Рабочее колесо осевого вентилятора

Полезная модель относится к области вентиляторостроения, в частности, к рабочим колесам осевых вентиляторов и может быть использована при создании новых конструкций вентиляторных установок для предприятий химической, нефтехимической и других отраслей промышленности.
Из предшествующего уровня техники известно рабочее колесо осевого вентилятора (см. описание изобретения к патенту №2205298, кл. F 04D 29/32, опубликованном 27. 05. 2003 г. Бюл. №15), содержащее ступицу, выполненную из центральной втулки и сочлененных с ней двух параллельных пластин с выступами по числу лопастей. Оси симметрии каждого выступа параллельно смещены по отношению к соответствующим диаметральным осям втулки. Внутри каждого выступа размещены два вкладыша с возможностью образования между ними канала для размещения хвостовика лопасти и имеющих пазы, расположенные перпендикулярно пластинам для прохода шпилек. Каждый вкладыш имеет профилированный участок поверхности, обеспечивающий его перемещение по направляющим, установленных на внутренних поверхностях выступов пластин.
Недостатком известного устройства является отсутствие сведений о взаимосвязи геометрических параметров деталей рабочего колеса, что не позволяет его создать без дополнительных исследований.
Нет единообразия в трактовке основополагающих базовых понятий и терминов в рассматриваемом предмете деятельности, что является причиной разночтения, недопонимания - в патенте технически неверно использованы термины « ступица» и «втулка».
Термин - слово или словосочетание - название, обозначающее строго определенное понятие какой-нибудь специальной области науки, техники, искусства (1).
Термины с соответствующими определениями, используемые в данном контексте на протяжении всего описания, включая формулу полезной модели:
Под термином «ступица» следует понимать центральную, обычно утолщенную часть колеса с отверстием для посадки его на ось или вал. Ступицу соединяют с ободом колеса спицами или диском (2).
Под термином «втулка» следует понимать деталь машины или устройства в виде полого цилиндра (конуса) в отверстие которого входят сопрягаемые детали. Втулки бывают сплошные и разрезные. (2)
Под термином «осевой вентилятор» следует понимать вентилятор, в котором направление меридиональной скорости газовоздушной смеси на входе в рабочее колесо и на выходе из рабочего колеса параллельно оси его вращения. (3)
Под термином «рабочее колесо вентилятора» следует понимать вращающуюся часть вентилятора, в которой механическая энергия передается воздуху посредством динамического действия его лопастей. (4)
Под термином «втулка винта вертолета» следует понимать центральный узел винта, соединяющий лопасти с валом редуктора. (5)
Под термином «втулка рабочего колеса осевого вентилятора» следует понимать центральный узел рабочего колеса, соединяющий его лопасти с валом привода.
Под термином «диафрагма» следует понимать деталь машин, приборов, аппаратов, сооружений, представляющих собой стенку или пластину (сплошную или с отверстием). (2)
Под термином «хвостовик» следует понимать наименование концов некоторых деталей машин (например, X. коленчатого вала), инструмента (например, X. сверла, метчика) или рабочих приспособлений (например, X. штампа) для их закрепления или присоединения к ним других элементов или механизмов. (2)
Под термином «комель лопасти винта» следует понимать часть лопасти винта, служащая для крепления лопасти во втулке винта (6)
Под термином «комель лопасти рабочего колеса осевого вентилятора» следует понимать часть лопасти рабочего колеса, служащая для крепления лопасти во втулке рабочего колеса осевого вентилятора.
Под термином «прямоугольный параллелепипед» следует понимать прямой параллелепипед, у которого все шесть граней являются прямоугольниками. (7)
Под термином «привалочные поверхности» следует понимать поверхности, соприкасающиеся с поверхностями других деталей, но не являющиеся охватываемыми или охватывающими. (8)
Под термином «дуга окружности» следует понимать часть окружности. (9)
Под термином «центральный угол» следует понимать угол в круге, образованный двумя радиусами. (10)
Под термином «композиционный материал» следует понимать материал, полученный путем пропитки полимерным связующим (преимущественно полиэфирными смолами) стеклоткани разного плетения, различных стекломатов и ровинга.
С учетом вышесказанного, в патенте №2205298, кл. F04D 29/32 термином «ступица» неверно обозначена втулка рабочего колеса осевого вентилятора, выполненная из центральной ступицы (а не втулки) и сочлененных с ней двух параллельных пластин с выступами, оси симметрии которых для перераспределения центробежной нагрузки параллельно смещены по отношению к соответствующим диаметральным осям ступицы.
