ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР С РЕГУЛЯТОРОМ МОЩНОСТИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА ("КОРОНА" СУХИНА В.С.)

Полезная модель относится к области машиностроения, а точнее, к центробежным вентиляторам, в частности, к конструкциям их направляющих аппаратов, и может быть использована в насосах для регулирования и управления мощностью всасывания и нагнетания воздуха в пневмопроводы и пневмосистемы различных машин, в частности, в сельскохозяйственных аэродинамических сепараторах, предназначенных для подготовки семян под посев и для селекционных целей, а также в различных машинах, работающих в пищевой, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности, предназначенных для сепарации сыпучих материалов в текущей воздушной среде.
Известен центробежный вентилятор, содержащий корпус с входным и выходным направляющими аппаратами, установленным в нем статором с кольцевыми проточками, в которой установлены рабочие колеса первой и второй ступени, и встроенный электродвигатель с ротором, встроенным между рабочими колесами и имеющим канал для прохода рабочей среды [см. авт.св. СССР №1344951 по классу F04D 25/06 опубликованное 15.10.1987 г.].
К недостатку конструкции этого вентилятора следует отнести довольно низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено увеличением потерь энергии в роторе за счет возникновения вихревых в нем течений, образующихся в результате пульсации рабочего тела (воздуха) в роторе.
Этот недостаток устранен в конструктивной компоновке центробежного вентилятора, содержащего корпус с входным и выходным направляющими аппаратами, расположенный в корпусе торцевой биротативный приводной электродвигатель с установленным на валу между двумя контрроторами ротором, несущим также, как и роторы, венцы между лопатками [см. авт.св. СССР №523198 А по классу F04D 25/06 опубликованное 05.08.1976 г.].
Основным недостатком этого центробежного вентилятора являются его сравнительно большие габариты на единицу мощности, а также невозможность регулирования мощности вентилятора.
Указанный недостаток устранен в центробежном вентиляторе, содержащем корпус, входной и выходной направляющие аппараты, установленный встроенный дисковый электродвигатель с ротором. Ротор дискового электродвигателя выполнен в виде радиального колеса закрытого типа, имеющего возможность независимого регулирования частоты вращения вследствие его нежесткой посадки на вал, а выходной направляющий аппарат имеет возможность независимого вращения от рабочего колеса [см. пат. России №2306459 С2 по классу F04D 25/06, 13/06, 27/00, 29/46 опубликованный 20.09.2007 г.].
Основным недостатком этого центробежного вентилятора является чрезмерная его сложность вследствие выполнения выходного направляющего аппарата и специальной посадки ротора на вал, а также использование электродвигателя нестандартной конструкции, что ограничивает его ремонтопригодность.
Более простыми конструктивно и менее энергоемкими являются центробежные вентиляторы не с электрическими, а с механическими или пневматическими регуляторами давления воздушного потока.
Так, например, известен центробежный вентилятор, включающий рабочее колесо и направляющий аппарат, снабженный поворотными направляющими лопатками, и механизм поворота направляющих лопаток, который кинематически соединен с подпружиненным штоком, перемещающимся с помощью закрепленной на нем ветронепроницаемой перегородки, расположенной в пневмокамере и разделяющей пневмокамеру на переднюю и заднюю полости, при этом передняя полость пневматически связана с пространством за рабочим колесом, а задняя полость - с пространством перед рабочим колесом вентилятора [см. пат. Украины №28878 U по классу F04D 19/00, 27/06, 29/46, опубликованный 25.12.2007 г.].
Основным недостатком этого центробежного вентилятора является чрезмерная сложность его конструкции, обусловленная наличием дополнительной внутренней пневмосистемы с нетрадиционной схемой, то есть с полостями спереди и сзади с разных сторон от рабочего колеса, и инерционность системы из-за использования ветрового потока для поворота лопаток, что существенно усложняет регулировку мощности подачи воздушного потока, особенно, при настройке машин для сепарации, например, семян с селекционными целями.
