Рабочее колесо центробежного вентилятора
CENTRIFUGAL FAN IMPELLER

Изобретение относится к области центробежного вентиляторостроения, в частности к листовым конструкциям рабочих колес.
Известен способ изготовления рабочих колес центробежных машин (патент RU С2 2270935 МПК F04D 29/26 2005.20.10). Предлагаемый способ направлен на совершенствование технологии изготовления колеса при котором обеспечивается более свободный доступ к выполнению сварных швов для соединения лопаток с покрывным диском с внутренней стороны с обеспечением необходимой прочности рабочего колеса центробежной компрессорной машины.
Конструктивно рабочее колесо состоит из коренного, покрывного дисков и лопаток между ними, изготовленных из поковки, или литьем под давлением. Диски колеса выполнены коническими с увеличением переменного сечения от периферии к горловине на покрывном диске и к массивной ступице коренного диска. Такая геометрия дисков обеспечивает более равномерное распределение напряжений в полотне дисков и обеспечивает необходимую им жесткость, окружная скорость таких колес достигает до 250 м/с. Повышение же жесткости колеса обеспечивает более высокий уровень собственных частот колебаний дисков и лопаток и тем самым устраняют их работу в режиме резонанса, обеспечивая повышение надежности при эксплуатации.
Недостатком же такого колеса является повышенная масса и высокая стоимость изготовления.
Известно рабочее колесо центробежного вентилятора (авторское свидетельство №992838 МПК F04Д 1983.30.01). Колесо содержит диски и расположенные между ними пустотелые лопатки.
Рабочая сторона лопатки выполнена листовой с внутренней стороны, к которой установлены и закреплены ребра жесткости. Входная и хвостовая части лопаток выполнены в виде спрофилированных стержней, установленных от торца к торцу дисков и жестко закреплены к ним. Другая нерабочая сторона лопаток выполнена в виде набора уголковых элементов от торца к торцу дисков от входной кромки лопатки до выходной. Учитывая, что одна часть уголкового элемента является рабочей стороной, а другая ребром жесткости соединенная с другой стороной соседнего элемента жесткости, а торцы закреплены к дискам, при этом каждое ребро жесткости располагается по радиусу колеса. В ребрах жесткости могут быть выполнены отверстия, а уголковый элемент со стороны входа может быть выполнен заодно с обшивкой лопатки.
Недостатком такого рабочего колеса является сложность конструкции лопатки и непростая технология ее изготовления и сборки. Если же полученный металлический каркас заменить пенопластом заполнив всю полость лопатки, то напряжения в местах обшивки лопатки выровняться, каркасная же система не обеспечивает равномерного распределения напряжений по обшивке лопатки и является нерациональной. Наличие же листовых дисков в колесе не обеспечивают необходимой жесткости колеса, а это вызывает в конечном счете колебательные явления дисков и лопаток при низких частотах, что приводит к усталостным разрушениям колес.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является рабочее колесо центробежного вентилятора листовой конструкции (В.И. Ковалевская, Г.А. Бабак, В.В. Пак. Шахтные центробежные вентиляторы. Москва; «Недра». 1976. С. 319). Рабочее колесо недорогое в изготовление. Диски и оболочки лопаток листовые. Лопатки, пустотелые заполненные пенопластом, обеспечивающим условия для равномерного распределения напряжений в обечайки лопаток.
H
Однако недостатком такого колеса является недостаточная его жесткость ввиду малой жесткости дисков. Особенно это касается коренного диска, который прогибается от сил тяжести лопаток, покрывного диска и осевых сил в рабочем колесе. Такому рабочему колесу характерны низкочастотные колебания лопаток и дисков, а в местах соединения лопаток с дисками возникают усталостные трещины и разрушения. Основная составляющая переменных напряжений в лопатках и дисках, имеет частоту, равную частоте вращения колеса, т.е. ƒ=n. Переменные напряжения с указанной частотой вызываются неподвижной в пространстве нагрузкой от сил тяжести лопаток и покрывного диска из-за недостаточной жесткости коренного диска, вся нагрузка воспринимается малым количеством лопаток, у которых в данный момент времени главные оси инерции лопаток располагаются перпендикулярно весовым нагрузкам.
