ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР
CENTRIFUGAL FAN

Область техники
Изобретение относится к центробежному вентилятору и, в частности, к центробежному вентилятору, содержащему систему охлаждения двигателя вентилятора.
Уровень техники
В области автомобилестроения (для пассажирского, грузового транспорта и для других подобных видов применения) широко распространено использование центробежных вентиляторов, приводимых в действие двигателями постоянного тока открытого типа.
Такие вентиляторы традиционно имеют системы охлаждения приводных двигателей, связанных с вентиляторами, которые основаны на принудительной циркуляции охлаждающего воздуха.
На фиг.  1 схематично изображен частичный поперечный разрез центробежного вентилятора, известного из уровня техники.
Вентилятор данного типа содержит наружный корпус 100 в форме спирали, образованный центральной частью 101 и выпускным каналом 102, сообщающимся с центральной частью 101.
Корпус 100 имеет входное отверстие 103, выполненное в центральной части 101, и выходное отверстие 104, выполненное в конце канала 102.
Двигатель 105, как правило, «открытого» типа имеет вентиляционные отверстия 105а и установлен внутри спирали для приведения в движение рабочего колеса 106 центробежного вентилятора, которое установлено с возможностью вращения вокруг своей оси R и предназначено для всасывания воздуха у входного отверстия 103 и перемещения нагнетаемого воздуха в канал 102 спирали 2.
Рабочее колесо 106, приведенное во вращательное движение, создает перепад давлений между входным отверстием 103 и выходным отверстием 104 для формирования потока F воздуха вдоль канала 102. В общем, это означает, что на выходе из вентилятора, или снаружи вентилятора, имеется высокое давление, а на входе в вентилятор, или внутри вентилятора, имеется отрицательное давление (по сравнению с давлением на выходе).
Система охлаждения двигателя 105 содержит рециркуляционный канал 107, имеющий вход, сообщающийся с каналом 102, и выход, сообщающийся с центральной частью 101. Канал 107 улавливает сжатый воздух на выходе из корпуса 100 для формирования потока RF охлаждающего воздуха, выталкиваемого под действием избыточного давления, создаваемого рабочим колесом 106, в центральную часть 101 у задней части двигателя 105. Таким образом, поток RF охлаждающего воздуха проходит через вентиляционные отверстия 105a двигателя 105, отводя тепло непосредственно от обмоток двигателя 105, и снова попадает во внутреннюю часть рабочего колеса 106, откуда он повторно поступает в канал 102.
На основных рынках сбыта таких вентиляторов существует потребность в улучшенном техническом решении, позволяющем использовать электронный привод двигателя, интегрируемый в двигатель независимо от того, является ли двигатель бесщеточным двигателем или двигателем постоянного тока, а также позволяющем повысить срок службы и надежность двигателя в тяжелых условиях эксплуатации.
Основным препятствием для внедрения таких решений является относительно низкая производительность систем охлаждения двигателя, известных из уровня техники, которые не способны обеспечить оптимальные условия эксплуатации работающих вентиляторов.
Считается, например, что в случае интегрирования блока электроники привода в двигатель предельная рабочая температура должна быть ниже температуры обмоток на величину до 50°C. В результате, важно, чтобы система охлаждения двигателя могла отводить значительное количество тепла, чтобы не превысить предельные условия эксплуатации.
Необходимо отметить, что и срок службы изделия, и возможность работы в тяжелых условиях эксплуатации тесно связаны с возможностью обеспечения надлежащего и эффективного охлаждения двигателя и связанного с ним блока электроники.
Раскрытие изобретения
В этой связи основная техническая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить центробежный вентилятор, лишенный вышеупомянутых недостатков.
Одна из задач настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить центробежный вентилятор, оснащенный высокоэффективной системой охлаждения.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить вентилятор, оснащенный системой охлаждения, способной отводить значительное количество тепла от двигателя, приводящего в движение рабочее колесо, в том числе в случае применения, например, закрытого двигателя, в котором охлаждаемые компоненты не могут находиться под непосредственным воздействием напорного потока охлаждающего воздуха.
