Малошумная и высокоэффективная лопасть для осевых вентиляторов и роторов и осевой вентилятор или ротор, содержащий упомянутую лопасть
LOW-NOISE AND HIGH-EFFICIENCY BLADE FOR AXIAL FANS AND ROTORS AND AXIAL FAN OR ROTOR CONTAINING SAID BLADE

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к малошумной и высокоэффективной лопасти для осевых вентиляторов; в частности, настоящее изобретение относится к малошумной и высокоэффективной лопасти для промышленных осевых вентиляторов и, более конкретно, для осевых вентиляторов большого диаметра.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к осевому вентилятору, в особенности, к промышленному осевому вентилятору большого диаметра, снабженному малошумной и высокоэффективной лопастью.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Осевые вентиляторы, используемые в промышленном оборудовании с воздушным охлаждением, разделяются на две основные группы, включающие охлаждающие вентиляторы малого размера и охлаждающие вентиляторы большого размера, соответственно.
По существу, размеры охлаждающих вентиляторов могут изменяться от нескольких миллиметров (как в случае вентилятора типа, используемого для охлаждения электронных устройств), до нескольких дециметров (как в случае вентилятора, используемого для охлаждения автомобильного мотора), и даже до 20 метров в диаметре у вентилятора, используемого в конденсаторах с воздушным охлаждением (АСС) или в градирнях.
Граница двух групп, конечно, не может быть жестко фиксирована, но она обычно устанавливается, среди специалистов в этой области, приблизительно около диаметра вентилятора 900 мм, означая, что вентиляторы с диаметром менее 900 мм принадлежат к первой группе, тогда как вентиляторы с диаметром более 900 мм принадлежат ко второй группе.
Технические характеристики вентилятора сильно зависят от его размера (диаметра) и различаются в зависимости от того, принадлежит вентилятор к первой группе или второй группе, по существу, из-за того, что параметры, обеспечиваемые вентиляторами, принадлежащими к двум группам, различны.
Сказанное выше, означает, что осевые вентиляторы большого диаметра имеют технические характеристики, которые глубоко отличны от характеристик вентиляторов малого размера, независимо от того факта, что даже вентиляторы с различными размерами (диаметрами) используются для одного назначения, а именно, перемещения воздуха для охлаждения аппаратуры и/или другого оборудования, или т.п.
Главная причина, почему технические характеристики изменяются столь драматично с возрастанием размера вентилятора, заключается в том, что силы и мощности, действующие на вентилятор, зависят от его диаметра. Например, поглощаемая мощность вентилятора размером несколько мм составляет малую долю кВт, в то время как очень большой вентилятор может поглощать несколько сотен кВт.
Таким же образом, во время работы, силы, действующие на лопасти вентилятора большого диаметра, очень велики, так что конструирование вентиляторов большого размера (сильно нагруженных во время вращения), становится очень сложным, особенно из-за того, что сложные формы, которые, в случае малых вентиляторов, могут позволить уменьшить шум и повысить уровень эффективности, не могут быть приняты в рассмотрение в случае больших вентиляторов.
Кроме того, эффективность вентилятора также должна рассматриваться, потому затрачиваются большие мощности; в сущности, в случае больших вентиляторов, эффективность более высокая на несколько процентных пунктов в результате может сэкономить десятки киловатт.
Следует заметить, кроме того, что в общем случае малые вентиляторы, как ввиду их малых размеров, так и их технических характеристик, могут быть выполнены в виде одной цельной отливки, и могут включать периферийное кольцо, связывающее все лопасти для добавления вентилятору прочности.
Вентилятор, согласно уровню техники, содержащий периферийное кольцо, изображен на фиг. 1, как пример вентилятора с улучшенной устойчивостью, при этом эффективность также повышена посредством периферийного кольца (что помогает предотвратить обратный поток на вершинах лопастей).
Хорошо известно среди специалистов в этой области, что большие вентиляторы обычно не могут быть выполнены с периферийным кольцом типа, изображенного на фиг. 1, по существу, по конструктивным причинам. Кроме того, даже допуская, что было бы технически возможно осуществить упомянутое периферийное кольцо также для большого вентилятора, наличие кольца не согласовалось бы с потребностью, возникающей в случае больших вентиляторов, а именно, регулирования угла установки в зависимости от обстоятельств.
В сущности, большинство охлаждающих устройств, обслуживаемых упомянутыми вентиляторами, выполнены на заказ, и рабочие условия вентилятора могут сильно изменяться, означая, что для удовлетворения упомянутым рабочим условиям обязательна возможность регулировки шага винта. Во-вторых, важно иметь возможность регулировать шаг винта, потому что заказчики требуют обеспечение возможности регулировки шага винта на месте.
Однако регулируемый шаг винта подразумевает наличие открытого пространства между вершиной лопасти и кольцом вентилятора, но обязательное открытое пространство отрицательно влияет на эффективность вентилятора.
