ОХЛАЖДАЮЩИЙ ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР С ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНЫМИ НАПРАВЛЯЮЩИМИ ЛОПАТКАМИ СТАТОРА
COOLING AXIAL FAN WITH AXIPETAL GUIDE BLADES OF THE STATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системам охлаждения вентиляторного типа, содержащим неподвижные лопатки. Системы охлаждения вентиляторного типа могут быть использованы в области техники, относящейся к охлаждению тепловых двигателей, например, они могут быть встроены в электрогенераторную установку.
Уровень техники
Системы охлаждения с одним или большим числом вентиляторов обычно используют для охлаждения двигателей и электрогенераторной системы (иногда называемой «генератором» или «генераторной установкой»). Например, вентилятор может охлаждать радиатор двигателя. Двигатель, например, может быть частью электрогенераторной системы. Система охлаждения, которая равномерно охлаждает элементы двигателя или электрогенераторной системы, в частности, радиатор, может быть полезна для эффективного охлаждения и работы электрогенераторной системы.
Изобретение поясняется чертежами, при этом на различных фигурах одинаковыми ссылочными номерами обозначены соответствующие элементы.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана система охлаждения с осевым вентилятором и распределение скоростей потока с помощью системы охлаждения;
на фиг. 2 - центральная зона радиатора, расположенная по потоку за осевым вентилятором, показанным на фиг. 1;
на фиг. 3 - таблица с результатами измерения скорости воздушного потока на выходе радиатора, расположенного по потоку за осевым вентилятором, показанным на фиг. 1;
на фиг. 4 - конкретные элементы системы охлаждения для генераторной установки;
на фиг. 5 - система охлаждения с неподвижными лопатками;
на фиг. 6 - система охлаждения с неподвижными лопатками;
на фиг. 7А - неподвижные лопатки системы охлаждения, вид спереди;
на фиг. 7В - то же, вид сзади;
на фиг. 7С - то же, вид справа;
на фиг. 7D - разрез по линии А-А на фиг. 7В;
на фиг. 7Е - разрез по линии В-В на фиг. 7В;
на фиг. 7F - разрез по линии D-D на фиг. 7D;
на фиг. 7G - неподвижные лопатки системы охлаждения, вид в перспективе;
на фиг. 7Н - неподвижные лопатки системы охлаждения, вид в перспективе;
на фиг. 7I - вид сбоку и разрез неподвижных лопаток, используемых в системе с охлаждающим вентилятором;
на фиг. 8 - неподвижные лопатки, которые имеют угол наклона по всей длине неподвижных лопаток, равный нулю;
на фиг. 9 - таблица с результатами измерений скорости воздушного потока на выходе из радиатора для конфигурации неподвижных лопаток, показанной на фиг. 8;
на фиг. 10 - сравнительная таблица показаний температуры, которые были получены для радиатора с неподвижными лопатками и без неподвижных лопаток;
на фиг. 11 - система охлаждения с неподвижными лопатками и осевым вентилятором и распределение скоростей потока с помощью системы охлаждения;
на фиг. 12 - система охлаждения, содержащая кожух, окружающий осевой вентилятор и радиатор;
на фиг. 13 - система охлаждения с неподвижными лопатками, размещенными внутри кожуха;
на фиг. 14 - система охлаждения, содержащая внешнее кольцо, сформированное вокруг осевого вентилятора, и диффузор на входе;
на фиг. 15 - аэродинамические эффекты, обусловленные работой осевого вентилятора;
на фиг. 16 - аэродинамические эффекты, обусловленные работой осевого вентилятора, вблизи неподвижных лопаток;
на фиг. 17 - центростремительные аэродинамические эффекты, обусловленные работой осевого вентилятора, вблизи неподвижных лопаток;
на фиг. 18 - усиливающий элемент, содержащий диск;
на фиг. 19 - усиливающий элемент, содержащий конус;
на фиг. 20 - усиливающий элемент, содержащий конус с изогнутыми поверхностями;
на фиг. 21 - конфигурация неподвижных лопаток и диска согласно фиг. 18, используемая в системе охлаждения;
на фиг. 22 - конфигурация неподвижных лопаток и конуса согласно фиг. 20, используемая в системе охлаждения;
на фиг. 23 - конфигурация неподвижных лопаток и внешнего кольца.
Осуществление изобретения
Двигатели и электрогенераторные системы могут содержать системы охлаждения, которые работают для охлаждения одного или нескольких элементов двигателя и электрогенераторной системы, таких как радиатор, генератор переменного тока или элементы двигателя. Системы охлаждения могут содержать один или несколько осевых или винтовых вентиляторов (именуемых как «осевые вентиляторы» или «вентиляторы»), которые перемещают охлаждающий поток по направлению к охлаждаемому элементу электрогенераторной системы. Хотя дальнейшее описание относится к системе охлаждения электрогенераторной системы, следует понимать, что такие системы охлаждения могут использоваться вместе с двигателями в других областях применения.
На фиг. 1 показана система 100 охлаждения с осевым вентилятором 1 и распределение скоростей потока воздуха в системе 100 охлаждения. На фиг. 2 показана центральная зона радиатора, установленного по потоку за осевым вентилятором, показанным на фиг. 1.
Осевой вентилятор 1 может перемещать охлаждающий воздух параллельно или вдоль оси вращения осевого вентилятора (ось 23 на фиг. 4 и 5) или в других направлениях.
Осевой вентилятор 1 приводится в действие посредством приведения во вращение крыльчатки, которая может иметь подвижные лопатки 9 (фиг. 4 и 5). Вращение крыльчатки и подвижных лопаток 9 создает осевое перемещение охлаждающего воздуха по направлению к охлаждаемому оборудованию, в частности, радиатору 3. Осевой вентилятор 1 может взаимодействовать с любым типом охлаждающей текучей среды или перемещать любой тип охлаждающей текучей среды, включая сжимаемые текучие среды, газы или окружающий воздух. Осевые вентиляторы могут нагнетать охлаждающий воздух по направлению к охлаждаемому оборудованию.
Создаваемый осевым вентилятором 1 поток воздуха может проходить по вентиляционному соплу 2. Осевой вентилятор 1 может быть размещен в вентиляционном сопле 2, или вблизи него, или может сообщаться с ним. Вентиляционное сопло 2 может ориентировать, направлять или иным образом заставлять поток охлаждающего воздуха двигаться по направлению к охлаждаемому оборудованию. В целях упрощения оборудование, охлаждаемое системой 100 охлаждения и осевым вентилятором 1, может быть радиатором 3 или может быть здесь названо радиатором. Однако система 100 охлаждения в альтернативном варианте может быть использована для охлаждения различных других элементов, таких как генератор переменного тока, элемент двигателя или другой элемент электрогенераторной системы.
При работе системы охлаждения подвижные лопатки 9 вентилятора 1 приводятся во вращение и всасывают или нагнетают охлаждающую текучую среду (в частности, воздух). Воздух затем может быть транспортирован или направлен с помощью вентилятора 1 через вентиляционное сопло 2 к охлаждаемому оборудованию, такому как радиатор 3. Для охлаждения радиатора 3 система 100 охлаждения с единственным вентилятором может быть не оптимальной. В некоторых системах лишь с одним осевым вентилятором при работе вентилятора 1 его подвижные лопатки 9 могут быть приведены во вращение и воздействовать на массу охлаждающей текучей среды для ее перемещения с вращением. Вращение охлаждающей текучей среды может уменьшить скорость подвижных лопаток 9 относительно текучей среды, что может привести к снижению производительности и КПД осевого вентилятора 1.