Указанная основная техническая задача и другие упомянутые задачи по существу решены благодаря центробежному вентилятору, раскрытому в независимом пункте 1 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из последующего неограничивающего описания предпочтительного варианта осуществления центробежного вентилятора со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.
На фиг.  1 схематично в разрезе показан известный из уровня техники центробежный вентилятор.
На фиг.  2 схематично в поперечном разрезе показан центробежный вентилятор согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.  3 на виде сверху показан центробежный вентилятор согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 представлен схематичный поперечный разрез вентилятора по линии IV-IV с фиг. 3.
На фиг. 5 часть вентилятора с фиг. 4 для удобства показана в увеличенном масштабе.
На фиг. 6 на виде сверху показан вентилятор с фиг. 3, при этом на чертеже отсутствуют некоторые элементы для лучшей иллюстрации остальных частей.
На фиг. 7 представлен первый вид в аксонометрии первого варианта осуществления рабочего колеса предлагаемого центробежного вентилятора.
На фиг. 8 представлен второй вид в аксонометрии рабочего колеса с фиг. 7.
На фиг. 9 показан частичный схематичный поперечный разрез части вентилятора согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 10 схематично в аксонометрии показан увеличенный фрагмент рабочего колеса вентилятора с фиг. 9.
Осуществление изобретения
На прилагаемых чертежах, в частности на фиг. 2, номером позиции 1 обозначен предлагаемый центробежный вентилятор.
Вентилятор 1 имеет ось R вращения и содержит корпус, либо улитку, либо спираль, 2, электродвигатель 3 предпочтительно закрытого или «герметичного» типа, имеющий соответствующий вал 3а, расположенный в корпусе 2, служащем для него опорой, и рабочее колесо 4, показанное, в частности, на фиг. 7 и 8 и приводимое в движение двигателем 3.
Рабочее колесо 4 установлено с возможностью вращения вокруг оси R и содержит множество лопаток 5 центробежного вентилятора, имеющих основную протяженность вдоль оси R, и первое и второе опорные кольца 6, 7, между которыми проходят лопатки 5.
Рабочее колесо 4 имеет первый вход 8, образованный отверстием, ограниченным опорным кольцом 7, ось которого совпадает с осью R, и тангенциальный выход 9, образованный фактически промежутками между лопатками 5.
Рабочее колесо 4 содержит ступицу 10, соединенную с первым опорным кольцом 6 и предназначенную для присоединения к двигателю 3.
Ступица 10 имеет втулку 11 для соединения с валом 3а, при этом от упомянутой втулки отходит множество лапок12 для соединения с кольцом 6.
Кроме того, ступица 10 содержит центральную часть 13, проходящую от втулки 11 между лапками 12 и ограничивающую, вместе с лапками 12 и опорным кольцом 6, множество отверстий 14.
Как показано, например, на фиг. 2, 3 и 4, двигатель 3 частично вставлен в ступицу 10, при этом в не показанных альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения двигатель 3 расположен снаружи ступицы 10.
Вышеупомянутый корпус 2 имеет осевое входное отверстие 15, то есть отверстие, ось которого совпадает с осью R вращения (и, соответственно, с осью входа 8 рабочего колеса 4), и тангенциальное выходное отверстие 16, расположенное известным образом относительно рабочего колеса 4 и предназначенное для циркуляции воздуха, перемещаемого рабочим колесом 4.
Корпус 2 содержит основной отсек, имеющий центральную часть 17, в которой выполнено входное отверстие 15, и выпускной канал 18, проходящий тангенциально от центральной части 17 и сообщающийся по текучей среде с упомянутой центральной частью, при этом на свободном конце упомянутого канала расположено выходное отверстие 16.
Вентилятор 1 содержит крышку 19 для закрытия корпуса 2, к которой предпочтительно прикреплен двигатель 3.
Фактически, крышка 19 расположена относительно двигателя 3 со стороны, противоположной той, у которой находится рабочее колесо 4, и соединена с центральной частью 17 основного отсека корпуса.
Крышка 19 образует для двигателя 3 кожух 20, в котором двигатель 3 частично расположен.
