ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР
AXIAL VENTILATOR

Изобретение относится к вентиляторостроению и может быть использовано в составе систем терморегулирования изделий ракетно-космической техники.
Известен осевой вентилятор, содержащий корпус в виде цилиндрический оболочки и размещенной в ней втулки с радиальными выступами, внутри которой посредством винтов, ввернутых в аксиальные резьбовые отверстия втулки, установлен электродвигатель с наружной цилиндрической поверхностью, снабженной элементом крепления в виде фланца и контактирующей с внутренней поверхностью втулки, а также рабочее колесо, установленное на валу электродвигателя [1]. Недостатками этого осевого вентилятора являются низкий к.п.д., что обусловлено значительным зазором между лопатками и корпусом, вызванным необходимостью компенсации допусков на размеры и отклонения форм и поверхностей деталей, т.к. в вентиляторе отсутствует возможность регулировки зазора между лопатками и корпусом.
Этого недостатка лишен осевой вентилятор, содержащий корпус с внутренней цилиндрической поверхностью и профилированной расточкой на ней, установленную в нем втулку с не менее чем тремя радиальными выступами, имеющими наружную сферическую поверхность, контактирующую с поверхностью профилированной расточки корпуса, размещенный внутри втулки электродвигатель с установленным на его валу рабочим колесом, а также штифты и винты, соединяющие корпус с радиальными выступами [2], выбранный в качестве прототипа. Профилированная расточка выполнена в виде сферы того же диаметра, что и наружная сферическая поверхность выступов.
Недостатком этого осевого вентилятора является низкая технологичность, вызванная сложностью точного изготовления и контроля профилированной расточки на внутренней поверхности корпуса, а также наличием винтов, служащих для технологической фиксации втулки с выступами к корпусу при засверловке отверстий под штифты и установке штифтов. Другим недостатком прототипа является низкая вибропрочность, так как изготовление сферических поверхностей расточки и выступов практически недостижимо из-за наличия допусков на их изготовление. Поэтому в соединении этих поверхностей всегда будет зазор, и контакт этих поверхностей будет не поверхностным, а в лучшем случае линейным, и даже в случае линейного контакта он будет препятствовать взаимному движению деталей в одном направлении, но не будет препятствовать в противоположном, вследствие наличия описанных зазоров. Таким образом, практически все силовые усилия воздействия со стороны втулки с электродвигателем на корпус, например, при виброперегрузках, будут передаваться не по сферической поверхности, а через штифты, проходящие через корпус и выступы. Незначительное число штифтов (обычно 3, для обеспечения надежной фиксации втулки и минимально возможного стеснения аэродинамического тракта) приводит к значительным силовым воздействиям, сконцентрированным в незначительном объеме материала. При достаточно большом ресурсе вентилятора, особенно в случае его неоднократного повторного применения в составе космического корабля, испытывающего значительные ударные и виброперегрузки на этапе выведения на орбиту, возможно сминание поверхностей отверстий под штифт в корпусе и выступах втулки, изготовленных, как правило, из алюминиевых сплавов, существенно уступающих по прочностным характеристикам материалу стального штифта. Следствием этого является постепенное ослабление штифтовых соединений, возможность незначительных перемещений втулки относительно корпуса и возможность касания лопатками рабочего колеса внутренней поверхности корпуса. Это, в худшем случае, может привести к полному отказу вентилятора, а в лучшем - повышению его шума за счет появления шума от трения лопаток по корпусу, что также неприемлемо на борту космического корабля.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение технологичности и вибропрочности осевого вентилятора.
