КАНАЛЬНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР
DUCT FAN

Изобретение относится к области вентиляторной техники, а именно к канальным или крышным вентиляторам с радиальным рабочим колесом, имеющим загнутые назад лопатки.
Из уровня техники известны канальные вентиляторы с радиальным рабочим колесом, в которых корпус выполнен с цилиндрическим участком.
Так, из описания изобретения к патенту РФ №2051295, МПК F04D 17/08, F04D 29/66, дата публикации 27.12.1995, [1], известен прямоточный вентилятор, содержащий корпус, радиальное рабочее колесо, осесимметричный входной коллектор, обтекатель привода радиального рабочего колеса и спрямляющий аппарат, корпус выполнен с цилиндрическим участком, радиальное рабочее колесо образовано основным и покрывным дисками с размещенными между дисками загнутыми назад лопатками, при этом за диаметр радиального рабочего колеса принят максимальный диаметр сопряжения лопаток с основным диском, осесимметричный входной коллектор выполнен с криволинейной образующей, расположен на входе в радиальное рабочее колесо соосно с ним, радиальное рабочее колесо кинематически связано с приводом, установленным в обтекателе, оснащенном цилиндрическим участком и передней стенкой. Особенностью изобретения [1] является малая ширина радиального рабочего колеса, составляющая 0,03…0,045 диаметра радиального рабочего колеса, и отсутствие лопаточного спрямляющего аппарата. Это не позволяет достичь высоких величин коэффициента производительности ϕ и коэффициента полезного действия (КПД) η, что является недостатком известного из изобретения [1] вентилятора.
Аналогичные схемы рассмотрены в публикациях: «Исследование радиально-осевых спрямляющих аппаратов», «Промышленная аэродинамика», Сборник №6, БНИ, 1955 г., [2], «Прямоточные центробежные вентиляторы», И.В. Брусиловский, Промышленная аэродинамика, Сборник №9, БНИ, 1957 г., [3]. В данных работах рассмотрены прямоточные радиальные вентиляторы и методы профилирования спрямляющего лопаточного аппарата, размещенного между цилиндрическим корпусом и внутренним обтекателем. Максимальный КПД, достигнутый в представленных в статьях [2, 3] схемах вентилятора, достигает величины η=0,68-0,76 при малых коэффициентах производительности ϕ=0,1-0,12. Низкий КПД при высоких величинах коэффициента производительности ϕ>0,12 является недостатком представленных в статьях [2, 3] схем вентиляторов.
В то время как в России прямоточные схемы вентиляторов мало распространены и можно встретить только их упрощенные, малогабаритные варианты, за рубежом, например в США, вентиляторы больших типоразмеров выпускаются серийно.
Такие фирмы, как TwinCity, LorenCook, S&P и другие, серийно производят прямоточные радиальные вентиляторы с цилиндрическим корпусом больших типоразмеров. Также существует большое количество изобретений на различные варианты прямоточных вентиляторов с радиальным рабочим колесом в цилиндрическом корпусе, представленные, например, в описаниях изобретений в патентах США №3069071; №3102679; №3412929; №3584968; №3650633; №4092088; №4828456; №5209639; №5810557. Недостатком представленных в данных изобретениях технических решений является КПД канальных вентиляторов, не превышающий величины 73%: η≤0,73.
Из описания изобретения по патенту РФ №2289728, МПК F04D 17/16, дата публикации 20.12.2006 г., [4], известен канальный радиальный вентилятор, содержащий корпус, радиальное рабочее колесо, осесимметричный входной коллектор, привод радиального рабочего колеса, обтекатель привода и спрямляющий аппарат, корпус выполнен с цилиндрическим участком, радиальное рабочее колесо образовано основным и покрывным дисками с размещенными между дисками загнутыми назад лопатками, осесимметричный входной коллектор выполнен с криволинейной образующей, расположен на входе в радиальное рабочее колесо соосно с ним с образованием конфузорного зазора между поверхностями входного коллектора и покрывным диском радиального рабочего колеса, радиальное рабочее колесо кинематически связано с приводом, установленным в обтекателе, имеющим цилиндрический участок и переднюю стенку, спрямляющий аппарат содержит лопатки, установлен в канале между цилиндрическими участками обтекателя и корпуса. Недостаток изобретения [4], принятого за наиболее близкий аналог изобретения, состоит в более низких коэффициентах производительности и давления.
