РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ВЕНТИЛЯТОРА (ВАРИАНТЫ)

Заявляемое изобретение относится к области вентиляторостроения, а именно к рабочим колесам вентиляторов и нагнетателей с низким уровнем шума.
При работе вентиляторов и нагнетателей основным источником шума является вращающееся рабочее колесо: на кромках и поверхностях колеса происходит разрыв и дробление входящего газового потока на множество турбулентных вихрей, которые после вентилятора вновь должны собираться в упорядоченный поток перемещаемого газа. При этом возникают дополнительные вибрации самих поверхностей проточных частей, что усиливает звуковое давление, особенно в зонах резонансных частот. Для снижения уровней шума предлагаются различные решения, которые можно сгруппировать по двум основным направлениям.
Первое направление - это совершенствование геометрических параметров всех элементов колеса вентилятора (выбор количества лопастей, форма их поверхностей, округление кромок, выбор углов закрутки и т.д.) и увеличение жесткости конструкций для уменьшения резонансных явлений. В данном случае необходимо проводить большой объем расчетно-исследовательских и опытных работ и учитывать реальные производственно-технологические возможности.
Известно рабочее колесо вентилятора (см. заявка US №20070098556, МПК В64С 11/00, опубликована 03.05.2007), включающее основной диск, закрепляемый на валу привода, и задний диск, которые соединены полыми лопатками. Основной диск, задний диск и полые лопатки отлиты из жесткого полимерного материала.
Известное радиальное колесо обеспечивает более низкий уровень шума при работе вентилятора и позволяет снизить его вес. Однако конструкция известного радиального колеса имеет определенные недостатки. Изготовление полимерных колес требует дорогостоящей оснастки, особенно при выпуске нескольких типоразмеров изделия, как это имеет место в современной промышленности. Закрепление полимерного колеса на валу вызывает определенные сложности и требует специальных решений. Высокий уровень шума создают, в первую очередь, высоконапорные вентиляторы с увеличенной частотой вращения, но использование полимеров в данном случае требует дополнительных мер (армирование, выбор особо прочных материалов), что еще более увеличивает их стоимость.
1
1
2
0
2
0
0
1
2
1/2
1/2
Известно рабочее колесо вентилятора (см. патент RU №2362911, МПК F04D 19/00, опубликован 27.07.2009), содержащее ступицу с количеством лопастей от 2 до 8. Лопасти установлены с углом атаки α≥15°, передняя и задняя кромки плоскости лопасти образованы пересечением двух парабол: Y=KX; Y=2R+KX, касающихся окружности радиусом R≥2R, центр которой находится на расстоянии в≥2/3L, где L - проекция длины лопасти на координату X. Изначально задают следующие величины: L и в≥2/3L; радиусы R и R. Коэффициенты K и K рассчитываются по формулам:
;;
1
2
3
3
3
3
4
0
4
0
1/2
1/2
1/2
где точки A и B - точки касания параболами Y и Y окружности радиусом R. Профиль сформирован одной параболой Y=KX для лопасти длиной до 0,5 м, либо пересечением двух парабол Y=KX; Y=2R+KX для лопастей длиной от 0,5 до 1,5 м под острым углом на передней кромке, сопряженной на задней кромке полуокружностью радиусом R. Конец лопасти загнут вперед на угол β>45°, а соседние лопасти соединены между собой демпфирующим устройством.
Известное рабочее колесо обеспечивает при своем использовании увеличение КПД вентилятора и снижение шума при его работе. Расчетное профилирование проточной части известного рабочего колеса оптимизируется под конкретные параметры перемещаемой среды. В реальной эксплуатации вентиляторы с такими радиальными колесами практически всегда работают в нерасчетном режиме, что приводит к снижению их эффективности, повышенной шумности.
