ВЕНТИЛЯТОР И ВХОДНАЯ НАПРАВЛЯЮЩАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ ВЕНТИЛЯТОРА
FAN AND INPUT GUIDING GRATE FOR FAN

Настоящее изобретение относится к вентилятору, причем речь может идти при этом как о радиальном вентиляторе, так и об осевом вентиляторе. Вентилятор включает в себя рабочее колесо с входным направляющим устройством на пути потока перед рабочим колесом, предпочтительно перед входной областью входного сопла.
Соответствующий вентилятор с входным направляющим устройством со стороны притока известен, например, из WO 03/054395 A1. Предусмотренное там входное направляющее устройство служит в первую очередь для выравнивания потока, в частности также для снижения уровня шума. Известное входное направляющее устройство создает предварительное закручивание в направлении вращения рабочего колеса. Существенным является при этом то, что достигнутые, возможно, акустические улучшения, как правило, сопровождаются потерями мощности воздуха и коэффициента полезного действия.
Из практики известны уже также так называемые входные направляющие колеса, которые служат для повышения коэффициента полезного действия и/или мощности воздуха. Однако эти входные направляющие колеса вызывают акустические недостатки и сложны в конструкции, а также в отношении монтажа на соответствующие изделия вентиляторов. Они монтируются, как правило, не перед входными соплами и таким образом не имеют по сравнению с вентилятором особо большой проходной поверхности. Вследствие этого скорости воздуха в области этих входных направляющих колес относительно высоки, что вызывает в частности акустические недостатки.
В основе данного изобретения лежит теперь задача по конструированию и усовершенствованию вентилятора с входным направляющим устройством таким образом, что при улучшенных, неизменных или, возможно, незначительно ухудшенных акустических значениях повышается мощность воздуха и/или коэффициент полезного действия. Тональный шум, который возникает в вентиляторе вследствие неоднородного набегающего потока, может уменьшаться, так как входная направляющая решетка выравнивает набегающий поток. Входная направляющая решетка должна быть экономично изготавливаемой и просто монтируемой.
Кроме того, должен создаваться вентилятор, который отличается от конкурентных продуктов. Также должна указываться соответствующая входная направляющая решетка, которой может оснащаться радиальный или осевой вентилятор, для того чтобы удовлетворять вышеуказанным требованиям.
Согласно изобретению вышеуказанная задача решена с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. Согласно ему, у соответствующего вентилятора входное направляющее устройство выполнено в виде входной направляющей решетки с ребрами, которые расположены и выполнены таким образом, что при по существу безвихревом набегающем потоке осуществляется влияние на поток в окружном направлении. Понятие «ребро» должно пониматься в самом широком смысле.
В отношении соответствующей изобретению входной направляющей решетки вышеуказанная задача решена с помощью признаков дополнительного независимого пункта 14 формулы изобретения.
Предпочтительно ребра расположены и выполнены таким образом, что за счет отклонения потока в окружном направлении создается предварительное закручивание против направления вращения рабочего колеса. Предварительное закручивание против направления вращения рабочего колеса имеет по сравнению с таким же вентилятором без входной направляющей решетки эффект повышения мощности воздуха и/или повышения коэффициента полезного действия. Акустические недостатки незначительны, так как устройство направления воздуха находится на стороне набегающего потока в области, где скорости потока низки. Тональный шум, который возникает в вентиляторе вследствие неоднородного набегающего потока, может уменьшаться, так как входная направляющая решетка выравнивает набегающий поток.
В предпочтительном варианте осуществления проходящие в радиальном направлении ребра входной направляющей решетки являются направляющими лопатками, которые, однако, отклоняются от строго радиальной ориентации и/или в сущности наклонены, изогнуты, повернуты или закручены. Направляющие лопатки могут иметь в поперечном сечении форму профиля несущего крыла. Эти направляющие лопатки могут быть соединены поперечными ребрами друг с другом в решетку. Благодаря этой решетчатой конструкции создается уже ранее упомянутое предварительное закручивание с эффектом повышения мощности воздуха и/или повышения коэффициента полезного действия при преимуществах или, возможно, незначительных недостатках в отношении акустики.
Возможны варианты осуществления, которые могут наиболее просто изготавливаться. Это имеет место, в частности, в том случае, если радиальные ребра имеют постоянную толщину стенки и/или проходят по прямой или по плоскости, и/или их каркасные поверхности ориентированы строго в осевом направлении. Предпочтительно, если входная направляющая решетка может извлекаться без выдвижной заслонки из формы для литья под давлением.
Также возможно, что входная направляющая решетка создана аналогично неструктурированной решетке, например, сотовой (ячеистой) решетке, пока она сконструирована таким образом, что она создает предварительное закручивание.