Размер этого пространства ограничен международным стандартом от трех до пяти тысячных диаметра вентилятора; однако вышеупомянутый стандарт может быть удовлетворен в случае регулируемого шага винта, только когда лопасти ориентированы под предварительно определенным углом установки, хотя для всех остальных углов установки (иных, чем один предопределенный заранее), стандарт удовлетворяется только в области, где расположена ось регулировки угла установки; соответственно, увеличением или уменьшением угла установки нельзя избежать перемещения передней и задней кромки от кольца вентилятора, главным образом, как функции хорды лопасти, таким образом, увеличивая обратное течение.
Кроме того, в том, что касается необходимости поддержания шума на низких значениях в области больших вентиляторов, дальнейшая информация и определения приводятся ниже для лучшего понимания работы уровня техники и для лучшего понимания предложенного изобретения.
В целом, требования к большим вентиляторам могут быть разделены согласно требуемому уровню шума на следующие три категории.
- Первый уровень шума: нет специальных требований к уровню шума. Вентиляторы имеют довольно узкую хорду и работают на максимальной окружной скорости вершин лопастей, принятой стандартом, что составляет около 60 м/с. В целом, это является условием, обеспечивающим наибольшую эффективность вентилятора при наиболее низких затратах. На сегодняшний день существует три основных типовых лопасти, обычно используемых в больших вентиляторах, имеющихся на рынке, и они изображены на фиг. 2а, 2b и 2с. В случае этих трех лопастей, высокая эффективность обеспечивается посредством использования аэродинамически эффективного профиля и равномерной скорости воздуха по всему радиусу. Равномерное распределение воздуха достигается каждым типом лопасти разным путем: лопасть на фиг. 2а закручена, лопасть на фиг. 2b сужается, лопасть на фиг. 2 с содержит на профиле обработанный закрылок, так что лопасть, в итоге, является как закрученной, так и сужающейся.
- Второй уровень шума: когда нужно удовлетворить требованиям низкого шума среды, это означает, что уровень шума должен быть уменьшен приблизительно на 5 дБА. Согласно известным решениям, этого достигают увеличением ширины хорды для уменьшения и распределения сил, действующих на поверхность лопасти, и компенсации потерь производительности из-за уменьшения скорости до 45 м/с. Типичное увеличение соотношения для хорды может быть в 2,5 раза по отношению к первому уровню шума вентилятора. Однако легко представить, необходимость увеличения ширины хорды сильно влияет (увеличивает) затраты. Однако, рост стоимости не единственный отрицательный эффект. В сущности, увеличение ширины хорды вдоль лопасти, само по себе, имеет некоторые отрицательные эффекты на аэродинамические характеристики лопасти: в сущности, как хорошо известно техническим специалистам по аэродинамике, увеличение отношения ширина/длина лопасти, согласно теории крыла, уменьшает аэродинамическую эффективность.
Следующий негативный эффект этого условия относится к факту, что отношение полной хорды в вершине лопасти к длине окружности, называемое густотой, допускает значения, которые негативно влияют на эффективность вентилятора. Кроме того, следует напомнить, что вентиляторы, как упоминалось здесь, принадлежат к категории больших вентиляторов, которые должны иметь регулируемый угол установки, означая, что та же самая лопасть может быть использована в ситуациях, когда угол установки очень большой, типичный для низкой скорости, при этом, тем не менее, большой зазор у вершины на передней и задней кромке уменьшает эффективность и увеличивает шум.
В вентиляторе с диаметром 10 м увеличение хорды от 0,6 м (типичное для вентилятора с первым уровнем шума) до 1,4 м (типичное для вентилятора со вторым уровнем шума) будет означать, что зазор у вершины как передней, так и задней кромки возрастет в 5,5 раз, означая, следовательно, что это решение будет иметь, как последствие, большой рост затрат и значительную потерю эффективности. Кроме того, будет также большой рост затрат на оборудование для передачи энергии, по причине более высокой скорости увеличения отношения, наряду с увеличением стоимости двигателя, так как более низкая эффективность требует более мощный двигатель.
На фиг. 3а и 3b можно увидеть, как, в реальном случае, различается густота лопаток вентиляторов первого и второго уровня шума.
- Третий уровень шума: обычно наблюдается в области сверхнизкого шума, требует дальнейшего снижения шума приблизительно на 4 дБА по отношению к вентиляторам малого шума. Согласно способам, используемым в настоящее время, для достижения такого снижения шума, окружную скорость вершин лопастей уменьшают далее, хорду вершины увеличивают, и лопасти наклоняют вперед в направлении вращения вентилятора для уменьшения локальных флуктуаций давления, создаваемых ударами потока, для снижения излучения звука и уменьшения накопления граничного слоя.