Задачей изобретения является повышение надежности и ресурса рабочего колеса центробежного вентилятора за счет повышения его жесткости, создавая при этом уровень собственных частот колебаний лопаток и дисков, превышающих диапазон рабочих оборотов колеса одновременно обеспечивая повышение его динамической прочности.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в установке опорного диска с наружной стороны коренного диска, опорного покрывного диска с наружной стороны покрывного диска, а также в установки спрофилированных бобышек в тело лопаток со стороны прилегающих торцев к дискам заподлицо и обеспечением повышенной жесткости и прочности рабочего колеса.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в рабочем колесе центробежного вентилятора, содержащем коренной диск, покрывной диск с горловиной, пустотелые лопатки между ними с наполнителем в виде пенопласта и ступицу, согласно изобретению со стороны наружных поверхностей коренного и покрывного дисков установлены опорный диск и опорный покрывной диск, имеющие отбортовки вблизи наружного диаметра рабочего колеса, сопрягаемые с наружными поверхностям коренного и покрывного дисков, при этом вблизи внутреннего диаметра опорного покрывного диска выполнена отбортовка в виде кольца, сопрягаемого с наружной поверхностью горловины покрывного диска, вблизи внутреннего диаметра опорного диска выполнена отбортовка, сопрягаемая с внешней торцевой поверхностью ступицы, а со стороны торцев лопаток в их полости установлены бобышки, спрофилированные по внутренним торцевым контурам лопаток заподлицо, сопрягаемые с телом лопаток и дисков, а отбортовки, выполненные на опорном и опорном покрывном дисках вблизи наружного диаметра рабочего колеса и сопрягаемые с наружными поверхностями коренного и покрывного дисков, а также отбортовка на опорном покрывном диске вблизи внутреннего диаметра, выполненная в виде кольца, сопрягаемого с наружной поверхностью горловины, соединены и закреплены между собой клеесварными соединениями, отбортовка, выполненная на опорном диске вблизи внутреннего диаметра, сопрягаемая с внешней торцевой поверхностью ступицы, а также сопрягаемые поверхности бобышек с телом лопаток и их торцев - с коренным и покрывным дисками соединены и закреплены пайкой.
Использование отличительных признаков в заявленном изобретении позволяет повысить уровень собственных частот колебаний лопаток и дисков, путем увеличения жесткости рабочего колеса за счет установки опорного диска с наружной стороны коренного диска и опорного покрывного диска с наружной стороны покрывного диска, а также заполнения образованных пустотелых полостей между коренным и опорным дисками, покрывном и опорным покрывным дисками, и пустотелых лопаток наполнителем в виде пенопласта, тем самым дополнительно повышая динамическую прочность рабочего колеса, его надежность и ресурс.
Существо изобретения поясняется чертежом, на котором приведено поперечное сечение рабочего колеса центробежного вентилятора.
Рабочее колесо центробежного вентилятора содержит коренной диск 1, покрывной диск 2 с горловиной, пустотелые лопатки 3 между ними с наполнителем в виде пенопласта 4.
Со стороны наружных поверхностей коренного 1 и покрывного дисков 2 установлены опорный и опорный покрывной диски 6, 7, имеющие отбортовки вблизи наружного диаметра рабочего колеса, сопрягаемые с наружными поверхностями коренного и покрывного дисков 1, 2. Вблизи внутреннего диаметра опорного покрывного диска 7, выполнена отбортовка в виде кольца, сопрягаемого с наружной поверхностью горловины покрывного диска 2. Названные сопрягаемые поверхности соединены и закреплены клеесварными соединениями.
