РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ВЕНТИЛЯТОРА
FAN IMPELLER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к рабочему колесу вентилятора, которое может быть использовано в воздушном ящике здания, например, для создания потока воздуха в систему вентиляции здания, например.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из предшествующего уровня техники известно рабочее колесо вентилятора, имеющее первую и вторую концевые пластины, расположенные на расстоянии друг от друга, и лопасти, соединенные между концевыми пластинами. Отверстие в первой концевой пластине обеспечивает забор воздуха в рабочее колесо вентилятора, и первая и вторая концевые пластины вместе с наружными кромками лопастей ограничивают отверстия, обеспечивающие выходящий поток из рабочего колеса вентилятора.
Проблема, связанная с рабочим колесами вентиляторов такого типа, заключается в том, что производительность далека от оптимальной после установки рабочего колеса вентилятора в воздушный ящик. На практике воздух, выходящий из рабочего колеса вентилятора в радиальном направлении, должен быть перенаправлен в осевом направлении, что в свою очередь оказывается проблематичным.
Предпринимались попытки минимизировать проблемы, связанные с перенаправлением потока воздуха, путем увеличения размера воздушного ящика для того, чтобы оставить больше пространства для перенаправления потока воздуха эффективным образом, или путем использования направляющих пластин потока внутри ящика. Однако, такие попытки привели к другим проблемам, поскольку пространство для воздушного ящика на практике ограничено. Поэтому воздушный ящик предпочтительно должен быть как можно меньше.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение решения, улучшающего производительность и характеристики рабочего колеса вентилятора. Эти и прочие объекты изобретения могут быть достигнуты при помощи решения, описанного в независимых пунктах 1 и 13 формулы изобретения.
Возможность обеспечения рабочего колеса вентилятора концевыми пластинами, имеющими наружный участок, обеспечивающий пространство для рассеивания, направляющий выходящий поток в оптимальном направлении от рабочего колеса вентилятора, в комбинации с профилированными лопастями, которые наклонены относительно оси вращения, приводят к конструкции, которая продемонстрировала отличные показатели в ходе испытаний на практике.
Предпочтительные воплощения изобретения описаны в прилагаемых зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно в виде примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фигуры 1-3 и 4а-4е изображают первое воплощение рабочего колеса вентилятора.
Фигуры 5 и 6 изображают лопасть, подходящую для рабочего колеса вентилятора с Фигур 1-3 и 4а-4е.
Фигура 7 изображает воздушный ящик, в котором используется рабочее колесо вентилятора в соответствии с Фигурами 1-3 и 4а-4е, и
Фигура 8 изображает второе воплощение рабочего колеса вентилятора.
Фигуры 1-3 и 4а-4е изображают первое воплощение рабочего колеса 1 вентилятора. Фигуры 1-3 изображают виды спереди и сбоку рабочего колеса 1 вентилятора. Фигура 4 изображает частичный разрез рабочего колеса вентилятора вдоль линии IV-IV с Фигуры 3.
Показанное рабочее колесо 1 вентилятора представляет собой рабочее колесо комбинированного вентилятора, содержащее первую концевую пластину 2 и вторую концевую пластину 3, расположенные на расстоянии друг от друга. Под рабочим колесом вентилятора комбинированного типа подразумевается рабочее колесо вентилятора, в котором воздух, выходящий из рабочего колеса вентилятора, направляется не целиком в радиальном направлении и не целиком в осевом направлении, а где-то между радиальным и осевым направлениями. Угол направления к оси вращения вентилятора воздуха, выходящего из рабочего колеса вентилятора, как правило, составляет от 20° до 70°. Первая концевая пластина 2 имеет отверстие 4, обеспечивающее входящий поток в рабочее колесо вентилятора. Лопасти 5 расположены между первой 2 и второй 3 концевыми пластинами. Лопасти 5 соединены с первой и второй концевыми пластинами таким образом, чтобы лопасти 5 вместе с первой 2 и второй 3 концевыми пластинами ограничивали отверстия 6, обеспечивающие выходящий поток из рабочего колеса вентилятора, в то время как рабочее колесо вентилятора вращается, как показано стрелкой 7, вокруг оси вращения 9.