Существует три известных способа осуществления упомянутого наклона лопасти вперед: наклон ведущей кромки в пространстве, как изображено на фиг. 4а, наклон ведущей кромки в плоскости, как изображено на фиг. 4b, наклон согласно линии, как изображено на фиг. 4с (и, кроме того, описано в патентном документе США 885 1851 В2).
Как изображено, все эти типы лопастей отчетливо имеют очень большую хорду у вершины и, в особенности, лопасть на фиг. 4а.
Все эти системы из уровня техники, и особенно первая из них, имеют очень сложную форму. Как уже описано выше, большая хорда вершины приводит к дальнейшей потере эффективности по сравнению с лопастями второго уровня шума. Но существует еще и другая важная причина неэффективности: очень большая форма лопасти не обеспечивает эффективного аэродинамического распределения по секциям, потому что их размер уменьшается в направлении ступицы, и сильное увеличение закручивания у хвостовика не позволяет компенсировать то, что было потеряно из-за уменьшения хорды.
Ввиду сказанного выше, можно понять, что все системы и способы, доступные сегодня на рынке, для снижения шума больших вентиляторов имеют очень важный недостаток, а именно, очень большую величину потерь энергии и очень высокую стоимость всей машины или устройства, даже больше 30%, чем для вентилятора второго уровня шума.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следовательно, главная цель настоящего изобретения состоит в создании лопасти, в частности, для осевых вентиляторов большого диаметра со сверхнизким шумом, которая позволяет преодолеть недостаток, не устраненный в уровне техники.
В пределах этой цели, целью настоящего изобретения является создание лопасти, в частности, для вентиляторов и роторов сверхнизкого шума, которая, в тех же условиях функционирования, имеет высокую аэродинамическую эффективность в сравнении с вентиляторами со сверхнизким шумом известного типа.
Также цель настоящего изобретения состоит в обеспечении лопасти, в частности, для вентиляторов или роторов большого диаметра со сверхнизким шумом, которая имеет сниженную стоимость изготовления в сравнении с лопастями, известными для тех же приложений.
Настоящее изобретение, следовательно, основано на главном соображении, что недостатки, влияющие как на лопасти, так и вентиляторы из уровня техники, могут быть эффективно преодолены или по меньшей мере существенно снижены с помощью лопасти, которая, при присоединении к ротору с нулевым углом установки, имеет V-образную проекцию на плоскость, параллельную плоскости вращения.
Кроме того, согласно дальнейшему рассмотрению, V-образную лопасть, предпочтительно, получают соединением первой, внутренней части лопасти со второй, внешней частью лопасти, имеющих либо приблизительно одинаковую длину, или даже отличающиеся длины (в зависимости от варианта), с обеспечением образования тупого угла на ведущей кромке лопасти.
Ввиду как выше приведенных соображений, так и недостатков, присущих лопастям и вентиляторам из уровня техники, далее описана лопасть для осевых вентиляторов с малым шумом и/или высокой эффективностью, причем упомянутая лопасть содержит переднюю кромку и заднюю кромку, при этом передняя кромка является ведущей кромкой лопасти, обращенной в направлении вращения вентилятора в рабочем состоянии, и упомянутая задняя кромка является выходной кромкой лопасти, причем упомянутая лопасть содержит первую часть лопасти и вторую часть лопасти, и при этом упомянутая первая и вторая части лопасти образуют на упомянутой ведущей кромке тупой угол V с обеспечением V-образной формы проекции профиля лопасти на плоскость, параллельную плоскости вращения вентилятора.
Как указано, одинаковый угол V может быть образован на задней кромке и на передней кромке лопасти, при соединении первой части со второй частью.
Как указано, вершина угла на ведущей кромке может лежать, относительно линии X, соединяющей точки, в которых ось регулировки шага пересекает хвостовую часть лопасти и вершину лопасти, на одной стороне, а хвостовая и вершинная ведущая кромки, на другой стороне, или вершина V может лежать на одной стороне вместе с хвостовой и вершинной ведущей кромками.
Как сказано, первая и вторая части лопасти имеют приблизительно одинаковую длину или разную длину в зависимости от потребностей и/или обстоятельств. Так же, как казано, тупой угол V может быть от 90° до 170°, в частности, от 100° до 120°.
Как указано, у части лопасти, где соединяются первая часть и вторая часть, между всасывающими поверхностями первой и второй части в вертикальной плоскости образован двугранный угол примерно 195°.
Так же, как указано, первую, внутреннюю часть получают, начиная с прямолинейной лопасти, вращением части профиля назад против часовой стрелки вокруг вертикальной оси, проходящей, где ось регулировки шага пересекает хвостовую часть лопасти, и вторую, внешнюю часть получают вращением части профиля лопасти назад по часовой стрелке вокруг вертикальной оси, проходящей, где ось регулировки шага пересекает вершину лопасти.
