ЦЕНТРОБЕЖНО-ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР "ШЭРДОР"
CENTRIFUGE-AXIAL FAN "SHERDOR"

Изобретение относится к вентиляторам, компрессорам и движителям аппарата вертикального взлета и посадки.
Известны центробежные вентиляторы, содержащие рабочее колесо с лопатками, плоскости которых параллельны оси вращения колеса. Перемещение газовой массы происходит за счет центробежных сил, направляющих газ в радиальном направлении. Потери энергии происходят при изменении направления движения газов и при сравнительно длинном пути прохождения газов в улитке корпуса.
Известны осевые вентиляторы, содержащие рабочее колесо с лопастями, плоскость которых ориентирована под углом к оси вращения колеса. Перемещение газовой массы происходит по спирали, ось которой совпадает с осью вращения колеса. Потери энергии происходят по причине непроизводительного закручивания массы газа во вращательное движение и затраты на центробежное ускорение.
Известны осевые компрессоры, в которых закручиваемая масса газа спрямляется неподвижными, относительно корпуса, лопатками и производит полезную работу в виде давления на неподвижные лопатки в осевом направлении. Затраты энергии на центробежное ускорение непроизводительны.
Известно техническое решение, принятое за прототип. Рабочее колесо осевого вентилятора или компрессора и вентиляторный контур двухконтурного турбовентиляторного двигателя, использующий такое рабочее колесо (Патент RU 2460905 С2). В этом техническом решении энергия потока в радиальном направлении частично проделывает полезную работу за счет давления на внутреннюю поверхность конусообразного тракта или бандажа. Но основная доля энергии от радиального уплотнения массы газа остается неиспользованной в полезной работе. Также остается неиспользованной вращательная энергия газа. И остается проблема преимущественного уплотнения газа в радиальном направлении, что повышает отрицательный эффект перетекания газа на торцах лопаток из зоны повышенного давления в пониженную.
Задачей изобретения является создание вентилятора или ступени компрессора с равномерным уплотнением газа по плоскости вращения, образуемой лопатками вентилятора или компрессора, и с максимальным использованием энергии центробежных и осевых сил газа, что приведет к повышению коэффициента полезного действия механизма.
Технический результат достигается тем, что вращающиеся лопатки максимально ускоряют газ в осевом, центробежном и вращательном направлениях, а неподвижные лопатки спрямляют поток таким образом, что в каждой точке плоскости вращения вентилятора вектор скорости газа направлен перпендикулярно этой плоскости вращения.
Внутренний профиль (корытце) вращающихся лопаток в поперечном сечении имеет форму дуги и содержит качество как осевого, так и центробежного вентиляторов. Это достигается тем, что угол атаки входящей кромки аналогичен углу атаки осевого вентилятора (или воздушного винта) в соответствующих точках от оси вращения. То есть если провести касательную к дуге профиля поперечного сечения в точке входа газа, то угол атаки касательной будет в пределах угла атаки воздушного винта. Если касательную провести к дуге профиля поперечного сечения лопатки в точке выхода газа из вращающейся лопатки, то она будет параллельна оси вращения вентилятора, а плоскость, проведенная через эту касательную, будет аналогична лопасти центробежного вентилятора. Таким образом, в начале входной кромки газ ускоряется преимущественно в осевом направлении, а по мере приближения к выходной кромке - преимущественно в центробежном. В момент выхода с выходной кромки вращающейся лопатки газу придается максимальная кинетическая энергия в виде осевой, радиальной и тангенциальной скоростей. Результирующий вектор этих скоростей при выходе с кромки вращающейся лопатки направлен таким образом, что в каждой отдельно взятой точке неподвижной лопатки находится в одной плоскости с дугообразным профилем поперечного сечения неподвижной лопатки и направлен по касательной к этой дуге. Дугообразный профиль корытца неподвижной лопатки спрямляет поток газа таким образом, что при выходе вектор скоростей газа направлен параллельно оси вращения вентилятора. В результате этого кинетическая энергия всех трех составляющих скорости газа проделывает полезную работу.
На графических материалах схематично показано: Фиг. 1 - вид вентилятора параллельно оси вращения со стороны вращающихся лопаток, совмещенный с видом без бандажей и с видом Е-Е без вращающихся лопаток; Фиг. 2 - разрез вентилятора плоскостью, проходящей по оси вращения вентилятора; Фиг. 3 - Разрез лопаток вентилятора плоскостью, проходящей по линии вектора скорости газа перетекающего с нижней кромки вращающейся лопатки на верхнюю кромку неподвижной лопатки и далее исходящего с нижней кромки неподвижной лопатки; Фиг. 4 - разрез лопаток вентилятора плоскостью, перпендикулярной к продольной линии вращающейся лопатки.
Вентилятор на Фиг. 2 состоит из корпуса 1 с силовым приводом 2, приводящим во вращение диск 3 с установленными в нем лопатками 4. Вращающиеся лопатки 4 по периферийным торцам соединены бандажом 5. В корпусе 1 установлены неподвижные лопатки 6, периферийные торцы которых соединены бандажом 7. В случае применения изобретения в качестве ступени компрессора бандаж 5 может отсутствовать, а неподвижные лопатки 6 закрепляются периферийными торцами к наружному корпусу компрессора образующему внутренний газовый тракт компрессора.
Одним из вариантов осуществления изобретения является вентилятор, приводимый во вращение силовым приводом 2, диск 3 с лопатками 4, выполненными с изогнутым профилем в поперечном сечении. Профиль вращающихся лопаток 4 и угол атаки, в зависимости от удаленности от центра вращения и числа оборотов, должен обеспечить максимальное увлечение газа с сохранностью ламинарного течения. Газ, увлекаемый вращающейся лопаткой 4 по аналогии с осевым вентилятором, перемещается в осевом направлении, по мере продвижения газа по внутреннему профилю лопатки увеличивается центробежная составляющая скорости газа. На выходе из вращающейся лопатки 4 результирующий вектор скорости газа направлен перпендикулярно к касательной, проведенной к кромке неподвижной лопатки 6 в точке входа в нее газа. То есть в любой точке неподвижной лопатки 6 газ проходит путь от входа в лопатку до выхода из нее по кратчайшему пути, при этом спрямляя поток во всех трех направлениях: осевом, центробежном, вращательном. Результирующее направление скорости газа при выходе из неподвижной лопатки 6 можно задавать путем изменения кривизны поперечного сечения лопатки в зоне выхода из нее газа. На представленных графических материалах показан вариант направления газа параллельно оси вращения вентилятора. Неподвижные лопатки 6 имеют саблевидную линию кромок и изогнутый профиль в поперечном сечении. Линия кромок 6 ориентирована к результирующему вектору скорости потока, исходящего с кромки вращающейся лопатки 4 таким образом, когда при сближении кромок вращающихся лопаток 4 с неподвижными лопатками 6 поток газа входит под прямым углом к линии кромки неподвижной лопатки, а исходящий с этой лопатки 6 газ направляется параллельно оси вращения лопаток 4. Возможны и другие варианты направления газа, сходящего с нижней кромки неподвижной лопатки 6, например, на сближение с осью вращения или на удаление. Но в любом случае достигается цель использования всей энергии движущейся массы газа как в центробежном, так и в осевом направлениях.