МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР
UPDATED AXIAL BLOWER

Изобретение относится к вентиляционной технике, а именно к осевым вентиляторам, используемым для проветривания транспортных тоннелей и метрополитенов.
Из уровня техники известны промышленные осевые вентиляторы [В.Я.Цодиков. «Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов». М.: «Недра», 1975 г.], содержащие двухступенчатые роторы, разработанные в 60-70-х годах XX века, которые в настоящее время работают с низкими технико-экономическими показателями в системах вентиляции метрополитенов и транспортных тоннелей, при этом многократно выработали проектный ресурс. Такой вентилятор содержит корпус с втулкой, в котором посредством радиального и радиально-упорного подшипников размещен ротор, содержащий вал с рабочими колесами первой и второй ступеней, между которыми размещен спрямляющий аппарат, выполняющий при нормальной работе функцию направляющего аппарата для рабочего колеса второй ступени вентилятора, за которым установлен спрямляющий аппарат. Указанные лопаточные аппараты выполняют также функцию шиберования (перекрывания) корпуса вентилятора при его отключении и обладают обратимостью при переходе вентилятора из нормального режима в реверсивные по схеме НА-РК-СА и СА-РК-НА. Рабочие колеса первой и второй ступеней вентилятора выполнены профильными и поворотными вручную при остановленном вентиляторе для регулирования его производительности. Реверсирование таких вентиляторов изменением направления вращения дает низкие технико-экономические показатели (менее 50%).
Указанные вентиляторы многократно выработали проектный ресурс и имеют низкие технико-экономические характеристики.
Известен осевой вентилятор [US 6116856, 12.09.2000], одиночные лопатки рабочего колеса которого имеют профильное сечение и S-образную форму.
Данная конструкция рабочего колеса с одинарными телесными (профильными) лопатками сложна в изготовлении, ненадежна при эксплуатации из-за недостаточной жесткости одинарных лопаток, т.к. возможны их резонансные колебания и разрушения на расчетных и переходных частотах вращения, в т.ч. при пусках и остановках вентилятора.
Известен вентилятор, полученный путем модернизации вентиляторов типа ВОМД [Красюк A.M., Петров Н.Н., Чигишев А.Н. «Пути модернизации устаревшего парка тоннельных вентиляторов метрополитенов». // Метро. 2000. - №5-6. - С.18-22. - М.: Информационно-издательский центр "ТИМР"], который выбран как прототип предлагаемого устройства. Вентилятор типа ВОМД модернизируют путем замены двухступенчатого ротора на одноступенчатый и замены поворотно-лопастных направляющего и спрямляющего аппаратов на неповоротные, жестко вваренные между корпусом (кожухом) и втулкой вентилятора. В результате модернизированный вентилятор содержит корпус с втулкой, в котором посредством радиальных подшипников размещен одноступенчатый ротор с коренным валом, рабочее колесо с поворотными на ходу лопатками, установленное на месте демонтированного рабочего колеса 1-й ступени, механизм одновременного поворота лопаток рабочего колеса, а также вместо демонтированного спрямляюще-направляющего аппарата жестко вваренные лопатки спрямляющего аппарата специальной геометрии. Ротор соединен с электродвигателем и подключается к электросети посредством блока питания, содержащего реверсивный преобразователь частоты для прямой и реверсивной работы.
Однако такая модернизация неэффективна из-за высокой сложности и стоимости ротора с поворотными на ходу лопатками рабочего колес, его недостаточной надежности и высоких эксплуатационных расходов при обслуживании.
Задачей заявляемого изобретения является устранение морального и физического износа действующих тоннельных вентиляторов с целью доведения их технико-экономических показателей до современного уровня с учетом последних достижений в области аэродинамики осевых вентиляторов. Технико-экономический результат модернизации заключается в продлении проектного ресурса, повышении эксплуатационного давления, производительности и КПД вентилятора, а также обеспечении повышенных регулировочных и реверсивных характеристик вентиляторов.
Для решения указанной задачи предлагаются устройство, полученное исключением из известного устройства-прототипа элементов, при этом функции устройства не только сохраняются, но и достигается значительный экономический эффект за счет снижения энергопотребления, существенно повышается надежность работы, эффективность регулирования и реверсирования.