Как указано, лопасть или ее аэродинамический профиль может быть единой цельной деталью, изготовленной из литого алюминия, или стали, или пластмассы, или любого другого подходящего материала.
Как указано, первая часть лопасти и вторая часть лопасти могут образовать на упомянутой ведущей кромке скругленный угол.
Так же, как указано, первая часть лопасти и вторая часть лопасти могут образовать на упомянутой задней кромке скругленный угол.
Как указано, одна или обе из упомянутых частей лопасти и вторая часть лопасти могут иметь слегка искривленные ведущие кромки.
Так же, как указано, первая часть лопасти и вторая часть лопасти могут иметь слегка искривленные задние кромки.
Кроме того, предложен промышленный осевой вентилятор со сверхнизким шумом, содержащий лопасть согласно одному или более из приведенных выше вариантов.
В частности, согласно первому варианту настоящего изобретения представлена лопасть согласно пункту 1 формулы изобретения.
Кроме того, варианты настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В последующем описании будут приведены варианты выполнения предложенного изобретения, как показано на чертежах, при этом, тем не менее, настоящее изобретение не ограничивается вариантами, изображенными на чертежах и описанными ниже.
На чертежах:
На фиг. 1, 2а, 2b, 2с, 3а, 3b, 4а, 4b, 4с, 7а, 7b показаны различные примеры конструкций лопастей для осевых вентиляторов согласно уровню техники.
Более подробно:
на фиг. 1 изображен перспективный вид осевого вентилятора малого диаметра в соответствии с уровнем техники, снабженный кольцом на его периферии;
на каждой из фиг. 2а, 2b, 2с изображены лопасти в соответствии с уровнем техники типа обычно используемых в известных больших вентиляторах: на фиг. 2а изображена закрученная лопасть, на фиг. 2b изображена сужающаяся лопасть, на фиг. 2с изображена обработанная лопасть;
на фиг. 3а изображен пример вентилятора большого диаметра (10 метров) с первым уровнем шума в соответствии с уровнем техники;
на фиг. 3b изображен пример вентилятора большого диаметра (10 метров) со вторым уровнем шума в соответствии с уровнем техники;
на фиг. 4а, 4b и 4с изображены соответствующие примеры лопастей осевых вентиляторов со сверхнизким шумом в соответствии с уровнем техники. Более подробно:
на фиг. 4а изображена лопасть, имеющая ведущую кромку, как искривленную, так и изогнутую в пространстве;
на фиг. 4b изображена лопасть, имеющая ведущую кромку, изогнутую в плоскости;
на фиг. 4с изображена лопасть, имеющая ведущую кромку вдоль прямой линии;
на фиг. 5 изображен вид сверху лопасти согласно первому варианту выполнения предложенного изобретения;
на фиг. 6 изображен схематически вид сверху осевого вентилятора с большим диаметром со сверхнизким шумом, согласно варианту выполнения предложенного изобретения;
на фиг. 7а изображен пример осевого вентилятора со сверхнизким шумом в соответствии с уровнем техники, имеющего удлинение задней и передней кромки на внешней трети радиуса;
на фиг. 7b изображен пример осевого вентилятора со сверхнизким шумом в соответствии с уровнем техники, имеющего удлинение задней и передней кромки на внешней трети радиуса;
на фиг. 8 изображен вид сверху (в плоскости) лопасти согласно второму варианту выполнения предложенного изобретения, причем лопасть является сужающейся и скрученной лопастью;
на фиг. 8а сравниваются углы у вершины ведущей кромки и относительной скорости воздуха лопастей в соответствии с уровнем техники и вариантом выполнения предложенного изобретения, соответственно;
на фиг. 8b сравниваются углы у вершины задней кромки и относительной скорости воздуха лопастей в соответствии с уровнем техники и вариантом выполнения предложенного изобретения, соответственно;
на фиг. 9 схематически показана вторая мода вибрации лопасти в соответствии с вариантом выполнения предложенного изобретения;
на фиг. 10 изображена лопасть в соответствии с вариантом выполнения предложенного изобретения, при этом виден двугранный угол;
на фиг. 11 изображена лопасть в соответствии с еще одним вариантом выполнения предложенного изобретения;
на фиг. 12 изображена лопасть в соответствии с еще одним вариантом выполнения предложенного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
При рассмотрении настоящего описания станет понятно, что главная задача предложенного изобретения состоит в создании лопасти, в частности, для промышленных осевых вентиляторов большого диаметра со сверхнизким шумом, поэтому далее приведено описание лопасти для промышленных осевых вентиляторов большого диаметра со сверхнизким шумом, которая также может быть использована с промышленным вентилятором уже известного в этой области техники типа для снижения шума, в то же время, сохраняя, по меньшей мере, такую же аэродинамическую эффективность.