Кроме того, может проявляться центробежный эффект, обусловленный вращением подвижных лопаток 9 вентилятора 1, что может увеличить расход, скорость воздуха и давление на наружном крае осевого вентилятора 1. С другой стороны, вблизи центра осевого вентилятора 1 может быть образована зона низкого давления. В процессе работы электрогенераторной системы, охлаждаемой только одним осевым вентилятором, может происходить повышение температуры в центральной зоне радиатора 3, что может быть отчасти обусловлено рециркуляцией воздуха через радиатор 3. Воздух может рециркулировать через радиатор 3 отчасти потому, что осевые вентиляторы могут производить на охлаждающий воздух воздействие не только в осевом направлении, но создавать также центробежное усилие, действующее на охлаждающий воздух благодаря скорости вращения. Этот центробежный эффект является причиной повышения давления на внешней зоне осевых лопаток.
Напротив, на внутреннем краю, или в центре вентилятора 1, или в зоне выхода из вентилятора может быть создана зона низкого давления. По этой причине при вращении подвижных лопаток 9 по потоку за вентилятором 1 в направлении 5 движения воздуха может быть образован неподвижный конус 4. Этот неподвижный конус 4 представляет собой «мертвую» (застойную) зону с незначительными или даже нулевыми давлением и вентиляционным потоком охлаждающей текучей среды.
На фиг. 1 показан неподвижный конус 4, рассчитанный с использованием компьютерной газодинамики (CFD), а также показано распределение скоростей потока охлаждающего воздуха, созданное осевым вентилятором 1.
Основание неподвижного конуса 4 может быть расположено у основания подвижных лопаток 9 вентилятора 1. Вершина неподвижного конуса 4 может быть более или менее удаленной от вентилятора. Размер неподвижной конической зоны 4 будет зависеть частично от характеристик и размеров осевого вентилятора 1. В этом неподвижном конусе 4 скорость потока воздуха может быть очень низкой или практически равной нулю.
В определенных случаях воздушный поток в неподвижном конусе 4 может быть даже отрицательным. Противодавление, которое создано камерой повышенного давления, находящейся после радиатора 3, может быть достаточным для создания нежелательного потока воздуха, направленного обратно в зону низкого давления. Например, если давление по потоку за охлаждающим радиатором 3 больше, чем давление в упомянутой застойной зоне, может произойти рециркуляция воздуха. В этих случаях горячий воздух, находящийся по потоку за радиатором 3, может проходить обратно в застойную зону неподвижного конуса 4, что может привести к снижению эффективности работы радиатора 3 в системе 100 охлаждения. Этот горячий воздух может непрерывно смешиваться с охлаждающим воздухом, снижая эффективность работы системы охлаждения.
На фиг. 3 показаны результаты измерений скоростей потока воздуха на выходе радиатора для системы охлаждения, содержащей только один вентилятор. Измерения скорости потока воздуха были проведены с помощью ручного анемометра, установленного в воздуховыпускном отверстии камеры с открытой передней панелью так, что противодавление, обусловленное наличием этой камеры, отсутствует.
Приведенные в таблице на фиг. 3 данные свидетельствуют о недостатке охлаждающего потока воздуха в центральной зоне 6 радиатора 3. В этой центральной зоне 6 скорость охлаждающего воздуха может быть даже отрицательной.
В результате образования неподвижного конуса 4 радиатор 3, который охлаждается только одним осевым вентилятором 1, может воспринимать поток воздуха, созданный этим осевым вентилятором 1, по всей его поверхности, за исключением центральной зоны 6, находящейся внутри неподвижного конуса 4. В таких системах охлаждения вся поверхность радиатора 3 охлаждается неравномерно, в результате чего процесс теплообмена происходит неэффективно. Неэффективный теплообмен может привести к необходимости использования системы 100 охлаждения чрезмерно больших размеров и/или необходимости снижения выходной мощности электрогенераторной системы для уменьшения температуры.
С учетом этой проблемы в некоторых системах радиатор 3 (или охлаждаемое оборудование) может быть отделен от вентилятора 1 на большее расстояние, чтобы неподвижный конус 4 не перекрывал какую-либо часть радиатора. За счет размещения радиатора 3 на достаточном удалении от вентилятора 1 влияние неподвижного конуса 4 на радиатор 3 может быть исключено.
Однако такое решение может ухудшить компактность системы и привести к недопустимому увеличению размеров агрегата. В некоторых генераторных установках, в которых тепловой двигатель охлаждается одним или несколькими радиаторами совместно с одним или несколькими осевыми вентиляторами может возникнуть необходимость в жестких ограничениях габаритов установки.
Одна система может содержать воздушный канал для размещения электрического вентилятора, выполненного с подвижными лопатками и взаимосвязанными элементами, проходящими между внешним и внутренним кольцевыми элементами, расположенными коаксиально подвижным лопаткам. Такие взаимосвязанные элементы могут отклонять воздушный поток в осевом направлении. Таким образом, воздушный поток может быть ориентирован для транспортирования через радиатор в заданном направлении, что может способствовать прохождению воздуха в центральную часть радиатора. Этот эффект подобен эффекту, получаемому от использования неподвижных лопаток или обратного вращения в турбине или турбовинтовых двигателях. Однако такие системы не могут устранить застойную зону, созданную вблизи центра осевого вентилятора.
На фиг. 4 показана система 100 охлаждения электрогенераторной системы и осевой вентилятор 1, причем неподвижные лопатки 7 не видны. На фиг. 5 показаны система охлаждения, осевой вентилятор 1 и неподвижные лопатки 7 (именуемые также «лопатками статора», «неподвижными лопастями», «лопастями статора» или «ребрами»), а на фиг. 6 - система охлаждения, при этом неподвижные лопатки 7 видны, а осевой вентилятор 1 не виден. Система охлаждения, показанная на фиг. 4-6, может функционировать с уменьшением размеров или устранением неподвижного конуса 4, создаваемого непосредственно осевым вентилятором 1.
Электрогенераторная система (или генераторная установка) может быть автономным устройством, что позволяет вырабатывать электрическую энергию с использованием теплового двигателя. Генераторная установка содержит тепловой двигатель, соединенный с ним генератор переменного тока и систему охлаждения. Генератор переменного тока выполнен с возможностью преобразования механической энергии, получаемой от теплового двигателя, в электрическую энергию. Электрогенераторная система может быть использована для компенсации отключения электрической сети общего пользования (или делает это возможным) или для подвода электрической энергии к электрическим устройствам в зонах, которые не имеют доступа к электрической сети общего пользования.
Электрогенераторная установка может содержать раму, на которой смонтирован тепловой двигатель. Генератор переменного тока установлен на указанной раме и соединен с тепловым двигателем для обеспечения возможности преобразования тепловой энергии, получаемой от теплового двигателя, в электрическую энергию. К генератору переменного тока могут быть подключены блок управления и распределительная коробка, а в раме может быть выполнено по меньшей мере одно входное отверстие для подачи воздуха к тепловому двигателю.
Во время работы температура теплового двигателя повышается и может потребоваться установка подходящей системы охлаждения для поддержания температуры в допустимом для нормальной работы установки диапазоне Система охлаждения позволяет также предотвратить повреждение двигателя и других компонентов электрогенераторной установки вследствие повышения температуры из-за выделения теплоты элементами электрогенераторной установки.