В частности, крышка 19 имеет внутреннюю цилиндрическую боковую стенку 21 и внутреннюю заднюю стенку 22, соединенную с боковой стенкой 21, ограничивающей кожух 20, причем двигатель 3 расположен внутри кожуха 20 так, что его ось совпадает с осью кожуха 20.
В частности, согласно фиг. 5, верхняя часть 3b двигателя 3 представляет собой часть двигателя 3, расположенную внутри кожуха 20, а нижняя часть 3c двигателя 3 представляет собой часть, частично вставленную в ступицу 10.
Между двигателем 3, в частности его верхней частью 3b, и крышкой 19 образована зона 32 циркуляции воздуха.
Вентилятор 1 содержит систему охлаждения, предназначенную для отвода тепла от двигателя 3 посредством потока RF охлаждающего воздуха, направляемого из внутреннего пространства корпуса 2 за его пределы.
Согласно настоящему изобретению, как будет пояснено ниже, поток RF охлаждающего воздуха включает в себя тангенциальную составляющую и осевую составляющую, направленную вдоль оси R вращения.
Тангенциальная составляющая и осевая составляющая складываются векторно, образуя в результате спиральный вихрь RF вокруг двигателя 3.
Согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг. 2, для создания вышеупомянутой осевой составляющей система охлаждения двигателя 3 содержит рабочее колесо 4 и канал 30, имеющий вход 26 в выпускном канале 18 и выход 27 в центральной части 17, по существу у двигателя 3.
В процессе эксплуатации на выходе 9 рабочего колеса 4, а также, в частности, на входе 26 канала 30 создается избыточное давление.
Данное избыточное давление обеспечивает проталкивание воздуха вдоль канала 30 от входа 26 к выходу 27, причем поток воздуха, выходящий из канала 30, формирует вышеупомянутую осевую составляющую.
В процессе эксплуатации для создания вышеупомянутой тангенциальной составляющей охлаждающего потока RF, система охлаждения содержит кольцевой элемент 28, выполненный за одно целое с рабочим колесом 4 и проходящий в осевом направлении от рабочего колеса 4 к двигателю 3, снаружи него, и множество радиальных лопаток 29, поддерживаемых кольцевым элементом 28 и обращенных к двигателю 3.
Кольцевой элемент 28 образует единое целое с рабочим колесом 4 и проходит от опорного кольца 6 со стороны, противоположной той, где расположены лопатки 5.
Радиальные лопатки 29 проходят между опорным кольцом 6 и наружным кольцевым элементом 28, причем они проходят от упомянутого наружного кольцевого элемента по направлению к двигателю 3.
Наружный кольцевой элемент 28 совместно с лопатками 29 окружает двигатель 3 и, в частности, верхнюю часть 3b двигателя.
Вышеупомянутый кожух 20 предназначен для вмещения, помимо двигателя 3, также кольцевого элемента 28 и, соответственно, лопаток 29.
Набор лопаток, состоящий из лопаток 29, совместно с наружным кольцевым элементом 28, приводимым во вращение рабочим колесом 4 и образующим единое целое с упомянутым рабочим колесом, создает часть охлаждающего потока RF, которая образует вышеупомянутую тангенциальную составляющую.
Другими словами, эффект вращения лопаток 29 состоит в перемещении воздуха, содержащегося в полом пространстве между лопатками 29 и двигателем 3, с образованием тангенциальной составляющей охлаждающего потока RF.
Вышеупомянутая осевая составляющая предпочтительно направлена внутри корпуса 2 от верхней части 3b двигателя к нижней части 3c двигателя так, что охлаждающий поток RF, полученный в результате объединения тангенциальной и осевой составляющих, перемещается через отверстия 14 ступицы 10 во внутреннее пространство рабочего колеса 4, откуда он выталкивается наружу корпуса 2 через выходное отверстие 16.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 4 и 5, система охлаждения содержит полое пространство 31, или кольцевой канал 31, образованное между цилиндрической наружной стенкой кольцевого элемента 28 и цилиндрической боковой стенкой 21 кожуха 20.
Кольцевой канал 31 обеспечивает сообщение по текучей среде между каналом 18 и центральной частью 17 корпуса 2 у верхней части 3b двигателя 3.