Поставленная задача решается путем размещения электродвигателя во втулке вентилятора, монтажа рабочего колеса с цельносварными неповоротными сдвоенными S-образными листовыми лопастями непосредственно на валу электродвигателя в плоскости демонтированного рабочего колеса второй ступени модернизируемого тоннельного вентилятора ВОМД,
Согласно изобретению модернизированный вентилятор включает электродвигатель, который размещен во втулке вентилятора, рабочее колесо, выполненное с цельносварными неповоротными сдвоенными S-образными листовыми лопастями, которое установлено на месте демонтированного рабочего колеса второй ступени модернизируемого тоннельного вентилятора ВОМД и закреплено непосредственно на валу электродвигателя, при этом проем во втулке вентилятора от снятого рабочего колеса первой степени наглухо закрыт листовым кожухом посредством сварки, спрямляюще-направляющий аппарат и спрямляющий аппарат, оснащенные поворотными лопатками с электроприводом.
Причем рабочее колесо вентилятора выполнено с использованием заявки на патент №2009123083 [заявка на патент №2009123083/06,  F24D 1/00 от 16.06.2009 г.], а форма лопастей рабочего колеса выполнена с использованием новых аэродинамических схем, что позволило создать одноступенчатый осевой вентилятор, обеспечивающий те же параметры по давлению и производительности, которые развивают машины ВОМД в двухступенчатом исполнении.
c
f
1
2
c
f
1
2
Лопатки предлагаемого рабочего колеса содержат сдвоенные листовые лопасти с перемычками, при этом в поперечном сечении каждая лопасть имеет S-образную форму, которая на любом расстоянии по радиусу лопасти определяется при помощи параметров x, x, f, f и b, где: x - расстояние от передней кромки лопасти до точки перегиба C ее средней линии, x - расстояние от передней кромки лопасти до точки максимального прогиба средней линии передней части лопасти, f - величина прогиба средней линии лопасти в точке D задней части лопасти, f - величина прогиба средней линии передней части лопасти, b - длина лопасти от ее передней кромки до задней. Передние и задние кромки лопасти определяются направлением вращения рабочего колеса. Передней считают кромку лопасти (точка A, фиг.2), которая идет вперед при вращении рабочего колеса в нормальном режиме работы, а задней - кромку (точка E, фиг.2), которая идет вперед при вращении рабочего колеса в реверсивном режиме работы. Передняя часть лопасти - часть лопасти от точки A, фиг.2, передней кромки до точки перегиба средней линии лопасти (точка C, фиг.2), задняя часть лопасти - часть лопасти от точки перегиба средней линии лопасти до точки E, фиг.2, задней кромки лопасти.
Средняя линия лопасти, фиг.2, описывается непрерывной кусочно-гладкой функцией на четырех интервалах.
Первый интервал, расположенный от передней кромки лопасти (точка A) до точки B, описывается полиномом четвертой степени:
где k - коэффициенты полинома,
Второй интервал, расположенный от точки B до точки перегиба средней линии C, описывается с помощью косинусоидной функции:
,
где .
Третий интервал, расположенный от точки перегиба C до точки D, описывается с помощью косинусоидной функции:
где .
Четвертый интервал, расположенный от точки D до задней кромки (точка E), описывается квадратичным полиномом:
l
где  - коэффициенты полинома,
Описание фигур
На фиг.1 показана схема модернизированного путем размещения электродвигателя во втулке вентилятора.
На фиг.2 показана геометрия S-образных лопастей рабочего колеса.
На фиг.3 показано положение лопаток направляюще-спрямляюще-шибирующих аппаратов вентилятора при изменении направления вращения рабочего колеса.
На фиг.4 показаны аэродинамические характеристики в прямом и реверсивном режимах работы модернизированного вентилятора.
1
2
p
н
s
min
н
На фигурах: 1 - корпус; 2 - втулка вентилятора; 3 - вал электродвигателя; 4 - место расположения снятого рабочего колеса первой ступени модернизируемого вентилятора ВОМД; 5 - место расположения рабочего колеса второй ступени модернизируемого вентилятора ВОМД; 6 - электродвигатель; 7 - система питания электродвигателя; 8 - рабочее колесо с цельносварными неповоротными S-образными лопастями; 9 - спрямляюще-направляющий аппарат; 10 - электропривод поворота лопаток спрямляюще-направляющего аппарата; 11 - спрямляющий аппарат; 12 - электропривод спрямляющего аппарата; РК - рабочее колесо; ±ω - частота и направление вращения РК; НА-СА-ША (СА-НА-ША) - направляюще-спрямляющий-шибирующий аппараты; Θ, Θ - углы установки лопаток НА-СА-ША и СА-НА-ША относительно плоскости вращения РК; Q, Q - реверсивная и нормальная производительность вентилятора; P - статическое давление вентилятора; R, R - минимальное и номинальное аэродинамическое сопротивление вентиляционной сети; A - точка пересечения средней линии и передней кромки лопасти; B - точка максимального прогиба средней линии передней части лопасти; C - точка перегиба средней линии; D - точка максимального прогиба средней линии задней части лопасти; E - точка пересечения средней линии и задней кромки лопасти.