Технический результат достигается тем, что в известном осевом вентиляторе, содержащем корпус с внутренней цилиндрической поверхностью и профилированной расточкой на ней, установленную в нем втулку с не менее чем тремя радиальными выступами, имеющими наружную сферическую поверхность, контактирующую с поверхностью профилированной расточки корпуса, размещенный внутри втулки электродвигатель с установленным на его валу рабочим колесом, а также штифты, соединяющие корпус с каждым радиальным выступом, согласно изобретению, корпус выполнен состоящим из двух соединенных посредством центрирующего соединения частей, на торце первой части выполнен посадочный бурт, входящий в центрирующую расточку на торце второй части корпуса, а профилированная расточка выполнена в виде обращенных друг к другу конических поверхностей на первой и второй частях корпуса, касательных к сферической поверхности, а каждый штифт пересекает центрирующую расточку второй части корпуса, посадочный бурт первой части корпуса и радиальный выступ втулки, при этом наружная поверхность посадочного бурта выполнена строго сосной конической поверхности первой части корпуса, а внутренняя поверхность центрирующей расточки выполнена строго сосной конической поверхности второй части корпуса.
На иллюстрации приведен пример конкретного выполнения осевого вентилятора, продольный разрез.
Осевой вентилятор содержит корпус 1, выполненный состоящим из первой 2 и второй 3 частей, соединенных посредством центрирующего соединения 4. Центрирующее соединение, достаточно широко применяемое в технике понятие, см., например, [3]. На торце первой части 2 выполнен посадочный бурт 5, входящий в центрирующую расточку 6 на торце второй части 3 корпуса. Корпус 1 имеет в обеих своих частях 2 и 3 внутреннюю цилиндрическую поверхность 7 и профилированную расточку 8 на ней. Профилированная расточка 8 выполнена в виде обращенных друг к другу конических поверхностей 9 и 10 на первой 2 и второй 3 частях корпуса соответственно. В корпусе 1 установлена нем втулка 11 с не менее чем тремя радиальными выступами 12 (в данном примере - трех), имеющими наружную сферическую поверхность 13, контактирующую с поверхностью профилированной расточки 8 корпуса, причем как в зоне конической поверхности 9, так и в зоне конической поверхности 10, при этом поверхности 9 и 10 выполнены касательными к сферической поверхности 13. Внутри втулки 11 размещен электродвигатель 14 посредством разрезного кольца 15 и гайки 16, ввернутой во втулку 11. На валу электродвигателя 14 установлено рабочее колесо 17 с лопатками 18. Корпус 1 соединен с каждым радиальным выступом 12 посредством штифтов 19, каждый из которых пересекает центрирующую расточку 6 второй части 3 корпуса 1, посадочный бурт 5 первой части 2 корпуса 1 и радиальный выступ 12 втулки 11. Наружная поверхность посадочного бурта 5 выполнена строго сосной конической поверхности 9 первой части 2 корпуса 1, а внутренняя поверхность центрирующей расточки 6 выполнена строго сосной конической поверхности 10 второй части 3 корпуса 1. Использование термина «строго соосна» означает практически полное отсутствие относительного смещения осей указанных поверхностей, что обеспечивается, например, обработкой их за один установ детали на станке, поскольку при одном установе ось вращения всех обрабатываемых за этот переход поверхностей одна и та же. Однако в формулу признак «обработка за один установ» не включена, так как описывает динамику.
