в середине вентиляторной лопасти, если смотреть в меридиональном направлении, ненужная затрата на деформацию в максимальной степени предотвращена. Также эта скорее неволнистая или только относительно слабо волнистая средняя область имеет значительные преимущества, что касается деформации вентиляторных лопастей 3 при эксплуатации. Благодаря наличию этой области могут, в частности, в значительной мере снижаться деформации в направлении размаха и примерно перпендикулярно поверхности вентиляторных лопастей.
На фиг.7a на виде в перспективе показано вентиляторное колесо 2, которое представляет собой не вращающееся при эксплуатации выходное направляющее колесо (статор), если смотреть наискосок спереди. Вентиляторное колесо 2 имеет ступичное кольцо 4 и верхнее кольцо 5, которые соединены друг с другом волнистыми вентиляторными лопастями 3. На ступичном кольце 4 предусмотрен крепежный фланец 28 для двигателя. На верхнем кольце 5 предусмотрен крепежный фланец 29, с помощью которого выходное направляющее колесо 2 может крепиться, например, к корпусу. Волнистость в этом примере осуществления была сконструирована с помощью волнистости локальной толщины d лопасти в некотором меридиональном положении m* вблизи передней кромки 18 лопасти. Как передняя кромка 18 лопасти, так и задняя кромка 19 лопасти неволнистые. На фиг.7a волнистость вентиляторных лопастей 3 может распознаваться по волнистости некоторых видимых силуэтов 31.
На фиг.7b показан, если смотреть спереди, предмет фиг.7a в сечении по плоскости, перпендикулярной оси вращения, при этом осевое положение плоскости сечения лежит вблизи передних кромок 18 лопасти. В сечениях 24 лопасти 3 волнистость толщины различима очень отчетливо. В направлении размаха имеются примерно 9 длин волны волнистости локальной толщины d. Максимальная амплитуда этой волнистости примерно 4 мм. Такой вариант осуществления вследствие непостоянной толщины вентиляторных лопастей 3 предпочтительно изготавливается литьем. Тогда вентиляторные лопасти 3, как в этом примере осуществления, являются предпочтительно профилированными. Волнистость толщины вентиляторных лопастей 3 вблизи передней кромки 18 приводит к снижению тонального шума вследствие нарушений притока (шум передней кромки). Поэтому достигается сравнимый эффект, как при волнистой конфигурации передней кромки 18 лопасти.
В отношении других предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением вентиляторного колеса во избежание повторов ссылаемся на общую часть описания, а также на прилагаемые пункты формулы изобретения.
Наконец, следует однозначно указать, что описанные выше примеры осуществления предлагаемого изобретением вентиляторного колеса служат только для рассмотрения заявленной идеи, однако не ограничивают ее этими примерами осуществления.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Ось вентиляторного колеса
2 Вентиляторное колесо
3 Вентиляторная лопасть
3a Меридиональная поверхность вентиляторной лопасти
4 Ступичное кольцо
5 Верхнее кольцо
6 Ограничение со стороны притока
7 Ограничение со стороны оттока
8 Внутреннее ограничение
9 Наружное ограничение
10 Крайняя внутренняя изокривая размаха
11 Крайняя наружная изокривая размаха
12 Изокривая меридионального положения со стороны притока
12 Изокривая меридионального положения со стороны оттока
14 Пример изокривой размаха при s=0.7
15 Двухмерная система координат (Θ, m)
16 Сечение лопасти с изокривой размаха
17 Средняя линия
18 Передняя кромка лопасти
19 Задняя кромка лопасти
20 Средняя точка средней линии
21 Волнистая функция
22 Фильтрованная функция
23 Функция разности
24 Плоское сечение лопасти
25 Внутренняя область лопасти
26 Наружная область лопасти
27 Направление вращения
28 Фланец крепления двигателя
29 Область крепления к корпусу
30 Входное сопло статора
31 Линия силуэта вентиляторной лопасти.