Решаемой технической задачей является повышение величины полного КПД канального вентилятора при больших коэффициентах производительности.
Технический результат заключается в обеспечении высоких величин полного КПД при высоких величинах коэффициента производительности.
Раскрытие изобретения.
Канальный вентилятор, как и наиболее близкий аналог [4], содержит корпус, радиальное рабочее колесо, осесимметричный входной коллектор, привод радиального рабочего колеса, обтекатель привода и спрямляющий аппарат, корпус выполнен с цилиндрическим участком, радиальное рабочее колесо образовано основным и покрывным дисками с размещенными между дисками загнутыми назад лопатками, осесимметричный входной коллектор выполнен с криволинейной образующей, расположен на входе в радиальное рабочее колесо и соосно с ним с образованием конфузорного зазора между поверхностями входного коллектора и покрывного диска радиального рабочего колеса, радиальное рабочее колесо кинематически связано с приводом, обтекатель привода выполнен с цилиндрическим участком и с передней стенкой, спрямляющий аппарат содержит лопатки, установлен в канале между цилиндрическими участками обтекателя и корпуса, но в отличие от наиболее близкого аналога [4] ширина лопатки, равная расстоянию между основным и покрывным дисками на диаметре радиального рабочего колеса, составляет 0,2…0,5 диаметра радиального рабочего колеса, выходная кромка лопаток радиального рабочего колеса содержит, по меньшей мере, два участка, характеризующихся изменением расстояния до оси вращения радиального рабочего колеса на каждом из участков, при этом на первом участке, примыкающем к основному диску, который составляет 0,32…0,45 ширины лопатки радиального рабочего колеса, расстояние от оси вращения до выходной кромки лопатки сохраняется постоянным, а на втором участке расстояние от оси вращения до выходной кромки плавно увеличивается по мере приближения к покрывному диску вплоть до радиуса покрывного диска, при этом диаметр основного диска равен 1,01…1,03 диаметра радиального рабочего колеса, диаметр покрывного диска равен 1,05…1,15 диаметра радиального рабочего колеса, диаметр цилиндрического участка корпуса вентилятора не превышает 1,65 диаметра радиального рабочего колеса, а диаметр цилиндрического участка обтекателя привода радиального рабочего колеса составляет не менее 1,1 диаметра радиального рабочего колеса, при этом за диаметр радиального рабочего колеса принят максимальный диаметр сопряжения лопаток с основным диском.
Канальный вентилятор характеризуется тем, что участок покрывного диска радиального рабочего колеса от диаметра радиального рабочего колеса и до внешнего диаметра покрывного диска выполнен плоским.
Канальный вентилятор характеризуется тем, что участок покрывного диска радиального рабочего колеса в пределах диаметра радиального рабочего колеса выполнен конической формы с углами образующей 50…70 градусов относительно оси вращения радиального рабочего колеса.
Канальный вентилятор характеризуется тем, что в передней стенке цилиндрического обтекателя привода радиального рабочего колеса выполнено по меньшей мере одно отверстие.
Канальный вентилятор характеризуется тем, что обтекатель привода радиального рабочего колеса содержит примыкающий к цилиндрическому участку конический участок, сужающийся к выходу вентилятора, заканчивающийся задним торцом.
Канальный вентилятор характеризуется тем, что задний торец обтекателя оснащен заглушкой, а между корпусом и обтекателем привода установлена труба, пневматически соединенная с полостью, образованной обтекателем, и выходящая наружу корпуса канального вентилятора.
Канальный вентилятор характеризуется тем, что лопатка спрямляющего аппарата выполнена по дуге окружности без крутки по радиусу корпуса, имеет углы установки на входе 25-45 градусов относительно окружного направления, углы установки на выходе 75-83 градусов относительно окружного направления, а густота лопаток спрямляющего аппарата составляет 0,9-1,2.
Канальный вентилятор характеризуется тем, что привод содержит электродвигатель, на валу которого установлено радиальное рабочее колесо.
Канальный вентилятор характеризуется тем, что привод содержит подшипниковый узел, соединенный валом с радиальным рабочим колесом, а подшипниковый узел кинематически связан с электродвигателем, установленным на наружной поверхности корпуса канального вентилятора.
Канальный вентилятор характеризуется тем, что к цилиндрическому участку корпуса примыкает конический участок со стороны выхода из канального вентилятора с углом между образующей и осью вращения радиального рабочего колеса в пределах 25…45 градусов.