Осевой вентилятор работает следующим образом: при включении электродвигателя 14 начинает вращаться рабочее колесо 17, создавая лопатками 18 поток воздуха. Равные зазоры между лопатками 18 рабочего колеса 17 и внутренней поверхностью 7 корпуса 1 по всему ее периметру обеспечивается разворотом втулки 11 до необходимого положения (зазоры контролируются индикатором в процессе сборки, при этом конические поверхности 9 и 10 служат опорой для наружной сферической поверхности 13 выступов 12), поджатия частей 2 и 3 технологическим приспособлением друг к другу для обеспечения контакта поверхностей 9 и 10 с поверхностью 13 и последующей установки штифтов 19, обеспечивающих неизменное взаимное положение частей 2 и 3 корпуса 1 и выступов 12 втулки 13. Поскольку поверхности 9 и 10 выполнены касательными к сферической поверхности 13, то между этими поверхностями и поверхностью 13 всегда будет линейный контакт, позволяющий вращать втулку 11 (до момента установки штифтов 19) до достижения равенства зазоров между лопатками 18 рабочего колеса 17 и внутренней поверхностью 7 корпуса 1 по всему ее периметру. Коническая поверхность 9 центрирует центр сферической поверхности 13 на своей оси, а поверхность 13 центрирует коническую поверхность 10, в итоге поверхности 9 и 10 оказываются соосными. Поскольку наружная поверхность посадочного бурта 5 выполнена строго сосной конической поверхности 9 первой части 2 корпуса 1, а внутренняя поверхность центрирующей расточки 6 выполнена строго сосной конической поверхности 10 второй части 3 корпуса 1, то наружная поверхность посадочного бурта 5 соосна внутренняя поверхность центрирующей расточки 6, что позволяет центрировать их друг по другу, не нарушая линейного контакта конических поверхностей 9 и 10 со сферической поверхностью 13. При этом между сферической поверхностью 13 и поверхностями 9 и 10 зазор отсутствует, а между наружной поверхностью посадочного бурта 5 и центрирующей расточки 6 имеется радиальный зазор в пределах допусков на диаметры этих поверхностей. По этот зазор не влияет на целостность конструкции, которая обеспечивается контактом сферической поверхности 13 с поверхностями 9 и 10. Центрирующее соединение 4 необходимо для ограничения возможного поворота осей частей 2 и 3 при сборке углом, определяемым максимально возможного зазора в посадке центрирующего соединения и длиной базы этого соединения (длиной, на которую бурт 5 входит в расточку 6). Конкретная величина угла наклона конических поверхностей 9 и 10 определятся обычным проектированием: максимальный угол определяется условием касательности поверхностей 9 и 10 к поверхности 13 в крайних ее точках на выступах 12 в направлении продольной оси вентилятора, а минимальный определяется, исходя из размера между посадочным буртом 5 и задними кромками лопаток 18 на их наружной цилиндрической поверхности, чтобы избежать увеличения зазора между лопатками и цилиндрической поверхностью 7, которое приводит к снижению к.п.д. вентилятора.
В результате использования изобретения повышается технологичность осевого вентилятора, так как из его конструкции устраняются винты для технологической фиксации, и вместо точного изготовления и контроля профилированной расточки на внутренней поверхности корпуса производится изготовление конических поверхностей на открытых торцах частей корпуса. Вместо изготовления двух сферических поверхностей с высокой степенью точности для обеспечения их поверхностного контакта в прототипе появляется возможность расширить допуск на диаметр наружной сферической поверхности выступов, выполнение конических поверхностей также может выполняться с широким полем допуска, поскольку сборка вентилятора возможна с достаточно широкими отклонениями этих поверхностей от номинала, в качестве компенсирующего эти отклонения параметра выступает общая длина корпуса вентилятора, т.к. при сближении частей 2 и 3 линейный контакт поверхностей 9 и 10 обеспечивается всегда, а отклонение общей длины различных экземпляров осевого вентилятора не имеет практического значения, т.к. вентиляторы на космических кораблях устанавливаются либо в свободном пространстве (для обдува какой-либо зоны), либо устанавливаются фланцевым соединением в эластичные магистральные воздуховоды, т.к. сам характер работы вентилятора требует наличия определенного свободного пространства как со стороны входа, так и со стороны выхода его корпуса. Кроме того, существенно повышается вибропрочность вентилятора из-за полного отсутствия зазоров между выступами 12, частями корпуса 2 и 3 и штифтами 19 (в прототипе полное отсутствие зазоров между сферическими поверхностями практически недостижимо), что не дает возможности первоначального смещения этих деталей друг относительно друга и исключает смятие стенок отверстий под штифты в них. Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное решение к широкому использованию в агрегатах космической техники.
Литература
1. Патент РФ N 2235910, МПК: F04D 19/00, 2004 г.
2. Патент РФ N 2061907, МПК: F04D 19/00, 1996 г. (прототип).
3. Орлов П.И. «Основы конструирования». Справочно-методическое пособие. - М., Машиностроение, 1988 г., книга 2, стр.244.