Известно рабочее колесо вентилятора (см. патент RU №2321775, МПК F04D 29/28, опубликован 10.04.2008), содержащее передний диск, имеющий входное отверстие, и задний диск, которые соединены друг с другом через лопаточный венец. Лопаточный венец имеет проходящие с изгибом изнутри наружу против направления вращения и ориентированные в осевом направлении лопатки. Проходящие параллельно оси вращения наружные кромки лопаток задают выходной диаметр (DAs) лопаток. На переднем и заднем дисках образованы выступающие за выходной диаметр лопаток наружные краевые области, которые задают кольцевое диффузионное пространство с наружным диаметром (DN). (DN) превышает выходной диаметр (DAs) лопаток максимум на 25%. при этом выступающие краевые области проходят в поперечном сечении прямолинейно. Профиль поперечного сечения диффузионного пространства выполнен прямоугольно или трапециевидно расширенным наружу. Радиальное колесо вентилятора снаружи от выходного диаметра (DAs) не имеет лопаток.
Известное рабочее колесо вентилятора позволяет повысить КПД радиального вентилятора. Однако расчетное профилирование проточной части колеса оптимизируется под конкретные параметры перемещаемой среды. В реальной эксплуатации эти параметры изменяются в широких пределах. Поэтому вентиляторы с такими колесами практически всегда работают в нерасчетном режиме, что приводит к снижению их эффективности, повышенной шумности
Второе направление - это использование гибких и мягких материалов для изготовления элементов колес и улиток вентиляторов. Например, осевые комнатные вентиляторы, имеющие резиновые лопасти, излучают очень низкий уровень шума при достаточной для данного случая производительности. Применение эластичных полимеров при изготовлении вентиляторов позволяет существенно снизить шумность, так как подобные материалы гасят вибрации, а нежесткие кромки на лопастях таких колес сглаживают разрывы в протекающем газовом потоке.
Так, известно рабочее колесо вентилятора (см. патент RU №2176334, МПК F04D 29/32, опубликован 27.11.2001), содержащее цилиндрическую, коническую или цилиндроконическую втулку, на периферийной части которой расположены закрепленные неподвижно или поворотные лопатки, профиль выполнен из гибкого материала постоянной толщины по радиусу и с заданными параметрами жесткости.
Основные недостатки такого колеса заключаются в том, что элементы колеса, выполненные из гибких материалов, могут не обладать достаточной прочностью и теплостойкостью - поэтому подобные конструкции не позволяют делать адекватную замену традиционным вентиляторам, изготовленным полностью из металлов.
Известно рабочее колесо вентилятора (см. патент JP №11141494, МПК F04D 17/00, опубликован 25.05.1999), включающее лопаточный венец, который имеет ориентированные в осевом направлении лопатки, на которых образованы зубчатые формы посредством вырезания концов лопастей во многих местах.
Известное рабочее колесо вентилятора обеспечивает уменьшение вихрей на задних краях лопастей и снижение шума при работе вентилятора, но, как показывает опыт, выполнение на лопастях и их кромках различных отверстий и вырезов может приводить к образованию новых высокочастотных шумов (свист, хлопки и т.п.), хотя звуковое давление в других октавах и будет иметь некоторое снижение.
Известно рабочее колесо вентилятора (см. патент RU №2365792, МПК F04D 17/04, F04D 29/66, опубликован 27.08.2009), совпадающее с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Рабочее колесо-прототип содержит передний диск и задний диск, которые выполнены из полимера и вращаются вокруг оси вращения; соединенные друг с другом через лопаточный венец, который имеет ориентированные в осевом направлении лопатки, которые выполнены из полимера, расположены на наружных периферийных участках, на которых образованы зубчатые формы посредством вырезания концов лопастей во многих местах. На поверхности каждой из лопастей образована ступень в положении на заданном расстоянии а от конца лопасти, на котором образована зубчатая форма.