Система 100 охлаждения содержит радиатор 3, через который циркулирует подлежащая охлаждению текучая среда (охлаждающая вода, отводимая из блока двигателя, воздух, поступающий в цилиндры ДВС, масло, топливо и т.п.). В некоторых других установках система 100 охлаждения может существовать отдельно или независимо от радиатора 3.
Система 100 охлаждения также содержит осевой вентилятор 1, который продувает воздух через радиатор 3. Воздушный поток от осевого вентилятора 1 создается в вентиляционном сопле 2, которое выполняет функцию распределительной трубы для радиатора 3.
Для сохранения рабочей температуры электрогенераторной установки в допустимых пределах и поддержания оптимального расхода воздуха осевой вентилятор 1 должен работать настолько эффективно, насколько это возможно. Осевой вентилятор 1 вращает и приводит в движение поток охлаждающей текучей среды (в частности, холодного воздуха), проходящий через вентиляционное сопло 2 к радиатору 3.
Система 100 охлаждения содержит ряд неподвижных лопаток 7, обеспечивающих более эффективное распределение воздушного потока, созданного осевым вентилятором 1. Неподвижные лопатки 7 расположены напротив приведенного в действие осевого вентилятора 1. Неподвижные лопатки 7 могут быть расположены в вентиляционном сопле 2 и образовывать систему противодействия вращению, предотвращающую вращение потока воздуха под действием подвижных лопаток 9 вентилятора 1. За счет блокирования вращения потока воздуха скорость лопаток вентилятора 1 по отношению к воздуху может быть повышена, в результате чего эффективность осевого вентилятора в некоторой степени восстанавливается.
Система 100 охлаждения также уменьшает вредное влияние неподвижного конуса 4, образованного по потоку за осевым вентилятором 1, исключая значительное увеличение общих габаритов системы 100 охлаждения. Система 100 охлаждения также надежна в эксплуатации и не является дорогостоящей. Указанная система 100 охлаждения может также уменьшить уровень шума системы охлаждения.
Система охлаждения содержит по меньшей мере один приводимый во вращение осевой вентилятор 1, содержащий одну, две или большее число подвижных лопаток 9. Осевой вентилятор 1 и подвижные лопатки 9 создают поток воздуха через вентиляционное сопло 2 по направлению к охлаждаемому элементу установки, в частности, радиатору 3.
Система 100 охлаждения также содержит одну, две или большее число неподвижных лопаток 7, расположенных вблизи, напротив или иным образом около подвижных лопаток 9. Неподвижные лопатки 7 могут быть, например, размещены около, или в вентиляционном сопле 2, или других различных местах. Например, неподвижные лопатки 7 могут быть непосредственно прикреплены к вентиляционному соплу 2 или посредством другого элемента, в частности, внешнего кольца 30. Дальний конец каждой из неподвижных лопаток 7 присоединен к внешнему кольцу 30, которое представляет собой по существу кольцевой элемент, диаметр которого больше диаметра осевого вентилятора 1. На участке, расположенном по потоку перед осевым вентилятором 1, внешнее кольцо 30 имеет сужающуюся или расширяющуюся к концу форму для создания эффекта Вентури, действующего на охлаждающий воздух, поступающий в вентилятор 1. Такая форма кольца может способствовать повышению эффективности работы вентилятора. Возможны и другие варианты выполнения.
Неподвижные лопатки 7 противодействуют вращению воздушного потока, вызванного действием подвижных лопаток 9 вентилятора 1. Наличие неподвижных лопаток 7 по потоку за вентилятором 1 по направлению 5 перемещения охлаждающей текучей среды, в частности, в вентиляционном сопле 2, способствует повышению производительности вентилятора 1 и более равномерному охлаждению радиатора 3.
Неподвижные лопатки 7 могут быть расположены напротив лопаток 9 осевого вентилятора 1. Неподвижные лопатки 7 могут быть выполнены регулируемыми, чтобы можно было изменять угол наклона всех или части неподвижных лопаток 7 по отношению к направлению потока воздуха.
Во многих системах неподвижные лопатки 7, в отличие от лопаток 9 вентилятора, могут быть зафиксированы при повороте на определенный угол. В других системах неподвижные лопатки 7 могут быть регулируемыми или поворотными, например, для изменения угла наклона всех или части лопаток относительно направления движения текучей среды.
Неподвижные лопатки 7 могут иметь различные формы и могут созданный вентилятором 1 поток воздуха устанавливать от простого потока воздуха до более сложного потока воздуха.
Неподвижные лопатки 7 могут быть изогнутыми или иметь криволинейную форму. Неподвижные лопатки 7 могут иметь кривизну в плоскости, по существу перпендикулярной оси вращения подвижных лопаток 9. Плоскость, перпендикулярная оси вращения подвижных лопаток 9 будет называться плоскостью вращения.
Неподвижные лопатки 7 создают центростремительный эффект, действующий на поток воздуха, созданный подвижными лопатками 9 вентилятора 1. Осевой вентилятор 1 может вращаться в направлении 8 вокруг оси вращения, перемещая при этом охлаждающую текучую среду в направлении вращения и в сторону радиатора 3. Кривизна неподвижных лопаток 7 может оказывать на поток воздействие таким образом, чтобы направлять, ориентировать поток или в ином случае вернуть часть охлаждающей текучей среды в направлении к центральной зоне 6, расположенной по потоку за вентилятором 1, в направлении оси 23 вращения подвижных лопаток 9. Направляя часть потока воздуха в сторону оси 23 вращения подвижных лопаток 9, неподвижные лопатки 7 уменьшают или предотвращают формирование описанного выше неподвижного конуса 4.
Неподвижные лопатки 7 имеют простую форму, и поэтому они являются недорогими. Они обеспечивают возможность направления части потока воздуха к центральной зоне по потоку за вентилятором 1.
Дополнительно или в альтернативном варианте неподвижные лопатки 7 по своей длине могут иметь одинаковые или различные углы наклона. Углом наклона считается угол, образованный хордой лопатки крыльчатки вентилятора и осью вращения крыльчатки. За счет наклона внешних концов неподвижных лопаток 7 можно оптимизировать распределение давления воздуха, созданного вентилятором 1, с каждой стороны неподвижных лопаток. За счет наклона внешних концов неподвижных лопаток 7 можно также предотвратить образование зон низкого давления позади неподвижных лопаток 7. Этот наклон может также уменьшить уровень шума, создаваемого неподвижными лопатками 7 при вращении подвижных лопаток 9 вентилятора 1.
Неподвижные лопатки 7 могут иметь отличный от нуля угол наклона по отношению к оси вращения в какой-то точке вдоль длины неподвижной лопатки 7. Например, неподвижные лопатки 7 могут иметь отличный от нуля угол наклона относительно указанной оси вращения на их конце, удаленном от центра (на внешнем конце). В некоторых случаях неподвижная лопатка 7 может иметь угол наклона, близкий или по существу равный 45°. Угол наклона обеспечивает возможность оптимизации распределения давления по потоку до или после неподвижных лопаток, предотвращая тем самым возникновение явления кавитации. Могут быть также выбраны другие величины угла наклона, и этот выбор зависит от формы неподвижных лопаток 7 и эксплуатационных ограничений, наложенных на систему 100 охлаждения. В некоторых системах 100 охлаждения оптимальная величина этого угла наклона может быть определена, например, путем вычислений, проведенных с помощью компьютерной газодинамики, или с помощью точной регулировки угла во время проведения эксплуатационных испытаний.
