Радиальный вентилятор высокого давления
RADIAL HIGH PRESSURE FAN

Изобретение относится к обасти вентиляторостроения, в частности, к конструкции радиального вентилятора, и может быть использовано при проектировании радиальных вентиляторов высокого давления.
Из уровня техники известны вентиляторы высокого давления в спиральном корпусе.
Из описания к изобретению в патенте РФ «Радиальный вентилятор» №2124144, МПК F04D 17/08, дата публикация 27.12.1998 г., [1], известен радиальный вентилятор, содержащий рабочее колесо, входной патрубок и спиральный корпус, рабочее колесо содержит передний и задний диски, расположенные между дисками лопатки, выполненные криволинейными, загнутыми назад. Особенностью изобретения [1] является придание конусности переднему диску рабочего колеса и вхождение входного патрубка внутрь колеса, что значительно усложняет конструкцию вентилятора и не обеспечивает его надежную работу при высоких окружных скоростях рабочего колеса, необходимых для создания высокого давления.
В изобретении Китая «Центробежный вентилятор высокого давления» CN 205036603 (U), МПК F04D 17/08, F04D 25/06, дата публикации 17.02.2017, [2] рассмотрена конструкция привода радиального вентилятора высокого давления, в котором рабочее колесо насажено на вал, вращающийся в двух корпусах опорных подшипников, установленных вместе с двигателем на удлиненной станине. Такой привод гарантирует надежную работу вентилятора при высоких окружных скоростях рабочего колеса для создания высокого давления.
В изобретении Китая «Корпус вентилятора» CN 105041682 (А) F04D 17/08, F04D 29/42, дата публикации 11.11.2015, [3], известен радиальный вентилятор, содержащий рабочее колесо, размещенное в спиральном корпусе. Для обеспечения устойчивого течения в корпусе и снижения создаваемого шума спиральная обечайка корпуса очерчена восемью дугами окружности с постепенно увеличивающимися радиусами этих дуг.
В изобретении Китая «Центробежная вентиляторная машина с самоочищающимися лопатками колеса» CN 106382239 (А), МПК F04D 17/08, F04D 29/28, F04D 29/30, дата публикации 08.02.2017, [4], представлен радиальный вентилятор, содержащий рабочее колесо, входной патрубок и спиральный корпус; рабочее колесо содержит конический передний и плоский задний диски, расположенные между дисками 14 лопаток, выполненных плоскими, отклоненными назад, не допускающими отложение пыли и других частиц на лопатках, не вызывая тем самым перегрузку двигателя.
В описании полезной модели РФ «Центробежный вентилятор» №38367 U1, МПК F04D 17/08, дата публикация 10.06.2004 г., [5], представлен радиальный вентилятор высокого давления, содержащий рабочее колесо, входной патрубок и спиральный корпус, рабочее колесо содержит передний и задний диски, расположенные между дисками лопатки, выполненные криволинейными и загнутыми назад. Особенностью полезной модели [5] является придание конусности переднему диску, вхождение входного патрубка внутрь колеса, а также ряд геометрических параметров вентилятора, в частности, величины углов входа (34-36°) и выхода (39-41°) лопаток, диаметр по внутренним кромкам лопастей (49-51% диаметра рабочего колеса), диаметр входного патрубка (53-54% диаметра рабочего колеса), максимальное раскрытие спирального корпуса (39-41% диаметра рабочего колеса). Такие особенности радиального вентилятора усложняют конструкцию узкого рабочего колеса при сварном исполнении, не обеспечивают надежную работу вентилятора при достижении высокого давления (более 6 кПа), что является его недостатком.
Радиальный вентилятор, представленный в описании полезной модели [5], принят за наиболее близкий аналог изобретения.
Решаемой технической задачей изобретения является создание радиального вентилятора высокого давления.