Известно также устройство для регулирования давления в центробежном вентиляторе, содержащее направляющий аппарат с лопатками закрепленными на валу, выполненный в виде муфты, на которой расположен радиально-упорный подшипник с упорной шайбой на внутренней обойме. Через обойму с помощью вилки передается усилие на лопатку, снабженную эксцентриком. Для обеспечения возможности перемещения муфты на валу выполнены шлицы. Лопатки крепятся на штоке, установленном на вале, при этом в одном из концов штока закреплена пружина, которая другим своим концом крепится к лопатке или эксцентрику. Если возникает необходимость в изменении производительности вентилятора, через дополнительный привод, например, гидроцилиндр, шток которого шарнирно соединен с вилкой, передается усилие на вилку, которая оказывает давление на упорную шайбу, в свою очередь передающую усилие на конусную муфту. При этом конусная муфта перемещаясь по шлицам, оказывает воздействие на эксцентрик. Эксцентрик под воздействием этого усилия поворачивается и одновременно поворачивает лопасть на заданный угол, тем самым меняя производительность вентилятора. При снятии нагрузки, система приходит в исходное состояние под действием возвратных пружин [см. пат. России №2158382 С1 по классу F04D 29/56 опубликованный 27.10.2000 г.].
Основным недостатком описанного регулятора давления является, как и в предыдущем вентиляторе, чрезмерная сложность его конструкции, обусловленная наличием многочисленных мелких деталей, а также необходимость использования дополнительного привода, причем, гидравлического, что автоматически порождает необходимость в оснащении данного центробежного вентилятора еще и гидросистемой, что, в целом, отражается в худшую сторону на надежность его работы и себестоимость такого центробежного вентилятора с регулятором давления.
Еще одним недостатком данного технического решения является невозможность принудительного изменения давления подачи воздуха в случае необходимости. Такая необходимость возникает при использовании регулируемых центробежных насосов, например, в аэросепараторах, предназначенных для подготовки семян для посева и для селекционных целей, путем разделения сыпучих зерновых смесей на фракции, где качественное сепарирование возможно только за счет точного подбора скорости истечения воздушного потока в зависимости от вида, грануляции, формы и других физических параметров исходного сепарируемого сырья.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемым за прототип, является центробежный вентилятор с регулятором воздушного потока, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, преимущественно, круглой формы, в котором установлено на оси рабочее колесо с лопатками, связанное с электроприводом, и регулятор воздушного потока, выполненный в виде дополнительного лопастного колеса с поворотными лопатками и перестановочный диск, кинематически связанный с лопатками, и пружину, и снабженный, по меньшей мере, двумя тягами, каждая из которых закреплена на диске, а на другом конце снабжена жестко закрепленным на нем упорным элементом и подпружиненной относительно последней и установленным с возможностью перемещения относительно тяги дополнительного упорного элемента. В средней части тяга имеет ограничитель, установленный с возможностью взаимодействия с дополнительным упорным элементом. Регулятор этого центробежного насоса работает следующим образом. В исходном состоянии перестановочный диск находится в крайнем верхнем положении. При повороте лопаток диск от винтового привода перемещается вниз вдоль оси. При этом тяги перемещаются и предварительно сжатые пружины разжимаются, помогая приводу перемещать диск. Процесс разжатия пружины прекратиться, как только упорный элемент дойдет до ограничителя. [см. авт.св. СССР №1603066 А по классу F04D 27/00, 29/36 опубликованное 30.10.1990 г. в Бюл.№40].
Этому известному техническому решению присущи, по меньшей мере несколько существенных недостатков, а именно.
Во-первых, этот центробежный вентилятор с регулятором мощности воздушного потока достаточно сложный в изготовлении и имеет высокую стоимость потому, что содержит достаточно большое количество деталей, в том числе, и мелких, а также шарниров и подшипников качения, требующих периодической смазки.
Во-вторых, при пуске, из-за наличия зазоров между подвижными деталями (шарниры, тяги), возникает много шума, а размещение механизма регулировки внутри корпуса вентилятора, ухудшает условия его ремонта и обслуживания.
В-третьих, наличие труднодоступных мест для ремонта (замена тяг или шарниров), а также направляющего аппарата способствует возникновению небезопасного самопроизвольного перемещения некоторых деталей вследствие распрямления сжатой пружины.
Все перечисленные недостатки, в совокупности, снижают надежность эксплуатации известного центробежного вентилятора и сокращают срок его эксплуатации.