Со стороны внутреннего диаметра опорного диска 6 выполнена отбортовка, сопрягаемая с внешней торцевой поверхностью ступицы 5, коренной диск 1, сопрягаемый с внутренней ее торцевой поверхностью ступицы 5, со стороны торцев лопаток 3 в их полости установлены бобышки 8, 9, спрофилированные по внутренним торцевым контурам лопаток 3 заподлицо, сопрягаемые с телом лопаток и дисков 1, 2 соединены и закреплены пайкой.
Со стороны опорного диска 6, коренного диска 1 и сопрягаемой бобышки 8, а также со стороны опорного покрывного диска 7, покрывного диска 2 и сопрягаемой бобышки 9 выполнены соосно сквозные отверстия для заполнения образованных полостей между дисками 1, 6 и 2, 7, а также лопаток 3 наполнителя в виде пенопласта.
Рабочее колесо центробежного вентилятора работает следующим образом: при вращении вала электродвигателя или другого источника энергии лопатки 3 рабочего колеса всасывают воздушную массу, создавая в центре разряжения и зону повышенного давления за пределами лопаток 3. Разреженная область втягивает новый объем воздуха, а область повышенного давления проталкивает воздух далее по вентиляционным каналам. Основной нагрузкой, которая вызывает напряженность колеса, являются центробежные силы от дисков 1, 6, 2, 7 и лопаток 3. Влияние аэродинамических сил незначительно.
При вращении рабочего колеса вентилятора от центробежных сил дисков возникают напряжения растяжения и изгиба, приводящие к осевым перемещениям. Рабочие лопатки препятствуют этим перемещениям. В связи с этим возникают опорные моменты в местах крепления лопаток. Кроме центробежных сил на детали колеса действуют сложные системы сил от взаимного стеснения свободных перемещений из-за неравенства радиальных перемещение дисков колеса. В связи с этим конец лопатки, прилегающий к покрывному диску, перемещается относительно другого края. В результате взаимного перемещения краев лопатки возникают дополнительные опорные усилия и моменты в местах крепления лопаток.
В случае вращения вала с консольным расположением колеса последний испытывает сложное вращательное движение (прецессионное), собственное вращения рабочего колеса вокруг своей собственной оси в рабочем состояние (гироскопическое). В результате вращения ротора вентилятора, рабочее колесо испытывает динамический изгибающий момент.
Создание жесткой конструкции рабочего колеса центробежного вентилятора является одним из основных факторов, определяющих надежность и долговечность конструкции.
H
Опыт эксплуатации рабочих колес с обычными листовыми дисками, а также натурные и стендовые испытания показали, что основные поломки вентиляторных колес (в частности листовых конструкций) вызываются переменными нагрузками и носят усталостный характер. Наиболее нагружены опорные сечения лопаток 3 со стороны коренного диска 1. Основная составляющая переменных напряжений в лопатках 3 и дисках 1, 2, имеет частоту, равную частоте вращения колеса, т.е. ƒ=n. Переменные напряжения с частотой вызываются неподвижной в пространстве нагрузкой от сил тяжести лопаток 3 и покрывного диска 2, из-за недостаточной жесткости коренного диска 1 вся нагрузка воспринимается малым количеством лопаток, у которых в данный момент времени главные оси инерции лопаток 3 располагаются перпендикулярно весовым нагрузкам.
Следует отметить, что установка опорных дисков со стороны наружных поверхностей коренного и покрывного дисков изменяет конструкции дисков, превращая их первоначальную форму обычной листовой конструкции в форму пустотелых конических дисков и заполнения их наполнителем в виде пенопласта, что обеспечивает им большую жесткость, динамическую и статическую прочность и устойчивость.
Повышение жесткости рабочих колес центробежных вентиляторов позволяет повысить уровень собственных частот колебаний основных деталей рабочего колеса лопаток и дисков. Этим самым обеспечивается безрезонансная работа рабочего колеса в рабочем диапазоне оборотов.
Итак, заявленное изобретение позволяет повысить надежность и ресурс рабочих колес центробежных вентиляторов за счет повышения уровня собственных частот дисков и лопаток путем повышения жесткости колес, и динамической прочности.