Дополнительно или в альтернативном варианте вся неподвижная лопатка 7 или ее часть может быть закручена. Например, неподвижная лопатка 7 может иметь угол наклона, который может изменяться, резко или постепенно, в одной точке, или на некоторой части, или по всей длине неподвижной лопатки. В некоторых системах 100 охлаждения неподвижная лопатка может поворачиваться по всей длине так, чтобы повышать давление текучей среды. Повышение давления текучей среды может увеличить расход воздуха, обтекающего поверхность радиатора 3. В некоторых системах неподвижные лопатки могут быть повернуты менее чем на пол-оборота. Такое закручивание может быть постепенным и увеличивается от центра неподвижных лопаток 7 в направлении их внешнего конца. Например, неподвижная лопатка 7 может иметь равный нулю угол наклона на внутреннем конце, угол наклона в 45° на внешнем конце и постепенное изменение угла наклона от нуля до 45° вдоль длины неподвижной лопатки 7 в направлении от ее внутреннего конца к внешнему концу.
Система 100 охлаждения может содержать любое количество неподвижных лопаток 7. В некоторых электрогенераторных установках система 100 охлаждения может содержать число N неподвижных лопаток 7, например, равное семи. Количество N неподвижных лопаток 7 может отличаться от количества P подвижных лопаток 9 вентилятора 1. Если количество N неподвижных лопаток 7 отличается от количества P подвижных лопаток 9, то можно предотвратить генерирование шума за счет суперпозиции волн акустического давления, генерируемых на некотором расстоянии от каждой подвижной лопатки 9 перед неподвижной лопаткой 7. В некоторых системах число N и число P могут быть взаимно простыми числами.
В некоторых системах 100 охлаждения количество N неподвижных лопаток 7 и количество P подвижных лопаток 9 вентилятора 1 в системе 100 охлаждения представляют собой два простых числа. Различные количества неподвижных лопаток 7 и подвижных лопаток 9 могут уменьшить явление резонанса, которое генерирует шум. Например, вентилятор 1 содержит девять подвижных лопаток 9, а в вентиляционном сопле установлено семь неподвижных лопаток 7. Возможны, конечно, и другие комбинации количеств неподвижных лопаток 7 и подвижных лопаток 9. В других системах количество N и количество P могут быть одинаковыми.
В некоторых электрогенераторных системах неподвижные лопатки 7 системы 100 охлаждения могут быть идентичными и размещенными на одинаковом расстоянии друг от друга. Системы с неподвижными лопатками 7, которые выполнены идентичными и размещенными на одинаковом расстоянии друг от друга, могут обеспечить возможность получения однородного распределения потока воздуха по всей площади поверхности вентилятора 1. В других системах неподвижные лопатки 7 могут быть не идентичными или не размещенными на одинаковом расстоянии друг от друга.
В некоторых электрогенераторных системах элементом, подлежащим охлаждению, может быть радиатор 3 системы охлаждения теплового двигателя. Некоторые системы охлаждения теплового двигателя могут быть снабжены одним или несколькими радиаторами охлаждения, которые могут использовать охлаждающий воздух для охлаждения различных текучих сред, которые циркулируют в радиаторах (охлаждающая вода блока цилиндров двигателя, воздух, поступающий в цилиндры ДВС, масло, топливо и т.п.). Охлаждение радиатора 3 может осуществляться с помощью потока воздуха, созданного одним или несколькими осевыми вентиляторами, продувающими охлаждающий воздух через радиатор 3. В этих типах охлаждающих систем 100 может быть важным ограничение охлаждающей системы 100 по объему и/или габаритам.
Система 100 охлаждения может решить проблему равномерного охлаждения, не требуя большего объема или габаритов. Форма неподвижных лопаток 7, установленных и/или закрепленных в вентиляционном сопле 2, может быть выбрана так, чтобы они поворачивали поток воздуха, перемещаемый вращающимися лопатками вентилятора 1, по направлению к соответствующей центральной зоне (т.е. к неподвижному конусу 4). В результате явление неподвижного конуса может быть уменьшено или исключено без дополнительного увеличения расстояния от радиатора 3. Иначе говоря, в некоторых типах систем 100 охлаждения неподвижные лопатки 7 могут иметь изогнутую форму, которая управляет созданным осевым вентилятором 1 потоком воздуха так, чтобы повернуть часть потока воздуха в центральную зону 6 за счет действия центростремительных сил.
Размещение неподвижных лопаток 7 напротив подвижных лопаток 9 вентилятора 1 обеспечивает возможность противодействия вращению потока воздуха, созданного подвижными лопатками 9 вентилятора 1. Изогнутая форма неподвижных лопаток 7 позволяет вернуть поток воздуха за счет действия центростремительных сил в направлении оси вращения вентилятора 1 и избежать формирования неподвижного конуса 4 по потоку за вентилятором 1. Изогнутая форма неподвижных лопаток 7 может также обеспечить возможность поддержания такого давления в центральной зоне 6, чтобы вентилятор 1 подавал холодный воздух в центральную зону 6, а через центр радиатора 3 не возвращался горячий воздух. Наконец, наклон неподвижных лопаток 7 на внешнем конце приблизительно на 45° позволяет более эффективно распределить поток воздуха в направлении радиатора 3 и предотвратить создание зоны разрежения, которая может образоваться по потоку за неподвижными лопатками 7 при отсутствии такого наклона. Наклон внешнего конца неподвижных лопаток 7 может также уменьшить уровня шума, который генерируется перед неподвижной лопаткой 7 при прохождении потоком подвижной лопатки 9 вентилятора.
Величина угла наклона удаленного конца неподвижной лопатки 7 относительно оси или плоскости вращения поворотной лопатки может быть выбрана в каждом конкретном случае, например, посредством расчета с использованием компьютерной динамики (CFD). Величина угла наклона может быть определена так, чтобы уменьшить, настолько насколько это возможно, появление зон разрежения и/или генерируемого шума. Такая настройка величины угла может также учитывать форму неподвижной лопатки.
Неподвижные лопатки 7 могут быть изготовлены из любого подходящего материала для выбранного типа охлаждающей текучей среды. При использовании окружающего воздуха неподвижные лопатки 7 могут быть изготовлены из металла и, возможно, из пластмассы для снижения стоимости. Некоторые или все неподвижные лопатки 7 могут быть изготовлены из пластмассы и могут быть прикреплены к вентиляционному соплу 2. Стоимость их изготовления может быть дополнительно уменьшена за счет использования единственного модуля, который включает в себя вентиляционное сопло 2 и неподвижные лопатки 7. Возможны и другие варианты выполнения.
На фиг. 7А - 7I показаны возможные размеры и формы неподвижных лопаток 7. Электрогенераторная система содержит двигатель и электрогенератор переменного тока, приводимый в действие двигателем для выработки электрической энергии. К двигателю присоединен радиатор 3, для охлаждения которого имеется осевой вентилятор 1, направляющий воздух или другую текучую среду к радиатору 3. Между осевым вентилятором 1 и радиатором 3 расположена одна или несколько неподвижных лопаток 7.