Входная направляющая решетка включает в себя согласно вышеприведенным исполнениям множество небольших ребер, которые расположены на относительно большом удалении от рабочего колеса, а именно в соответствии с исполнением и расположением входного направляющего устройства. В частности, входная направляющая решетка расположена на пути потока перед входным соплом. Вследствие этого проходимая поверхность может быть существенно больше, чем проходимая поверхность поперечного сечения в области входа в рабочее колесо вентилятора. Вследствие этого скорости воздуха в области входной направляющей решетки низки, что положительно сказывается на создании шума и на аэродинамических потерях. При этом эффект взаимодействия так называемой впадины на задней части профиля с лопастями рабочего колеса минимален. Входная направляющая решетка обеспечивает аналогично выпрямителю потока определенное выравнивание потока и приводит таким образом к улучшениям тонального шума, в частности при, вследствие чего также постоянно, возмущенных условиях набегающего потока.
В конечном счете, предварительное закручивание согласно изобретению создается своего рода выпрямителем потока. Повышение мощности воздуха или коэффициента полезного действия сочетается с, возможно, незначительным акустическим ухудшением или улучшением при возмущенных условиях набегающего потока, что связано с особым исполнением устройства направления воздуха в смысле входной направляющей решетки.
Форма или контур входной направляющей решетки зависит от того, идет ли речь, говоря о вентиляторе, о радиальном вентиляторе или об осевом вентиляторе. В частности, при радиальном вентиляторе является предпочтительным, если входная направляющая решетка выполнена в виде колпака. Если, говоря о вентиляторе, речь идет об осевом вентиляторе, то входная направляющая решетка могла бы быть выполнена в виде круглого кольца, причем круглое кольцо может быть закрыто посередине функциональным элементом. Конкретно может быть предусмотрен интегрированный или отдельный обтекатель, который примыкает к входной направляющей решетке или закреплен на или во входной направляющей решетке. Поток проводится предпочтительно в этом случае во внутренней области (в области втулки) по контуру.
Входная направляющая решетка может быть изготовлена за одно целое или из нескольких частей из пластика. Она предпочтительно изготовлена способом литья под давлением. Она предпочтительно имеет средства, которые делают возможным закрепление входной направляющей решетки, например, на плите сопла.
Возможно, что входная направляющая решетка одновременно принимает функцию защищающей от контакта решетки.
Вентилятор может использоваться в любых воздухотехнических системах, например, в корпусе, кондиционере, стенке кондиционера или нагнетателя и т.д. В частности, возможно, что предпочтительно на стороне всасывания расположен теплообменник, независимо от того, о каком типе вентилятора речь идет в конкретном случае.
Соответствующая изобретению входная направляющая решетка включает в себя касающиеся входной направляющей решетки признаки вышеописанного вентилятора. Она может согласовываться с соответствующим вентилятором в дальнейшем, а именно в рамках дооснащения. Также возможна ее замена.
У осевого вентилятора с регулируемыми углами установки лопастей необходимая мощность воздуха может достигаться, благодаря применению входной направляющей решетки, с более низким углом установки, чем без входной направляющей решетки. Вследствие этого необходимая мощность воздуха достигается с гораздо более высоким коэффициентом полезного действия.
Существуют теперь различные возможности техническое решение данного изобретения предпочтительным образом реализовывать и усовершенствовать. Для этого может с одной стороны делаться ссылка на пункты формулы изобретения, подчиненные пункту 1 формулы изобретения, а с другой стороны на последующее разъяснение предпочтительных примеров осуществления изобретения на основе чертежа. В сочетании с разъяснением предпочтительных примеров осуществления изобретения на основе чертежа разъясняются также в общих чертах предпочтительные исполнения и усовершенствования технического решения. На чертеже показаны:
фиг. 1 - на виде в перспективе пример осуществления соответствующей изобретению входной направляющей решетки;
фиг. 2 - на виде спереди входная направляющая решетка с фиг. 1;
фиг. 3 - в разрезе по плоскости, перпендикулярной к продольной оси, входная направляющая решетка с фиг. 1 и 2;
фиг. 4 - на схематичном виде другой пример осуществления соответствующей изобретению входной направляющей решетки с проведением потока по втулке;
фиг. 5 - на виде сбоку входная направляющая решетка с фиг. 4;
фиг. 6 - на виде спереди входная направляющая решетка с фиг. 4 и 5;
фиг. 7 - в разрезе по плоскости вдоль продольной оси входная направляющая решетка с фиг. 4-6;
фиг. 8 - в разрезе по плоскости, перпендикулярной к продольной оси, входная направляющая решетка с фиг. 4-7;
фиг. 9 - на схематичном виде в разрезе вдоль продольной оси радиальный вентилятор с соответствующей изобретению входной направляющей решеткой согласно одной из фиг. 1-3;
фиг. 10 - на схематичном виде в разрезе вдоль продольной оси осевой вентилятор с входной направляющей решеткой согласно одной из фиг. 4 - 8;
фиг. 11 - вентилятор с входной направляющей решеткой согласно фиг. 10 с расположенным на оси на стороне всасывания теплообменником;
фиг. 12 - дальнейший вариант вентилятора с входной направляющей решеткой согласно фиг. 10 с радиально расположенным на стороне всасывания теплообменником;
фиг. 13 - на схематичном виде предмет с фиг. 9, причем только входная направляющая решетка изображена в разрезе, и обозначены схематичные дополнительные значения;
фиг. 14 - на виде в перспективе пример осуществления входной направляющей решетки, которая не создает предварительное закручивание;
фиг. 15 - на виде спереди входная направляющая решетка с фиг. 14;
фиг. 16 - в разрезе по плоскости, перпендикулярной к продольной оси, входная направляющая решетка с фиг. 14 и 15;
фиг. 17 - на виде в перспективе пример осуществления входной направляющей решетки, которая создает предварительное закручивание, и радиальные ребра которой проходят под наклоном к радиальному направлению, однако не изогнуты;
фиг. 18 - на виде спереди входная направляющая решетка с фиг. 17;
фиг. 19 - на виде в перспективе пример осуществления входной направляющей решетки, которая создает предварительное закручивание, и радиальные ребра которой изогнуты, однако являются прямыми при рассмотрении в осевом направлении; и
фиг. 20 - на виде спереди входная направляющая решетка с фиг. 19.