На фиг. 5 лопасть в соответствии с вариантом выполнения предложенного изобретения, как изображено, обозначена номером 1. Лопасть 1 содержит, в частности, хвостовую часть 1r, предназначенную для крепления лопасти 1 к осевому ротору (не показано на фиг. 5); в частности, лопасть может быть прикреплена к осевому вентилятору под различными углами ориентации (углы установки) к оси Х-Х, как показано штрихпунктирной линией на фиг. 5. Ротор предназначен для вращения во время работы вентилятора по часовой стрелке, как изображено стрелкой, при этом ось вращения вентилятора соответствует оси вращения ротора. Со ссылкой на фиг. 5, ось вращения перпендикулярна к плоскости фигуры; наименьший угол установки является углом, при котором проекция лопасти на плоскость, перпендикулярную к оси вращения, занимает наибольшую площадь поверхности. Углы установки больших величин в результате приводят к проекциям лопасти на плоскость, перпендикулярную к оси вращения (также называемую далее плоскостью вращения), занимающим, соответственно, меньшие площади или поверхности. Как изображено, при ориентации лопасти 1 с самым малым углом установки, в частности, с нулевым углом установки, проекция лопасти на плоскость вращения имеет V-образную форму вдоль протяжения лопасти (см. фиг. 5). В частности, лопасть 1 содержит первую, внутреннюю часть 1а, вблизи оси вращения, проходящую от хвостовой части 1r, и вторую, внешнюю часть 1b, имеющую приблизительно такую же длину, как и первая часть 1а, и проходящую от первой части 1а. Относительно оси Х-Х первая часть 1а проходит вдоль первого направления (образуя угол с осью Х-Х), в то же время, относительно оси Х-Х вторая часть 1b проходит вдоль второго направления, отличного от первого направления (образуя угол с осью Х-Х, отличный от угла, образованного первой частью 1а).
Кроме того, относительно направления вращения лопасти 1 (показано стрелкой на фиг. 5) в лопасти 1 могут быть идентифицированы две кромки, а именно, ведущая кромка 11, сталкивающаяся с воздухом во время вращения лопасти 1, и задняя кромка 1t (противоположная ведущей кромке 1l).
Кроме того, как изображено, первая часть 1а и вторая часть 1b ориентированы одна по отношению к другой с ограничением ведущей кромкой 1l тупого угла V (больше 90° и меньше 180°), при этом больший угол (больше 180°) ограничен задней кромкой It.
Также со ссылкой на ось Х-Х, которая, как изображено, пересекает как часть 1а лопасти, так и часть 1b лопасти, вершина Vv угла V, ограниченного ведущей кромкой 1l, расположена на одной стороне оси Х-Х, в то время как противоположные концы (точки В и С) ведущей кромки 1l расположены на противоположной стороне.
Вышеуказанный признак является уникальным, отличительным признаком лопасти в соответствии с вариантом выполнения предложенного изобретения и был идеально получен следующим путем: начиная от по существу прямолинейной лопасти, как изображено, например, на фиг. 3а, внутреннюю часть 1а получают вращением (сгибанием) лопасти назад относительно хвостовой части 1r (против часовой стрелки, по отношению к фиг. 5), в частности, вокруг вертикальной оси, проходящей, где ось Х-Х регулировки шага пересекает часть 1r хвостовой части лопасти, при этом внешнюю часть 1b получают вращением (сгибанием) лопасти назад относительно первой части 1а (по часовой стрелке, по отношению к фиг. 5), в частности, вокруг вертикальной оси, проходящей, где ось Х-Х регулировки шага пересекает вершинную секцию лопасти.
Лопасть 1 имеет очень специфические шумовые и эффективностные характеристики. В результате выполнения обширной тестовой программы на осевом вентиляторе с десятиметровым диаметром, оборудованным лопастями типа, описанного выше и изображенного на фиг. 5, начиная сначала с угла V=170° и уменьшая угол до 90°, изобретатель установил, что в результате уменьшения угла V шум вентилятора также уменьшается. В частности, при углах между 120° и 100° можно получить уменьшение шума до шума равного или меньшего, чем шум уровней 2 и 3 вентиляторов из уровня техники, описанных ранее. Однако, и это экстраординарный факт, было установлено, что высокая эффективность обычных лопастей, принадлежащих уровню 1 шума, может быть поддержана и в некоторых случаях повышена, и это означает, что, согласно потребностям и/или обстоятельствам, настоящее изобретение может быть использовано даже именно для повышения эффективности вентилятора.
Дальнейшее усовершенствование было получено с лопастью, как изображено на фиг. 10, при этом на соединительной секции внутренняя часть 1а и внешняя часть 1b ограничивают двугранный угол около 192°, означая, в частности то, что в проекции ведущей кромки 1l на плоскость, перпендикулярную плоскости вращения, проекции ведущих кромок первой части 1а и вторая часть 1b ориентированы вдоль различных направлений.