Но главным, и, наверное, важнейшим недостатком этого известного центробежного вентилятора с регулятором мощности воздушного потока является то, что регулятор, из-за своей конструктивной особенности (набор поворотных лопаток), вообще не позволяет регулировать продуктивность вентилятора на минимальных мощностях эксплуатации. Наличие этого недостатка поясняется следующим. Когда лопасти лопастного колеса полностью развернуты перпендикулярно направлению движения воздушного потока, то продуктивность вентилятора равняется нулю (в этом случае проход воздуха к рабочему колесу полностью перекрывается упомянутыми лопатками). Как только лопасти, хотя бы на один градус начинают поворачиваться (разворачиваться от крайнего положения), между всеми лопастями, причем одновременно, появляются зазоры, через которые воздух проникает к рабочему колесу вентилятора, суммарная площадь которых (зазоров) становится сразу же достаточно большой и продуктивность вентилятора увеличивается скачкообразно. Такое резкое изменение продуктивности вентилятора на минимальных мощностях не позволяет использовать известный центробежный вентилятор в исследовательских и лабораторных установках, например, в аэродинамических сепараторах, где требуется достаточно высококачественное и точное разделение сыпучей смеси на фракции, например, для селекционных целей или подготовки семян под посев. Поэтому этот недостаток значительно ограничивает область использования центробежного вентилятора с подобными, описанному выше, регуляторами мощности воздушного потока.
В основу изобретения поставлена задача расширение диапазона плавного регулирования продуктивности регулятора, особенно на минимальных мощностях, с одновременным упрощением конструкции регулятора и повышением надежности эксплуатации путем изменения условий засасывания воздуха в входной патрубок за счет изменения конструкции входного патрубка и регулятора мощности воздушного потока, в частности, за счет размещения последнего за пределами корпуса вентилятора.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном центробежном вентиляторе с регулятором мощности воздушного потока, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, преимущественно, круглой формы, в котором установлено на оси рабочее колесо с лопатками, связанное с валом электропривода, и регулятор воздушного потока, согласно предложению, входной патрубок выполнен в виде зубчатой короны с остриями зубцов, направленных от корпуса вентилятора, а регулятор мощности воздушного потока выполнен в виде передвижной коаксиальной заслонки диаметром и формой, соответствующими диаметру и форме входного патрубка, которая имеет возможность перемещаться вдоль входного патрубка (заглубляться, высовываться) с помощью ручного винтового привода или сервопривода или иного любого известного привода. Понятно, что регулятор мощности воздушного потока предложенной конструкции может быть размещен вместо входного патрубка, на выходном, поскольку, с точки зрения регулирования продуктивности вентилятора, указанные патрубки являются зеркальным отображением друг друга. То есть для достижения технического результата место расположения предложенного регулятора значения не имеет. Передвижная заслонка, с помощью того же самого ручного винтового привода может перемещаться за пределами зубцов зубчатой короны, что открывает свободный доступ во внутрь вентилятора для профилактического осмотра и ремонта рабочего колеса в случае необходимости, то есть отдаление заслонки от входного патрубка на большое расстояние улучшает и условия обслуживания предложенного вентилятора.
Изменение условий всасывания воздуха во входной патрубок заключается в том, что входной патрубок, выполненный в виде зубчатой короны, имеет наклоненные грани зубцов. Поэтому смежные грани соседних зубцов сходятся в одну точку со стороны корпуса вентилятора. Следовательно, когда заслонка входит в патрубок на уровень ниже корней зубцов (ниже точки схождения граней зубцов), она полностью перекрывает все пространства, образованные сходящимися-расходящимися кромками зубцов. Как только заслонка начинает перемещаться в направлении от корпуса вентилятора, благодаря наклону кромок зубцов, открываются лишь точечные отверстия для прохода воздуха к рабочему колесу, суммарная площадь которых незначительна, что позволяет точно регулировать продуктивность насоса на минимальных мощностях. При дальнейшем перемещении заслонки в том же направлении, площадь свободных пространств между смежными зубцами плавно возрастает (плавность достигается опять же ж за счет наклона кромок зубцов), и, тем самым обеспечивается плавность и высокая точность безинерционного регулирования производительности вентилятора независимо от мощности. Еще в большей степени плавность регулирования достигается, если вершины пространств, хотя бы через один зубец, находятся на разном уровне. В этом случае пространства между всеми зубцами одновременно не отрываются, и суммарная площадь всех открытых пространств, при выдвижении из патрубка заслонки, меняется более плавно. Регулировать плавность также можно путем изменения количества зубцов в зубчатой короне или формой боковых граней зубцов: выпуклые, вогнутые, равносторонние, разносторонние. Такое многообразие вариантов изготовления зубцов и варьирование их количеством, открывает возможность регулирования скоростью истечения (напором) воздушного потока, благодаря чему, в свою очередь, расширяется область использования предложенного центробежного вентилятора, например, в машинах для аэродинамической сепарации сыпучих смесей, например, зерен злаковых культур, где плавность регулирования продуктивностью вентилятора выступает главным фактором осуществления высококачественного процесса разделения исходного сыпучего материала на отдельные фракции. Конечно, выполнение боковых граней зубцов любой формы, отличной от прямолинейной, в некоторой степени, усложняют технологию их изготовления, однако, в некоторых случаях, такое усложнение оправдывает себя, например, в случае сепарации довольно мелких семян, например, семян мака.