Смещение оси симметрии выступов от оси вращения рабочего колеса для перераспределения центробежной нагрузки позаимствовано в вышеуказанном патенте из конструкции втулок несущего винта вертолетов, например Ми-4, Ми-8, выполненной по классической схеме с шарнирным креплением лопастей со втулкой винта, что дает им возможность колебаться относительно горизонтальных и вертикальных шарниров под действием приложенных к ним переменных аэродинамических и инерционных сил при полете вертолета с поступательной скоростью. В результате этого значительно уменьшаются величины переменных напряжений в лопастях несущего винта.
Втулка несущего винта вышеупомянутых вертолетов имеет разнесенные горизонтальные, а также вертикальные и осевые шарниры. В этом случае разнос (расстояние от оси вращения) горизонтальных и вертикальных шарниров применяется с целью обеспечения более равномерного распределения нагрузки между игольчатыми подшипниками горизонтального шарнира и тем самым существенного повышения их долговечности (11).
Втулка рабочего колеса осевого вентилятора по схеме, принятой в вентиляторостроении, соответствует по конструкции жесткой втулке винта вертолета, имеющей только осевой шарнир, который в рабочем колесе вентилятора служит для изменения в эксплуатации угла установки его лопастей.
В рабочем колесе осевого вентилятора лопасть совершает колебательные движения в плоскости вращения и взмаха не путем поворота в шарнирах, а благодаря деформациям лопасти. Эти деформации лопастей для рабочих колес осевых вентиляторов во всех эксплуатационных режимах их работы, в отличие от несущих винтов вертолетов, оказываются допустимыми вследствие достаточной прочности применяемых материалов для их изготовления и нет необходимости смещать продольные оси лопастей рабочего колеса от оси его вращения.
Важным преимуществом такой конструкции втулки рабочего колеса осевого вентилятора является ее простота, облегчающая и удешевляющая изготовление рабочего колеса и обслуживание его в эксплуатации.
В рабочем колесе осевого вентилятора при его вращении всегда имеет место определенный перепад давлений перед и за лопаточным венцом. При этом при негерметичной втулке рабочего колеса возникают паразитные течения, значительные дополнительные потери давления и уменьшается КПД вентилятора.
Недостатком известного устройства является также и то, что конструктивное исполнение сочлененных пластин из-за наличия выступов в них в данном рабочем колесе осевого вентилятора не образует диафрагму его втулки и тем самым не обеспечивается ее герметичность.
Негерметичность втулки рабочего колеса известного устройства из-за отсутствия диафрагмы вызывает уменьшение КПД вентилятора примерно на 14% и еще большее уменьшение давления. (12)
Таким образом, технический результат, поставленный в патенте, в этом рабочем колесе осевого вентилятора не достигается.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является рабочее колесо осевого вентилятора, раскрытое в патенте RU №2205299, кл. F04D 2 9/32, опубликованном 27.05.2003 Бюл. №15.
В связи с вышесказанным относительно применения терминов «ступица» и «втулка» рабочее колесо осевого вентилятора по вышеупомянутому патенту содержит втулку рабочего колеса в виде диска с центральной ступицей и лопасти, закрепленные в ступице своими цилиндрическими хвостовиками с буртиками, при этом одна из поверхностей диска выполнена с ложементами, имеющими цилиндрическую поверхность. Над каждым ложементом установлен вкладыш с ответной цилиндрической поверхностью, образующей с ложементом пространство для размещения хвостовиков лопастей с возможностью поворота. Каждый вкладыш и соответствующий ложемент соединены шпильками, установленные с возможностью фиксации хвостовиков в заданном положении. Диск и вкладыши прикреплены к ступице посредством болтов, имеющих общую ось. Лопасти, диск и вкладыши втулки рабочего колеса выполнены из стеклопластика.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является сложность конструкции и, как следствие, низкая его технологичность, вызванная конструкцией вкладыша, диска с ложементами, которые обуславливают увеличенный цикл и трудоемкость их изготовления, сложность работ при его монтаже и эксплуатации.
Избыточно использование стеклопластика в конструкции втулки рабочего колеса, т.к. он чувствителен к технологическим режимам изготовления и его себестоимость в 2-3 раза выше, чем себестоимости металла.
Недостатком известного устройства также является отсутствие сведений о взаимосвязи геометрических параметров деталей рабочего колеса, что не позволяет его создать без дополнительных исследований.
Задача, на решение которой направленно заявленное техническое решение, заключается в расширении арсенала технических средств в данной области, а также повышении технико-экономических показателей рабочего колеса осевого вентилятора за счет снижения объема применяемого стеклопластика и трудоемкости изготовления конструкции.