Фиг. 1 показывает на виде в перспективе соответствующую изобретению входную направляющую решетку 1, которая подходит в частности для не показанного на фиг. 1 радиального вентилятора. Входная направляющая решетка 1 устанавливается предпочтительно перед входной областью входного сопла. Она включает в себя радиальные ребра 2, которые соединены поперечными ребрами 3 друг с другом в своего рода колпак. Благодаря расположению входной направляющей решетки 1 перед входной областью входного сопла вентилятора создается предварительное закручивание против направления вращения рабочего колеса вентилятора.
Фиг. 9 показывает на схематичном виде в разрезе вдоль продольной оси применение соответствующей изобретению входной направляющей решетки 1 с фиг. 1 в комбинации с радиальным вентилятором 6 с радиальным рабочим колесом 12, которое только обозначено на фиг. 9. Эту систему следует понимать в смонтированном состоянии, например, как элемент стенки вентилятора, стенки кондиционера или тому подобного.
На фиг. 9 входная направляющая решетка 1 согласно фиг. 1 изображена в разрезе с входным соплом 9, которое интегрировано в плиту 10 сопла, и с вентилятором 6 с рабочим колесом 12. Во время эксплуатации вентилятор 6 засасывает вследствие вращения рабочего колеса 12 воздух через входную направляющую решетку 1 и затем через входное сопло 9. В рабочем колесе 12 вентилятора 6 энергия передается благодаря его вращательному движению на воздух, вследствие чего приводится в движение поток, прежде чем он на выходе вентилятора снова вырывается из рабочего колеса 12. Перед входом во входную направляющую решетку 1 воздух, в частности в отношении временного и пространственного среднего по области набегающего потока входной направляющей решетки, не имеет или имеет лишь незначительную составляющую скорости в окружном направлении относительно оси вентилятора. В этой связи говорится о по существу в среднем безвихревом набегающем потоке, который, как правило, имеется при применениях вентилятора. Временные и/или пространственные колебания скорости набегающего потока, которые встречаются во многих монтажных положениях вентиляторов, сокращаются при прохождении входной направляющей решетки 1. Вследствие этого может уменьшаться возникновение шумов и вибраций во время работы вентилятора 6. Сокращение временных и пространственных колебаний скоростей воздуха возникает благодаря относительно узким воздушным проходам, которые определяются структурой ребер решетки, и в которых проводится соответствующим образом воздух. Для того чтобы имелись узкие воздушные проходы, необходимо относительно большое количество ребер, например, радиальных или поперечных ребер 2, 3, которые в свою очередь определяют относительно большое количество отверстий воздушных проходов. Так, в примере осуществления имеются 30 распределенных по периметру радиальных ребер 2. Образованы около 91 отверстий воздушных проходов. Для того чтобы уменьшать сопротивление воздуха, ребра выполняются предпочтительно тонкими. Типичные толщины стенки ребер 2, 3 - это от 0,5 мм до 3 мм, причем должны учитываться удобство изготовления и прочность входной направляющей решетки 1. Кроме того, ребра 2, 3 имеют определенную высоту, при рассмотрении в направлении потока, для того чтобы была возможность эффективно сокращать колебания скоростей воздуха. Как правило, высоты в направлении потока составляют от 8 мм до 30 мм.
На фиг. 9 можно отчетливо увидеть, что входная направляющая решетка расположена на пути потока перед входным соплом и таким образом перед сужением поперечного сечения потока. Общее поперечное сечение потока в области входной направляющей решетки существенно больше, чем самое узкое поперечное сечение потока во входном сопле 9. Предпочтительно, по меньшей мере, в 2 раза общее поперечное сечение потока входной направляющей решетки больше, чем самое узкое поперечное сечение потока во входном сопле. Вследствие этого скорости воздуха в области входной направляющей решетки относительно низки, что предпочтительно для низкого уровня шума и низких потерь давления на входной направляющей решетке. В частности, это предпочтительно, если входная направляющая решетка используется, как в примере осуществления, для создания предварительного закручивания.
