Самобалансирующее устройство осевого вентилятора

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована при проектировании и производстве бытовых и промышленных осевых вентиляторов.
Технической проблемой является повышенная вибрация осевого вентилятора, появляющаяся по разным причинам в процессе его эксплуатации. Она приводит к преждевременному износу и выходу из строя подшипниковых опор и других узлов и деталей вентилятора.
Основная причина вибрации при работе осевых вентиляторов - дисбаланс крыльчатки вентилятора, возникающий в процессе эксплуатации в результате налипания на лопатки вентилятора пыли и других элементов загрязнений из окружающей среды, абразивного износа лопаток вентилятора и действия других факторов.
Существует необходимость проведения балансировки вращающихся деталей вентилятора в процессе изготовления во избежание образования шума и разрушения конструкции вентилятора вследствие повышенной вибрации. Причём эту балансировку приходится повторять во время ремонта вентилятора. Поэтому особенно актуально осуществление постоянной самобалансировки крыльчатки вентилятора именно непосредственно в процессе эксплуатации самобалансирующим устройством, которое должно быть органично встроено в конструкцию вентилятора, исходя из особенностей и назначения вентилятора. Это позволит избежать повышения уровня вибраций вентилятора в процессе эксплуатации даже при появлении дисбаланса по вышеуказанным причинам.
Из уровня техники известен, например, вентилятор газотурбинного двигателя, содержащий балансировочную систему с глухими отверстиями для размещения грузов по патенту RU 2511767 С2, содержащий входной конус газотурбинного двигателя, диск вентилятора, а также лопатки вентилятора, установленные на упомянутом диске, с которым они вращаются относительно оси вращения вентилятора. Конус имеет наружную поверхность, предназначенную быть продолженной трактом газотурбинного двигателя. Также вентилятор содержит балансировочную систему, связанную с возможностью вращения с диском вентилятора относительно упомянутой оси вращения. Балансировочная система оборудована множеством отверстий для размещения грузов, расположенных на расстоянии друг от друга по окружности, и также содержит по меньшей мере один балансировочный груз, установленный в одном из упомянутых отверстий для размещения. Балансировочная система включает в себя крепежные средства, оказывающие нажим, прижимая упомянутый балансировочный груз к нижней части его отверстия для размещения груза. Отверстие выполнено глухим во входном конусе, с тем, чтобы быть открытым внутрь последнего.
Известно рабочее колесо вентилятора, состоящее из ступицы и прикрепленных к ней лопастей. При этом на торцевой поверхности ступицы выполнена кольцевая канавка, в которой расположены балансировочные шарики US 7717679, дата приоритета: 13.09.2006 г., дата публикации 18.05.2010 г.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели, принятым за прототип, является Рабочее колесо вентилятора по патенту RU 176023 U1, содержащее ступицу с лопастями и балансировочными грузами. Внутри ступицы образована полость, в которой расположены балансировочные грузы, при этом балансировочные грузы имеют возможность перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Технической задачей, для решения которой предназначена заявляемая полезная модель, является повышение надёжности и эффективности прототипа.
Техническим результатом является эффективное снижение уровня вибрации осевого вентилятора непосредственно в процессе эксплуатации путём организации процесса автоматической компенсации его неуравновешенности с помощью конструктивно простого и стабильно работающего самобалансирующего устройства осевого вентилятора.
Технический результат достигается за счёт того, что самобалансирующее устройство осевого вентилятора выполнено в виде концентрично расположенной относительно оси вращения замкнутой полой герметичной кольцевой камеры, отличающееся тем, что внутри кольцевой камеры размещены жидкость, являющаяся балансирующей массой, и твёрдые лёгкие тела-поплавки, являющиеся корректирующей массой, поддерживающей положение балансирующей жидкости.
Кроме того, кольцевая камера имеет жёсткий корпус, образующий внутреннюю полость прямоугольного поперечного сечения.
Кроме того, масса каждого из твёрдых лёгких корректирующих тел-поплавков меньше массы вытесняемой им жидкости.
Кроме того, объём герметичной полости кольцевой камеры превышает объём помещённых в неё балансирующих и корректирующих масс на величину температурных изменений объёма жидкости при её возможном нагревании в рабочем диапазоне температур.
Кроме того, кольцевая камера содержит дополнительную кольцевую полость с размещёнными в ней балансирующей жидкостью и корректирующими её положение телами-поплавками, при этом обе полости кольцевой камеры расположены одна над другой концентрично оси вращения крыльчатки вентилятора.
Кроме того, твёрдые и лёгкие корректирующие тела-поплавки выполнены шарообразной формы.
Кроме того, твёрдые и лёгкие корректирующие тела-поплавки выполнены в форме круговых цилиндров.
Кроме того, твёрдые лёгкие корректирующие тела-поплавки выполнены монолитными.
Кроме того, твёрдые лёгкие корректирующие тела-поплавки выполнены полыми.
Кроме того, балансирующая жидкость имеет высокую плотность.
Кроме того, балансирующая жидкость обладает антикоррозионными свойствами.
