Малошумная лопасть рабочего колеса осевого вентилятора
LOW-NOISE AXIAL FAN IMPELLER BLADE

Изобретение относится к вентиляторостроению и может быть использовано преимущественно для промышленных осевых вентиляторов и градирен с низким уровнем, так называемого, «вихревого шума».
Вихревой шум возникает в результате того, что воздух покидает задние кромки лопастей во время работы вентилятора в форме вихрей или завихрений. Известно, что во многих вентиляторах, из-за характеристик самого вентилятора, вихревой шум может иметь такую частоту или интенсивность, что он не требует особого внимания или маскируется другими шумами вентилятора. Там, где вихревой шум является существенным фактором, до сих пор предлагалось минимизировать шум, делая поверхности лопастей, в частности, поверхности, прилегающие к задним краям лопастей, из пористого материала, предполагаемый эффект которого заключался в предотвращении или уменьшении создание вихревого потока воздуха, выходящего за край лопатки.
Известен осевой вентилятор, оснащенный множеством лопаток, наклоненных в плоскости вращения вентилятора (RU2208711, опубл. 20.07.2002) [1]. Каждая из этих лопаток имеет корневую и концевую части, при этом лопатки ограничены выпуклой кромкой и вогнутой кромкой и состоят из участков с аэродинамическими профилями. Угол установки лопаток постепенно и непрерывно уменьшается от корневой части к концевой и определяется, как текущий угол между плоскостью вращения и прямой линией, соединяющей переднюю кромку с задней кромкой аэродинамического профиля каждого участка лопатки. Проекция выпуклой кромки на плоскость вращения определяется параболическим сегментом.
Как следует из описания к RU2208711, данный вентилятор имеет разнообразное применение. Он может быть использован, например, для перемещения воздуха через теплообменник или радиатор в системе охлаждения автомобиля либо двигателя, подобного автомобильному двигателю, или для перемещения воздуха через теплообменник в системе обогрева кабины автомобиля, а также для перемещения воздуха в стационарных установках для кондиционирования и нагрева воздуха, находящихся внутри зданий.
Вентиляторы этого типа должны удовлетворять различным требованиям, включая низкий уровень шума, высокий коэффициент полезного действия, компактность, а также приемлемые значения напора (давления) и подачи. Однако в конструкции лопатки этого вентилятора отсутствуют активные средства погашения турбулентности воздушного потока за хвостовой кромкой лопасти, являющейся основной причиной шумообразования в осевом вентиляторе при его работе, особенно на нерасчетном режиме эксплуатации.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является лопасть рабочего колеса вентилятора для перемещения текучей среды, например, воздуха, известная из US4089618, опубл. 16.05.1978 г. [2]. Этот вентилятор имеет аэродинамическую лопасть с относительно узкой корневой и широкой концевой частями, криволинейные переднюю и заднюю кромки, причем по всей длине задней кромки выполнены V или U - образные выемки (зубцы).
В этом вентиляторе снижается шум, имеющий высокую слышимую частоту, возникающую из-за явления, возникающего на задних кромках лопастей, известного как отхождение вихрей. Для того, чтобы нарушить структуру вихрей, покидающих лопасть и вызывающих шум, и вызвать состояние турбулентности, края каждой лопасти надрезают. Турбулентность распределяет колебания давления, возникающие в результате движения лопастей в жидкости, в относительно широком диапазоне частот и снижает частоту раздражающего шума.
Однако решение проблемы шумообразования за счет разрушения турбулентных вихрей за задней кромкой лопасти  является частичным решением проблемы, т.к. не решается задача стабилизации течения воздушного потока вдоль профиля лопасти, где, как известно, перетекание пограничного слоя от корневой части лопасти к концевой за счет центробежных сил во время вращения рабочего колеса, приводит в накоплению и срыву массы воздуха, и, как следствие,  к появлению неустойчивых режимов работы вентилятора, сужающих область его эксплуатации, а также к дополнительному шумообразованию.
Задача настоящего изобретения заключается в разработке формы лопасти рабочего колеса осевых вентиляторов, снижающей вихревой шум и расширяющей область применения вентиляторов.
