РАБОЧЕЕ КОЛЕСО РАДИАЛЬНОГО ВЕНТИЛЯТОРА
IMPELLER OF RADIAL-BLADE FAN

Изобретение относится к области вентиляторной техники, а именно к конструкции рабочего колеса с загнутыми назад лопатками радиального вентилятора.
Из уровня техники известны рабочие колеса радиальных вентиляторов.
Так, в описании изобретения по международной заявке WO 97/09535, МПК F04D 29/28; F04D 29/66, дата публикации 13.03.1997, [1], представлено рабочее колесо радиального вентилятора, содержащее основной и покрывной диски, расположенные между дисками лопатки, основной и покрывной диски выполнены с законцовками, выходящими за пределы окружности, описываемой точками сопряжения лопаток с основным диском, принятой за диаметр рабочего колеса, лопатки выполнены загнутыми назад. Особенностью изобретения является выполнение образующих основного диска и законцовки покрывного диска в радиальном сечении с расширяющимся каналом, что может привести к отрыву пограничного слоя потока от покрывного диска. Для предотвращения отрыва потока (пограничного слоя) приходится уменьшать ширину лопаток.
В описании изобретения России №2321775, МПК F04D 29/28, дата публикации от 10.04.2008 г., [2], представлено рабочее колесо радиального вентилятора, содержащее основной и покрывной диски, расположенные между дисками лопатки, основной и покрывной диски выполнены с законцовками, выходящими за пределы окружности, описываемой точками сопряжения лопаток с основным диском, принятой за диаметр рабочего колеса, лопатки выполнены загнутыми назад, расстояние от оси вращения до выходной кромки лопатки сохраняется постоянным, а диаметр основного и покрывного дисков одинаковы и превышают диаметр выходных кромок лопаток на величину до 25%. Законцовки основного и покрывного дисков могут быть плоскими, то есть перпендикулярными оси вращения; и могут выполняться с некоторым расширением. На выходе из рабочего колеса образуется вращающийся безлопаточный радиальный диффузор, в котором дополнительно восстанавливается статическое давление и повышается КПД рабочего колеса.
В описании изобретения России №2206797, МПК F04D 29/28, F04D 29/66, дата публикации 20.06.2003 г., [3], представлено рабочее колесо радиального вентилятора, содержащее основной и покрывной диски, расположенные между дисками лопатки, основной и покрывной диски выполнены с законцовками, выходящими за пределы окружности, описываемой точками сопряжения лопаток с основным диском, диаметр которой принят за диаметр рабочего колеса, лопатки выполнены загнутыми назад, ширина лопатки, равная расстоянию выходной кромки между основным и покрывным дисками, составляет до 0,42 диаметра рабочего колеса. При этом основной диск увеличен до 1,05…1,15 и покрывной диск увеличен до 1,1…1,2 внешнего диаметра лопаток. Образующие законцовок дисков образуют нерасширяющийся канал. В частности, законцовки дисков могут быть параллельными друг другу и перпендикулярными оси вращения рабочего колеса. В соответствии с описанием изобретения [3], расширяющийся канал в области законцовок приводит к избыточной диффузорности и, соответственно, к увеличению потерь при расширении потока. Результаты испытаний рабочего колеса, использующего данное изобретение, показали дополнительное повышение давления, связанное с наличием вращающегося безлопаточного диффузора. Меньший диаметр основного диска (чем покрывного) может быть полезен в прямоточных канальных вентиляторах или схемах вентилятора со свободным колесом.
В описании изобретения России №2383783, МПК F04D 29/28, дата публикации 10.03.2010 г., [4], представлено рабочее колесо радиального вентилятора, содержащее основной и покрывной диски, расположенные между дисками лопатки, основной и покрывной диски выполнены с законцовками, выходящими за пределы окружности, описываемой точками сопряжения лопаток с основным диском, диаметр которой принят за диаметр рабочего колеса, лопатки выполнены загнутыми назад, выходная кромка лопаток рабочего колеса содержит, по меньшей мере, два участка, характеризующихся изменением величины расстояния до оси вращения рабочего колеса на каждом из участков, при этом на участке, примыкающем к основному диску, расстояние от оси вращения до выходной кромки лопатки сохраняется постоянным. В соответствии с описанием изобретения [4], выходная кромка лопаток имеет три участка, характеризующихся изменением расстояния до оси вращения рабочего колеса, на первом участке, примыкающем к основному диску, расстояние от выходной кромки до оси вращения рабочего колеса меньше радиуса основного диска, а на третьем участке, примыкающем к покрывному диску, расстояние от оси вращения до выходной кромки лопатки также сохраняется постоянным, но больше по величине, чем на первом участке. Между первым и третьим участками расположен второй участок, характеризующийся плавным увеличением расстояния от оси вращения рабочего колеса до выходной кромки лопатки. При этом выходная кромка лопатки получается ступенчатой формы. За счет такой формы достигается повышение давления и КПД рабочего колеса.