Известное рабочее колесо вентилятора обеспечивает уменьшение вихрей на задних краях лопастей и снижение шума при работе вентилятора. Однако выполнение на лопастях и их кромках различных отверстий и вырезов может приводить к образованию новых высокочастотных шумов (свист, хлопки и т.п.), хотя звуковое давление в других октавах и будет иметь некоторое снижение. Кроме того, использование полимерных материалов существенно ограничивает широкое внедрение данного решения в производство.
Задачей, которую решает заявляемое техническое решение, являлась разработка такого рабочее колесо вентилятора, которое бы позволяло добиться существенного снижения шумности обще применяемых вентиляторов, изготовленных из металлов по традиционным технологиям.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.
По первому варианту задача решается тем, что рабочее колесо вентилятора содержит передний диск, имеющий входное отверстие, и задний диск, соединенные друг с другом через лопаточный венец, который имеет ориентированные в осевом направлении лопатки, при этом по меньшей мере часть проточной поверхности рабочего колеса покрыта ворсом из эластичных волокон, закрепленных на проточной поверхности адгезивом.
В рабочем колесе ворсом могут быть покрыты также внутренние поверхности переднего и заднего дисков.
По второму варианту задача решается тем, что рабочее колесо вентилятора содержит ступицу, на которой закреплен лопаточный венец, который имеет ориентированные в осевом направлении профилированные лопатки, при этом по меньшей мере часть проточной поверхности рабочего колеса покрыта ворсом из эластичных волокон, закрепленных на проточной поверхности адгезивом.
Как в первом, так и во втором вариантах ворсом могут быть покрыты части лопаток в области входных кромок, в области выходных кромок или ворсом может быть покрыта вся проточная поверхность лопаток.
Эластичные волокна предпочтительно имеют длину 1-15 мм, в зависимости от габаритов. На практике эффект по снижению шума обнаруживается при минимальной длине ворса 1 мм. При длине ворса 3-5 мм имеет место заметное (на 2-3 дБ) снижение шумности вентилятора. Дальнейшее увеличение длины покрывающего ворса ведет к устойчивому снижению звукового давления. Оптимальную длину волокон следует принимать в диапазоне 7-15 мм. Отметим, что данные рекомендации относятся к ворсовым покрытиям внутренних поверхностей колес. В то же время, на выходных кромках желательно применять более длинные покрытия.
2
Для повышения эффекта шумоподавления могут быть выполнены различные варианты ворсового покрытия. Нити ворса на разных участках колеса могут иметь одинаковую или различную толщину, одинаковую или различную длину, одинаковую или различную плотность П ворсового покрытия, которая определялась, как число волокон на площади в 1 см. Волокна ворса могут быть расположены под одинаковым или различным углом к поверхности на разных участках покрытия.
Материал ворса должен соответствовать, прежде всего, эксплуатационным требованиям вентиляторов (пожаробезопасность, теплостойкость, гидрофобность и др.). Как правило, это волокна, выполненные из широко используемых в разных отраслях промышленности полимеров: полиэстер, арамид, полиэфир, полиамид и т.д. Ворс на металлическое рабочее колесо может быть нанесен путем электростатического флокирования. Ворс может быть также предварительно нанесен в электростатическом поле на тонкую подложку, которую затем наклеивают на заданные участки рабочего колеса.
1
2
3
2
2
2
2
Нанесение ворса из волокон разной длины способствует достижению наибольшей эффективности подавления шума. На входных и выходных кромках рабочих колес происходит интенсивное дробление газового потока, поэтому в этих зонах желательно разместить более длинные волокна. При этом на входе в колесо ворсовое покрытие должно выглядеть в виде щетки, как бы «сметающей» движущийся газовый поток. Проточные части колес имеют резкие перегибы и угловые зоны, где происходит интенсивное вихреобразование, и здесь желательно нанести покрытие с более коротким и плотным ворсом, обладающим хорошими демпфирующими свойствами. На величину снижения шума вентилятора влияет и плотность П ворсового покрытия. Например, испытания рабочих колес с величиной П=1200 1/см; П=2700 1/см; П=3500 1/см показали, что наименьшую шумность создавало рабочее колесо имело с величиной ворсового покрытия П.