На фиг. 13 изображена сравнимая с фиг. 9 структура, причем из вентилятора 6 изображено только рабочее колесо 12, и лишь входная направляющая решетка 1 показана в разрезе. Входная направляющая решетка 1 схематично изображена своими каркасными поверхностями 11, то есть без обусловленных изготовлением толщин стенки. Эти каркасные поверхности 11 соответствуют средним поверхностям имеющих толщину стенки ребер 2, 3. Дополнительно на месте на пути потока перед входной направляющей решеткой схематично обозначен вектор v1 скорости воздуха. После прохождения через входную направляющую решетку воздух может иметь другую скорость v2.
На фиг. 13 обозначены еще полезные для описания изобретения системы координат. Началом координат является в каждом случае воображаемая точка пересечения оси вентилятора с плоскостью плиты 10 сопла. Обозначена декартова система координат с координатами (x, y, z), причем ось z находится на оси вентилятора. Далее обозначена сферическая система координат с координатами (r, φ, θ), которые разъяснены на основе одной произвольной точки P. r описывает расстояние до начала координат, φ описывает угол между спроецированным на плоскость x-y радиальным лучом, который соединяет точку P с началом координат, и положительной осью x, и θ описывает угол между этим радиальным лучом и осью z. Задание таких сферических систем координат в общем известно. В произвольной точке могут теперь указываться в каждом случае для изменений r, φ или θ (в каждом случае при удержании обеих других координат) соответствующие направления. Направление r обозначается как радиальное направление, направление φ обозначается как окружное направление (оно соответствует направлению вращения вокруг оси z или оси вентилятора), и направление θ обозначается как полярное направление. Трехмерные векторы, например, скоростей или нормалей к поверхности, могут теперь выражаться в виде трех компонентов, которые в каждом случае представляют собой проекцию вектора в радиальном, окружном и полярном направлении.
Набегающий поток v1 может представляться таким образом в сферических координатах v1=(v1r, v1φ, v1θ). При этом v1 и составляющие v1r, v1φ и v1θ зависят, как правило, от места и времени. Для в среднем (пространственно и/или временно) по существу безвихревого набегающего потока v1 равняется перед входной направляющей решеткой 1 окружная составляющая v1φ, по меньшей мере, в пространственном или временном среднем, нулю или является очень малой. Составляющая v1φ скорости v1 набегающего потока, умноженная на локальное расстояние оси, является мерой закручивания вокруг оси вентилятора, которое имеет набегающий поток перед входной направляющей решеткой. Упрощенный, типичный, усредненный набегающий поток v1 имеет во всей области притока лишь одну составляющую в радиальном направлении (составляющую r), то есть v1=(v1r, v1φ, v1θ) ≈ (v1r, 0, 0), причем v1r зависит от места.
Входная направляющая решетка 1 согласно фиг. 1, 9, 13 создает при проходящем через нее воздухе предварительное закручивание. То есть скорость v2 воздуха после прохождения через входную направляющую решетку 1 имеет в пространственном и временном среднем перед входом в рабочее колесо 12 вентилятора 6 существенное закручивание вокруг оси вентилятора. Окружная составляющая (составляющая φ) v2φ скорости v2=(v2r, v2φ, v2θ) после входной направляющей решетки таким образом в пространственном и временном среднем существенно отлична от 0. Знак (+/-) v2φ описывает направление вращения предварительного закручивания. Оно может быть в общем и целом идентично или противоположно направлению вращения вентилятора. Предпочтительно для мощности воздуха вентилятора оно противоположно направлению вращения вентилятора. В пространственном и временном среднем после прохождения входной направляющей решетки 1 величина составляющей v2φ может быть, например, больше, чем 5% от величины общей скорости v2 воздуха, который в этом случае имеет существенное закручивание вокруг оси вентилятора, прежде чем он входит в рабочее колесо 12.
Для каркасной поверхности 11 входной направляющей решетки 1 изображена на фиг. 13 в качестве примера на одном месте нормаль n к поверхности, которая также может выражаться в радиальной, окружной и полярной составляющей (nr, nφ, nθ). Все векторы нормалей к поверхности принимаются для дальнейшего рассмотрения нормированными на длину 1.
При помощи векторов n нормали каркасных поверхностей 11 может помимо этого делаться вывод, нагружает ли входная направляющая решетка в среднем по существу безвихревой набегающий поток v1 при прохождении решетки предварительным закручиванием, то есть создает ли она существенную составляющую v2φ скорости в окружном направлении.