Наружные (задние) кромки 8 лопастей 5 наклонены относительно оси вращения 9 так, что расстояние между наружными кромками 8 и осью вращения 9 больше на первой концевой пластине 2, чем на второй концевой пластине 3. Как показано на Фигуре 4, также внутренние (передние) кромки 14 лопастей 5 наклонены относительно оси вращения 9. Угол направления α геометрического места точек пересечения передней кромки 14 лопасти с меридиональной плоскостью может составлять от 15° до 20°, или наиболее предпочтительно 19°. Фигура 4а изображает верхнюю часть рабочего колеса 1 вентилятора в разрезе по меридиональной плоскости, другими словами, плоскости вдоль оси вращения 9.
Фигуры 4b-4е изображают более подробно наклон лопасти. Вышеуказанный угол направления α достигается путем наклона лопасти 5, как показано на Фигурах 4b-4е. На Фигурах 4b-4е центральная линия 32 наружной поверхности 31 лопасти параллельна как внутренней (передней) кромке 14 лопасти 5, так и наружной (задней) кромке 8 лопасти 5. Касательная 33 к центральной линии 32 перпендикулярна центральной линии. Для получения угла направления α лопасть 5 сперва наклоняется под углом δ наружу относительно направления нормали к центральной линии 32, как показано на Фигурах 4b-4е. Этот угол δ может составлять от 15° до 21°, наиболее предпочтительно составляет 18°. Во-вторых, лопасть 5 наклоняется наружу (к наружному диаметру рабочего колеса 1 вентилятора) под углом γ к направлению касательной линии 33, как показано на Фигурах 4b-4е. Этот угол γ может составлять от 8° до 14° и предпочтительно равен 11°.
Первая и вторая концевые пластины 2 и 3 имеют наружные участки 11 и 12, которые проходят радиально наружу за наружные грани 8 лопастей 5, так, чтобы открытое наружу пространство для рассеивания было ограничено наружными участками 11 и 12 и лопастями 5. Как можно видеть из чертежей, наружные участки 11 и 12 не должны быть сориентированы точно радиально, в этом случае они будут простираться перпендикулярно наружу от оси вращения 9, вместо этого они могут быть наклонены относительно оси вращения. Однако, при измерении перпендикулярно от оси вращения, самые наружные части наружных участков 11 и 12 располагаются на большем расстоянии от оси вращения, чем самые наружные части лопастей. На практике пространство для рассеивания имеет в целом кольцевую форму. Это пространство для рассеивания может иметь ширину W, которая возрастает по направлению наружу. Одной из альтернатив является использование концевых пластин, имеющих прямые наружные участки 11 и 12, которые наклонены по отношению друг к другу под углом β. Этот угол β может составлять от 16° до 22°, предпочтительно равен 19°. Альтернативно, наружные участки 11 и 12 могут быть изогнуты вместо того, чтобы быть прямыми. Дополнительно следует отметить, что расширяющееся наружу пространство для рассеивания не обязательно должно быть предусмотрено во всех воплощениях.
Как лучше видно на Фигуре 4а, участок 11 первой концевой пластины 2, а также участок 12 второй концевой пластины 3 проходят радиально наружу за наружные (задние) кромки 8 лопастей 5 в направлении, которое наклонено к оси вращения 9 рабочего колеса 1 вентилятора, на расстояние d. На фигуре 4а наружный диаметр первой концевой пластины 2 обозначен позицией D. Расстояние d, другими словами, глубина пространства для рассеивания, может быть таким, чтобы d составляло 5-10% от D, наиболее предпочтительно - около 7% D.
s
s
Диапазон давления, для которого подходит рабочее колесо вентилятора в соответствии с воплощениями с Фигур 1-3 и 4а-4е, составляет от 200 до 2000 Па, при этом приведенная скорость n составляет от 323 до 423, наиболее предпочтительно около 373. Приведенная скорость n определяется следующим образом:
где
s
n - приведенная скорость (безразмерная)
n - скорость вращения (обороты в секунду)
v
3
q - расход воздуха (м/сек)
3
ρ - плотность воздуха (кг/м)
2
g - ускорение свободного падения (9,81 м/сек)
Н - напор для вентилятора (м), и
Δp - увеличение давления для вентилятора (Па)
Значение, приведенные выше, были определены в виде примера на основании испытаний на практике, которые показали, что можно достичь 4% увеличения производительности для рабочего колеса вентилятора в воздушном ящике, в то же время уровень шума вентилятора может сохраняться низким. Поэтому, все комбинации этих значений с другими значениями возможны.