Заявляемое рабочее колесо вентилятора поясняется чертежом, где
на фиг.1 показан вид сбоку на один вариант выполнения заявляемого рабочего колеса;
на фиг.2 изображен поперечный разрез по А-А рабочего колеса, изображенного на фиг.1;
на фиг.3 показан вид сбоку на другой вариант выполнения заявляемого рабочего колеса;
на фиг.4 изображен поперечный разрез по Б-Б рабочего колеса, изображенного на фиг.3;
на фиг.5 показан вид сбоку на третий вариант выполнения заявляемого рабочего колеса с частичным вырезом;
на фиг.6 изображен поперечный разрез по В-В рабочего колеса, изображенного на фиг.5;
на фиг.7 показан вид сбоку на четвертый вариант выполнения заявляемого рабочего колеса;
на фиг, 8 изображен вид спереди на рабочее колесо, изображенное на фиг.7;
на фиг.9 показан вид сбоку на пятый вариант выполнения заявляемого рабочего колеса;
на фиг.10, изображен вид спереди на рабочее колесо, показанное на фиг.9:
на фиг.11 приведен вид сбоку на шестой вариант выполнения заявляемого рабочего колеса;
на фиг.12 изображен вид спереди на рабочее колесо, показанное на фиг.11;
на фиг.13 в таблице приведены данные сравнительных испытаний вентиляторов, оснащенных заявляемым рабочим колесом и рабочим колесом без ворсового покрытия.
Заявляемое рабочее колесо 1 вентилятора по первому варианту (см. фиг.1-фиг.6) содержит передний диск 2, снабженный, например, входным фланцем 3 и имеющий входное отверстие 4, и задний диск 5, соединенные друг с другом через лопаточный венец, имеющий ориентированные в осевом направлении лопатки 6 (на фиг.1-фиг.6 показано 8 лопаток 6), выполненные, как правило, из металла. Ворсом 7, прикрепляемым адгезивом, могут быть покрыты входные и выходные кромки рабочих колес 1 (см. фиг.1, фиг.2). Ворсом 7 может быть покрыта вся поверхность лопаток 6 рабочих колес 1 (см. фиг.3, фиг.4), а также проточная поверхность входного фланца 3 (см. фиг.5, фиг.6).
По второму варианту рабочее колесо 8 вентилятора содержит ступицу 9, на которой закреплен лопаточный венец, который имеет ориентированные в осевом направлении профилированные лопатки 10 (см. фиг.7-фиг.12). Ворсом 7 могут быть покрыты входные и выходные кромки лопаток 10 рабочих колес 8 (см. фиг.7, фиг.8). Ворсом 7 может быть покрыта вся поверхность лопаток 10 рабочих колес 8 (см. фиг.9, фиг.10), а также часть (см. фиг.11-фиг.12) или вся проточная поверхность ступицы 9.
Во время работы рабочее колесо 1 вентилятора вращается на валу привода (на чертеже не показан). Газообразная среда, например, воздух поступает по первому варианту через входное отверстие 4 фланца 3 в полость колеса 1, и лопатки 6 подают находящуюся внутри колеса среду наружу, где она выходит на наружном диаметре лопаток 6 по существу радиально. В общем виде, при вращении рабочего колеса его внутренние поверхности механически воздействуют на массу протекающего воздушного потока, изменяя направление его движения и сообщая ему кинетическую энергию. В идеальном колесе воздушный поток протекает через межлопаточные каналы в виде упорядоченных струй с параллельными векторами скорости. Шум от работы такого колеса соответствовал бы уровню шума потока, проходящего с данной скоростью по обычному участку разветвленного воздуховода. Но в реальном колесе механизм этого воздействия имеет сложную структуру:
- на входных кромках колеса возникают интенсивные возмущения, вихри от которых насыщают воздушный поток и дополнительно резонируют внутри колеса;
- с поверхностями колеса контактируют только тонкие (менее 0,5 мм) пристеночные заторможенные слои потока, от которых волны давления (как прямые, так и отраженные) беспрепятственно передаются затем по всему объему проходящего через колесо воздуха;
- по сути, рабочее колесо является резонатором волн давления различной длины, генерирующим звуковое давление в широко частотном диапазоне, при этом внутри колеса отсутствуют механизмы, позволяющие гасить отраженные волны.