На основании вышеупомянутых тестов было даже доказано, что вышеописанная конструкция остается по существу преимущественной, по сравнению с конструкцией с лопастями, известными из уровня техники, даже если вершина Vv и/или точки В и С смещены в положения, иные, чем изображенные на фиг. 5, как, например, изображено на фиг. 11 (относится к следующему варианту лопасти 1 согласно предложенному изобретению). Как изображено на фиг. 11, вершинная точка С ведущей кромки смещена вперед относительно хвостовой точки В ведущей кромки.
Кроме того, описанная выше геометрия (конструкция) остается эффективной даже, если размерное соотношение между внутренней и внешней частями изменяется.
Описанные выше изменения могут быть преимущественными для оптимизации различных типов лопастей, а также потому, что они действуют различным путем на шум и эффективность, следовательно, в зависимости от того, требуется ли снижение шумов или предпочтение отдается повышению эффективности, предпочтительными могут оказаться разные решения.
Главные причины, почему описанные выше, действительно экстраординарные результаты могут быть получены с лопастью, согласно настоящему изобретению, относятся к тому факту, что вышеописанная геометрия и/или конструкция влияют не на один, а на несколько факторов из генерирующих шум и понижающих эффективность факторов. Некоторые из этих факторов здесь упоминаются; однако, существуют дополнительные факторы, помогающие получить эти результаты, которые не упоминаются, так как пока еще не очень понятно, насколько они важны.
Здесь, по существу, дано объяснение главной причины, почему достигаются низкие уровни шума и, во-вторых, почему обеспечивается возможность сохранить или улучшить эффективность вентилятора. Кроме того, больше информации дано относительно дополнительных преимуществ настоящего изобретения, таких как, например, относящихся к уменьшению затрат. Со ссылкой на фиг. 6, 7а и 7b, внешняя часть лопасти согласно предложенному изобретению (фиг. 6) будет сравниваться в дальнейшем с внешней частью лопасти согласно известному уровню техники (фиг. 7а и 7b), принимая во внимание, что внешняя часть лопасти, как это хорошо известно, подвергается воздействию свыше 70% воздушного объема, означая, что внешняя часть является наиболее важной частью лопасти.
Конструкция лопасти согласно предложенному изобретению может быть применена к любому типу обычной лопасти известного уровня техники, а также к их комбинации внутренней или внешней части. Конечно, как заключительный шум, так и заключительные значения эффективности значительно обусловлены типом лопасти, выбранным для применения изобретения. В каждом различном варианте применения должна быть выполнена оптимизация в зависимости от того, отдается ли предпочтение низкому шуму или более высокой эффективности. Для модификации согласно настоящему изобретению была выбрана обычная лопасть согласно уровню техники по типу, изображенному на фиг. 2с, который состоит, по существу, из профиля с изогнутым закрылком на задней кромке. Однако лопасти, изображенные на фиг. 2b, также были кратко протестированы для доказательства того, что изобретение может быть реально применимо к любому типу лопастей.
Причина, по которой для тестовой программы была выбрана лопасть типа "с" состояла в том, что для тестирования было предложено несколько вариантов размеров угла V и расположений точек Vv, В и С, что потребовало создания большого числа различных лопастей. Этот тип лопасти оказался идеальным для очень быстрого и легкого изготовления. В сущности, эта лопасть может быть изготовлена из экструдированного или пултрузионного профиля, при этом выполнение различных вариантов является лишь вопросом резания, сверления и соединения различным образом. Действительно, это является предпочтительным вариантом из-за его простоты. Другие варианты требуют добавления к лопасти различных систем из уровня техники, которые особенно эффективны на изобретенной конструкции, например аэродинамических законцовок на вершине лопасти или элементов в виде зубьев пилы на задней кромке.
Еще один предпочтительный вариант выполнения предполагает соответствующее крепление к ступице, которое было идентифицировано как крепление прямоугольной формы, потому что лазерные системы, плазменные системы и системы кислородной резки могут быть использованы для резания формы любого типа в металлическом листе, и затем может быть получено оптимизированное положение лопасти относительно радиуса вентилятора при низких затратах.
Вибрационное крепление второй моды, как показано на фиг. 9, было бы идеальным для этого типа лопасти, не только потому, что оно снижает нагрузки, но также потому, что если лопасть не слишком длинная, это крепление может войти в лопасть для удлинения, что дало бы возможность достижения внешней части профиля, так что оно могло бы непосредственно крепиться на ней. Однако крепление двух частей лопасти вместе является очень простым в этом случае, и могли бы быть использованы многочисленные решения.
В пределах настоящего изобретения, лопасть 1 может быть осуществлена как соединением вместе внутренней части 1а и внешней части 1b (подготовленных заранее), так и формованием лопасти 1, содержащей внутреннюю часть 1а и внешнюю часть 1b, как единой цельной части из литого алюминия, стали или пластмассы, для получения формы согласно изобретению для лопастей малого и среднего размера. Для больших лопастей, вместо этого, могла бы быть использована любая из стекловолоконных конструкционных систем, фактически используемых для обычных больших лопастей.