Техническим результатом является расширение арсенала технических средств в данной области, получение рабочего колеса осевого вентилятора оптимальной конструкции, отвечающего современному уровню вентиляторостроения по технологичности изготовления, упрощения его обслуживания в составе вентилятора.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается за счет того, что у рабочего колеса осевого вентилятора, содержащего втулку рабочего колеса, закрепленные на ней с помощью болтовых соединений своими цилиндрическими комлями с буртиками с возможностью поворота лопасти, выполненные из композиционного материала, отличающееся тем, что металлическая втулка собрана в одно целое с помощью болтовых соединений с затяжкой из формообразующих элементов в виде ступицы высотой Hc, имеющей размерное соотношение Нв+ (3-5) мм, где Нв - высота выходного вала привода, и диаметром Dc, имеющим размерное соотношение Dc≤2,5Нс, диска, толщина которого находится в размерных пределах t=8-45 мм, а диаметр Dд имеет размерное соотношение Dд ≤ 0,25Dрк, где Dрк - диаметр рабочего колеса, с равномерно распределенными по нему по одной из его сторон и сопряженных с ним с помощью болтового соединения с затягом основаниями, количество которых равно числу присоединяемых лопастей от 3 до 12, выполненных по форме в виде прямоугольного параллелепипеда с размерным соотношением длины а=0,75d-1,5d, ширины b=1,1d-1,5d и высоты h=0,5d-0,75d каждого, где d - диаметр цилиндрического комля лопасти, при этом торцевые поверхности оснований, обращенные к ступице, образуют плоскость, к которой прилегают привалочные поверхности буртиков цилиндрических комлей лопастей, точки пересечения продольных осей которых расположены на оси вращения рабочего колеса, причем возможность поворота с последующей фиксацией в заданном положении лопастей относительно оснований обеспечивается тем, что в них соосно с их продольной осью под комли лопастей выполняются углубления по форме в поперечном сечении представляющие собой дугу окружности с радиусом r, равным d/2, и центральным углом α, находящимся в размерных пределах 165-170 градусов, а фиксация лопастей выполняется с помощью накладок, имеющих углубления, представляющие собой по форме в их поперечном сечении дугу окружности с радиусом r, равным d/2, и центральным углом β, находящимся в размерных пределах 160-180 градусов и болтового соединения с затяжкой.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображено следующее:
на фиг. 1 изображена компоновочная схема рабочего колеса, которое имеет, по меньшей мере, три лопасти. В качестве примера представлено четырехлопастное рабочее колесо;
на фиг. 2 изображены унифицированные формообразующие элементы рабочего колеса.
на фиг. 3 представлен разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 4 представлен разрез Б- Б на фиг. 2.
Перечень позиций к описанию полезной модели:
1. Втулка рабочего колеса осевого вентилятора
2. Лопасть
3. Ступица
4. Диск
5. Основание
6. Болты крепления диска со ступицей
7. Болты крепления основания
8. Комель лопасти
9. Накладки
10. Болты крепления лопастей
Перечень обозначений к описанию полезной модели:
1. Hc - высота ступицы
2. Dc - диаметр ступицы
3. Dд - диаметр диска
4. Dрк - диаметр рабочего колеса
5. d - диаметр комля лопасти
6. r - радиус комля лопасти
7. а - длина основания
8. b - ширина основания
9. h - высота основания
10. α - центральный угол дуги окружности в основании
11. β - центральный угол дуги окружности в накладке
Рабочее колесо осевого вентилятора содержит втулку 1 с закрепленными на ней с помощью болтовых соединений с затяжкой лопастями 2, точки пересечения продольных осей которых расположены на оси вращения рабочего колеса (фиг. 1).
Согласно полезной модели ступица 3 (фиг. 2) выполнена высотой Hc, имеющей размерное соотношение Нв+ (3-5)мм, где Нв - высота выходного вала привода, и диаметром Dc, имеющим размерное соотношение Dc ≤ 2,5 Hc.
Указанный размер Hc ступицы определяется геометрическими размерами рабочего конца выходного вала Нв привода рабочего колеса, на который она устанавливается в процессе сборки вентилятора.
Диаметр диска Dд 4 (фиг. 2) втулки, толщина которого находится в размерных пределах t= 8-45 мм, имеет размерное соотношение Dд ≤ 0,25Dрк, где Dрк - диаметр рабочего колеса.
Размерное соотношение Dд позволяет в каждом конкретном случае изготовления втулки рабочего колеса разместить на нем необходимое количество равномерно распределенных по нему по одной из его сторон оснований 5 (фиг. 2), равных числу присоединяемых лопастей от 3 до 12 (на фиг. 2 в качестве примера изображена втулка 4-х лопастного рабочего колеса).
Диск 4 с помощью болтов 6 с затяжкой соединяется со ступицей 3, а затем на него равномерно устанавливаются основания 5, которые также соединяются с ним с помощью болтов 7 с затяжкой (фиг. 2, фиг. 3).