Фигуры 5 и 6 изображают лопасть 5, подходящую для рабочего колеса вентилятора с Фигур 1-3 и 4а-4е. Фигура 5 изображает лопасть 5 на виде сверху, и Фигура 6 изображает вид сбоку с Фигуры 5.
Проиллюстрированная лопасть 5 имеет профиль с постоянной формой поперечного сечения вдоль профиля, при этом толщина 13 лопасти 5 изменяется от наружной кромки 8 лопасти к внутренней кромке 14 лопасти. Как можно видеть на Фигурах 5 и 6, толщина 13 поперечного сечения профилированных лопастей 5 является постоянной в направлении ширины лопастей вдоль линии 28, которая параллельна внутренним (передним) кромкам 14 лопастей (и расположена в любом месте между внутренней 8 и наружной 14 кромками лопастей). Фигура 6 также показывает, что в данном воплощении наружная 31 и внутренняя 30 поверхности лопасти являются прямыми в направлении ширины лопасти и, следовательно, лопасть не закручена. По сравнению с традиционной непрофилированной лопастью, которая на практике является плоской (тонкой) как металлическая пластина, с точки зрения аэродинамики более оптимальная форма может быть получена с помощью профилирования.
В показанном примере наружная кромка 8 лопасти 5 параллельна внутренней кромке 14 лопасти по всей ширине лопасти.
На Фигурах 1-6 в виде примера показано, что стороны лопасти 5 оборудованы выступами 15 и первой 2 и второй 3 концевыми пластинами с соответствующими отверстиями 16, через которые выступы 15 могут ввинчиваться, когда рабочее колесо 1 вентилятора собирается. После этого, окончательное соединение может осуществляться путем сварки, например. Сборка рабочего колеса вентилятора, осуществленная так, чтобы лопасти точно правильно располагались, может быть упрощена благодаря таким выступам 15 и отверстиям 16. Однако, нет необходимости в использовании таких выступов 15 и отверстий 16 во всех воплощениях, поскольку существуют другие подходящие способы обеспечения того, что лопасти будут точно правильно размещены относительно второй 2 и третьей 3 концевых пластин до того, как эти части будут соединены друг с другом.
Рабочее колесо вентилятора и лопасти, показанные на Фигурах 1-6, могут быть полностью изготовлены из подходящего металлического материала, например, такого как алюминий. По сравнению с другими материалами, например, с пластиковыми материалами, металлические материалы имеют преимущества с точки зрения изменения свойств материала во времени при использовании в среде рабочего колеса вентилятора. Однако, также можно изготовить рабочее колесо вентилятора из других материалов, например, из пластика.
Одной из альтернатив для изготовления рабочего колеса вентилятора является изготовление первой концевой пластины 2 и второй концевой пластины 3 путем вырезания из алюминиевой пластины, например. Отверстия 4 могут быть прорезаны через материал первой концевой пластины 3, и после этого первая и вторая концевые пластины могут быть изогнуты с тем, чтобы получить надлежащую форму, например, путем глубокого отпуска.
Лопасти 5 могут быть изготовлены путем экструдирования алюминия для того, чтобы получить вытянутый профилированный стержень, имеющий толщину, изменяющуюся, как показано на Фигуре 6. Этот вытянутый профилированный стержень после этого разрезается на профилированные лопасти 5 путем выполнения разрезов вдоль сторон 25 лопасти, как показано на Фигуре 5. Один вытянутый профилированный стержень может, таким образом, быть разрезан на несколько лопастей 5.
После того, как лопасти 5 были изготовлены (и возможно слегка обработаны, при необходимости), профилированные лопасти 5 располагаются, как показано на Фигурах 1-3 и 4а-4е, так чтобы наружные поверхности 31 лопастей были наклонены относительно оси вращения 9 рабочего колеса 1 вентилятора, и расстояние между наружными поверхностями 31 и осью вращения 9 было больше на первой концевой пластине 2, чем на второй концевой пластине 3, и в положении, где первая 2 и вторая 3 концевые пластины имеют наружные участки 11 и 12, простирающиеся в радиальном направлении наружу за наружные (передние) кромки 8 лопастей 5, другими словами, к большему радиусу. В этом положении лопасти соединяются с первой и второй концевыми пластинами, например, с помощью сварки.