Технический результат состоит в обеспечении высокого КПД вентилятора высокого давления при простой технологии изготовления рабочего колеса путем оптимизации лопаточной системы рабочего колеса с минимальными потерями давления в межлопаточных каналах, которые определяются оптимальными значениями углов атаки при обтекании входных кромок лопаток. Технический результат состоит также в обеспечении технологичности конструкции вентилятора высокого давления.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Радиальный вентилятор высокого давления, как и в наиболее близком аналоге [5], содержит рабочее колесо, входной патрубок и спиральный корпус, рабочее колесо содержит передний и задний диски, расположенные между дисками лопатки, выполненные криволинейными и загнутыми назад, но в отличие от наиболее близкого аналога [5], передний диск рабочего колеса выполнен плоским с тороидальным входным участком, ширина рабочего колеса составляет 0,10-0,12 диаметра рабочего колеса, входные кромки лопаток рабочего колеса выполнены наклонными со средним диаметром 0,48-0,52 диаметра рабочего колеса, радиус кривизны лопатки рабочего колеса составляет 0,63-0,70 диаметра рабочего колеса, угол выхода лопаток 42°-46°, диффузорность межлопаточного канала рабочего колеса составляет 1,8-2,2, диаметр минимального сечения входного патрубка составляет 0,4-0,5 диаметра рабочего колеса.
Радиальный вентилятор высокого давления характеризуется тем, что густота решетки лопаток рабочего колеса находится в диапазоне 1,5-2,0.
Радиальный вентилятор высокого давления характеризуется тем, что максимальное раскрытие спирального корпуса составляет 0,3 диаметра рабочего колеса.
Радиальный вентилятор высокого давления характеризуется тем, что входной патрубок отстоит от входа в рабочее колесо на расстояние не более 0,01 диаметра рабочего колеса.
Представленные в сущности изобретения признаки являются существенными для решения поставленной технической задачи и достижения технического результата, и образуют совокупность, достаточную для разработки и изготовления радиального вентилятора высокого давления на специализированном предприятии.
Радиальные вентиляторы высокого давления используются в вентиляционных системах и технологических установках различного назначения со сравнительно небольшим расходом и высоким сопротивлением сети. Эти вентиляторы характеризуются малым относительным диаметром минимального сечения входного патрубка и небольшой относительной шириной рабочего колеса и спирального корпуса.
Для обеспечения высокого давления свыше 6000 Па вентилятор должен иметь высокую окружную скорость рабочего колеса, как правило больше 120 м/с, и максимально возможный коэффициент давления больше единицы, что достигается большими значениями углов выхода лопаток в диапазоне 42°-46°. Для обеспечения достаточной прочности при такой окружной скорости рабочее колесо должно быть узким с шириной не более 0,1-0,12 диаметра рабочего колеса. Чтобы обеспечить высокий КПД вентилятора высокого давления, выполненного по такой простой конструктивной схеме без вхождения входного патрубка внутрь колеса, необходимо обеспечить оптимизацию лопаточной системы рабочего колеса с минимальными потерями давления в межлопаточных каналах, которые зависят от оптимальных значений углов атаки при обтекании входных кромок лопаток. Диффузорность межлопаточного канала рабочего колеса должна составлять 1,8-2,2, при этом густота решетки лопаток рабочего колеса должна находиться в диапазоне 1,5-2,0.
Для упрощения технологии изготовления такого узкого рабочего колеса при сварке передний диск колеса должен быть плоским с небольшим тороидальным входным участком, который обеспечивает плавное сопряжение с цилиндрическим выходным участком входного патрубка.
Для надежной работы вентилятора с высокооборотным рабочим колесом максимальное раскрытие спирального корпуса составляет 0,3 диаметра рабочего колеса, а осевое расстояние между входом в рабочее колесо и входным патрубком не превышает 0,01 диаметра рабочего колеса.
Изобретение поясняется чертежами и графиками.
На фиг. 1 представлен радиальный вентилятор высокого давления при виде сбоку.
На фиг. 2 представлен продольный разрез А-А на фиг. 1.
На фиг. 3 показан график зависимости коэффициента полного давления λ от коэффициента расхода ϕ образца радиального вентилятора высокого давления λ=ƒ(ϕ).
На фиг. 4 показан график зависимости коэффициента мощности λ от коэффициента расхода ϕ образца радиального вентилятора высокого давления λ=ƒ(ϕ).
На фиг. 5 показан график зависимости полного коэффициента полезного действия η от коэффициента расхода ϕ образца радиального вентилятора высокого давления η=ƒ(ϕ).
Радиальный вентилятор высокого давления устроен следующим образом.
