ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР
AXIAL-FLOW FAN

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 кпд, 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 рабочее колесо, установленное на валу электродвигателя с элементом крепления в виде фланца на наружной цилиндрической поверхности, размещенный внутри втулки с радиальными выступами на ее наружной поверхности и контактирующий наружной цилиндрической поверхностью с внутренней поверхностью втулки, при этом втулка установлена внутри корпуса в виде цилиндрический оболочки, образуя между своей наружной поверхностью и внутренней поверхностью корпуса аэродинамический тракт, причем наружная сферическая поверхность радиальных выступов контактирует с внутренней сферической поверхностью расточки на цилиндрической оболочке [2], выбранный в качестве прототипа. Полость, где установлен электродвигатель, закрыта ввернутым во втулку обтекателем, чтобы избежать аэродинамических потерь типа «внезапное расширение», т.к. наружные диаметры втулки и электродвигателя значительно отличаются.
Недостатком этого осевого вентилятора является значительная масса, что вызвано значительным диаметром втулки из-за необходимости размещения внутри нее фланца электродвигателя и наличия обтекателя, а также значительной длины цилиндрической части втулки, что ограничивает использование вентилятора в составе космических аппаратов. Надо отметить, что и конструкция приведенного выше аналога также имеет значительный диаметр втулки из-за необходимости размещения в ее теле крепежных винтов. Другим недостатком прототипа является повышенная температура работающего электродвигателя, обусловленная расположением части его корпуса в замкнутом пространстве внутри втулки и обтекателя. Отвод тепла от работающего двигателя осуществляется в основном теплопередачей через корпус электродвигателя на втулку, откуда тепло снимается потоком воздуха, создаваемым вентилятором. Но так как значительная часть наружной поверхности электродвигателя окружена замкнутым воздушным пространством, передача тепла от нее может осуществляться только путем излучения (крайне низкоэффективным при температуре работающего электродвигателя) и теплопередачи через окружающий воздух, обладающий низкой теплопроводностью. Передача тепла от электродвигателя к обтекателю и не контактирующим с электродвигателем поверхностям втулки конвекцией невозможна из-за состояния невесомости. Неудовлетворительные условия теплоотвода увеличивают температуру электродвигателя, что снижает ресурс его работы (в составе современных бесконтактных двигателей постоянного тока есть электронный коммутатор, коммутирующий обмотки статора в зависимости от положения ротора, содержащий значительное число полупроводниковых элементов, повышение рабочей температуры которых снижает ресурс их работы).
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является снижение массы и рабочей температуры электродвигателя.
Технический результат достигается тем, что в известном осевом вентиляторе, содержащем рабочее колесо, установленное на валу электродвигателя с элементом крепления на наружной цилиндрической поверхности, размещенного внутри втулки с выступами на ее наружной поверхности и контактирующего наружной цилиндрической поверхностью с внутренней поверхностью втулки, при этом втулка установлена внутри корпуса в виде цилиндрический оболочки, образуя между своей наружной поверхностью и внутренней поверхностью корпуса аэродинамический тракт, причем наружная сферическая поверхность выступов полностью контактирует с внутренней сферической поверхностью расточки на цилиндрической оболочке, согласно изобретению, элемент крепления выполнен в виде канавки на наружной цилиндрической поверхности электродвигателя со стороны, ближайшей к валу, в канавке размещено разрезное кольцо, опирающееся на торец выполненной во втулке со стороны, ближайшей к рабочему колесу, расточки, а на участке цилиндрической поверхности электродвигателя между канавкой и торцом электродвигателя со стороны вала установлена соосно электродвигателю гайка, упирающаяся в указанный торец электродвигателя и ввернутая в резьбовое отверстие расточки втулки, выступы втулки выполнены наклонными, и их наружная сферическая поверхность максимально удалена от рабочего колеса, а наружная поверхность электродвигателя на участке от наиболее удаленного от рабочего колеса торца втулки до его противоположного валу торца размещена непосредственно в аэродинамическом тракте. Так как заявленная совокупность существенных признаков позволяет получить указанный технический результат - снижение массы и рабочей температуры электродвигателя - то заявленное устройство соответствует критерию "изобретательский уровень".