Размещение регулятора с внешней стороны корпуса вентилятора максимально открывает к нему доступ для профилактического осмотра и планового ремонта и предельно упрощает конструкцию самого регулятора из-за отсутствия в нем каких-либо подшипников и шарниров, что, в целом, обеспечивает его высочайшую надежность эксплуатации длительное время, ограничиваемое только физическим износом сопрягаемых деталей
Дальнейшая сущность заявленного технического решения поясняется иллюстративным материалом, на котором изображено следующее: фиг.1 - общий вид в плане предложенного центробежного вентилятора с регулятором мощности воздушного потока; фиг.2 - зубчатая корона с симметричными прямолинейными боковыми гранями зубцов; фиг.3 - то же самое, с выпуклыми боковыми гранями зубцов; фиг.4 - то же самое, с различными по длине смежными боковыми гранями зубцов (чередующиеся зубцы с различными по размерам); фиг.5 - то же самое, с несимметричными прямолинейными боковыми гранями зубцов. На фиг.2-4 двойной стрелкой показано направление перемещения заслонки, одинарными криволинейными стрелками - места всасывания воздушного потока в корпус вентилятора.
Предложенный центробежный вентилятор с регулятором мощности воздушного потока содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, преимущественно, круглой формы. В корпусе 1 расположено на оси рабочее колесо с лопатками (не показано в виду общеизвестности), которое механически связано с осью электропривода 4. Входной патрубок 2 выполнен в виде зубчатой короны, которую образуют радиальные зубцы 5, направленных перпендикулярно корпусу 1 и образующих, в совокупности, входной патрубок 2. Вершины зубцов 5 направлены в сторону от корпуса 1 вентилятора. Регулятор продуктивности (или мощности) вентилятора выполненный в виде передвижной коаксиальной заслонки 6 диаметром и формой, соответствующих диаметру и форме входного патрубка 2. Заслонка 6 имеет возможность перемещаться вдоль входного патрубка 2 (заглубляться во внутрь или выдвигаться из него) с помощью ручного винтового привода 7, закрепленного на стойке 8 общей рамы 9 центробежного вентилятора. Понятно, что вместо ручного винтового привода 7, для перемещения заслонки 6, может быть использован сервопривод или иной любой привод известной конструкции.
Понятно также, что предложенный регулятор мощности воздушного потока, в частности, зубчатая корона и передвижная заслонка 6 с приводом 7, могут быть расположены вместо входного 2, на выходном 3 патрубке вентилятора. Такая перестановка указанных элементов не меняет сущности технического предложения, поскольку, с точки зрения регулирования продуктивности вентилятора, указанные патрубки 2 и 3 являются зеркальным отображением друг друга. Поэтому для достижения технического результата место расположение предложенного регулятора значения не имеет.
Регулированием продуктивности вентилятора на минимальных мощностях можно варьировать путем изменения конфигурации и размеров зубцов 5 зубчатой короны, а возможность перемещения заслонки 6 на значительное расстояние от зубчатой короны обеспечивает свободный доступ во внутрь корпуса 1 для обслуживания вентилятора.
Предложенный центробежный вентилятор с регулятором мощности воздушного потока работает следующим образом (на примере аэродинамического сепаратора).
В зависимости от длины пневмопровода, размеров и массы частиц сыпучей смеси, подлежащей сепарации, или из-за иных обстоятельств, поворотом рукоятки винтового привода 7 перемещают заслонку 6 вдоль зубчатой короны. При этом заслонка 6 частично перекрывает свободные пространства, образованные боковыми гранями смежных зубьев 5 короны, и, тем самым, задавая требуемую по технологии сепарации, продуктивность вентилятора. Для облегчения процедуры подборки требуемой продуктивности вентилятора, на винтовом приводе 7 может быть нанесена соответствующая тарировочная шкала. Затем включают электропривод 4, который вращает рабочее колесо, вследствие чего происходи всасывание воздуха из окружающей атмосферы в корпус 1 через межзубовые пространства. В случае необходимости, в процессе работы вентилятора можно безопасно отрегулировать его продуктивность путем перемещения заслонки 6 ручным винтовым приводом 7 в любую сторону.