Модернизированный осевой вентилятор, фиг.1, содержит электродвигатель, размещенный во втулке вентилятора, рабочее колесо с неповоротными сдвоенными S-образными листовыми лопастями специальной геометрии, закрепленное непосредственно на валу электродвигателя, установленное на месте демонтированного рабочего колеса 2-й ступени модернизируемого вентилятора ВОМД, а также спрямляюще-направляющий и спрямляющий аппараты, оснащенные поворотными лопатками с электроприводом. Роль радиальных и радиально-упорного подшипников выполняют подшипники двигателя.
Форма S-образных лопастей неповоротных сдвоенных листовых лопаток рабочего колеса вентилятора выполнена с использованием новых аэродинамических схем. Средняя линия профиля S-образной лопасти, показанная на фиг.2, определяется непрерывной кусочно-гладкой функцией на четырех интервалах:
Первый интервал, расположенный от передней кромки лопасти (точка A) до точки B, описывается полиномом четвертой степени.
Второй интервал, расположенный от точки B до точки перегиба C, описывается с помощью косинусоидной функции.
Третий интервал, расположенный от точки перегиба C до точки D, описывается с помощью косинусоидной функции:
Четвертый интервал, расположенный от точки D до задней кромки (точка E), описывается квадратичным полиномом.
Модернизированный осевой вентилятор работает следующим образом.
1
2
Модернизированный вентилятор регулируют и реверсируют путем изменения частоты и направления вращения электродвигателя посредством блока питания. При работе модернизированного вентилятора в прямом (нормальном) режиме рабочее колесо вращается с частотой ω=250÷500 об/мин. Направляюще-шибирующий аппарат открыт (фиг.3, режим I). Лопатки направляющего и спрямляющего аппаратов устанавливают в требуемое положение посредством электропривода. Угол установки лопаток НА-СА-ША Θ=90÷110°, а СА-НА-ША Θ=70÷85°.
1
2
p
н
p
н
'
'
Для реверсирования режима или перехода на другой режим (летний-зимний) рабочее колесо модернизированного вентилятора вращается в обратном направлении с частотой -ω=250÷500 об/мин (фиг.3, режим II), при этом лопатки НА-СА-ША устанавливают под углом Θ =(90÷110°)+180°, а лопатки СА-НА-ША устанавливают под углом Θ =(70÷85°)+180°. При реверсировании режима обеспечивается производительность -Q>0,7Q, где Q - производительность в реверсивном режиме работы вентилятора, Q - производительность в нормальном режиме работы вентилятора.
1
2
При неработающем вентиляторе (ω=0, фиг.3) шибирующие аппараты закрывают, при этом угол установки лопаток НА-СА-ША и СА-НА-ША Θ=Θ=0°.
Промышленная применимость
По данной разработке выполнена конструкторская документация рабочего колеса, разработан и изготовлен модельный вентилятор. По результатам продувки модельного вентилятора рассчитаны аэродинамические характеристики в прямом и реверсивном режимах работы вентилятора, фиг.4.
min
н
min
н
s
s
s
3
3
3
3
При работе на вентиляционные сети с сопротивлением от R до R, где R - минимальное аэродинамическое сопротивление, R - номинальное аэродинамическое сопротивление, и частотах вращения рабочего колеса от ω=250 об/мин до ω=500 об/мин производительность Q вентилятора изменяется от 25 м/с до 110 м/с, давление P вентилятора изменяется от 150 даПа до 910 даПа. При изменении направления вращения рабочего колеса на -ω=250÷500 об/мин производительность вентилятора изменяется от - Q=26 м/с до - Q=110 м/с, а давление соответственно от - P=140 даПа до - P=780 даПа.
Результаты показали, что замена двух рабочих колес с профильными лопатками на одно рабочее колесо с цельносварными неповоротными сдвоенными S-образными листовыми лопастями, установленное на валу электродвигателя в плоскости снятого рабочего колеса второй ступени вентилятора, позволяет в 1,5-2,0 раза увеличить эксплуатационные показатели вентилятора (эксплуатационное давление, производительность, КПД), а также повысить надежность его работы за счет упрощения конструкции и обеспечения повышенных регулировочных и реверсивных характеристик.