Внутренние концы 20 неподвижных лопаток 7 могут быть соединены между собой. Например, внутренние концы 20 каждой неподвижной лопатки 7 могут быть соединены между собой по кромке 22 (или по внешней поверхности небольшой трубки). В других вариантах неподвижные лопатки 7 могут быть соединены между собой в одной точке. Например, неподвижные лопатки 7 могут быть изготовлены из одной пластмассовой отливки, в которой все неподвижные лопатки 7 сходятся в центральной точке. В некоторых случаях неподвижные лопатки 7 могут быть выполнены без использования ступицы или центрального соединительного элемента, который по существу перекрывает путь потоку воздуха или препятствует его прохождению вдоль оси вращения осевого вентилятора 1. Возможны и другие варианты выполнения.
Осевой вентилятор вращается вокруг оси 23. Неподвижные лопатки могут быть установлены после осевого вентилятора 1, рядом с ним или напротив него. Неподвижные лопатки 7 могут проходить по длине от своего внутреннего конца 20 до внешнего конца 21. Лопатка по длине может быть как прямой, так и криволинейной или извилистой в направлении, перпендикулярном оси 23 и по существу располагаться параллельно плоскости вращения. Например, неподвижные лопатки 7 могут быть изогнуты для придания текучей среде направления от осевого вентилятора 1 в сторону оси 23. Например, каждая неподвижная лопатка 7 может иметь дугообразную или непрямолинейную форму от внутреннего конца 20 до внешнего конца 21.
Неподвижные лопатки 7 могут иметь поверхность, проходящую по длине каждой неподвижной лопатки 7, с углом наклона относительно оси 23, равным нулю, по меньшей мере, вдоль части своей длины. На фиг. 8 показаны неподвижные лопатки, которые имеют равный нулю угол наклона относительно оси 23 вдоль всей своей длины.
В таблице, показанной на фиг. 9, приведены результаты измерения скорости потока воздуха на выходе 3 радиатора для конфигурации неподвижной лопатки 7, показанной на фиг. 8. Приведенные на фиг. 9 результаты показывают, что при использовании системы охлаждения с неподвижными лопатками 7, изображенными на фиг. 8, можно обеспечить увеличение скорости потока в центральной зоне 6, и, следовательно, повысить эффективность охлаждения радиатора 3 и работы всей системы. Результаты, приведенные на фиг. 9, в сравнении в результатами, приведенными на фиг. 3, показывают, что средняя скорость воздуха в системе охлаждения, содержащей неподвижные лопатки, сходна со средней скоростью воздуха в системе охлаждения, не содержащей неподвижные лопатки, но распределение скоростей в системе с неподвижными лопатками значительно улучшено.
На фиг. 10 представлена таблица с результатами измерений температуры, которые были получены в радиаторе 3 при отсутствии неподвижных лопаток и при использовании неподвижных лопаток 7, показанных на фиг. 8. Из таблицы видно, что использование неподвижных лопаток 7, показанных на фиг. 8, может значительно уменьшить температуру в центральной зоне 6 радиатора 3.
Результаты измерений, представленные на фиг. 10, были получены с использованием опытного образца.
В некоторых вариантах выполнения неподвижные лопатки 7 могут быть закручены. Например, каждая из неподвижных лопаток 7 может быть выполнена с нулевым углом наклона на внутреннем конце 20 и отличным от нуля углом наклона на внешнем конце 21, при этом угол наклона изменялся по длине неподвижной лопатки 7 в направлении от внутреннего конца 20 к внешнему концу 21.
Использование закрученных неподвижных лопаток 7 может увеличить скорость потока и улучшить распределение воздуха за неподвижными лопатками 7. Таким образом, закрученные неподвижные лопатки 7 способны повысить эффективность системы 100 охлаждения. Кроме того, закрученные неподвижные лопатки 7 могут уменьшить шум, генерируемый волнами давления, которые создаются лопатками осевого вентилятора 1, вращающимися перед неподвижными лопатками 7.
Неподвижные лопатки 7 могут иметь одинаковую ширину от внутреннего конца 20 до внешнего конца 21. В других вариантах выполнения ширина неподвижных лопаток 7 изменяется от внутреннего конца 20 к внешнему концу 21.
Неподвижные лопатки 7 могут иметь различные формы поперечного сечения. Например, неподвижные лопатки 7 могут иметь поперечное сечение несимметричной формы. Например, неподвижные лопатки 7 могут иметь нижнюю поверхность 31 и верхнюю поверхность 32 различной формы. В некоторых вариантах выполнения неподвижные лопатки 7 могут иметь профиль, подобный профилю крыла самолета. В других примерах выполнения неподвижные лопатки 7 могут иметь другие формы поперечного сечения, например, прямоугольную, треугольную, обтекаемую, круглую или какую-либо другую форму.
Одна или несколько неподвижных лопаток 7 могут быть соединены с внешним кольцом 30 или с вентиляционным соплом 2. Например, внешние концы 21 каждой из неподвижных лопаток 7 могут быть присоединены к внешнему кольцу 30. Общие габариты и форма внешнего кольца 30 могут зависеть частично от размеров осевого вентилятора, формы вентиляционного сопла 2 и от размеров и формы неподвижных лопаток 7 (наряду с другими факторами).
В некоторых электрогенераторных системах неподвижные лопатки 7 могут быть присоединены к внешнему кольцу 30 или вентиляционному соплу 2 посредством ножки, крепежного или другого элемента 40. Например, внешний конец 21 неподвижной лопатки 7 может содержать элемент 40, который может быть прикреплен к внешнему кольцу 30 или вентиляционному соплу 2. Элементы 40 могут быть прикреплены близко к внешнему концу 21 неподвижной лопатки 7 или непосредственно на нем или к другому участку неподвижной лопатки 7.
В некоторых примерах элемент 40 проходит по направлению к двигателю. Например, элемент 40 может проходить параллельно продольной оси 23 осевого вентилятора 1. Элементы 40 могут быть сформованы за одно целое с внешним кольцом 30 или вентиляционным соплом 2, и/или с соответствующей неподвижной лопаткой 7, которую указанный элемент 40 присоединяет к внешнему кольцу 30, или вентиляционному соплу 2. Общие размеры и форма каждого элемента 40 могут зависеть частично от размеров и формы внешнего кольца 30, от формы вентиляционного сопла 2 и от размеров и формы неподвижных лопаток 7 (наряду с другими факторами).
В некоторых вариантах выполнения осевой вентилятор 1 может, по меньшей мере частично, находиться внутри внешнего кольца 30. Например, внешнее кольцо 30 может частично или полностью проходить вдоль плоскости вращения осевого вентилятора 1 так, что осевой вентилятор 1 вращается внутри внешнего кольца 30. В данном примере элементы 40 могут быть использованы для смещения неподвижных лопаток 7 относительно осевого вентилятора 1 так, чтобы неподвижные лопатки 7 находились перед вращающимся осевым вентилятором 1 или сзади него. Использование внешнего кольца 30, проходящего вдоль плоскости вращения осевого вентилятора 1, позволяет минимизировать пространство, необходимое для размещения неподвижных лопаток, и в то же время обеспечивается максимальная эффективность работы системы 100 охлаждения. В других примерах внешнее кольцо 30 может быть расположено перед осевым вентилятором, за ним или может быть иным образом смещено относительно вентилятора и плоскости его вращения. Расположение осевого вентилятора 1 внутри внешнего кольца 30 может частично зависеть от конструкции системы охлаждения электрогенератора в целом.