На чертеже приведен пример конкретного выполнения осевого вентилятора, продольный разрез.
Осевой вентилятор содержит рабочее колесо 1, установленное на валу электродвигателя 2 с элементом крепления в виде канавки 3 на его наружной цилиндрической поверхности 4. Электродвигатель 2 размещен внутри втулки 5 с выступами 6 (в данном примере - с тремя) на ее наружной поверхности 7 и контактирует наружной цилиндрической поверхностью 4 с внутренней поверхностью 8 втулки 5. Втулка 5 установлена внутри корпуса 9 в виде цилиндрический оболочки, образуя между своей наружной поверхностью 7 и внутренней поверхностью корпуса 10 аэродинамический тракт 11. Наружная сферическая поверхность 12 выступов 6 полностью контактирует с внутренней сферической поверхностью 13 расточки 14 на цилиндрической оболочке - корпусе 9. Втулка 5 закреплена неподвижно относительно корпуса 9 посредством штифтов 15, установленных в корпусе 9 и выступах 6 втулки 5. Канавка 3 размещена на наружной цилиндрической поверхности 4 электродвигателя 2 со стороны, ближайшей к его валу, в канавке 3 размещено разрезное кольцо 16, опирающееся на торец 17 выполненной во втулке 5 со стороны, ближайшей к рабочему колесу 1, расточки 18, а на участке цилиндрической поверхности 4 электродвигателя 2 между канавкой 3 и торцом 19 электродвигателя 2 со стороны его вала установлена соосно электродвигателю 2 гайка 20, упирающаяся в торец 19 электродвигателя 2 и ввернутая в резьбовое отверстие 21 расточки 18 втулки 5. Выступы 6 втулки 5 выполнены наклонными, и их наружная сферическая поверхность 12 максимально удалена от рабочего колеса 1, а наружная поверхность 22 электродвигателя 2 на участке от наиболее удаленного от рабочего колеса 1 торца 23 втулки 5 до его противоположного валу торца 24 размещена непосредственно в аэродинамическом тракте 11.
Осевой вентилятор работает следующим образом: при включении электродвигателя 2 начинает вращаться рабочее колесо 1, создавая поток воздуха, протекающий через аэродинамический тракт 11. При этом аксиальное усилие от гайки 20, упирающейся в торец 19, через стенку канавки 3 воздействует на разрезное кольцо 16, опирая его в торец 17 расточки 18. Таким образом, обеспечивается крепление без зазора электродвигателя 2 к втулке 5. Кольцо 16 выполнено разрезным для обеспечения его монтажа в канавке 3, и его неизменное положение в этой канавке обеспечивается размещением его внутри расточки 18, поверхность которой ограничивает радиальные перемещения частей разрезного кольца 16 (оптимальное количество частей кольца 16 равно двум, т.к. это снижает трудоемкость его изготовления). Соосность рабочего колеса 1 относительно внутренней поверхности 10 цилиндрической оболочки 9 обеспечивается разворотом втулки до необходимого положения (соосность контролируется индикатором в процессе сборки, при этом внутренняя сферическая поверхность 13 служит опорой для наружной сферической поверхности 12 выступов 6), и последующей установки штифтов 15. Равенство диаметров поверхностей 12 и 13 следует из упомянутого в формуле изобретения признака «наружная сферическая поверхность выступов полностью контактирует с внутренней сферической поверхностью расточки на цилиндрической оболочке», где слово «полностью» характеризует контакт по всей поверхности, что может быть реализовано только при равенстве диаметров сферических поверхностей 12 и 13. Выступы 6 втулки 5 выполнены наклонными, и их наружная сферическая поверхность 12 максимально удалена от рабочего колеса 1, чтобы не уменьшать расстояние от центра сферических поверхностей 12 и 13 до периметра лопаток рабочего колеса 1 (уменьшение этого расстояния нежелательно, т.