Для этого сначала задаются в локальном способе рассмотрения (рассматривая поверхностный элемент в определенном положении входной направляющей решетки) два условия. Во-первых, каркасная поверхность 11 должна находиться под углом притекания к направлению притока, то есть ее вектор n нормали не должен быть ортогональным к локальному направлению v1 притока, которое, как описано, может упрощенно моделироваться посредством v1=(v1r, v1φ, v1θ) ≈ (v1r, 0, 0). При таком набегающем потоке условие выполнено, если вектор нормали имеет радиальную составляющую nr, которая по модулю существенно отличается от нуля, предпочтительно |nr| ˃ 0,1. Другими словами вектор нормали каркасной поверхности должен иметь существенную радиальную составляющую. Вторым условием является то, что должно иметь место отклонение потока в окружном направлении, то есть должен возникать реактивный момент в окружном направлении, равносильно с составляющей в окружном направлении nφ вектора n нормали, которая по модулю существенно отличается от нуля, предпочтительно |nφ| ˃ 0,1. Другими словами вектор нормали должен иметь существенную окружную составляющую. Чтобы участок каркасной поверхности создавал предварительное закручивание, должны быть одновременно выполнены оба условия. Созданное предварительное закручивание, как правило, для рассмотренного участка каркасной поверхности тем выше, чем выше величина произведения nr*nφ. Это означает также то, что сила предварительного закручивания может регулироваться посредством геометрического исполнения входной направляющей решетки. Знак (+/-) произведения nr*nφ показывает направление вращения созданной окружной составляющей v2φ, то есть предварительного закручивания, при описанном безвихревом набегающем потоке (знак «плюс» означает при этом направление вращения предварительного закручивания в положительном направлении координаты φ).
Локальный способ рассмотрения должен еще расширяться до общего способа рассмотрения, при котором все поверхностные элементы всех каркасных поверхностей рассматриваются в сумме. Для того чтобы в пространственном или временном среднем создавать необходимое предварительное закручивание, как правило, достаточно, если часть всех каркасных поверхностей имеет вектор нормали, при котором величина произведения nr*nφ больше 0, то есть может также иметься часть каркасных поверхностей, для которых nr*nφ=0. Однако может быть, что действие двух участков каркасных поверхностей взаимно уничтожается, что затрагивает пространственное усреднение закручивания, а именно в том случае, если созданные в каждом случае на различных участках каркасных поверхностей части закручивания в сумме уничтожаются, так как они имеют различные знаки. Для того чтобы в пространственном или временном среднем иметь после прохождения входной направляющей решетки 1 существенное предварительное закручивание, то есть значительную среднюю окружную скорость v2φ, среднее значение [nr*nφ] поверхностей снабженного знаком произведения nr*nφ по совокупности каркасных поверхностей 11 входной направляющей решетки должно существенно отличаться от нуля. Это имеет место в частности в том случае, если величина среднего значения [nr*nφ] поверхностей больше чем 0,01, предпочтительно больше чем 0,05. При таком рассмотрении одновременно охватывается эффект, что создание взаимно противоположных предварительных закручиваний на различных местах входной направляющей решетки в сумме уничтожается, то есть если создающие различные предварительные закручивания области в среднем снова уничтожаются, также среднее значение [nr*nφ] поверхностей будет равным нулю или близким к нулю.
Фиг. 2 показывает входную направляющую решетку 1 с фиг. 1 на виде спереди. Этот вид позволяет увидеть, что и радиальные ребра 2, и поперечные ребра 3, по меньшей мере, незначительно повернуты или наклонены, или откинуты относительно продольной оси. Векторы нормали поперечных ребер 3 полностью имеют окружную составляющую равную нулю, то есть поперечные ребра 3 не участвуют в примере осуществления в создании предварительного закручивания, так как произведение nr*nφ=0. Радиальные же ребра 2 участвуют в генерировании предварительного закручивания. Соответствующие векторы нормали имеют окружную составляющую по модулю больше 0,95, так как радиальные ребра 2 ориентированы в основном в окружном направлении, однако благодаря своему отчетливо видимому изгибу также имеют составляющую в направлении определенного на фиг. 13 радиуса сферы, которая составляет по модулю в среднем по радиальным ребрам 2 около 0,07. Таким образом, возникает для радиальных ребер среднее значение [nr*nφ] поверхностей примерно в 0,07 и для всей входной направляющей решетки среднее значение [nr*nφ] поверхностей примерно в 0,05. Эта входная направляющая решетка создает скорее незначительное предварительное закручивание, при котором в среднем после прохождения входной направляющей решетки величина окружной скорости составляет примерно 10% от величины общей скорости. Тем не менее при помощи такой входной направляющей решетки может ощутимо повышаться мощность воздуха и коэффициент полезного действия, если направление вращения предварительного закручивания ориентировано против направления вращения рабочего колеса. Входные направляющие решетки с низким предварительным закручиванием отличаются наиболее низким образованием шума на рабочем колесе вентилятора. Кроме того, низкое предварительное закручивание имеет то преимущество, что вентиляторы, которые были разработаны для работы без предварительного закручивания, оптимально подходят для такой входной направляющей решетки.