Центр внешнего кольца 30 может находиться на продольной оси 23 осевого вентилятора 1. В других вариантах выполнения центр внешнего кольца 30 может быть смещен относительно продольной оси 23 осевого вентилятора 1.
Неподвижные лопатки 7 могут быть выполнены с нулевым углом наклона на внутреннем конце 20 и отличным от нуля углом наклона на внешнем конце 21, когда неподвижные лопатки 7 сформованы за одно целое с каждым соответствующим элементом 40. Величина угла наклона на внешнем конце 21 неподвижных лопаток 7 может частично определять размеры и форму элемента 40.
Внешнее кольцо 30 может иметь одинаковую ширину и толщину. В других вариантах выполнения внешнего кольца 30 ширина и/или толщина изменяется по длине внешнего кольца 30. Внешнее кольцо 30 может быть сформовано за одно целое с неподвижными лопатками 7, в частности, посредством пластического формования, или может быть сформовано независимо от неподвижных лопаток 7. Внешнее кольцо 30 может иметь некруглую форму.
Внешнее кольцо 30 может быть соединено с вентиляционным соплом 2. Например, в некоторых системах 100 охлаждения вентиляционное сопло может иметь форму короба или в иных случаях форму параллелепипеда, и может быть выполнено с отверстием, через которое текучая среда из системы охлаждения может направляться к радиатору 3. В некоторых из этих систем неподвижные лопатки 7 могут быть прикреплены к внешнему кольцу 30, которое может быть установлено внутри вышеуказанного отверстия, выполненного в вентиляционном сопле 30. Внешнее кольцо 30 может быть прикреплено к вентиляционному соплу 2 различными способами, например, сваркой, с помощью болтов, винтов, штифтов, клеящих веществ, посредством прессования или различными другими способами. Отверстие в вентиляционном сопле 2 и форма внешнего кольца 30 могут соответствовать друг другу и могут иметь различную форму, в частности, круглую, прямоугольную, овальную или какую-либо другую. В других системах неподвижные лопатки могут быть соединены с вентиляционным соплом 2 непосредственно или с помощью некоторого другого элемента или устройства. Возможны и другие варианты соединения.
На фиг. 11 показано распределение скоростей текучей среды при использовании системы охлаждения с неподвижными лопатками 7 и осевым вентилятором 1. Неподвижные лопатки 7, установленные в вентиляционном сопле 2, могут обеспечить снабжение центральной зоны 6 воздухом и устранения неподвижного конуса 4. В этом примере неподвижные лопатки 7, установленные в вентиляционном сопле 2, могут иметь форму изогнутой полосы, по всей длине перпендикулярной плоскости вращения подвижных лопаток 9 вентилятора 1. В некоторых системах на удаленном конце неподвижных лопаток угол наклона неподвижных лопаток относительно оси вращения равен нулю. В некоторых из этих систем позади неподвижных лопаток 7 могут образоваться отдельные зоны 10 низкого давления (явление кавитации). Однако эти зоны 10 низкого давления могут быть допустимыми и/или они могут быть исключены или уменьшены за счет наклона удаленного от центра конца неподвижных лопаток с образованием угла наклона, отличного от нуля.
С учетом формы и ширины зон 10 кавитации неподвижные лопатки 7 могут быть наклонены на внешнем конце 21 приблизительно на 45° относительно оси вращения. Этот угол наклона может постепенно уменьшаться от приблизительно 45° на внешнем конце 21 неподвижных лопаток 7 до 0° на внутреннем конце 20 неподвижных лопаток 7. Такое изменение наклона лопаток от центра по направлению к периферии может обеспечить возможность уменьшения зон 10 кавитации.
Степень уменьшения этих зон 10 кавитации может быть повышена за счет видоизменения формы неподвижных лопаток 7 путем выполнения лопаток с более сложным аэродинамическим профилем. В этой связи можно считать, что неподвижные лопатки 7 имеют профиль с несимметричным сечением, т.е. они имеют различную форму нижней и верхней поверхностей.
Форма, количество и наклон неподвижных лопаток 7 могут быть оптимизированы по отношению к представленным здесь примерам для того, чтобы оптимизировать производительность системы 100 охлаждения. В частности, неподвижные лопатки 7 могут иметь более сложные формы. Неподвижные лопатки 7 могут иметь также относительно простую форму. Простая форма неподвижных лопаток 7 может обеспечить снижение температуры в центральной зоне 6 радиатора 3 на 3°C при сохранении расстоянии от вентилятора 1 до радиатора 3 в пределах от 10 см до 15 см. Возможны и другие варианты выполнения лопаток.
На фиг. 12 показана система 100 охлаждения, которая содержит вентиляционное сопло 2, окружающее осевой вентилятор 1 и радиатор 3.
На фиг. 13 показана система 100 охлаждения, представленная на фиг. 12, в которой неподвижные лопатки размещены в системе 100 охлаждения внутри вентиляционного сопла 2. Неподвижные лопатки 7 могут быть прикреплены к внешнему кольцу 30 так, чтобы бы внешнее кольцо могло быть присоединено к вентиляционному соплу 2 различными способами, в частности, сваркой, с помощью болтов, винтов, штифтов, клеящих веществ, прессованием или различными другими способами.
На фиг. 14 показана система 100 охлаждения, в которой внешнее кольцо 30 также размещено вокруг осевого вентилятора 1 и имеет на входе форму диффузора. Наличие диффузора на входе кольца ускоряет поток воздуха на входе осевого вентилятора 1 и повышает эффективность системы 100 охлаждения. В некоторых формах выполнения внешнее кольцо 30 может содержать некоторое количество отверстий между каждой неподвижной лопаткой 7, чтобы создать возможность подачи воздуха на внешние участки радиатора 3, в особенности, если радиатор имеет прямоугольную форму. Неподвижные лопатки 3, в свою очередь, могут создавать достаточное давление в центральной зоне 6 для создания вынужденного потока охлаждающего воздуха, направленного в центральную зону 6.
На фиг. 15 показаны аэродинамические эффекты, которые могут быть связаны с работой осевого вентилятора 1. Осевой вентилятор 1 может нагнетать воздух в тангенциальном направлении и в радиальном направлении от центра наружу (с удалением от оси) благодаря действию центробежной силы, создаваемой за счет вращения лопаток 9. Скорость V воздуха, покидающего лопатки 9, может включать тангенциальную составляющую Vt и радиальную составляющую Vr (действие центробежной силы). Наличие радиальной составляющей скорости воздуха может привести к значительно более высокому расходу воздуха и более высокому давлению в периферийных зонах. С другой стороны, в центральной зоне 6 нагнетания воздуха скорость и давление имеют низкие величины, равны нулю или даже имеют отрицательные значения. На фиг. 15 представлены следующие условные обозначения: V - скорость воздуха, выходящего из вентилятора, Vt - тангенциальная составляющая скорости, Vr - радиальная составляющая скорости (действие центробежной силы).
На фиг. 16 показаны аэродинамические эффекты, которые могут быть связаны с работой осевого вентилятора 1 вблизи неподвижных лопаток 7. Изогнутая форма неподвижных лопаток 7 может быть такой, что для любого относительного положения лопаток 1 осевого вентилятора одна или несколько неподвижных лопаток 7 способны преобразовать тангенциальную скорость потока воздуха в радиальную скорость, направленную в центральную зону 6. Радиальная составляющая скорости может быть направлена противоположно центробежной скорости, созданной при вращении осевого вентилятора 1. В зависимости от формы (кривизны) неподвижных лопаток 7 интенсивность радиальной составляющей скорости может быть равна или больше центробежной составляющей скорости. Таким образом, изогнутые неподвижные лопатки 7 могут ориентировать радиальную скорость охлаждающего воздуха в направлении центра охлаждаемого устройства, и, кроме того, осевую скорость воздуха - в направлении оси вращения осевого вентилятора 1.