к. следствием этого явилось бы увеличение угла поворота втулки 5 с электродвигателем 2 для компенсации несоосности между рабочим колесом 1 и цилиндрической оболочкой 9 и возможное касание внутренней поверхности цилиндрической оболочки 9 краями лопаток рабочего колеса 1, поскольку поверхность, описываемая при вращении наружным диаметром лопастей рабочего колеса 1, представляет собой кольцо определенной ширины, и при наклоне этого кольца на значительный угол может возникать касание лопаток с корпусом). Выполнение же выступов 6 наклонными позволяет оставить это расстояние неизменным, и в то же время позволяет сократить длину и, соответственно, массу втулки 5. Признак «наружная сферическая поверхность 12 максимально удалена от рабочего колеса 1» введен для того, чтобы пояснить, как именно наклонены выступы 6. Конкретная величина угла наклона выступов 6 определятся обычным проектированием исходя, с одной стороны, из заданного расстояния между рабочим колесом 1 и центром поверхностей 12 и 13, а с другой стороны, известным из рекомендаций в области вентиляторостроения или определяемым экспериментально, из условий допустимой величины шума минимально допустимым расстоянием между краями лопаток рабочего колеса 1 и выступами 6 в их корневом (максимально приближенным к наружной поверхности 7) сечении [3].
В результате использования изобретения снижается масса осевого вентилятора, т.к. из конструкции устраняется обтекатель, снижается внутренний диаметр втулки 5 (из-за устранения фланца из конструкции электродвигателя), а так же и диаметр цилиндрической оболочки 9 (проходное сечение вентилятора, т.е. сечение аэродинамического тракта 11 при этом остается неизменным) и укорачивается длина охватывающей электродвигатель части втулки 5. При этом также происходит снижение толщины втулки 5: из [1] известно, что толщина втулки описанного аналога равна 6 мм, толщина втулки прототипа 9 мм. В заявленном же техническом решении толщина втулки может составить порядка 3 мм (1 мм - величина выступания разрезного кольца 16 над цилиндрической поверхностью 4 электродвигателя 2, 1 мм - высота профиля резьбы отверстия 21, и еще 1 мм - минимальное расстояние между наружным диаметром резьбы отверстия 21 и наружным диаметром 7 втулки 5. Незначительная разница наружного диаметра втулки 5 с диаметром наружной поверхности 22 электродвигателя 2 на участке от наиболее удаленного от рабочего колеса 1 торца 23 втулки 5 до его противоположного валу торца 24 позволяет устранить из конструкции осевого вентилятора обтекатель, не увеличив при этом его гидравлическое сопротивление, т.к. «слабые скачкообразные изменения сечения вызывают меньшие потери, чем соответствующее плавное расширение, тогда как большие резкие изменения сечения значительно более неблагоприятны» - [4]. Размещение же наружной поверхности электродвигателя на участке от наиболее удаленного от рабочего колеса торца втулки до его противоположного валу торца непосредственно в аэродинамическом тракте значительно улучшает теплоотвод от поверхности 22 электродвигателя 2 создаваемым потоком воздуха, что снижает рабочую температуру электродвигателя.
Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное решение к широкому использованию в агрегатах космической техники.
Источники информации
1. Патент РФ № 2235910, кл. F04D 19/00, 2004 г.
2. Патент РФ № 2061907, кл. F04D 19/00, 1996 г.(прототип).
3. Г.А.Хорошев, Ю.И.Петров, Н.Ф.Егоров, «Борьба с шумом вентиляторов», М.: Энергоиздат, 1981 г., стр.28, абз.4.
4. К.Пфлейдерер, «Лопаточные машины для жидкостей и газов», М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1960 г., стр.40.