Для этого предложена малошумная лопасть рабочего колеса осевого вентилятора, имеющая аэродинамический профиль, содержащая корневую и концевую части, рабочую и нерабочую поверхности, криволинейные переднюю и заднюю кромки, при этом на задней кромке выполнены выемки. На верхней половине рабочей и нерабочей поверхностей лопасти, начиная от оси профилей, выполнен ряд противосрывных ребер, выступающих за заднюю кромку на угол от 5до 15градусов относительно хорды, соединяющей крайние точки корневой и концевой частей задней кромки лопасти, при этом ребра расположены по радиусу из оси вращения рабочего колеса.
Предлагаемая конструкция лопасти позволяет снижать шум при работе осевого вентилятора за счет исключения возможности перетекания пограничного слоя воздуха  от корневой части лопасти к клнцевой, где при его накоплении происходит срыв с поверхности лопасти и появления турбулентности потока, вызывающего дополнительную шумовую гармонику, вибрацию лопасти, вызванную перепадами давления и появление неустойчивых режимов работы вентилятора, существенно снижающих надежность его работы и область эксплуатации.
Дополнительно и одновременно выемки на задней кромке   в верхней части лопасти приводят к созданию разных по размерам в широком диапазоне частот вихрям в потоке сходящего с лопасти воздуха, что приводит к снижению интенсивности вихревого шума и в целом к благоприятным условиям обтекания лопасти воздушным потоком.
Новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в стабилизации течения воздушного потока вдоль профиля лопасти по всей ее длине, обеспечивающей снижение шума при работе осевого вентилятора за счет исключения срыва потока и дробления турбулентного потока за лопастью на мелкие завихрения.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 и фиг. 2 изображена малошумная лопасть; на фиг. 3 – сечение лопасти А-А; на фиг.4 – сечение лопасти Б-Б.
п
з
к
а
Лопасть рабочего колеса вентилятора состоит из пера лопасти 1 и хвостовика 2.  Перо лопасти имеет переднюю кромку 3, выполненную по радиусу R, заднюю кромку 4, с радиусом R, корневую часть 5 и концевую часть 6, выполненную по радиусу Rот центра вращения рабочего колеса. Аэродинамический профиль лопасти (сечение А-А) ограничен рабочей поверхностью лопасти 7 и нерабочей поверхностью 8, симметричных относительно радиуса R.  Малошумная лопасть имеет ось вращения 9 и ось расположения профилей 10.
k
1
i
На рабочей 7 и нерабочей 8 поверхностях лопасти выполнены противосрывные ребра 11, которые по радиусу R, R… R исходят из центра вращения рабочего колеса. Противосрывные ребра 11 начинаются от оси аэродинамических профилей 10 и выступают за заднюю кромку лопасти 4 на угол от 5 до 15 градусов относительно хорды, соединяющей крайние точки корневой и концевой частей задней кромки лопасти.
а
При этом задняя кромка 4 между противосрывными ребрами 11 имеет плавный переход по радиусу r к наружным частям противосрывных ребер 11. Противосрывные ребра 11 имеют аэродинамичесий профиль,  симметричный радиусу R и по высоте не превышают 30 мм над уровнем поверхностей  (рабочей/нерабочей) лопасти.  Для обеспечений эффекта снижения шума достаточно выполнить на лопасти до пяти противосрывных ребер 11, равномерно расположенных в верхней части лопасти от ее середины до концевой части 6.
Предпочтительно, чтобы проекция противосрывных ребер имела аэродинамический профиль высотой не более 30 мм от рабочей и нерабочей поверхностей лопасти, что соответствует расчетной величине перетекающего по лопасти пограничного слоя.
То, что выемки на задней кромке лопасти расположены между противосрывными ребрами и выполнены с плавным закруглением к этим ребрам, приводит к дроблению вихрей сходящего воздушного потока, снижая их интенсивность и генерируемый шум.
Снижение шума при работе осевого вентилятора в предлагаемой конструкции лопасти достигается за счет исключения возможности перетекания пограничного слоя воздуха от корневой части лопасти к концевой и снижения турбулентности воздушного потока за задней кромкой лопасти вентилятора.