Кроме того, выполнено с возможностью закрепления на оси вентилятора между прижимной гайкой и крыльчаткой вентилятора.
Кроме того, выполнено с возможностью установки на оси вращения в корпусе привода вентилятора за задней защитной решёткой.
Кроме того, выполнено с возможностью установки на резьбу оси вращения вместо фиксатора, посредством которого крыльчатка вентилятора поджата в сторону корпуса.
Кроме того, выполнено с возможностью встраивания непосредственно в ступицу крыльчатки вентилятора.
Сущность предложенной полезной модели заключается в следующем.
Осевой вентилятор содержит корпус привода вентилятора и закреплённую в нём ось вращения крыльчатки вентилятора. На оси вращения установлена крыльчатка вентилятора и самобалансирующее устройство автоматической компенсации дисбаланса крыльчатки при её вращении на рабочих оборотах.
Самобалансирующее устройство осевого вентилятора выполнено в виде концентрично расположенной относительно оси вращения замкнутой полой герметичной кольцевой камеры. В отличие от прототипа внутри кольцевой камеры размещены жидкость, которая является балансирующей массой, и твёрдые лёгкие тела-поплавки, которые являются корректирующей массой, поддерживающей положение балансирующей жидкости, требуемое для устранения дисбаланса и снижения уровня вибрации.  Кольцевая камера имеет жёсткий корпус, образующий внутреннюю полость прямоугольного поперечного сечения, а масса каждого из твёрдых лёгких корректирующих тел-поплавков меньше массы вытесняемой им жидкости.
На фиг.1 схематично изображён осевой вентилятор с различными возможными вариантами мест установки самобалансирующего устройства.
Осевой вентилятор, показанный на фиг.1, содержит корпус привода вентилятора 1, закреплённую в нём ось вращения крыльчатки вентилятора 2, на которой крепится крыльчатка вентилятора 3 и самобалансирующее устройство 4 автоматической компенсации дисбаланса крыльчатки при её вращении на рабочих оборотах.  В состав вентилятора так же входит передняя защитная решётка 5 и задняя защитная решётка 6 с прижимной гайкой 7.
На фиг.2 изображена кольцевая камера 8 самобалансирующего устройства и расположение твёрдых лёгких подвижных корректирующих тел 9 в балансирующей жидкости 10 в исходном положении, до начала вращения оси вентилятора.
На фиг. 3 показано положение корректирующих тел 9 и балансирующей жидкости 10 в финальной стадии процесса компенсации дисбаланса и устранения вибрации.
В конструкции осевого вентилятора самобалансирующее устройство 4 целесообразно встраивать в разные места в зависимости от назначения вентилятора, его массогабаритных характеристик, диапазона возможных изменений величины дисбаланса и требований к точности балансировки.
Самобалансирующее устройство 4 автоматической компенсации дисбаланса крыльчатки вентилятора может быть закреплено на оси вентилятора между прижимной гайкой 7 и крыльчаткой вентилятора 3 (место С на фиг.1). Самобалансирующее устройство 4 может быть установлено на оси вращения в корпусе привода вентилятора за задней защитной решёткой 6 как можно ближе к крыльчатке вентилятора (место D на фиг.1). В конструкции осевого вентилятора самобалансирующее устройство 4 может быть установлено на резьбу оси вращения вместо фиксатора, посредством которого крыльчатка вентилятора поджата в сторону корпуса. В этом случае самобалансирующее устройство будет одновременно выполнять и роль фиксатора положения крыльчатки (место А на фиг.1). Если позволяет конструкция вентилятора самобалансирующее устройство 4 может быть встроено непосредственно в ступицу крыльчатки вентилятора (место В на фиг. 1).
В случае необходимости компенсации дисбалансов большой величины кольцевая камера самобалансирующего устройства может содержать дополнительную кольцевую полость с размещёнными в её кольцевой полости балансирующими и корректирующими массами, при этом обе полости кольцевой камеры располагаются одна над другой концентрично оси вращения.
Если ширина крыльчатки вентилятора составляет больше 30% от диаметра крыльчатки, то для улучшения условий динамической балансировки целесообразно устанавливать дополнительное самобалансирующее устройство, при этом оба самобалансирующих устройства являются идентичными и расположены на оси вращения у левого и правого торцов крыльчатки вентилятора (места А и С на фиг.1).
Кольцевая камера 8 имеет прямоугольное поперечное сечение внутренней полости с гладкими стенками и почти целиком заполнена жидкостью 10 с погружёнными в неё твёрдыми лёгкими корректирующими телами 9, способными всплывать в жидкости. Прямоугольное поперечное сечение кольцевой камеры с гладкими стенками способствует свободному перемещению жидкости (основному носителю балансирующей массы) и делает устройство простым в изготовлении.
Жидкость 10 при температуре 20°С должна заполнять около 95% свободного от корректирующих тел 9 объёма полости, оставляя в резерве остальные 5% пустого пространства для своего возможного расширения при повышении температуры внешней среды.
