ОСЕВОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО
AXIAL ROTOR

Изобретение относится к области вентиляторостроения, а именно к рабочим колесам осевых вентиляторов, и может быть использовано в рабочих колесах осевых компрессоров, насосов и турбин, а также в воздушных винтах летательных аппаратов, ветроэнергоустановок и в гребных винтах судов.
Из уровня техники известны рабочие колеса осевых вентиляторов и компрессоров.
Так, в Каталоге ОАО «МОВЕН» за 2006 год «Вентиляторы общего назначения. Канальные вентиляторы» на стр.89, [1], представлен струйный осевой вентилятор с рабочим колесом, включающим втулку и соединенные с ней лопатки.
В заявке WO 2006/084674, дата публикации 17.08.2006 г., [2], представлено осевое рабочее колесо, содержащее втулку и соединенные с ней лопатки, выполненные с переменой стреловидностью передней кромки, причем концы лопаток соединены между собой кольцом.
Недостатком известных из [1, 2] осевых рабочих колес является наличие в узкополосном спектре звукового давления пиков на лопаточной частоте и ее гармониках, что, как правило, приводит к повышенному шуму при работе вентиляторов с проявлением преобладающих тонов (тональный шум).
Осевое рабочее колесо, представленное в Каталоге [1], принято за наиболее близкий аналог изобретения.
Решаемой технической задачей является снижение на входе в осевое рабочее колесо уровней звуковой мощности и звукового давления.
Технический результат заявленного осевого рабочего колеса по сравнению с наиболее близким аналогом [1] состоит в снижении на входе в осевое рабочее колесо уровней звуковой мощности и звукового давления на лопаточной частоте и ее гармониках.
Раскрытие изобретения.
Осевое рабочее колесо, как и в наиболее близком аналоге [1], содержит втулку и соединенные с ней лопатки, но, в отличие от наиболее близкого аналога [1], лопатки выполнены с переменой стреловидностью передней кромки, направленной в сторону вращения рабочего колеса, а линия, соединяющая в проекции на плоскость, перпендикулярную оси вращения рабочего колеса, ось вращения рабочего колеса, носок профиля лопатки в месте примыкания к втулке рабочего колеса и носок профиля в концевом сечении соседней лопатки, сзади расположенной по ходу вращения рабочего колеса, не выходит за пределы сектора, образованного линиями, проходящими через ось вращения рабочего колеса и носка профиля в концевом сечении соседней лопатки, сзади расположенной по ходу вращения рабочего колеса, с углом ±0,02 углового шага лопаток рабочего колеса.
Осевое рабочее колесо характеризуется тем, что концы лопаток соединены между собой кольцом.
Осевое рабочее колесо характеризуется тем, что концевые хорды лопаток больше корневых хорд лопаток.
Осевое рабочее колесо характеризуется тем, что угол установки профилей, образующих лопатку, уменьшается по мере удаления от втулки.
Осевое рабочее колесо характеризуется тем, что прогиб профилей, образующих лопатку, уменьшается по мере удаления от втулки.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен общий вид осевого рабочего колеса.
На фиг.2 представлен вид спереди по оси вращения осевого рабочего колеса.
На фиг.3 представлен вид спереди по оси вращения осевого рабочего колеса с кольцом, соединенным с концами его лопаток.
На фиг.4 представлен продольный разрез осевого вентилятора с осевым рабочим колесом.
P
На фиг.5 показан график L(f) узкополосного спектра уровней звукового давления осевого вентилятора с осевым рабочим колесом, принятым за наиболее близкий аналог.
P
На фиг.6 показан график L(f) узкополосного спектра уровней звукового давления осевого вентилятора с заявленным осевым рабочим колесом.
P
На фиг.7 показан график L(At) влияния условия углового межлопаточного шага на уровень звуковых давлений на лопаточной частоте и ее гармониках в контрольной точке на входе осевого вентилятора с заявленным осевым рабочим колесом.
Осуществление изобретения.
Осевое рабочее колесо содержит втулку 1 и соединенные с ней, например, посредством болтового соединения, сварки и т.п. (не обозначено) лопатки 2 (фиг.1, 2) с передней 3 и задней 4 кромками. Передняя кромка 3 каждой из лопаток 2 выполнена с переменной стреловидностью, наклоненной в сторону вращения осевого рабочего колеса. При этом в проекции на плоскость, перпендикулярную оси 5 вращения осевого рабочего колеса (фиг.2), линия, соединяющая ось 5 вращения осевого рабочего колеса носок 6 лопатки 2 в месте примыкания к втулке 1 осевого рабочего колеса, и носок 7 конца соседней лопатки 2А, сзади расположенной по ходу вращения осевого рабочего колеса, не выходит за пределы сектора, образованного линиями, проходящими через ось 5 вращения осевого рабочего колеса и носка 7 концевого сечения соседней лопатки 2А, под углом ±0,02 углового межлопаточного шага t между лопатками 2 и 2А, равного отношения 2π радиан к количеству Z лопаток 2 осевого рабочего колеса: t=2π/Z.
Осевое рабочее колесо может оснащаться кольцом 8, соединенным лопатками 2 (фиг.3), которое является бандажом.
Кроме того, осевое рабочее колесо может выполняться с лопатками 2 с переменной хордой, и/или геометрической круткой (фиг.1), и/или с переменным относительным прогибом профилей (не показано).
Пример предпочтительного выполнения осевого рабочего колеса.
В предпочтительном выполнении осевое рабочее колесо (фиг.3) содержит не менее пяти лопаток 2, выполненных с увеличивающейся по мере удаления от оси 5 вращения хордой и уменьшающимся по мере удаления от оси 5 вращения углом установки и относительным прогибом сечений профилей лопаток 2. При этом для обеспечения необходимой жесткости концы 6 лопаток 2 могут соединяться между собой кольцом 8.