Канальный вентилятор характеризуется тем, что цилиндрический участок корпуса вокруг спрямляющего аппарата выполнен звукопоглощающим.
Представленные признаки образуют совокупность и являются существенными для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата.
Изобретение поясняется чертежами и графиками.
На фиг. 1 представлен канальный вентилятор при виде сбоку.
На фиг. 2 представлен разрез А-А на фиг. 1.
На фиг. 3 представлен продольный разрез канального вентилятора.
На фиг. 4 представлен выносной элемент Б на фиг. 3.
На фиг. 5 представлен продольный разрез канального вентилятора с цилиндрическим корпусом.
На фиг. 6 представлен продольный разрез канального вентилятора с цилиндрическим и коническим участками корпуса и обтекателя привода.
На фиг. 7 представлен продольный разрез канального вентилятора с трубой для охлаждения электродвигателя привода, расположенной между цилиндрическими участками корпуса и обтекателя привода.
На фиг. 8 представлен продольный разрез канального вентилятора с обтекателем привода с участками цилиндрической и конической формы и трубой для охлаждения электродвигателя.
На фиг. 9 представлен продольный разрез канального вентилятора с расположенным в обтекателе подшипниковым узлом привода, кинематически связанным с электродвигателем, установленным снаружи корпуса канального вентилятора.
На фиг. 10 представлен график зависимости коэффициента давления Ψ и коэффициента полезного действия (КПД) η от коэффициента производительности ϕ для одного и того же радиального рабочего колеса в прямоточном цилиндрическом со спрямляющим аппаратом («канальный») и без спрямляющего аппарата («канальный аналог») корпусе канального вентилятора, а также в спиральном («спиральный») корпусе.
Канальный вентилятор устроен следующим образом.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Канальный вентилятор содержит корпус 1 с цилиндрическим участком с передним коллектором 2 (фиг. 1, 2, 3), в котором расположены лопатки спрямляющего аппарата 3, радиальное рабочее колесо 4, образованное покрывным 5 и основным 6 дисками и размещенными между дисками загнутыми назад лопатками 7 (фиг. 3, 4). При этом за диаметр радиального рабочего колеса D принят максимальный диаметр сопряжения лопаток 7 с основным диском 6 (фиг. 3). Выходная кромка 8 лопаток 7 радиального рабочего колеса 4 содержит по меньшей мере два участка, характеризующихся изменением расстояния до оси вращения 9 радиального рабочего колеса 4 (фиг. 3): на первом участке, примыкающем к основному диску 6, расстояние от оси вращения 9 до выходной кромки 8 лопатки 7 сохраняется постоянным, а на втором участке, примыкающем к покрывному диску 5, расстояние от оси вращения 9 до выходной кромки 8 плавно увеличивается по мере приближения к покрывному диску 5 вплоть до примыкания к внешнему контуру покрывного диска 5. Диаметр основного диска 6 равен 1,01…1,03 диаметра D радиального рабочего колеса 4, диаметр покрывного диска 5 равен 1,05…1,15 диаметра D радиального рабочего колеса 4. Ширина b лопатки 7, равная расстоянию между основным 6 и покрывным 5 дисками на диаметре D радиального рабочего колеса 4, составляет 0,20…0,48 диаметра D радиального рабочего колеса 4. Первый участок выходной кромки 8 лопатки 7 с постоянным расстоянием до оси вращения 9 радиального рабочего колеса 4 составляет 0,32…0,45 ширины b лопатки 7. Радиальное рабочее колесо 4 кинематически связано с приводом 10, установленным в полости обтекателя 11, содержащего цилиндрическую часть со стороны основного диска 6 радиального рабочего колеса 4. Осесимметричный входной коллектор 12 с криволинейной образующей расположен на входе в радиальное рабочее колесо 4 соосно с ним с образованием конфузорного зазора 13 (фиг. 4). Между цилиндрическими участками корпуса 1 и обтекателя 11 образован канал 14 с лопаточным спрямляющим аппаратом 3, при этом диаметр цилиндрической части корпуса 1 вентилятора не превышает 1,65 диаметра D радиального рабочего колеса 4, а диаметр цилиндрического участка обтекателя 11 составляет не менее 1,1 диаметра D радиального рабочего колеса 4 (фиг. 3, 5-9).