Как правило, предварительное закручивание против направления вращения рабочего колеса вентилятора сопровождается повышением мощности воздуха, по сравнению с работой без предварительного закручивания того же рабочего колеса вентилятора.
Изображение в разрезе на фиг. 3 отчетливо показывает, что радиальные ребра 2 проходят не строго в радиальном направлении, вследствие чего генерируется отклонение потока в окружном направлении, так как нормали к поверхностям не ориентированы строго в окружном направлении, а имеют также радиальную составляющую. Создание предварительного закручивания указывает для всех радиальных ребер 2 в одном и том же направлении, так как произведение nr*nφ всегда имеет один и тоже знак. Далее можно увидеть, что радиальные ребра 2 выполнены изогнутыми. Это обеспечивает обладающее минимальными потерями отклонение потока в окружном направлении. Радиально снаружи, в области набегающего потока, радиальная составляющая nr локального вектора нормали еще близка к нулю, то есть там каркасная поверхность расположена еще примерно параллельно, то есть без угла притекания, к набегающему потоку, вследствие чего минимизируются ударные потери. Лишь по изгибу ребер составляющая nr векторов нормали становится по модулю больше, что приводит затем к отклонению потока в окружном направлении. Изогнутое исполнение создающих предварительное закручивание поверхностей является предпочтительным, однако может быть более сложным в изготовлении, чем неизогнутое исполнение ребер 2, 3. Вследствие изогнутого исполнения ребра могут также восприниматься как направляющие лопатки.
Как уже было указано вначале, в уровне техники существуют вентиляторы с входными направляющими решетками, причем последние не создают предварительное закручивание. Такие входные направляющие решетки представляют собой в аэродинамическом отношении препятствие на пути потока. Соответственно уменьшается мощность воздуха и коэффициент полезного действия при наличии такой входной направляющей решетки. В отличие от этого соответствующая изобретению входная направляющая решетка создает предварительное закручивание и заметно повышает вследствие этого мощность воздуха. Коэффициент полезного действия может также, по меньшей мере, незначительно повышаться.
В то время как оснащение вентилятора обычной входной направляющей решеткой существенно сокращает в частности первые три гармоники частоты повторения лопастей, это улучшение сопровождается при соответствующей изобретению входной направляющей решетке дополнительными аэродинамическими улучшениями.
На фиг. 14-16 изображена входная направляющая решетка 1, которая не создает предварительное закручивание. Такая входная направляющая решетка может уменьшать пространственные и временные колебания в набегающем потоке и таким образом сокращать созданный на вентиляторе шум. У этой входной направляющей решетки для всех каркасных поверхностей произведение nr*nφ равно нулю, то есть в частности также среднее значение [nr*nφ] поверхностей равно нулю. Векторы нормали радиальных ребер 2 ни в одном месте не имеют радиальную составляющую nr, как можно хорошо увидеть на фиг. 15 и 16, то есть они не имеют угла притекания к набегающему потоку. Векторы нормали окружных ребер 3 ни в одном месте не имеют окружную составляющую nφ, то есть они не создают реактивный момент в окружном направлении и таким образом отклонение потока в окружном направлении. На фиг. 15 можно хорошо увидеть, что радиальные ребра 2 ориентированы строго в осевом направлении, что существенно облегчает извлечение из формы литья под давлением.
На фиг. 17-18 изображена входная направляющая решетка 1, которая в пространственном и временном среднем создает предварительное закручивание, однако имеет неизогнутые ребра. На фиг. 18 можно увидеть, что векторы нормали каркасных поверхностей радиальных ребер 2 в каждом случае имеют составляющую nr в радиальном направлении, неравную нулю, и составляющую nφ в окружном направлении, неравную нулю. В то же время радиальные ребра 2 ориентированы в осевом направлении (фиг. 18), что предпочтительно для извлечения из формы литья под давлением.
На фиг. 19-20 изображена входная направляющая решетка 1, которая в пространственном и временном среднем создает предварительное закручивание и имеет изогнутые радиальные ребра 2. На фиг. 20 можно увидеть, что векторы нормали каркасных поверхностей радиальных ребер 2 в каждом случае имеют составляющую nr в радиальном направлении, неравную нулю, и составляющую nφ в окружном направлении, неравную нулю. Изогнутое исполнение радиальных ребер 2 позволяет минимизировать при таком же создании предварительного закручивания потери потока на входной направляющей решетке 1. Несмотря на свой изгиб, радиальные ребра 2 ориентированы в осевом направлении (фиг. 20), что снова предпочтительно для извлечения из формы литья под давлением. Радиальные ребра 2 выполнены не сплошными от внешнего радиуса входной направляющей решетки до внутреннего радиуса входной направляющей решетки. Это не обязательно. Также возможно полностью свободное исполнение входной направляющей решетки 1, аналогичное неструктурированной решетке. Также поперечные ребра 3 не должны быть сплошными. Это не изменило бы описанные критерии для создания предварительного закручивания.