Изобретение функционирует следующим образом.
При вращении осевого рабочего колеса передняя 3 кромка лопатки 2 генерирует звуковые волны. Шум в достаточно удаленной точке перед осевым рабочим колесом, расположенной, например, на продолжении оси 5 осевого рабочего колеса, определяется суммированием сигналов звукового давления от всех точек передних кромок 3 всех лопаток 2. Экспериментально установлено, что сигналы звуковых давлений от всех точек каждой отдельной лопатки 2 коррелированны, а для разных лопаток 2, например соседних лопаток 2 и 2А, не коррелированны. Следовательно, в каждый момент времени сигналы звукового давления от всех точек передней кромки 3 лопатки 2 складываются с учетом амплитуд и фаз распространения. Поэтому передняя кромка 3 лопатки 2 должна иметь такую форму и ориентацию в пространстве, чтобы мгновенная сумма всех сигналов звукового давления от всех точек ее передней кромки 3 стремилась к нулю. Для синусоидального сигнала это означает, что фаза сигналов звукового давления вдоль передней кромки 3 лопатки 2 должна меняться на один период.
Это условие можно обеспечить при расположении в проекции на плоскость, перпендикулярную оси 5 вращения осевого рабочего колеса, на одной прямой оси 5 вращения рабочего колеса, носка 6 лопатки 2 в месте примыкания к втулке 1 и носка 7 соседней лопатки 2А, расположенной сзади лопатки 2 по ходу вращения рабочего колеса (фиг.2), что соответствует угловому межлопаточному шагу t осевого рабочего колеса (далее - условие углового межлопаточного шага). В осевых рабочих колесах, представленных в наиболее близком аналоге [1] и в аналоге [2], это условие не соблюдается.
Для сравнения аэродинамических и акустических характеристик заявленного и принятого за наиболее близкий аналог [1] осевых рабочих колес рабочие колеса были установлены в одинаковые корпуса 9 (фиг.4).
0
k
0
0
1
2
3
На фиг.5 представлен узкополосный спектр уровня звукового давления в контрольной точке на входе осевого вентилятора с рабочим колесом с четырьмя лопатками, принятым за наиболее близкий аналог [1]. На графике четко выделяются пики на частотах, совпадающих с лопаточной частотой f=nZ/60 и ее гармониками f=(k+1)f (где n - частота вращения осевого рабочего колеса, об/мин; Z - количество лопаток, k - целое число, равное номеру гармоники), а именно на лопаточной частоте f, первой f, второй f и третьей f гармоник. При этом ширина полосы спектрального анализа составляет 5 Гц.
0
1
2
3
Сравнение с представленным на фиг.6 узкополосным спектром уровней звукового давления в контрольной точке на входе осевого вентилятора с заявленным осевым рабочим колесом с пятью лопатками показывает, что практически отсутствуют пики на частотах, совпадающих с лопаточной частотой f, ее первой f, второй f и третьей f гармониками (ширина полосы спектрального анализа 5 Гц).
P
0
1
2
3
P
P
P
P
Для анализа влияния условия углового межлопаточного шага на уровень звуковых давлений в контрольной точке на входе вентилятора (расположенной на оси 5 вращения осевого рабочего колеса и удаленной на 1 м от входа вентилятора) на фиг.7 представлен график зависимости суммарного уровня звукового давления L на лопаточной частоте f и ее гармониках f, f, и f от относительного шага Δt носка 7 лопатки, равного отношению разности (t-t) углового t и реального t углового межлопаточного шага к угловому межлопаточному шагу t: Δt=(t-t)/t. Из графика следует, что при выходе из диапазона относительного углового шага Δt≥|0,02t| суммарный уровень звукового давления заметно больше, чем при соблюдении условия межлопаточного шага t (Δt=0), при котором суммарный уровень звукового давления L минимален. Это позволяет данный диапазон признать существенным с точки зрения достижения технического результата - снижения на входе в осевое рабочее колесо уровней звуковой мощности и звукового давления на лопаточной частоте и ее гармониках.
P
Несовпадение реального углового межлопаточного шага t от углового межлопаточного шага t может возникнуть в результате неточности изготовления, упругих и/или остаточных деформаций в процессе эксплуатации и других причин.
Промышленная применимость.
Уровень раскрытия изобретения достаточен как для разработки, так и для изготовления осевых рабочих колес.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ К ОПИСАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ «ОСЕВОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО»
1 - втулка;
2 - лопатка;
2А - соседняя лопатка, расположенная сзади лопатки 2 по ходу вращения осевого рабочего колеса;
3 - передняя кромка лопатки 2;
4 - задняя кромка лопатки 2;
5 - оси вращения осевого рабочего колеса;
6 - носок лопатки 2 в месте примыкания к втулке 1;
7 - носок конца лопатки 2А;
8 - кольцо, соединенное с лопатками;
9 - корпус осевого вентилятора;
t=2π/Z - угловой шаг лопаток;
Z - количество лопаток в осевом рабочем колесе;
P
t - реальный угловой межлопаточный шаг;
P
Δt=(t-t)/t - относительный шаг носка 7 лопатки;
P
L(f) - уровень звукового давления исследуемого вентилятора на частоте f;
f - частота, кГц.
0
f=nZ/60 - лопаточная частота осевого рабочего колеса;
k
0
f=(k+1)f- гармоника лопаточной частоты осевого рабочего колеса;
n - частота вращения осевого рабочего колеса, об/мин;
0
k - целое число, соответствующее гармонике лопаточной частоты f.