Конечно, эта конструкционная система может быть также использована для малых лопаток.
Комбинация различных вариантов для внутренней и внешней части лопатки согласно настоящему изобретению также может быть хорошим решением.
Экстраординарные результаты, достигнутые посредством лопасти согласно предложенному изобретению, могут быть полностью поняты при рассмотрении шума и аэродинамической эффективности.
В последующем, как предусмотрено, лопасть согласно предложенному изобретению (фиг. 6) будет сравниваться с лопастями согласно уровню техники (фиг. 7а и 7b).
Относительно уровня шума необходимо рассмотреть следующее.
Передний угол наклона, который ведущая кромка образует на вершине с направлением относительной скорости воздуха, как показано стрелками (см. также фиг. 8а), сравним с углом наклона для вентилятора с низким шумом, показанным на фиг. 6, и много больше, чем угол наклона на фиг. 7а и 7b, обеспечивая максимальное преимущество, полученное ослаблением шума, относящимся к технике переднего наклона ведущей кромки лопасти.
Передний угол наклона, который задняя кромка образует на вершине с направлением относительной скорости воздуха (см. также фиг. 8b) меньше угла наклона любого из вентиляторов с низким шумом, показанных на фиг. 7а и 7b, обеспечивая максимальное преимущество, полученное ослаблением шума, относящимся к технике переднего наклона задней кромки лопасти.
Удлинение ведущей кромки шире, чем на фиг. 7а и 7b в диапазоне от 1,05 до 1,46 раз, желательно, но необязательно, в 1,2 раза. Следовательно, больше, чем для уровня техники, будет преимущество по шуму.
Удлинение задней кромки много больше, чем для уровня техники, на уникальную очень большую величину, в диапазоне от 1,1 до 3 раз, желательно, но необязательно, в 1,5 раза. Следовательно, гораздо большим будет соответствующее преимущество по шуму. Кроме того, существенное удлинение задней кромки обеспечивает возможность более эффективного использования некоторых хорошо известных техник для снижения излучения звука, применяемых к задней кромке, например, пилообразной системой.
Средний зазор у вершины будет значительно меньше, потому что хорда меньше, и шум, создаваемый завихрениями на кончике, будет ниже.
Относительно малый размер хорды вершины по-прежнему обеспечивает возможность использования, как стандарт, аэродинамических законцовок на вершине лопасти, которые, как хорошо известно, могут еще больше снизить шум. Аэродинамические законцовки на вершине лопасти не могут быть применены на лопасти с большой хордой, потому что при большом угле установки они обеспечивают отрицательный эффект.
Относительно аэродинамической эффективности необходимо рассмотреть следующее.
Описанная геометрия или конструкция реализуется размещением, в направлении прохождения лопасти, профиля крыла, имеющего очень высокую аэродинамическую эффективность.
Длина лопасти увеличивается, обеспечивая ту же самую ширину хорды, позволяя увеличить отношение длина/ширина и, следовательно, как хорошо известно специалистам в аэродинамике, эффективность лопасти.
Лопасть может быть не только закручена, но может также сужаться от хвостовой части к вершине для обеспечения лучшей эффективности, в сравнении с обычным вентилятором с шумом уровня 1. Лопасти вентилятора согласно уровню техники, наоборот, сужаются от вершины к хвостовой части, снижая эффективность лопасти.
Кроме того, секции аэродинамического профиля лопасти расположены в оптимальном направлении относительно падающего воздушного потока, оптимизируя циркуляцию воздуха вокруг самой секции, в особенности, на внешней части лопасти, где проходит наибольшая часть потока.
Аэродинамические законцовки на вершине лопасти также улучшат эффективность, обеспечивая прохождение меньшего обратного потока.
Относительно затрат на изготовление, должно быть рассмотрено следующее.
Распределение уменьшенной ширины хорды по всему радиальному протяжению делает лопасть вентилятора легче, чем известные решения, и, следовательно, снижает изгибающие и осевые нагрузки в радиальных секциях, в особенности, у хвостовика.
Уменьшенная ширина хорды, особенно, на внешней части лопасти, способствует уменьшению инерционного крутящего момента в хвостовой секции.
Более высокая эффективность лопасти означает более низкое осевое тяговое усилие при одинаковой подъемной силе, с соответствующим уменьшением сдвиговых нагрузок в радиальных секциях, в особенности, в хвостовике. Уменьшение нагрузки по всему радиальному протяжению лопасти и, особенно, в хвостовой секции, позволяет конструировать уменьшенные секции для сопротивления нагрузкам со значительным уменьшением стоимости материала.