Оптимизация формы и количества неподвижных лопаток 7 может обеспечить более равномерный поток воздуха к поверхности радиатора 3 и, возможно, создание повышенного давления в центральной зоне 6, чтобы обеспечить расход воздуха, проходящего через центральную зону, эквивалентный расходу воздуха во внешних зонах. Радиальная скорость, которая создается неподвижными лопатками 7, может компенсировать недостаток потока воздуха в центральной зоне 6. Неподвижные лопатки 7 могут повысить производительность системы охлаждения за счет придания потоку воздуха направления, необходимого для его прохождения через радиатор. На фиг. 16 приведены следующие условные обозначения: Vt - тангенциальная составляющая скорости воздуха, выходящего из вентилятора; V - скорость воздуха, скорректированная неподвижными лопатками 7 в направлении, тангенциальном к линии изгиба неподвижных лопаток 7; Vr - радиальная скорость в направлении центральной зоны 6.
На фиг. 17 показаны центростремительные аэродинамические эффекты, связанные с работой осевого вентилятора 1, которые проявляются вблизи неподвижных лопаток 7. Неподвижные лопатки 7 корректируют направление потока воздуха, который первоначально поступает от осевого вентилятора 1. Такая последующая корректировка может преобразовать вращающийся поток воздуха в осевой воздушный поток. Преобразование потока воздуха в осевой воздушный поток может повысить эффективность охлаждения, поскольку потоку придают направление, которое обеспечивает более легкое прохождение потока через радиатор 3. Угол α, образованный направлением неподвижной лопатки 7, изменяется от величины, выбранной для получения максимального эффекта на внешнем конце 21 каждой неподвижной лопатки 7, до 0° в центре, при этом в опытных образцах был использован угол α=45°, хотя эта величина может быть оптимизирована в зависимости от геометрических характеристик.
В некоторых системах угол α, образованный хордой неподвижной лопатки и осью вращения подвижных лопаток вентилятора, может постепенно изменяться от величины α=0° на ближнем конце неподвижных лопаток 7 до величины, отличной от нуля, на удаленном конце неподвижных лопаток 7. Например, на ближнем конце неподвижных лопаток 7 угол α=45°. В некоторых системах эта величина α, а также угол и положение неподвижных лопаток 7 и подвижных лопаток 9 могут быть оптимизированы, например, путем проведения расчетов с использованием методов компьютерной газодинамики.
Описанное выше изменение угла α наклона неподвижных лопаток 7 выпрямляет поток воздуха и преобразует тангенциальный воздушный поток в осевой поток воздуха, что способствует прохождению потока воздуха в радиатор 3. Осевой поток воздуха в сочетании с потоком воздуха, обусловленным действием центростремительных сил, может повысить эффективность охлаждения благодаря улучшения прохождения потоков воздуха через все зоны радиатора 3. Этот осевой поток воздуха может также уменьшить шум, генерируемый при трении воздуха, контактирующего с ребрами радиатора 3 и другими элементами конструкции.
При отсутствии последующего преобразования тангенциального потока воздуха в осевой поток воздуха, воздух мог бы приобретать вращательное движение напротив ребер радиатора 3 со скоростью близкой к скорости вентилятора. Вращательное движение потока воздуха напротив ребер радиатора 3 может увеличить общий шум в системе 100 охлаждения. Например, использование конфигураций неподвижной лопатки 7 и внешнего кольца 30 позволило уменьшить общий уровень шума вплоть до 3 дБ на звукоизолированной электрогенераторной установке мощностью 300 кВА.
Осевой вентилятор 1 может быть снабжен центральной ступицей 25. Подвижные лопатки 9 могут быть прикреплены ближними концами к указанной центральной ступице 25.
Центральная ступица 25 может быть неподвижной по отношению к потоку воздуха, поскольку лопатки 9 вентилятора на этой ступице 25 могут быть неподвижными. Осевой вентилятор 1 может иметь совершенно неэффективную зону в центре, где находится ступица 25. Диаметр ступицы 25 может иметь различные величины. В некоторых примерах этот диаметр может составлять от 20% до 50% от внешнего диаметра лопаток 9 вентилятора 1. В других примерах диаметр ступицы может быть меньше или больше.
В некоторых вариантах выполнения системы 100 охлаждения вблизи центральной ступицы 25 может быть размещен усиливающий элемент для неподвижных лопаток 7. Неподвижные лопатки 7 могут быть присоединены ближним концом к усиливающему элементу. Усиливающий элемент может иметь диаметр, который меньше или равен диаметру центральной ступицы 25. Таким образом, усиливающий элемент может быть использован для фиксации неподвижных лопаток 7, их упрочнения и полезного использования зоны позади ступицы 25.
Усиливающий элемент может иметь различные формы. В качестве примера на фиг. 18 показан усиливающий элемент в виде диска 61. Диск 61 может быть прикреплен к передней поверхности 62 неподвижных лопаток 7 и может быть использован для усиления неподвижных лопаток в центральной зоне 6.
В некоторых из этих систем усиливающий элемент может также представлять собой соединительную трубу, отходящую от диска 61, на которой зафиксированы ближние концы неподвижных лопаток 7. Диск 61 может быть расположен вблизи центральной ступицы 25. Диаметр трубы может быть по существу меньше диаметра диска 61, а диаметр усиливающего диска может быть меньше или равен диаметру центральной ступицы 65.
На фиг. 19 показан другой пример, в котором усиливающим элементом является конус 63. Конус 63 выступает от передней поверхности 62 к задней поверхности 65 неподвижных лопаток 7 и может быть использован для усиления неподвижных лопаток в центральной зоне 6. В некоторых вариантах поверхность усиливающего элемента может быть по существу конической формы или конической изогнутой поверхностью, при этом диаметр конуса уменьшается в направлении от центральной ступицы к охлаждаемому элементу.
На фиг. 20 показан еще один пример, в котором усиливающий элемент выполнен в виде конуса 66 с изогнутыми поверхностями 76А и 76В. Конус 66 проходит от передней поверхности 62 к задней поверхности 65 неподвижных лопаток 7 и может быть использован для усиления неподвижных лопаток в центральной зоне 6. Неподвижные лопатки 7 могут быть прикреплены ближним концом к конусу усиливающего элемента, который может выполнять двойную функцию - средства соединения и усиления. Диаметр конуса может быть равен или меньше диаметра ступицы 25 вентилятора. Использование центрального конуса, в частности, с изогнутой поверхностью, может облегчить переориентацию потока, созданного действием центростремительной силы, в желаемом осевом направлении и необходимо для перемещения охлаждающего воздуха по направлению к центральной зоне радиатора.
Примеры выполнения усиливающих элементов, показанных на фиг. 19 и фиг. 20, могут облегчить изготовление неподвижных лопаток из пластмассы, используя некоторые виды процессов формования. В некоторых системах 100 охлаждения диаметр усиливающего элемента может быть таким же или меньше диаметра ступицы 25 для соответствующего осевого вентилятора 1, который расположен в непосредственной близости от усиливающего элемента. В других различных вариантах выполнения усиливающий элемент может иметь другой диаметр.