В частности, крышка 19 имеет такую геометрическую форму, что кольцевое полое пространство 31 сообщается по текучей среде с каналом 18.
На фиг. 5 номером позиции 31a обозначен вход кольцевого канала 31, а номером позиции 31b обозначен выход канала 31.
Данная система охлаждения содержит, как и в первом варианте осуществления настоящего изобретения, кольцевой элемент 28, выполненный за одно целое с рабочим колесом 4 и проходящий в осевом направлении от рабочего колеса 4 к двигателю 3, снаружи него, и радиальные лопатки 29, поддерживаемые кольцевым элементом 28 и обращенные к двигателю 3.
Кольцевой элемент 28 образует единое целое с рабочим колесом 4 и проходит от опорного кольца 6 со стороны, противоположной той, где расположены лопатки 5.
Радиальные лопатки 29 проходят между опорным кольцом 6 и наружным кольцевым элементом 28, причем они проходят от упомянутого наружного кольцевого элемента по направлению к двигателю 3.
Наружный кольцевой элемент 28 совместно с лопатками 29 окружает двигатель 3 и, в частности, верхнюю часть 3b двигателя.
Вышеупомянутый кожух 20 предназначен для вмещения, помимо двигателя 3, также кольцевого элемента 28 и, соответственно, лопаток 29.
Набор лопаток, состоящий из лопаток 29, совместно с наружным кольцевым элементом 28, приводимым во вращение рабочим колесом 4 и образующим единое целое с упомянутым рабочим колесом, создает часть охлаждающего потока RF, которая образует вышеупомянутую тангенциальную составляющую.
Другими словами, эффект вращения лопаток 29 состоит в перемещении воздуха, содержащегося в полом пространстве между лопатками 29 и двигателем 3, с образованием тангенциальной составляющей охлаждающего потока RF.
В процессе эксплуатации рабочее колесо 4 проталкивает воздух с высокой скоростью вдоль канала 18.
Высокоскоростной воздушный поток создает эффект Вентури, который, в свою очередь, создает отрицательное давление на выходе 31b канала 31.
Отрицательное давление вызывает эффект всасывания потока охлаждающего воздуха вдоль полого пространства 31.
Другими словами, в кольцевом канале 31 создается всасывающий поток, направленный от входа 31а к выходу 31b.
Фактически, всасывание вдоль полого пространства 31 создает в центральной части 17 корпуса 2 так называемую осевую составляющую, по существу направленную вдоль оси R вращения двигателя 3 внутрь корпуса 2.
Данная осевая составляющая всасывается в рабочее колесо 4 через вход 8.
Осевая составляющая предпочтительно направлена в корпусе 2 от нижней части 3c двигателя к верхней части 3b двигателя так, что спиральный охлаждающий поток RF, полученный в результате объединения тангенциальной и осевой составляющих, перемещается через отверстия 14 ступицы 10 через рабочее колесо 4 в зону 32, откуда он выталкивается наружу корпуса 2 через полое пространство 31 и канал 18.
Осевая составляющая объединяется с тангенциальным потоком, создаваемым лопатками 29, образуя вышеупомянутый спиральный вихрь RF, переносимый из внутреннего пространства корпуса 2 за пределы корпуса 2 через полое пространство 31 и канал 18.
В рассматриваемом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения кольцевой канал 31 имеет выход 31b, образованный между крышкой 19 и рабочим колесом 4 и имеющий размер «h» того же порядка величины, что и размер «M» канала 31 между кольцевым элементом 28 и цилиндрической боковой стенкой 21, ограничивающей кожух 20.
Другими словами, крышка 19 имеет такую геометрическую форму, что она совместно с первым опорным кольцом 6 и/или с лопатками 5 образует выход 31b.
В рассматриваемом варианте осуществления настоящего изобретения выход 31b кольцевого канала 31 предпочтительно образован опорным кольцом 6 и, в частности, его кольцевым ободом 60, обращенным к соответствующей кольцевой части 19а крышки 19.
Кольцевое полое пространство 31 сообщается с зоной 32 циркуляции воздуха, где образован вход 31a.