В описании изобретения России №2458258, МПК F04D 29/28, F04D 29/30, дата публикации 10.08.2012 г., [5], представлено рабочее колесо радиального вентилятора, содержащее основной и покрывной диски, расположенные между дисками лопатки, основной и покрывной диски выполнены с законцовками, выходящими за пределы окружности, описываемой точками сопряжения лопаток с основным диском, диаметр которой принят за диаметр рабочего колеса, лопатки выполнены загнутыми назад, выходная кромка лопаток рабочего колеса содержит, по меньшей мере, два участка, характеризующихся величиной кривизны лопатки, при этом расстояние от оси вращения рабочего колеса до выходной кромки, примыкающей к основному диску, сохраняется постоянным. Часть лопатки, которая примыкает только к покрывному диску (у основного диска на этом участке лопатка вырезана), имеет другую кривизну и загнута назад больше, чем остальная часть лопатки. Заявлено, что это позволяет повысить КПД рабочего колеса. Кроме того, заявлена возможность отгиба выходных частей основного и покрывного диска так, что между их образующими в этой части получается расширяющийся канал. По этому изобретению следует отметить, что более загнутый назад участок лопатки на выходе из рабочего колеса у покрывного диска даст улучшение аэродинамики и КПД, но сужает область работы рабочего колеса по коэффициенту производительности. Делать расширяющуюся диффузорную часть на выходе из рабочего колеса не представляет интереса из-за усиления отрывов течения в этой части колеса и снижения аэродинамических характеристик.
В каждом из рассмотренных изобретений есть рациональное зерно (основные достоинства перечислены выше), но есть и недостатки.
Во-первых, как было указано выше, не является полезным делать расширяющийся канал между образующими выходных частей основного и покрывного дисков из-за чрезмерной местной диффузорности.
Во-вторых, при использовании рабочего колеса с загнутыми назад лопатками и увеличенными дисками в спиральном корпусе, увеличенные диски препятствуют полноценному раскрытию течения (раздиффузориванию) в корпусе, что неблагоприятно сказывается на аэродинамических характеристиках вентилятора. Кроме того, увеличенный основной диск рабочего колеса ухудшает работу такого колеса в составе канального прямоточного вентилятора (так называемая схема со свободным колесом).
В-третьих, ступенчатая форма выходной кромки лопатки, предложенная в изобретении [4], не является универсальной, особенно при использовании рабочих колес с разной относительной шириной.
В качестве наиболее близкого аналога принято изобретение [4].
Решаемой технической задачей является создание радиального рабочего колеса с загнутыми назад лопатками, которое может иметь разные ширины лопаток, и применение которого позволит улучшить напорно-расходные характеристики и КПД радиального вентилятора со спиральным корпусом, канального прямоточного и крышного вентиляторов.
Технический результат состоит в повышении однородности течения на выходе рабочего колеса по его ширине.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Рабочее колесо радиального вентилятора, как и в наиболее близком аналоге [4], содержит основной и покрывной диски, расположенные между дисками лопатки, основной и покрывной диски выполнены с законцовками, выходящими за пределы окружности, описываемой точками сопряжения лопаток с основным диском, диаметр которой принят за диаметр рабочего колеса, лопатки выполнены загнутыми назад, выходная кромка лопаток рабочего колеса содержит, по меньшей мере, два участка, характеризующихся изменением величины расстояния до оси вращения рабочего колеса на каждом из участков, при этом на участке, примыкающем к основному диску, расстояние от оси вращения до выходной кромки лопатки сохраняется постоянным, но в отличие от наиболее близкого аналога [4], диаметр основного диска с законцовками равен 1,01…1,02 диаметра рабочего колеса, диаметр покрывного диска с законцовками равен 1,05…1,1 диаметра рабочего колеса, законцовки покрывного диска перпендикуляры оси вращения рабочего колеса, при этом ширина лопатки, равная расстоянию выходной кромки между основным и покрывным дисками, составляет 0,20…0,42 диаметра рабочего колеса, участок выходной кромки с постоянным расстоянием до оси вращения рабочего колеса, составляет 0,42…0,45 ширины лопатки, а на втором участке расстояние от оси вращения до выходной кромки плавно увеличивается по мере приближения к покрывному диску, вплоть до радиуса покрывного диска с законцовкой.