В этом месте следует отметить, что соответствующая изобретению входная направляющая решетка 1 может быть изготовлена за одно целое или из нескольких частей из пластика, предпочтительно способом литья под давлением. Точки пересечения радиальных ребер 2 с поперечными ребрами 3 могут быть в частности ввиду изгиба или наклона радиальных ребер 2 трудно извлекаемыми из формы. Для извлечения из формы без толкателей в форме может быть необходимо предусматривать локальные доливки материала или обратные доливки. Может также предлагаться изготовление из нескольких частей или сегментов, если входная направляющая решетка не имеет несущей функции. Если же входная направляющая решетка принимает на себя несущую функцию, то должно предпочитаться цельное, устойчивое исполнение входной направляющей решетки. Это справедливо также в том случае, если входная направляющая решетка 1 должна одновременно принимать на себя функцию решетки защиты от касания.
На входной направляющей решетке 1 могут быть предусмотрены самые разные устройства, для того чтобы закреплять ее, например, на входном сопле 9 или плите 10 сопла.
Входная направляющая решетка 1 может также выполняться таким образом, что она одновременно принимает на себя функцию решетки защиты от касания.
Фиг. 4 показывает на виде в перспективе спереди дальнейший пример осуществления соответствующей изобретению входной направляющей решетки 1 для не показанного на фиг. 4 осевого вентилятора.
Фиг. 5 показывает входную направляющую решетку 1 согласно фиг. 4 на боковом виде сзади.
Фиг. 6 показывает входную направляющую решетку 1 с фиг. 4 и 5 на виде спереди.
Фиг. 7 показывает входную направляющую решетку 1 с фиг. 4-6 в разрезе вдоль продольной оси, и фиг. 8 в разрезе в плоскости поперек к продольной оси.
У показанного на фиг. 4-8 примера осуществления входной направляющей решетки 1 важным является то, что поток проводится также в области втулки вентилятора по внутренней стенке конструкции 5 втулки. Проведение потока по втулке входной направляющей решетки 1 или входного направляющего устройства переходит по контуру примерно на втулку рабочего колеса, как это показывают виды с фиг. 10, 11 и 12. Конструкция 5 втулки может быть выполнена за одно целое с входной направляющей решеткой 1 или же образовывать отдельную деталь.
При помощи реализованной здесь техники можно эффективно генерировать заметно более сильное предварительное закручивание. Соответственно при помощи таких входных направляющих решеток можно существенно повышать мощность воздуха, не проигрывая в коэффициенте полезного действия. Как раз наоборот, коэффициент полезного действия можно, по меньшей мере, незначительно повышать.
Моделирование показало, что мощность воздуха осевого вентилятора с 14° угла установки можно повышать до уровня вентилятора с 24° угла установки, и это при неизменности коэффициента полезного действия. Возможно повышение до уровня того же вентилятора с 19° угла установки, а именно с умеренным повышением коэффициента полезного действия. Кроме того, было установлено, что достигается лучшее распределение скоростей на расположенном со стороны всасывания теплообменнике. В результате благодаря соответствующей изобретению входной направляющей решетке оказывается содействие применениям, а именно благодаря лучшему распределению скоростей на стороне всасывания.
Лопасти 14 осевого рабочего колеса 13 осевого вентилятора 7 могут устанавливаться на свой угол установки. Эта возможность очень предпочтительна для использования входной направляющей решетки 1 с созданием предварительного закручивания. При фиксированном угле установки входная направляющая решетка 1 повышает в примере осуществления мощность воздуха, если она создает предварительное закручивание против направления вращения рабочего колеса 13 вентилятора. Если при использовании входной направляющей решетки угол установки адаптируют таким образом, что снова достигается такая же мощность воздуха как без входной направляющей решетки, то вследствие этого эту мощность воздуха можно достигать с существенно более высоким коэффициентом полезного действия, чем раньше. Таким образом, осевой вентилятор без входной направляющей решетки может заменяться осевым вентилятором с входной направляющей решеткой и модифицированным углом установки, причем при том же числе оборотов достигается та же мощность воздуха, однако одновременно повышается коэффициент полезного действия. Вследствие этого не должен также применяться более крупный двигатель.
На изображении согласно фиг. 7 можно хорошо увидеть ход контура втулки. Предусмотренный там обтекатель 4 может быть выполнен в виде отдельного конструктивного элемента, который закреплен на фактической входной направляющей решетке 1. Примерно параллельно к контуру 5 втулки проходило бы в этом примере осуществления в собранном состоянии всего вентилятора входное сопло 9. В этом отношении следует сделать ссылку на фиг. 10, 11 и 12.