Таким образом, в процессе эксплуатации поток, перемещаемый вдоль полого пространства 31, объединяется в зоне 32 с тангенциальным потоком, создаваемым лопатками 29, образуя вокруг двигателя 3 вышеупомянутый спиральный вихрь RF, всасываемый в канал 18.
В вышеупомянутой зоне 32 циркуляции воздуха поток охлаждающего воздуха RF контактирует с крышкой двигателя 3, отводя от нее тепло.
Зона 32 циркуляции воздуха образована между задней стенкой 22 кожуха 20 и задней поверхностью 33 двигателя 3, к которой обращена упомянутая стенка.
Фактически, внутренняя часть кожуха 20 имеет пространство для циркуляции воздуха как между боковой стенкой и крышкой 19, так и между стенкой основания двигателя 3 и крышкой 19.
Вентилятор согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 9.
В данном варианте, по сравнению со вторым вариантом изобретения, всасыванию охлаждающего потока через полое пространство 31 способствует ряд лопаток 40 центробежного вентилятора, расположенных снаружи кольцевого элемента 28 и предназначенных для проталкивания воздуха из полого пространства 31 к выходному отверстию канала 18.
Лопатки 40 центробежного вентилятора проходят от стороны, противоположной двигателю 3, и образуют второй вспомогательный центробежный вентилятор 41, который дополнительно проталкивает охлаждающий поток, полученный в результате объединения тангенциальной и осевой составляющих, из полого пространства 31 за пределы корпуса 2.
Лопатки 40 предпочтительно образуют единое целое с кольцевым элементом 28 и проходят снаружи кольцевого элемента, что также показано на фиг. 10.
В данном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, представленном в качестве примера, каждая лопатка 40 выполнена в виде удлинения соответствующей лопатки 5 рабочего колеса 4, как показано на фиг. 10.
Предпочтительно, система охлаждения и, в частности, лопатки 29 выполнены так, что тангенциальная составляющая имеет величину на порядок выше, чем величина осевой составляющей, для обеспечения эффективного отвода тепла от двигателя 3.
Канал 30, внешний по отношению к корпусу 2, в первом варианте осуществления настоящего изобретения и полое пространство или кольцевой канал 31 во втором и в третьем вариантах осуществления настоящего изобретения образуют вентиляционный канал, являющийся частью системы охлаждения вентилятора 1, благодаря которому охлаждающий поток RF, образуемый в виде спирального вихря, отводит тепло от двигателя 3.
Таким образом, высокоскоростной воздушный поток контактирует с наружной поверхностью двигателя 3, что особенно эффективно для отвода тепла.
Другими словами, эффект вращения лопаток 29 состоит в перемещении воздуха, содержащегося в полом пространстве между лопатками 29 и двигателем 3, с образованием вышеупомянутой тангенциальной составляющей.
Двигатель охвачен спиральным вихрем, что очень эффективно для принудительного охлаждения без использования осевой составляющей, которая негативно влияет на КПД и уровень шума вентилятора.
Осевая составляющая необходима для переноса тепла, улавливаемого вышеупомянутым вихрем RF, за пределы «зоны двигателя».
Центробежный вентилятор, оснащенный описанной системой охлаждения, обеспечивает возможность установки в нем закрытых или герметичных двигателей, которые хорошо работают в тяжелых условиях окружающей среды, а также двигателей с интегрированным в них блоком электроники привода.
Описанная система охлаждения позволяет увеличить срок службы вентилятора до более чем 30000 часов работы по сравнению с вентиляторами, известными из уровня техники.
Предложенные решения обеспечивают максимально возможное охлаждение двигателя, приводящего в движение рабочее колесо, позволяют минимизировать количество источников газодинамического шума и в то же время свести к минимуму затраты при равных рабочих уровнях производительности благодаря отказу от использования соединяющего канала между выходом вентилятора и кожухом двигателя.
Использование кольцевого всасывающего канала в корпусе вентилятора (осевой составляющей) позволяет снизить, по сравнению с решениями, известными из уровня техники, как шум, создаваемый воздухом вследствие газодинамических факторов, так и вибрации.