Рабочее колесо радиального вентилятора характеризуется тем, что покрывной диск в пределах диаметра рабочего колеса выполнен конической формы с углами образующей 50…70 градусов относительно оси вращения рабочего колеса.
Представленные признаки образуют совокупность и являются существенными для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата.
Поскольку основной диск рабочего колеса практически не увеличен, то улучшены условия работы рабочего колеса в канальном прямоточном корпусе ограниченных размеров, когда необходим резкий поворот потока от радиального направления к осевому. По этой же причине получается лучше раскрытие течения в спиральном корпусе, когда увеличения диаметра основного диска нет. Плавное увеличение расстояния от оси вращения рабочего колеса до выходной кромки лопатки, вплоть до радиуса покрывного диска с законцовкой, в отличие от аналогов позволяет улучшить подсос течения к покрывному диску и получить более равномерное распределение скоростей потока на выходе рабочего колеса по его ширине. Особенно это существенно при развороте потока в канальном прямоточном корпусе. Кроме того, такое сочетание признаков позволяет получить хорошее поле скоростей по ширине колеса на выходе из него при разной ширине колеса, особенно для широких колес.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено рабочее колесо, вид сбоку.
На фиг. 2 представлен вид 1 на фиг. 2.
4
2
3
2
3
2
На фиг. 3 представлен график зависимости коэффициента давления и коэффициента полезного действия (КПД) η от коэффициента производительности ϕ прямоточного корпуса канального вентилятора с рабочими колесами с диаметрами покрывного диска D=1,1D и диаметрами основного диска D=1,01D и D=1,1D.
3
2
4
2
3
2
4
2
3
2
4
2
На фиг. 4 представлен график зависимости коэффициента давления Ψ и КПД η от коэффициента производительности ϕ прямоточного корпуса канального вентилятора с рабочим колесом: кривые 3-е диаметром основного и покрывного дисков с законцовками, равным D=1,01D, D=1,01D, и лопатками с прямолинейной выходной кромкой; кривые 2-е диаметром основного и покрывного дисков с законцовками, равным D=1,1D, D=1,1D и лопатками с прямолинейной выходной кромкой; кривые 1 - с диаметром основного и покрывного дисков с законцовками, равным D=1,01D, D=1,1D, и с лопатками с выходной кромкой с двумя участками.
Рабочее колесо радиального вентилятора устроено следующим образом.
2
Рабочее колесо содержит основной диск 1, покрывной диск 2 с входным отверстием 3, расположенные между ними лопатки 4, загнутые назад, ступицу 5 вала рабочего колеса, вращающегося вокруг оси 6. Законцовки 7 и 8 соответственно основного 1 и покрывного 2 дисков выполняются заодно с соответствующими дисками 1 и 2 и располагаются за пределами диаметра D рабочего колеса, равного диаметру окружности, описываемой при вращении вокруг оси 6 точек сопряжения выходных кромок 9 лопаток 4, прилегающих к основному диску 2 (фиг. 1, 2).
3
2
2
4
2
4
2
2
2
Диаметр D основного диска 1 с законцовкой 7 превосходит диаметр D рабочего колеса и не выходит за пределы (1,01…1,02)D. Диаметр Dпокрывного диска 2 с законцовкой 8 не выходит за пределы (1,05…1,1)D. Законцовка 7 выполняется как продолжение основного диска 1, сопряженная с его поверхностью, и имеет прямолинейную образующую. Образующая законцовки 8 диска 2 также выполняется как продолжение образующей покрывного диска 2 с сопряжением и выполняется прямолинейной, перпендикулярной оси 6 вращения рабочего колеса, вследствие чего поверхность законцовки 8 является плоской. Выходная кромка 9 лопатки 4 содержит два участка, характеризующихся расстоянием R до оси 6 вращения рабочего колеса: один участок 10 прилегает к основному диску 1 и характеризуется постоянной величиной расстояния R, а на втором участке 11 расстояние от оси 6 вращения рабочего колеса до выходной кромки плавно увеличивается по мере приближения к покрывному диску 2, вплоть до радиуса покрывного диска с законцовкой 8: R=0,5D. При этом ширина b участка 10 выходной кромки 9 составляет 0,42…0,45 ширины b лопатки 4, равной расстоянию между основным 1 и покрывным 2 дисками на диаметре D: b=(0,42…0,45)b.