Основания 5 выполнены по форме в виде прямоугольных параллелепипедов с размерным соотношением длины а=0,75d-1,5d, ширины b=1,1d-1,5d и высоты h=0,5d-0,75d каждого, где d - диаметр цилиндрического комля 8 лопасти 2 и размеры которого, в свою очередь, зависят от технических параметров вентилятора (фиг. 2).
Торцевые поверхности оснований, обращенные к ступице, образуют плоскость, к которой прилегают привалочные поверхности буртиков цилиндрических комлей 8 лопастей 2 (фиг. 2) и которые крепятся на втулке с возможностью поворота с помощью накладок 9 и болтов 10 с затяжкой (фиг 3, фиг. 4).
Возможность поворота лопастей 2 с последующей фиксацией в заданном положении относительно оснований 5 обеспечивается тем, что в них соосно с их продольной осью под комли лопастей выполняются углубления по форме в поперечном сечении представляющие собой дугу окружности с радиусом r равным d/2 и центральным углом а, находящимся в размерных пределах 165-170 градусов (фиг. 4), а фиксация лопастей выполняется с помощью болтового соединения с затяжкой и накладок 9, имеющих углубления, представляющие собой по форме в их поперечном сечении дугу окружности с радиусом r равным d/2 и центральным углом, находящимся в размерных пределах 160-18 0 градусов (фиг. 4).
За счет такого конструктивного оформления предлагаемое рабочее колесо осевого вентилятора имеет простую конструкцию, снижается трудоемкость его изготовления, монтажа и замены лопастей при его сборке и ремонте.
Указанные размерные пределы и соотношения размеров рабочего колеса позволяют создать их технологический типоразмерный ряд диаметром до 10,4 метра, преимущественно, для аппаратов воздушного охлаждения и градирен.
Рабочее колесо осевого вентилятора (фиг. 1) работает следующим образом: его устанавливают в вентиляторе на рабочий конец выходного вала привода (на чертеже не показан), и при его запуске оно приводится во вращение. При вращении его лопасти 2 (фиг. 1) создают поток воздуха в корпусе вентилятора (на чертеже не показан), перемещающийся в осевом направлении по воздухоотводящим частям вентилятора до места назначения.
Для перехода на другой режим работы рабочего колеса необходимо изменить угол установки его лопастей, например, с режима «лето» на режим «зима», в аппарате воздушного охлаждения необходимо уменьшить угол установки его лопастей.
Конструкция крепления лопастей на втулке позволяет при неподвижном состоянии рабочего колеса плавно регулировать угол установки его лопастей в пределах, определяемых режимом работы теплообменного аппарата.
Для изменения угла установки лопасти необходимо ослабить болты 10 ее крепления на втулке (фиг. 2), повернуть лопасть 2 на необходимый угол и зафиксировать ее, закрутив болты 10 с затяжкой.
Поскольку количество накладок 9 а, соответственно, и болтов крепления лопастей на них 10 выбирается в зависимости от компоновочного решения рабочего колеса в процессе обычного проектирования, то оно не упоминается в формуле полезной модели.
Результаты проектно-конструкторских и производственно-технологических работ свидетельствуют, что создание рабочего колеса осевого вентилятора по предлагаемому техническому решению позволит легко реализовать ее конструктивно и технологически из-за простоты, обеспечивающей ее широкое применение в вентиляторостроении, повысить технологичность его изготовления, уменьшить эксплуатационные расходы и достигнуть современного уровня вентиляторостроения.
Таким образом, применение данного рабочего колеса осевого вентилятора позволит достичь поставленной задачи, и заявленное решение может быть рекомендовано к использованию при проектировании рабочих колес осевых вентиляторов как общепромышленного, так и специального назначения, преимущественно для аппаратов воздушного охлаждения и градирен.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ожегов С.И., Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка. М. 1992 г. стр. 823.
2. Большой энциклопедический политехнический словарь.
3. ГОСТ 22270-2018. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Термины и определения. п. 2.10.21.
4. ГОСТ 22270-2018. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Термины и определения. п. 2.7 8.
5. ГОСТ 21892-76 Винты и трансмиссия вертолетов. Термины и определения. п. 12.
6. ГОСТ 21664-7 8 Винты воздушные авиационных двигателей. Термины и определения. п. 26.
7. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. М. 1975 г. стр. 306.
8. Романычева Э.Т., Соколова Т.Ю., Шандурина Г.Ф. Инженерная и компьютерная графика. М. ДМК Пресс, 2001. Стр. 434.
9. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. М. 1975 г. стр. 282.
10. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. М. 1975 г. стр. 283.
11. Данилов В.А. Вертолет Ми-8. Устройство и техническое обслуживание. М. Транспорт. 1988 г. стр. 125.
12. Брусиловский И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов. М. 1984 г. стр. 140.