2
1
2
2
2
2
d
0
2
0
2
Радиальный вентилятор высокого давления (далее вентилятор), как показано на фиг. 1, 2, содержит спиральный корпус 1, рабочее колесо 2 и входной патрубок 3. Рабочее колесо 2 содержит передний 4 и задний 5 диски, расположенные между дисками 4 и 5 лопатки 6, выполненные криволинейными и загнутыми назад. Передний диск 4 рабочего колеса 2 выполнен плоским с тороидальным входным участком 7. Ширина b рабочего колеса 2, равная расстоянию между дисками 4 и 5 выходных кромок 8 лопаток 6, составляет 0,10-0,12 диаметра рабочего колеса D, равного диаметру окружности, описываемой выходными кромками 8 лопаток 6. Входные кромки 9 лопаток 6 рабочего колеса 2 выполнены наклонными со средним диаметром входа D=(0,48-0,52)D диаметра рабочего колеса D, радиус кривизны R лопаток 6 рабочего колеса 2 составляет R=(0,63-0,70)D. Угол выхода лопаток 6 β=42°-46°, диффузорность n межлопаточного канала 10 рабочего колеса 2, равная отношению площади выходного сечения межлопаточного канала 10 к площади его входного сечения, составляет 1,8-2,2. Густота t решетки лопаток 6 рабочего колеса 2, равная отношению длины лопатки 6 к ширине межлопаточного канала 10 в среднем сечении по длине межлопаточного канала 10, находится в диапазоне 1,5-2,0, диаметр минимального сечения входного патрубка D составляет 0,4-0,5 диаметра рабочего колеса D: D=(0,4-0,5)D.
2
2
2
2
Максимальное раскрытие спирального корпуса А равно 0,3 диаметра рабочего колеса D: А=0,3D. Входной патрубок 3 отстоит от входа в рабочее колесо 2 на расстояние h не более 0,01 диаметра рабочего колеса D: h≤0,01D.
В предпочтительном варианте выполнения радиальный вентилятор высокого давления имеет следующие геометрические параметры:
- угол выхода лопаток
β<sub>2</sub>=44°-46°
- относительная ширина колеса на выходе
b/D<sub>2</sub>=0,10-0,12
- относительный диаметр минимального сечения
входного патрубка
D<sub>0</sub>/D<sub>2</sub>=0,4-0,45
- относительный радиус кривизны лопаток
R/D<sub>2</sub>=0,63-0,68
- диффузорность межлопаточного канала колеса
n<sub>d</sub>=1,8-2,2.
Радиальный вентилятор высокого давления работает следующим образом.
2
2
0
2
1
2
Радиальные вентиляторы высокого давления создают полное давление, соответствующее 6000-12000 Па, что достигается при высоких окружных скоростях рабочих колес 2 u=πDn/60=120-130 м/с (где n - частота вращения рабочего колеса). При таких необходимых высоких значениях окружной скорости u для обеспечения достаточной прочности рабочие колеса 2 должны иметь небольшую относительную ширину b/D, соответствующие небольшие значения относительного диаметра минимального сечения входного патрубка 3 D/D и относительного среднего диаметра D/D, где расположены входные кромки 9 лопаток 6 рабочего колеса 2. При этом увеличивается протяженность межлопаточных каналов 10 рабочего колеса 2.
2
2
2
Чтобы уменьшить габаритные размеры вентиляторов, коэффициенты давления ψ=2Pν/ρu, создаваемого вентилятором, и углы выхода β лопаток 6 должны иметь как можно большие значения, но для обеспечения высоких КПД углы выхода β лопаток 6 не должны превышать 50°. При большой протяженности межлопаточных каналов 10 рабочего колеса 2 на величину потерь давления в рабочем колесе 2 и значения КПД вентилятора большое влияние оказывает форма лопаток 6 рабочего колеса 2, которую необходимо оптимизировать.
Таким образом, при разработке нового вентилятора высокого давления с высоким КПД и с высокой степенью технологичности изготовления необходимо оптимизировать не только отдельные значения геометрических параметров аэродинамической схемы вентилятора, но и совокупность параметров и их соотношений, которые и обеспечивают высокую энергоэффективность вентилятора.
Результаты разработки радиального вентилятора высокого давления с оптимальными геометрическими параметрами представлены в виде аэродинамических характеристик на графиках фиг. 3, 4, 5, которые получены в результате аэродинамических испытаний опытного образца и подтверждают достижение изобретением решения заявленной технической задачи и получения технического результата.