Усиливающий элемент может обеспечить фиксацию неподвижных лопаток 7 относительно друг друга и упрочнение сборки неподвижных лопаток 7. Системы с усиливающим элементом, диаметр которого меньше или равен диаметру центральной ступицы 25, не могут привести к увеличению застойной зоны осевого вентилятора 1 и ослабить действие центростремительной силы, направляющей поток в центральную зону.
Может быть необходимым, чтобы диаметр усиливающего элемента на задней стороне неподвижных лопаток 7 был по возможности малым для обеспечения поступления потока воздуха в центральную зону 6 радиатора 3.
На фиг. 21 показана неподвижная лопатку 7 и диск 61, показанный на фиг. 18, используемые в системе 100 охлаждения.
На фиг. 22 показаны неподвижная лопатка 7 и конус 66 с изогнутыми поверхностями 67А и 67В, показанный на фиг. 20, используемые в системе 100 охлаждения. В некоторых системах 100 охлаждения использование конуса 66 с изогнутыми поверхностями 67А и 67В может эффективно преобразовать скорость потока воздуха, обусловленную действием центростремительной силы, в осевую скорость потока воздуха на внутреннем конце 20 неподвижных лопаток 7. Такое изменение направления воздушного потока может облегчить прохождение потока воздуха через центральную зону радиатора 3.
Форма усиливающего элемента, который используется вместе с неподвижными лопатками 7, может быть оптимизирована для каждого случая применения. В качестве примеров, диаметр усиливающего элемента может быть выбран, исходя из диаметра ступицы 25 в соответствующем осевом вентиляторе 1; на основании расчета с использованием компьютерной газодинамики; и/или с использованием результатов испытаний.
На фиг. 23 показан другой пример конфигурации неподвижных лопаток 7 и внешнего кольца 30. Неподвижные лопатки 7 и внешнее кольцо 30 могут иметь различные размеры, чтобы согласовать их со стандартными диаметрами вентиляторов, которые могут быть использованы (например, 18” (дюймов), 21”, 23”, 27”, 28”, 32”, 35” или другие величины диаметров) в зависимости от требований системы 100 охлаждения.
Система охлаждения может содержать по меньшей мере один осевой вентилятор с по меньшей мере двумя вращающимися лопатками, способный приводить в движение охлаждающую текучую среду и с помощью вентиляционного сопла направлять ее к охлаждаемому элементу. Система охлаждения может содержать по меньшей мере две неподвижные лопатки, расположенные в вентиляционном сопле напротив подвижных лопаток. Неподвижные лопатки могут иметь изогнутую форму, подходящую для преобразования тангенциальной составляющей скорости охлаждающей текучей среды, приводимой в движение с помощью осевого вентилятора. Изогнутые лопатки, с одной стороны, направляют радиальную скорость текучей среды к центру охлаждающего устройства, и, с другой стороны, ориентируют осевую скорость текучей среды в направлении оси вращения вентилятора.
В некоторых системах охлаждения ближние концы подвижных лопаток могут быть присоединены к центральной ступице. Неподвижные лопатки могут быть неподвижным концом присоединены к соединительному устройству, диаметр которого меньше или равен диаметру центральной ступицы. В некоторых системах соединительное устройство может быть выполнено в виде трубы, к которой прикреплены ближние концы неподвижных лопаток, и усиливающего диска, размещенного вблизи центральной ступицы. Диаметр трубы может быть по существу меньше диаметра усиливающего диска, а диаметр усиливающего диска может быть меньше или равен диаметру указанной центральной ступицы. В некоторых системах соединительное устройство имеет поверхность по существу в форме конуса или коническую изогнутую поверхность, при этом диаметр устройства уменьшается в направлении от указанной центральной ступицы к охлаждаемому радиатору.
В некоторых системах неподвижные лопатки могут иметь кривизну в плоскости по существу перпендикулярной оси вращения подвижных лопаток, называемой плоскостью вращения. В некоторых системах удаленный конец неподвижных лопаток может иметь угол наклона по отношению к оси вращения, отличный от нуля. В некоторых системах неподвижные лопатки выполнены закрученными.
Некоторые системы содержат N неподвижных лопаток и P подвижных лопаток вентилятора. В некоторых системах N и P могут быть взаимно простыми числами. В некоторых системах удаленные концы неподвижных лопаток могут быть прикреплены к по существу кольцеобразному элементу, диаметр которого больше диаметра осевого вентилятора. Кольцеобразный элемент на участке, проходящем выше по потоку от осевого вентилятора, может иметь конусную форму для создания эффекта Вентури, действующего на охлаждающую текучую среду. В некоторых случаях система охлаждения может представлять собой часть электрогенератора, содержащего двигатель и генератор переменного тока (или электрогенератор), соединенный с двигателем, способные вырабатывать электрическую энергию за счет механической энергии, полученной от двигателя. Возможны и другие варианты выполнения.
Описанная выше система 100 охлаждения позволяет достичь следующих результатов:
- обеспечить эффективную действующую систему охлаждения, посредством которой можно достигнуть поставленную цель охлаждения;
- минимизировать стоимость и габариты радиатора 3, сохраняя в то же время требуемую эффективность охлаждения;
- уменьшить общие размеры или габариты системы 100 охлаждения при сохранении требуемой эффективности охлаждения;
- создать возможность снижения числа оборотов осевого вентилятора, сохраняя в то же время требуемую эффективность охлаждения, уменьшая при этом уровень шума, создаваемого осевым вентилятором 1;
- уменьшить электрическую мощность, необходимую для работы осевого вентилятора 1.
Системы с неподвижными лопатками 7, размещенными в вентиляционном сопле 2, могут создавать два общих эффекта воздействия на воздушный поток вентилятора: во-первых, они могут обеспечить управление потоком охлаждающей текучей среды, обусловленным действием центростремительной силы, так, чтобы устранить неподвижный конус и направить поток воздуха через застойную зону позади ступицы вентилятора 1, и, во-вторых, такие системы могут оказывать противодействие вращению потока охлаждающего воздуха под действием вращающихся лопаток 9 вентилятора. Таким образом, за счет размещения неподвижных лопаток 7 в вентиляционном сопле 2 ниже по потоку от вентилятора 1 относительно направления движения охлаждающего воздуха, можно повысить эффективность работы вентилятора.
Приведенные описание и сопровождающие чертежи иллюстрируют примеры систем. Другие примеры систем могут включать конструктивные изменения, изменения, которые следуют из вышеизложенного описания, изменения в электрической части, в технологии и другие изменения. Части и характерные особенности некоторых систем могут быть включены в другие альтернативные системы или заменены частями и характерными особенностями других альтернативных систем. Хотя приведенное выше описание относится к конкретному случаю - охлаждению тепловых двигателей электрогенераторных установок, система 100 охлаждения может быть использована и в других областях техники. Например, система 100 охлаждения может быть использована для охлаждения двигателей в случаях применения, отличных от электрогенераторов. Возможны и другие случаи применения.
Следует понимать, что настоящее описание не ограничивает объем изобретения, определяемый его формулой. При этом пункты формулы включены в подробное описание, и каждый пункт формулы занимает в описании самостоятельное место как отдельный пример. Хотя выше были описаны различные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что в пределах объема изобретения возможно много других вариантов при практической реализации. Соответственно, изобретение ограничивается лишь с учетом пунктов формулы и их эквивалентов.