3
3
2
4
4
2
2
2
2
В предпочтительном исполнении рабочего колеса радиального вентилятора диаметр D основного диска 1 с законцовкой 7 равен D=1,01D, диаметр D покрывного диска 2 с законцовкой 8 равен D=1,1D, а ширина рабочего колеса b на диаметре сопряжения лопаток 4 с основным диском 1 составляет b=(0,25…0,42)D.
2
Покрывной диск 2 до внешнего диаметра сопряжения лопаток 4 с основным диском D имеет коническую форму с углами образующей α=(50…70) градусов относительно оси вращения, при этом образующая может быть криволинейной.
Рабочее колесо радиального вентилятора работает следующим образом.
2
2
sv
s
2
2
2
2
3
При вращении рабочего колеса вокруг оси 6, например, посредством приложения крутящего момента к валу, соединенного со ступицей 5, на поверхности основного 1 и покрывного 2 дисков с законцовками 7, 8 и на поверхности лопаток 4 образуется пограничный слой, толщина которого увеличивается по мере удаления от оси 6 вращения рабочего колеса. Взаимодействие пограничного слоя на поверхности покрывного диска 2 с пограничным слоем на лопатках 4 приводит при достижении определенной толщины к его отрыву, что сопровождается снижением коэффициента статического давления рабочего колеса. Для предотвращения отрыва пограничного слоя приходится уменьшать ширину b лопаток 4 рабочего колеса. Наличие законцовки 8 покрывного диска 2 и лопатки 4 с возрастающим к покрывному диску 2 расстоянием от оси 6 вращения рабочего колеса до выходной кромки 9 лопатки 4 на участке 11 позволяет присоединить поток к покрывному диску 2 и получить наиболее равномерное течение по ширине b рабочего колеса. Это отражается в повышении статического давления P рабочего колеса и его КПД как по полному η, так и по статическому η давлению. Такая форма выходной кромки 9 лопатки 4 позволяет рабочему колесу эффективно работать при разных значениях ширины колеса b, отнесенной к диаметру D, обеспечивая высокие значения КПД и расширение зоны работы по коэффициенту производительности ϕ, вплоть до b=0,42D. Коническая форма покрывного диска 2 с образующей с углами 50…70 градусов относительно оси 6 вращения рабочего колеса позволяет эффективно использовать такие рабочие колеса в канальных вентиляторах (по схеме «свободное колесо»). Малый диаметр D законцовки 7 основного диска 2 позволяет эффективно разворачивать поток с выхода рабочего колеса на осевое направление в прямоточном канальном вентиляторе. Кроме того, такое выполнение законцовки 7 основного диска 1 позволяет эффективно раздиффузоривать поток на выходе из рабочего колеса в спиральном корпусе.
Сравнение безразмерных аэродинамических характеристик рабочего колеса с разными параметрами основного 1 и покрывного 2 дисков в корпусе показано на фиг. 3, 4 на графиках Ψ=f(ϕ) и η=f(ϕ), где:
v
2
Ψ=2P/ρu - коэффициент полного давления,
v
P - полное давление, создаваемое вентилятором,
ρ - плотность воздуха;
2
u=πDn/60 - окружная скорость лопатки рабочего колеса,
n - частота вращения;
ϕ=Q/(uS) - коэффициент производительности,
Q - объемная производительность вентилятора,
2
2
S=πD/4 - площадь рабочего колеса;
v
η=PQ/N - коэффициент полезного действия,
N - механическая мощность, подводимая к валу рабочего колеса.