2
Кольцевой участок покрывного диска 5 радиального рабочего колеса от диаметра D радиального рабочего колеса 4 и до внешнего диаметра покрывного диска 5 может выполняться плоским, коническим с углами образующей 50…70 градусов относительно оси 9 вращения радиального рабочего колеса 4 и с другой формой образующей.
Цилиндрический участок обтекателя 11 со стороны радиального рабочего колеса 4 может быть оснащен передней стенкой 15, в которой выполнено по меньшей мере одно отверстие (на фиг. не показано) для охлаждения привода 10, и заглушкой 16 (фиг. 5, 7). Обтекатель 11 может выполняться с сужающимся к выходу из корпуса 1 канального вентилятора коническим участком 17, примыкающим к цилиндрическому участку обтекателя 11, и оснащаться заглушкой 18 (фиг. 8, 9). Для вентиляции привода 10 канальный вентилятор может оснащаться трубой 19, пневматически соединенной с обтекателем 11 и выходящей наружу цилиндрического корпуса 1 (фиг. 7, 8).
В предпочтительном варианте выполнения канального вентилятора лопатка спрямляющего аппарата 3 выполнена по дуге окружности без крутки по радиусу корпуса 1, имеет углы установки на входе 25…45 градусов относительно окружного направления, углы установки на выходе 75…82 градусов относительно окружного направления, а густота лопаток спрямляющего аппарата τ составляет 0,9-1,2.
Привод 10 может содержать электродвигатель 20, на валу которого крепится радиальное рабочее колесо 4 (фиг. 3-8), либо подшипниковый узел 21, на валу которого крепится радиальное рабочее колесо 4, при этом подшипниковый узел 21 кинематически связан с электродвигателем 20, установленным на наружной поверхности цилиндрического участка корпуса 1 вентилятора (фиг. 9).
Участок стенки корпуса 1 на выходе из канального вентилятора может быть выполнен цилиндрической (фиг. 5) или конической формы с углом между образующей и осью вращения 9 в пределах 25…45 градусов (фиг. 3, 6-9).
С целью снижения уровней шума на выходе вентилятора цилиндрический участок корпуса 1 вокруг спрямляющего аппарата 3 может быть выполнен звукопоглощающим (например, из металлического перфолиста, вокруг которого находится слой базальтового мата).
Канальный вентилятор работает следующим образом.
2
2
Течение на выходе из вращающегося радиального рабочего колеса 4 имеет кинетическую энергию вращения и создает динамическое давление, пропорциональное 0,5ρu, где ρ - плотность воздуха, u - окружная скорость концов лопаток 7 на внешнем диаметре D радиального рабочего колеса 4. Наличие лопаток спрямляющего аппарата 3 на выходе из радиального рабочего колеса 4 позволяет перевести часть кинетической энергии в потенциальную путем повышения статической составляющей полного давления потока и предотвратить потерю полной энергии из-за снижения трения о стенки цилиндрического корпуса 1 в связи с уменьшением скорости потока при выравнивании структуры потока.
s
2
2
2
2
Вследствие разности статического давления в полости между передним 2 и входным 12 коллекторами и во вращающемся радиальном рабочем колесе 4 в зазоре 13 формируется кольцевая струя воздуха, истекающая на внутреннюю поверхность покрывного диска 5 (фиг. 4). При этом затягивается отрыв пограничного слоя (потока) на внутренней поверхности покрывного диска 5. Кроме того, увеличенный диаметр покрывного диска 5 и лопатки 7 с возрастающим к покрывному диску 5 расстоянием от оси 9 вращения радиального рабочего колеса до выходной кромки 8 лопатки 7 предотвращает отрыв потока от покрывного диска 5, что позволяет получить наиболее равномерное течение по ширине радиального рабочего колеса 4. В результате обеспечивается повышение статического и полного давления канального вентилятора и его КПД как по полному η, так и по статическому η давлению. Эти меры позволяют вентилятору эффективно работать при разных значениях ширины радиального рабочего колеса b, отнесенной к его диаметру D, обеспечивая высокие значения КПД и расширение зоны работы по коэффициенту производительности ϕ вплоть до ϕ=0,5, что, в свою очередь, позволяет увеличить ширину лопаток 7 рабочего колеса 4 вплоть до b=0,48D без ухудшения его аэродинамических характеристик. При этом, как показали исследования, форма осерадиального перехода 22 от конической к цилиндрической форме корпуса 1 слабо влияет на восстановление статической составляющей полного давления.