Существенное отличие заявляемого объекта, от ранее известных, заключается в принципиальной смене конструкции входного 2 патрубка, в частности, переход от традиционной сплошной обечайки на зубчатую корону, межзубовые пространства которой могут быть частично или полностью перекрыты подвижной заслонкой 6, которая, вместе приводом 7 ее перемещения расположена с внешней стороны корпуса вентилятора напротив входного 2 патрубка. Указанные отличия, в совокупности, позволяют осуществлять регулирование продуктивности вентилятора на микроуровнях, особенно, при минимальных мощностях вентилятора с одновременным предельным упрощением конструкции самого механизма регулирования. Ни один из известных центробежных вентиляторов не может обладать всем спектром перечисленных свойств одновременно, поскольку в их конструкциях регулирование производительности осуществляется посредством многочисленных лопастей, которые, даже при минимальном угле поворота, мгновенно отрывают довольно большое пространство для прохода в корпус рабочего тела из-за параллельности кромок между подвижными элементами, в частности, лопастями их регуляторов мощности, или имеют довольно сложные механические, электрические или пневматические системы регулирования, размещенные в средине корпуса, имеют определенную инерционность, или требуют включения в конструкцию дополнительных пневмо или гидросистем, что, в свою очередь, необравданно увеличивает стоимость такого вентилятора, с одновременным снижением надежности его эксплуатации и срока службы.
К техническим преимуществам предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:
- расширение диапазона плавного регулирования продуктивности вентилятора при его минимальных мощностях за счет использования зубчатой короны с наклонными боковыми гранями в качестве входного патрубка;
- максимальное упрощение конструкции регулятора за счет того, что в качестве его рабочих органов используются всего две детали: неподвижная зубчатая корона и подвижная плоская заслонка;
- максимальное повышение надежности эксплуатации за счет отсутствия в конструкции деталей, подвергающихся износу или требуют периодической смазки;
- расширение области использования за счет возможности точного регулирования продуктивности по всему диапазону мощностей вентилятора;
- ремонтопригодность конструкции за счет того, что подвижная заслонка имеет возможность выдвигаться далеко за пределы зубчатой короны, что отрывает свободный доступ во внутрь корпуса вентилятора и к рабочему колесу.
Экономический эффект от внедрения предложенного технического решения, по сравнению с использованием прототипа, получают за счет снижения стоимости центробежного вентилятора вследствие предельного упрощения конструкции регулятора его продуктивности.
Специалистам в данной области знаний должно быть понятным, что приведенное выше описание предложенного вентилятора с регулятором мощности воздушного потока является, в первую очередь, лишь иллюстративным, а не ограничивающим, приведенным данным примером конкретного его выполнения. Конструкция, форма и размеры отдельных деталей, материалы, область использования, безусловно, могут варьировать в широких пределах в контексте принципиальной схемы регулятора, то есть без изменения кинематической схемы взаимодействия сопрягаемых деталей регулятора и, в совокупности, определяющих единство конструкции описанного выше центробежного вентилятора. Понятно, что варьирование размерами, формой и материалами отдельных деталей и узлов регулятора вентилятора зависят от условий его эксплуатации, области использования и находятся в пределах объема одного из обычных и естественных к рационализации в данной области знаний и рассматриваются как находящиеся в пределах объема предложенного технического решения.
Квинтэссенцией предложенного технического решения является то, что входной патрубок претерпел такие конструктивные изменения, которые позволили его использовать в качестве главной детали регулятора, которая взаимодействуя с другой, причем, всего одной, соответствующей деталью - подвижной заслонкой, из-за зубчатой конструкции патрубка, достичь высокоточного регулирования продуктивности вентилятора на минимальных его мощностях, чего невозможно в принципе достичь с помощью известных регуляторов без чрезмерного усложнения их конструкции, и именно эти конструктивные особенности позволили предложенному центробежному вентилятору получить перечисленные выше технические и иные преимущества. Изменение принципа всасывания воздуха в корпус вентилятора посредством изменения предложенной конструкции регулятора на иную, естественно, ограничит спектр перечисленных преимуществ, и, по этой причине, не может считаться полезным конструктивным решением в данной области знаний, поскольку изменение только лишь формы, количества или размеров зубьев, использования иного принципа перемещения заслонки без изменения ее функционального предназначения, уже не требует какого-либо творческого подхода от конструкторов и инженеров, и, только лишь по этой причине, не может считаться результатами их интеллектуальной деятельности, следовательно, и считаться новыми объектами интеллектуальной собственности, подлежащими охране соответствующими охранными документами.