Заявляемое техническое решение за счет создания пристеночного демпфера в виде ворса 7, обеспечивает; во-первых, подавление интенсивности развития волновых колебаний потока в колесе 1, во-вторых, снижение самой генерации новых волн давления. Покрытие ворсом 7 образует на поверхностях рабочего колеса 1 наполненный газом пристеночный слой, который, благодаря ячеистой структуре, создает сопротивление отраженным волновым колебаниям в потоке. Ввиду мягкой структуры ворса 7, этот слой снижает интенсивность колебаний и сопутствующего им звукового давления в широком диапазоне частот при работе вентилятора. Таким образом, нанесение ворса 7 на проточных поверхностях обычных металлических колес 1 массового производства позволяет улучшить акустические характеристики вентиляторов без какого-либо усложнения их конструкции.
По второму варианту газообразная среда, например, воздух захватывается профилированными лопатками 10 и выбрасывается в осевом направлении. Работа осевого вентилятора характеризуется тем, что его лопатки 10 движутся с высокой скоростью в плоскости, перпендикулярной оси воздушного потока. Покрытие ворсом 7 поверхностей лопаток 10 осевых вентиляторов как бы сглаживает жесткие контуры профиля лопатки 10 - в границах пристеночного слоя воздуха (находящегося в ворсе 7) формируется более оптимальный для данных параметров потока профиль лопатки 10, чем и объясняется снижение эмиссии шума при работе колеса 8 с ворсовым покрытием.
На нагрузочном стенде были выполнены замеры акустических характеристик заявляемого рабочего колеса и рабочего колеса без нанесенного ворса, установленных в вентиляторах. Испытания проводились при частоте вращения 2900 об/мин. Уровни шума замерялись на расстоянии 1 м от входного патрубка улитки вентилятора. В качестве испытуемого образца был взят радиальный вентилятор общепромышленного назначения марки ВР132-30 №5. Рабочее колесо вентилятора - стальное, с загнутыми назад лопатками. Марка электродвигателя АМР112М2. Нагрузка задавалась путем противодавления на выходе вентилятора. Нагрузочное устройство представляло собой дроссельный клапан с фиксированными положениями. Клапан был установлен на патрубке, примыкающем к выходному фланцу улитки вентилятора. Испытания проводились при противодавлении 2200 Па. Вначале были проведены замеры акустических характеристик стандартного вентилятора. Затем на рабочее колесо были нанесено ворсовое покрытие. Ворсом были покрыты поверхности лопаток и внутренние поверхности дисков рабочего колеса. Использовалась ткань с ворсом (по типу искусственного меха), которая наклеивалась на указанные поверхности.
Характеристики ворсовой ткани:
- масса
370 г/м<sup>2</sup>;
- высота ворса
до 13 мм;
- толщина ворса
0,04-0,12 мм.
Результаты замеров параметров приведены в таблице на фиг.13.
Сравнительные испытания показали, что введение ворсового покрытия на поверхностях стандартного вентилятора (даже выполненное по простой технологии) дает существенное улучшение акустических характеристик. При этом следует отметить, что величина напора практически не изменялась, и не требовалась корректировка положения дроссельного клапана.
Широкое применение заявляемой конструкции рабочего колеса позволит достигать снижения шума без изменения конструкций существующих машин, что является экономическим преимуществом данного изобретения.