3
2
3
2
3
2
Безразмерные аэродинамические характеристики у рабочего колеса с основным диском 1 с законцовками 7 и диаметром D=1,01D, как показано на графике на фиг. 3, лучше (шире по коэффициенту производительности ϕ и выше по КПД η), чем с законцовками 7 при диаметре D=1,1Dосновного диска 1. Это связанно с увеличением потерь на повороте в корпусе при наличии слишком больших законцовок 7 до D=1,1Dосновного диска 1.
Сравнение безразмерных аэродинамических характеристик рабочего колеса без корпуса с разными диаметрами основного 1 и покрывного 2 дисков и разной формой участка 11 лопаток 4 показано на фиг. 4 на графиках Ψ=f(ϕ) и η=f(ϕ).
3
2
3
2
В соответствии с графиками на фиг. 4, коэффициент полного давления Ψ и КПД η рабочего колеса с основным диском 1 с законцовками 7 диаметром D=1,01D и лопатками 4 с постоянным расстоянием от оси 6 вращения до выходных кромок 9 лопаток 4 (обозначены индексом 3) ниже во всем диапазоне коэффициента производительности ϕ, по сравнению с рабочим колесом с основным диском 1 с законцовками 7 диаметром D=1,1D и лопатками 4 с выходной кромкой 9, расположенной на постоянном расстоянии от оси 6 вращения рабочего колеса (обозначены индексом 2).
3
2
4
2
Увеличение расстояния между осью 6 вращения и выходной кромкой 9 лопаток 4 на участке 11 при диаметре основного диска 1 с законцовками 7 D=1,01D и покрывного диска 2 с законцовками 8 D=1,1D (обозначены индексом 1) приводит к увеличению КПД η и коэффициента давления Ψ во всем диапазоне коэффициента производительности ϕ. Очевидно, что повышение КПД η и коэффициента давления Ψ рабочего колеса достигнуто за счет более равномерного распределения скоростей в межлопаточном канале, предотвращения отрыва пограничного слоя (потока) от покрывного диска 2 и восстановления давления во вращающемся безлопаточном диффузоре.
Изобретение раскрыто в объеме, достаточном для разработки и изготовлении рабочих колес радиального вентилятора на специализированном предприятии. Изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ ИЗОБРЕТЕНИЯ
«РАБОЧЕЕ КОЛЕСО РАДИАЛЬНОГО ВЕНТИЛЯТОРА»
1 - основной диск;
2 - покрывной диск;
3 - входное отверстие рабочего колеса;
4 - лопатки рабочего колеса;
5 - ступица вала рабочего колеса;
6 - ось вращения рабочего колеса;
7 - законцовка основного диска 1;
8 - законцовка покрывного диска 2;
9 - выходная кромка лопатки 4 рабочего колеса;
10 - участок выходной кромки лопатки 4, прилегающий к основному диску 1;
11 - участок выходной кромки лопатки 4, прилегающий к покрывному диску 2;
0
D - диаметр входного отверстия 3 рабочего колеса;
1
D - диаметр окружности, описываемой входными кромками лопаток 4;
2
D - диаметр рабочего колеса, равный диаметру окружности, описываемой при вращении выходными кромками лопаток 4, прилегающими к основному диску 2;
3
D - диаметр основного диска 1 с законцовкой 7;
4
D - диаметр покрывного диска 2 с законцовкой 8;
b - ширина участка 10 выходной кромки 9 лопатки 4, прилегающий к основному диску 1;
2
2
b - ширина лопатки 4, равная расстоянию между основным 1 и покрывным 2 дисками на диаметре D рабочего колеса;
α - угол образующей конической формы покрывного диска 2 относительно оси 6 вращения рабочего колеса;
v
2
Ψ=2P/ρu - коэффициент полного давления;
s
sv
2
Ψ=2P/ρu - коэффициент статического давления;
v
P - полное давление, создаваемое вентилятором;
sv
P - статическое давление, создаваемое вентилятором;
ρ - плотность воздуха;
2
u=πDn/60 - окружная скорость лопатки рабочего колеса;
n - частота вращения;
ϕ=Q/(uS) - коэффициент производительности;
Q - объемная производительность вентилятора;
2
2
S=πD/4 - площадь рабочего колеса;
v
η=PQ/N - коэффициент полезного действия по полному давлению;
s
sv
η=PQ/N - коэффициент полезного действия по статическому давлению;
N - механическая мощность, подводимая к валу рабочего колеса;
R - расстояние от оси 6 вращения рабочего колеса до выходной кромки 9 лопатки 4.