Далее, со ссылкой на фиг. 12, описан еще один вариант выполнения лопасти согласно предложенному изобретению.
На фиг. 12 лопасть согласно варианту выполнения предложенного изобретения, как там изображено, по-прежнему обозначена номером 1. Лопасть 1 по прежнему содержит хвостовую часть 1r, предназначенную для крепления лопасти 1 к осевому ротору (не показано на фиг. 12); лопасть 1 может также быть прикреплена к осевому вентилятору под различными углами ориентации (углы установки) относительно оси Х-Х, как показано штриховой линией на фиг. 12. Ротор выполнен с возможностью вращения во время работы вентилятора в направлении часовой стрелки, как показано стрелкой, причем ось вращения вентилятора соответствует оси вращения ротора. Со ссылкой фиг. 12 ось вращения перпендикулярна плоскости фигуры; наименьшим углом установки является угол, под которым проекция лопасти на плоскость, перпендикулярную оси вращения, занимает наибольшую площадь поверхности. Углы установки больших величин, в результате, дают проекции лопасти на плоскость, перпендикулярную оси вращения (также называемую в дальнейшем плоскостью вращения), занимающие, соответственно, меньшие площади или поверхности. Как изображено, с лопастью 1, ориентированной под наименьшим углом установки, в частности, под нулевым углом установки, проекция лопасти на плоскость вращения такова, что вдоль протяжения лопасти образуется V-образная форма (см. фиг. 12). В частности, лопасть 1 содержит первую, внутреннюю часть 1а, расположенную рядом с осью вращения (с хвостовой частью 1r) и проходящую от хвостовой части 1r, и вторую, внешнюю часть 1b, проходящую от первой части 1а. По отношению к оси Х-Х, первая часть 1а проходит вдоль первого направления, по существу, параллельного оси X-X, при этом по отношению к оси Х-Х вторая часть 1b проходит вдоль второго направления, иного, чем первое направление (образуя угол с осью Х-Х).
Кроме того, относительно направления вращения лопасти 1 (идентифицировано стрелкой на фиг. 12), две кромки могут быть идентифицированы в лопасти 1, а именно, ведущая кромка 11, сталкивающаяся с воздухом во время вращения лопасти 1, и задняя кромка 1t (противоположная ведущей кромке 1l).
Далее, как изображено, первая часть 1а и вторая часть 1b ориентированы, по отношению друг к другу с образованием ведущей кромкой 1l тупого угла V (больше, чем 90° и меньше, чем 180°), при этом задняя кромка 1t образует больший угол (больше, чем 180°).
Как видно, главное различие между вариантом выполнения, показанным на фиг. 5, и вариантом выполнения, показанным на фиг. 12, заключается в том, что в варианте на фиг. 12, со ссылкой на ось Х-Х, которая, как изображено, пересекает как часть 1а лопасти, так и часть 1b лопасти, вершина Vv угла V, образованная ведущей кромкой 1l, и противоположные концы (точки В и С) ведущей кромки 1l расположены на одной и той же стороне относительно оси Х-Х.
Кроме того, дальнейшее отличие, относительно варианта, показанного на фиг. 5, можно отнести к длине частей 1а и 1b лопасти, которые в варианте, показанном на фиг. 12, имеют различные длины.
Однако даже в варианте, показанном на фиг. 12, части 1а и 1b лопасти могут иметь по существу одинаковую длину. Таким же образом, как можно понять, части лопасти в варианте, показанном на фиг. 5, могут иметь разные длины.
Таким образом, продемонстрировано, посредством приведенного выше описания вариантов выполнения настоящего изобретения, изображенных на чертежах, что настоящее изобретение позволяет преодолеть недостатки, влияющие на решения из уровня техники.
Хотя настоящее изобретение было объяснено посредством приведенного выше описания вариантов выполнения, как изображено на чертежах, настоящее изобретение не ограничивается вариантами, как изложено выше и изображено на чертежах.
Например, в пределах настоящего изобретения лопасть может быть изготовлена различными способами, известными в данной области, например экструзией и/или прессованием, и/или штамповкой одной или обеих из двух частей лопасти и соединением их сваркой, свинчиванием, склеиванием и т.п.
Кроме того, одна или обе из частей лопасти могут быть полыми или нет.
Наконец, необходимо отметить следующее. Несмотря на то, что лопасть согласно предложенному изобретению (каждому его варианту) была описана как конкретно предназначенная для использования с осевыми вентиляторами большого диаметра, возможные применения лопасти согласно настоящему изобретению не ограничиваются осевыми вентиляторами большого диаметра и включают вентиляторы любого размера и/или диаметра.
Кроме того, лопасть согласно настоящему изобретению может быть использована в вентиляторах, предназначенных для целей, иных, чем охлаждение, например в вентиляторах вертолетов и/или самолетов и т.п.
Объем настоящего изобретения определяется пунктами формулы изобретения.