Фиг. 8 показывает на виде спереди соответствующую изобретению входную направляющую решетку в разрезе поперек к продольной оси. Наклонные радиальные ребра 2 позволяют понять, что здесь имеет место сильное отклонение потока воздуха в окружном направлении. Отклонение потока осуществляется предпочтительно против направления вращения не показанного на фиг. 8 рабочего колеса вентилятора. Что касается вектора нормали каркасных поверхностей, то можно увидеть, что и радиальная составляющая nr, и окружная составляющая nφ относительно велики (обе по величине больше 0,3 для радиальных ребер 2 на плоскости разреза с фиг. 8, то есть произведение nr*nφ по величине больше 0,09, что является очень большим значением и означает сильное отклонение). У этой входной направляющей решетки достигаются сильные отклонения потока в окружном направлении, отношение величины окружной скорости перед входом в вентилятор к величине общей скорости составляет в пространственном и временном среднем больше 0,3. Направление вращения созданного таким образом предварительного закручивания является в примере противоположным направлению вращения рабочего колеса вентилятора во время работы. Благодаря сильному предварительному закручиванию существенно повышается мощность воздуха вентилятора, она может повышаться более чем на 50% по сравнению с эксплуатацией вентилятора без предварительного закручивания.
На фиг. 8 можно увидеть, что радиальные ребра 2 не имеют в примере осуществления постоянной толщины, а имеют в поперечном сечении профилирование, аналогичное профилированию несущей лопатки. Это исполнение позволяет дополнительно сокращать потери потока при прохождении через решетку, а также улучшать аэроакустические свойства. Однако изготовление посредством литья пластика под давлением затруднено.
Фиг. 10 показывает соответствующую изобретению входную направляющую решетку 1 в комбинации с осевым вентилятором 7 с осевым рабочим колесом 13, которое также здесь только обозначено. Можно отчетливо увидеть, что поток проводится также в области втулки. Проведение потока по втулке переходит по контуру на втулку рабочего колеса. Обтекатель 4 и контур 5 втулки хорошо видны. Направление вращения созданного входной направляющей решеткой предварительного закручивания является предпочтительно противоположным направлению вращения осевого рабочего колеса 13, для того чтобы повышать мощность воздуха.
Фиг. 11 и 12 в каждом случае показывают по существу вентилятор 7 с осевым рабочим колесом 13 с соответствующей изобретению входной направляющей решеткой 1 с фиг. 10, причем со стороны всасывания в каждом случае расположен теплообменник 8. Соответствующая изобретению входная направляющая решетка 1 обеспечивает лучшее распределение скоростей потока воздуха на расположенном со стороны всасывания теплообменнике 8. В частности, сокращаются временные и пространственные колебания скоростей набегающего потока при прохождении через входную направляющую решетку 1, что приводит к снижению тонального шума на вентиляторе. Одновременно повышается мощность воздуха за счет создания предварительного закручивания входной направляющей решеткой 1.
На фиг. 11 изображен четырехугольный теплообменник 8, через который вентилятор засасывает воздух параллельно к осевому направлению. После прохождения четырехугольного теплообменника 8 возникают пространственные и временные неоднородности (колебания) набегающего потока. Эти колебания сокращаются входной направляющей решеткой.
На фиг. 12 изображен четырехугольный теплообменник 8, через который вентилятор засасывает воздух поперек к осевому направлению. При этом возникают наиболее сильные пространственные и временные неоднородности (колебания) набегающего потока, которые снова сокращаются входной направляющей решеткой. Вследствие этого сокращается возникновение тонального шума на вентиляторе.
Принципиально могут комбинироваться все типы описанных выходных направляющих решеток со всеми типами вентиляторов (осевыми вентиляторами, радиальными вентиляторами).
Существенным для изобретения является свойство входной направляющей решетки создавать предварительное закручивание, то есть окружную составляющую потока, перед входом в радиальное или осевое рабочее колесо. Это свойство может объясняться, как было описано, определенными геометрическими свойствами каркасных поверхностей или распределениями их векторов нормали входной направляющей решетки. Точная конструкция входной направляющей решетки может выполняться самыми разными способами. Например, необязательно должна быть реализована конструкция из радиальных и окружных ребер, альтернативно была бы возможна конструкция, аналогичная неструктурированной решетке или сотовой (ячеистой) структуре. Критерии для векторов нормали каркасных поверхностей решетки имеют место в таких случаях без изменений.
В отношении дальнейших предпочтительных исполнений соответствующего изобретению устройства делается для предотвращения повторений ссылка на общую часть описания, а также на приложенную формулу изобретения.
Наконец, следует прямо отметить, что вышеописанные примеры осуществления соответствующего изобретению устройства служат лишь для рассмотрения заявленного технического решения, но не ограничивают его примерами осуществления.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 входная направляющая решетка (входное направляющее устройство)
2 радиальные ребра
3 поперечные ребра, окружные ребра
4 обтекатель
5 конструкция втулки
6 радиальный вентилятор
7 осевой вентилятор
8 теплообменник
9 входное сопло
10 плита сопла
11 каркасные поверхности ребер
12 радиальное рабочее колесо
13 осевое рабочее колесо
14 осевая лопасть.