ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА
INPUT DEVICE OF CENTRIFUGAL FAN

Изобретение относится к области вентиляторостроения, а именно к входным устройствам центробежных вентиляторов.
Известно входное устройство вентилятора, содержащее размещенные по ходу потока подводящий канал, входную коробку со скошенной внешней стенкой и всасывающий патрубок, входное сечение которого расположено в плоскости внутренней стенки подводящего канала (А.с. СССР №918565, F04D 29/44, 1982).
Недостатком устройства являются значительные потери на трение во всасывающем патрубке и вихреобразование при резком изменении направления потока.
Наиболее близким к изобретению выбранным в качестве прототипа является входное устройство центробежного вентилятора, содержащее патрубок, образующий с покрывным диском рабочего колеса кольцевой зазор, и расположенную на патрубке направляющую решетку, решетка размещена с наружной стороны патрубка перед зазором и выполнена в виде гофрированной ленты (а.с. СССР №1108252, F04D 29/44, 1984).
Недостатком устройства являются значительные потери энергии воздушного потока при прохождении через входное устройство вентилятора, а именно:
1) потери на трение о стенки всасывающего патрубка конической формы;
2) концевые потери при переходе струи с направляющего патрубка на лопатки вентилятора из-за отклонения направления струи воздуха на выходе конического патрубка от оси симметрии;
3) потери на вихреобразование, сопутствующие процессу турбулизации воздушного потока при прохождении его через направляющую решетку.
Данные потери являются причиной снижения кпд от его номинального значения.
Технической задачей изобретения является повышение кпд вентилятора за счет уменьшения потерь энергии воздушного потока во всасывающем патрубке.
<mrow><mi>r</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mi>c</mi><mi>h</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
Техническая задача достигается входным устройством центробежного вентилятора, представляющим собой всасывающий патрубок, образующий с покрывным диском рабочего колеса кольцевой зазор, профиль образующей всасывающего патрубка имеет вогнутую форму, кривизна которой рассчитывается по формуле:
,
а длина патрубка - по формуле:
<mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mi>arccos</mi><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
вх
где r - входной радиус всасывающего патрубка,
вых
r - выходной радиус,
i
x - текущее значение продольной координаты,
i
r(x) - текущее значение радиуса патрубка в зависимости от продольной координаты.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение кпд вентилятора за счет уменьшения потерь во всасывающем патрубке.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
на фиг.1 приведена схема вентилятора с входным устройством в продольном разрезе;
вых
вх
на фиг.2 приведена эволюция среднерасходной скорости потока в функции продольной координаты патрубка с модулем m=r/r, где кривая 1 - для конического патрубка m=0,5, кривые 2-4 - для патрубка предлагаемой геометрии m=0,5, m=0,25 и m=0,145 соответственно.
Входное устройство содержит всасывающий патрубок 1, образующий с покрывным диском 2 рабочего колеса 3 кольцевой зазор 4 (фиг.1).
<mrow><mi>r</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mi>c</mi><mi>h</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mi>arccos</mi><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Профиль входного патрубка выполнен в виде вогнутой линии, кривизна которой рассчитывается по формуле
, при соблюдении длины патрубка, вычисляемой по выражению
. Профиль входного патрубка полностью определяется входным и выходным его радиусами.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Предлагаемая форма образующей всасывающего патрубка обеспечивает минимум обтекаемой воздушным потоком площади, что, в свою очередь, уменьшает потери на трение. Расчеты показывают, что работа сил трения при использовании патрубка предлагаемого профиля модуля 0,5 уменьшается по отношению к коническому патрубку той же длины и модуля на 28%. Плавный ход образующей приводит к меньшим потерям на вихреобразование.
Поскольку производная от радиуса по продольной координате в выходном сечении предлагаемого всасывающего патрубка равна нулю, направление потока на выходе, в отличие от прототипа, параллельно оси всасывающего патрубка. Это позволяет выполнить лопатки вентилятора с углами входа, соответствующими углам выхода воздушного потока из патрубка, и практически ликвидировать концевые потери при переходе воздушной струи из канала входного патрубка на лопатки вентилятора.
Уменьшение потерь на трение, вихреобразование и концевых потерь, в свою очередь, увеличивает кпд.
Кроме того, предлагаемая геометрия патрубка обеспечивает создание большего отрицательного градиента давлений, в результате чего происходит вытеснение пограничного слоя потока и его уменьшение до незначительных величин. Вследствие этого практически все выходное сечение патрубка занимает ядро потока, а значит, профиль скоростей приближается к прямоугольному виду, что вместе с направлением потока, параллельным оси канала, избавляет от необходимости устанавливать направляющую решетку, что упрощает конструкцию.
На основании теории пограничного слоя была создана математическая модель движения газа в конфузорных каналах, на основании которой была рассчитана эволюция скорости в функции продольной координаты во всасывающих патрубках различной геометрии. Из-за недостатка данных для расчета течения в направляющих решетках сравнительные расчеты произведены для конического патрубка (кривая 1, фиг.2) и патрубка предлагаемой геометрии (кривая 2, фиг.2), имеющих один модуль (m=0,5) и одинаковую длину.
Расчеты показывают, что ускорение потока на выходе патрубка предлагаемой формы превышает аналогичное значение для конического патрубка незначительно (кривые 1, 2, фиг.2), однако наличие в прототипе решеток и диффузорной части приводит к тому, что при их прохождении воздушным потоком происходит дополнительное замедление потока. Следовательно, скорость потока на входе вентилятора при использовании предлагаемого входного устройства будет значительно выше, чем в прототипе, что повысит эффективность работы вентилятора.
Расчеты показывают, что при уменьшении модуля патрубка предлагаемой геометрии m<0,5 значительно повышается скорость потока (кривые 3, 4, фиг.2). Поскольку профиль входного патрубка полностью определяется входным и выходным его радиусами, варьируя соотношение радиусов на входе и выходе устройства, можно реализовать необходимое значение скорости воздушного потока на входе вентилятора (кривые 3, 4, фиг.2).
Таким образом, в отличие от прототипа предлагаемое устройство обеспечивает повышение кпд вентилятора за счет снижения потерь энергии потока, равномерность профиля скоростей и большее ускорение потока.