Вышеуказанное решение для изготовления рабочего колеса вентилятора приводит к получению рабочего колеса вентилятора с очень хорошей производительностью, без необходимости в закручивании лопастей. Вместо этого, профилированной формы лопастей, показанной на Фигурах 5 и 6, достаточно для получения рабочего колеса вентилятора с превосходными свойствами.
Фигура 7 изображает воздушный ящик 17, в котором используется рабочее колесо 1 вентилятора в соответствии с Фигурами 1-4, с лопастями 5, как показано на Фигурах 5 и 6. Двигатель, такой как электродвигатель 22, присоединен ко второй концевой пластине 3 рабочего колеса вентилятора для приведения рабочего колеса вентилятора во вращение.
Стенки 18 воздушного ящика 17, которые являются непроницаемыми, отделяют рабочее колесо 1 вентилятора от окружающей среды. Впускное отверстие 19 в передней стенке воздушного ящика позволяет воздуху входить во впускной конус 21, предназначенный для направления воздуха 20 от впускного отверстия 19 к отверстию 4 в первой концевой пластине 2 рабочего колеса 1 вентилятора.
На Фигуре 7 воздух, выходящий из отверстий 6 рабочего колеса вентилятора, обозначен стрелками 23. Благодаря форме и размерам рабочего колеса 1 вентилятора, воздух, выходящий из рабочего колеса вентилятора, с самого начала направляется немного по оси, так, чтобы поток воздуха 23 можно было эффективно направлять к выпускному отверстию 24 в воздушном ящике 17, которое расположено на противоположной стороне (противоположной стенке) рабочего колеса 1 вентилятора относительно впускного отверстия 19.
На практике, производительность рабочего колеса вентилятора зависит по меньшей мере частично от того, насколько тяжело поток воздуха 23 соударяется с боковыми стенками воздушного ящика, что вызывает нарушения в потоке. Показанная конструкция, как пояснено со ссылкой на предыдущие воплощения, минимизирует потери производительности путем направления потока воздуха 23, как показано на Фигуре 7, без каких-либо существенных соударений между поток воздуха 23 и боковыми стенками. Перенаправление потока воздуха 23 к отверстию 24 фактически настолько эффективно, что можно минимизировать размер воздушного ящика 17. Не требуется каких-либо дополнительных пластин для направления потока или иных дополнительных конструкций в воздушном ящике для того, чтобы перенаправить воздушный поток.
Фигура 8 изображает второе воплощение рабочего колеса 1' вентилятора. Воплощение с Фигуры 8 очень похоже на воплощение, описанное со ссылкой на Фигуры 1-7. Поэтому воплощение с Фигуры 8 будет описано лишь путем выделения различий между этими воплощениями.
На Фигуре 8 лопасти 5' имеют другую форму по сравнению с лопастями, показанными на других Фигурах. Лопасти 5' с Фигуры 8 также профилированы таким образом, чтобы иметь толщину, изменяющуюся между наружными (задними) кромками 8' лопастей и внутренними (передними) кромками лопастей. Однако, наружные кромки 8' не являются прямыми по всей своей длине, они имеют ступеньку на участке 29', такую, что диаметр, до которого они проходят в радиальном направлении, уменьшается ступенчатым образом.
В проиллюстрированном примере наружные (задние) кромки 8' включают три участка 26', 27' и 29'. На Фигуре 8 показан первый прямой участок 26', ближайший к первой концевой пластине 2, и второй прямой участок 27', ближайший ко второй концевой пластине 3, при этом наружные кромки 8' лопастей являются прямыми и параллельными друг другу и дополнительно параллельны внутренним кромкам лопастей.
В месте между первым прямым участком 26' и вторым прямым участком 27' расположен третий участок 29', при этом наружные кромки простираются в другом направлении, так что они не параллельны кромкам первого участка 26', второго участка 27' или внутренним кромкам лопастей.
Преимущество, достигаемое с помощью показанной ступеньки, заключается в том, что скорость воздуха, выходящего из рабочего колеса 1' вентилятора, на разных расстояниях, измеренных от первой концевой пластины 2 (например) вдоль оси вращения 9, может эффективно контролироваться.
Следует понимать, что вышеприведенное описание и прилагаемые чертежи предназначены лишь для иллюстрации настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что изобретение может быть изменено и модифицировано, не нарушая пределов изобретения.