2
MAX
Действительно, коэффициент полного давления ψ=2Pν/ρu, как продемонстрировано на графике фиг. 3, достигает максимальной величины ψ=1,245 при низких величинах коэффициента расхода ϕ=Q/(uF)=0,026, при этом напорная характеристика ψ(ϕ) имеет плавный характер в диапазоне коэффициентов расхода ϕ=0,02-0,11,
где:
Pν - полное давление, создаваемое вентилятором;
ρ - плотность воздуха;
2
u=πDn/60 - окружная скорость внешних концов лопаток 6 рабочего колеса 2;
n - частота вращения рабочего колеса 2;
Q - объемная производительность вентилятора;
2
2
F=πD/4 - условная площадь рабочего колеса 2;
Коэффициент потребляемой мощности  (характеризующий приводимую к валу рабочего колеса 2 мощность N) в зависимости от коэффициента расхода ϕ, согласно графику фиг. 4, достигает максимальной величины в диапазоне коэффициента расхода ϕ=0,1-0,12 напорной характеристики вентилятора и не вызывает перегрузку двигателя при работе вентилятора на этих режимах.
Максимальная величина полного коэффициента полезного действия η=PνQ/N достигается, как показано на графике фиг. 5, при величинах коэффициента расхода ϕ=0,06-0,08 и составляет η=0,8 (80%).
Таким образом, экспериментально показана возможность решения поставленной технической задачи и достижение технического результата при создании радиального вентилятора высокого давления в соответствии с представленными формулой и описанием изобретения.
Полнота раскрытия устройства радиального вентилятора высокого давления в формуле и описании изобретения позволяет разработать и изготовить вентилятор на специализированном предприятии. Изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Перечень позиций и обозначений изобретения
«Радиальный вентилятор высокого давления»
1 - спиральный корпус;
2 - рабочее колесо;
3 - входной патрубок;
4 - передний диск;
5 - задний диск;
6 - лопатка рабочего колеса;
7 - тороидальный входной участок рабочего колеса 2;
8 - выходная кромка лопатки 6;
9 - входная кромка лопатки 6 рабочего колеса 2;
10 - межлопаточный канал рабочего колеса 2.
2
D [м] - диаметр рабочего колеса 2, равен диаметру окружности, описываемой выходными кромками 8 лопаток 6;
1
D [м] - средний диаметр входа в рабочее колесо 2, равный диаметру окружности, описываемой входными кромками 9 лопаток 6 колеса 2 в среднем по ширине рабочего колеса 2 сечении;
0
D [м] - диаметр минимального сечения входного патрубка 3;
R [м] - радиус кривизны лопатки 6 рабочего колеса 2;
b [м] - ширина рабочего колеса 2, равная расстоянию между передним 4 и задним 5 дисками рабочего колеса 2;
h [м] - расстояние от входного патрубка 3 до входа в рабочее колесо 2;
А [м]- максимальное раскрытие спирального корпуса 1;
2
β [град] - угол выхода лопаток 6 рабочего колеса 2;
2
2
b/D - относительная ширина рабочего колеса 2, равная расстоянию b между передним 4 и задним 5 дисками рабочего колеса 2, отнесенному к диаметру D рабочего колеса 2;
d
n - диффузорность межлопаточного канала 8 рабочего колеса 2, равная отношению площади выходного сечения межлопаточного канала 10 к площади его входного сечения;
t - густота решетки лопаток 6 рабочего колеса 2, равная отношению длины лопатки 6 к ширине межлопаточного канала 10 в среднем сечении по длине межлопаточного канала 10;
0
2
D/D - относительный диаметр минимального сечения входного патрубка 3;
2
ψ=2Pν/ρu - коэффициент полного давления;
ϕ=Q/(uF) - коэффициент расхода;
- коэффициент потребляемой мощности;
η=PνQ/N - полный коэффициент полезного действия вентилятора;
Pν [Па] - полное давление, создаваемое вентилятором;
3
ρ [кг/м] - плотность воздуха;
2
u=πDn/60 [м/с] - окружная скорость рабочего колеса 2;
-1
n [мин] - частота вращения рабочего колеса 2;
3
Q [м/с] - объемная производительность вентилятора;
2
2
2
F=πD/4 [м]- условная площадь рабочего колеса 2;
N [Вт] - механическая мощность, подводимая к валу рабочего колеса 2.