Твёрдые лёгкие корректирующие тела 9 могут быть как монолитными, так и полыми, а балансирующая жидкость 10 должна иметь высокую плотность, а также обладать антикоррозионными свойствами. Так, например, может быть использована комбинация твёрдых тонкостенных полых шаров, изготовленных из пластмассы, и водного раствора глицерина (50/50), для которого соотношение массы корректирующих тел к массе вытесняемой ими жидкости составляет 3 к 10, что позволяет получить в приемлемых габаритах балансирующее устройство, способное компенсировать значительные дисбалансы.
Корректирующие тела целесообразно выполнять шарообразной формы, что обеспечивает их наиболее высокую подвижность. Однако, при необходимости, балансирующие возможности предлагаемого устройства могут быть увеличены при использовании в качестве корректирующих тел круговых цилиндров.
Устройство обладает способностью балансировки при любом количестве корректирующих тел, начиная с двух, но наилучшие возможности для балансировки достигаются при заполнении полости кольцевой камеры 8 корректирующими телами 9 на одну треть.
Размеры полости должны обеспечивать свободное движение корректирующих тел 9 и свободное перетекание жидкости 10.
Полезная модель обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, чтовнутри кольцевой камеры размещены жидкость, которая является балансирующей массой, и твёрдые лёгкие тела-поплавки, которые являются корректирующей массой, поддерживающей требуемое для балансировки положение жидкости. Кольцевая камера имеет жёсткий корпус, образующий внутреннюю полость прямоугольного поперечного сечения, а масса каждого из твёрдых лёгких корректирующих тел-поплавков меньше массы вытесняемой им жидкости. Наличие в конструкции самобалансирующего устройства двух свободно перемещающихся компонент позволяет достичь технического результата, заключающегося в компенсации появляющихся в процессе эксплуатации дисбалансов переменной величины и в устранении появляющихся вследствие дисбаланса вибраций.
Устройство работает следующим образом.
В исходном положении, до начала вращения (фиг.2), корректирующие тела 9 всплывают в верхнюю часть полости кольцевой камеры. С началом вращения пограничный слой жидкости у стенок кольцевой камеры вовлекает остальную жидкость и корректирующие тела в совместное движение, а возникающее при этом центробежное ускорение создаёт в жидкости перепад давления по высоте полости с минимумом на её внутренней стенке. Лёгкие корректирующие тела 9 всплывают в зону наименьшего давления, к внутренней стенке кольцевой камеры.
После выхода на рабочие обороты, когда скорость вращения жидкости уравнивается со скоростью вращения оси вентилятора, в полости создаются условия для действия сил, стремящихся переместить балансирующую жидкость к положению контрдисбаланса. Эти силы действуют как на жидкость, так и на корректирующие тела, но в условиях сплошности жидкости их перемещения становятся взаимосвязанными. Поскольку силы пропорциональны массам подвижных тел, то твёрдые и лёгкие, практически безинерционные, по сравнению с жидкостью, корректирующие тела могут изменить своё положение только под действием сил давления в жидкости.  В процессе балансировки более тяжёлая жидкость устремляется в сторону положения контрдисбаланса, вытесняя лёгкие корректирующие тела в противоположном направлении по внутренней стенке полости кольцевой камеры.
Таким образом, основной функцией корректирующих масс (шаров-поплавков) является удержание уравновешивающих объёмов жидкости в зоне контрдисбаланса, поскольку без их участия в сильном поле центробежных сил при отсутствии каких-либо формосохраняющих элементов жидкость растекалась бы практически равномерным слоем по всей наружной стенке полости камеры, лишая устройство способности балансировки.
По мере приближения системы к состоянию уравновешенности поле балансирующих сил постепенно ослабевает и перемещение жидкости прекращается в положении контрдисбаласа под действием внутренних потерь энергии, а перемещение лёгких корректирующих масс прекращается в положении дисбаланса.
Однако в случае изменения величины дисбаланса вентилятора под влиянием внешних факторов, действующих в процессе эксплуатации, автоматически происходит соответствующее изменение положения балансирующих и корректирующих масс, сбалансированность восстанавливается, а уровень вибрации вентилятора, соответственно, снижается.
Предлагаемое устройство, создавая повышенную мобильность подвижных масс и снижая вредное влияние сухого трения за счёт использования текучей жидкости в качестве носителя балансирующей массы, обеспечивает эффективность и точность балансировки с высокой стабильностью работы при многократных запусках.
Предлагаемое устройство отличается бесшумностью работы, простотой конструкции и универсальностью для применения в различных типах осевых вентиляторов независимо от различной ориентации оси вращения вентилятора (вертикальная, горизонтальная, наклонная).
В результате применения предлагаемого осевого вентилятора с самобалансирующим устройством улучшатся условия работы вентилятора, увеличится срок службы крыльчатки вентилятора и её лопастей, уменьшится износ других деталей механизма вследствие работы при сниженном уровне вибрации, снизится потребление электроэнергии. Также улучшаются условия работы операторов, находящихся в помещении, где работает вентилятор, вследствие снижения шума, сопровождающего повышенную вибрацию.
Предложенное техническое решение может быть использовано в конструкциях различных типов вентиляторов.