S
Сравнение безразмерных аэродинамических характеристик радиального вентилятора с разными корпусами и одинаковым радиальным рабочим колесом 4 показано на фиг. 10 на графиках Ψ=f(ϕ) и η=f(ϕ), где:
v
2
Ψ=2P/ρu - коэффициент полного давления,
v
P - полное давление, создаваемое вентилятором,
ρ - плотность воздуха;
2
u=πDn/60 - окружная скорость лопатки рабочего колеса,
2
D - диаметр рабочего колеса;
n - частота вращения;
S
S
2
Ψ=2P/ρu - коэффициент статического давления;
S
P - статическое давление, создаваемое вентилятором,
ϕ=Q/(uS) - коэффициент производительности,
Q - объемная производительность вентилятора,
2
2
S=πD/4 - площадь рабочего колеса;
v
η=PQ/N - коэффициент полезного действия,
N - механическая мощность, подводимая к валу радиального рабочего колеса.
На графиках индексы при коэффициентах соответствуют:
канальный
канальный
Ψ, η - коэффициент статического давления и коэффициент полезного действия канального вентилятора, представленного в данном изобретении;
канальный аналог
канальный аналог
Ψ, η - коэффициент статического давления и коэффициент полезного действия канального вентилятора без спрямляющего аппарата, представленного в наиболее близком аналоге [4], с таким же рабочим колесом, как в данном изобретении;
спиральный
спиральный
Ψ, η - коэффициент статического давления и коэффициент полезного действия вентилятора в спиральном корпусе с таким же рабочим колесом, как в данном изобретении.
В соответствии с графиками на фиг. 10 коэффициент полного давления Ψ и КПД η разработанного канального вентилятора близки коэффициенту полного давления Ψ и КПД η того же радиального рабочего колеса в спиральном корпусе и достигают 78% в максимуме в отличие от варианта использования этого рабочего колеса в цилиндрическом корпусе, представленного в наиболее близком аналоге [4], без спрямляющего аппарата.
Изобретение раскрыто в объеме, достаточном для разработки и изготовления радиального канального вентилятора на специализированном предприятии. Изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ ИЗОБРЕТЕНИЯ «КАНАЛЬНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР»
1 - корпус вентилятора;
2 - передняя коллектор;
3 - спрямляющий аппарат;
4 - радиальное рабочее колесо;
5 - покрывной диск рабочего колеса;
6 - основной диск рабочего колеса;
7 - лопатка рабочего колеса;
8 - выходная кромка лопатки рабочего колеса;
9 - ось вращения радиального рабочего колеса 4;
10 - привод радиального рабочего колеса 4;
11 - обтекатель привода 10;
12 - входной коллектор;
13 - кольцевой зазор между входным коллектором 12 и покрывным диском рабочего колеса;
14 - кольцевой канал между цилиндрическими участками корпуса 1 и обтекателя 11;
15 - передняя стенка обтекателя 11;
16 - задняя заглушка цилиндрического обтекателя 11;
17 - конический участок обтекателя 11;
18 - задняя заглушка конического участка 17 обтекателя 11;
19 - труба для вентиляции привода 10;
20 - электродвигатель привода 11;
21 - подшипниковый узел;
22 - осерадиальный переход;
2
D - диаметр радиального рабочего колеса 4, равный диаметру окружности, описываемой при вращении выходными кромками лопаток 7, прилегающими к основному диску 6;
2
2
b - ширина лопатки 7, равная расстоянию между основным 6 и покрывным 5 дисками на диаметре D рабочего колеса;
v
2
Ψ=2P/ρu - коэффициент полного давления;
v
P - полное давление, создаваемое вентилятором;
ρ - плотность воздуха;
2
u=πDn/60 - окружная скорость лопатки рабочего колеса;
n - частота вращения;
S
S
2
Ψ=2P/ρu - коэффициент статического давления;
S
P - статическое давление, создаваемое вентилятором;
ϕ=Q/(uS) - коэффициент производительности;
Q - объемная производительность вентилятора;
2
2
S=πD/4 - площадь рабочего колеса;
v
η=PQ/N - коэффициент полезного действия;
N - механическая мощность, подводимая к валу рабочего колеса.