ОСЕВАЯ КРЫЛЬЧАТКА С УВЕЛИЧЕННЫМ ПОТОКОМ
HIGHER FLOW AXIAL IMPELLER

Область техники
Настоящее изобретение относится к осевой крыльчатке с увеличенным потоком, оборудованной лопастями, которые наклонены в плоскости вращения крыльчатки, и ступицей, имеющей небольшие размеры.
Уровень техники
Крыльчатка согласно настоящему изобретению может быть использована для различных применений, например, для перемещения воздуха через теплообменник или радиатор системы охлаждения двигателя автомобиля или подобного устройства; или для перемещения воздуха через теплообменник для отопительного оборудования и/или через испарители для кондиционирования воздуха, применяемые в кабинах транспортных средств.
Более того, крыльчатки согласно настоящему изобретению могут быть использованы для перемещения воздуха в стационарном нагревательном оборудовании или оборудовании для кондиционирования воздуха в зданиях.
Крыльчатки такого типа должны удовлетворять различным требованиям, включая низкий шум, высокую производительность, компактный размер, способность достижения хороших значений напора (или давления) и потока.
Для достижения удовлетворительного потока воздуха при помощи крыльчаток, чьи размеры малы, может быть необходимо удлинить лопасти к центру самой крыльчатки, таким образом увеличивая поток на центральном участке.
Крыльчатка такого типа описана в Патенте США №6126395, согласно которому компактная крыльчатка оснащена удлинением лопастей к центру крыльчатки, а лопасти соединены и перекрывают ступицу.
Последняя представляет собой изогнутую область, содержащую статор приводного электродвигателя, в то время как каждая лопасть содержит постоянный магнит, который взаимодействует со статором для создания крутящего момента, необходимого для вращения.
Из-за структуры ступицы, окружающей статор, сложно изменить тип и размер электродвигателя, который приводит во вращение крыльчатку.
В зависимости от типа применения и для достижения наилучших характеристик может потребоваться совмещать крыльчатки определенного размера с электродвигателями разных размеров и номинальных мощностей.
В частности, для соответствия требованиям стандартизации необходимо использовать электродвигатели с относительно широкими диаметрами на компактных по размеру крыльчатках.
Краткое описание изобретения
Одной целью настоящего изобретения является создание крыльчатки, которая отличается увеличенным потоком воздуха и общие размеры которой являются в целом малыми.
Согласно одному объекту настоящего изобретения создана осевая крыльчатка, описанная в пункте 1 формулы изобретения.
Зависимые пункты относятся к предпочтительным и преимущественным вариантам воплощения настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
На прилагаемых чертежах проиллюстрирован вариант воплощения настоящего изобретения, который не следует рассматривать как ограничивающий его объем вариантом, на чертежах:
фиг.1 - вид спереди крыльчатки согласно настоящему изобретению;
фиг.2 - вид в сечении крыльчатки с фиг.1;
фиг.3 - вид в перспективе крыльчатки, показанной на предыдущих чертежах;
фиг.3а - вид в перспективе элемента варианта крыльчатки согласно настоящему изобретению;
фиг.4 - схематичный вид спереди лопасти крыльчатки, показанной на предыдущих чертежах;
фиг.5 - вид в сечении некоторых из профилей на разной ширине крыльчатки;
фиг.6 - вид в сечении профиля и его соответствующие геометрические характеристики;
фиг.7 - вид спереди второго варианта воплощения крыльчатки с фиг.1;
фиг.8 - вид сбоку крыльчатки с фиг.7;
фиг.9 - вид в перспективе крыльчатки с фиг.7;
фиг.10 - вид спереди третьего варианта воплощения крыльчатки с фиг.1;
фиг.11 - вид сбоку крыльчатки с фиг.10;
фиг.12 - вид в перспективе крыльчатки с фиг.10.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Как показано на прилагаемых чертежах, крыльчатка 1 вращается вокруг оси 2 в плоскости XY и содержит центральную ступицу 3 с диаметром D1, к которой присоединено множество лопастей 4, изогнутых в плоскости XY вращения крыльчатки 1.
Крыльчатка 1 приводится в движение электродвигателем 3а, имеющим диаметр D2, который, как правило, отличается от диаметра D1 ступицы 3, и, более точно, электродвигатель 3а имеет диаметр D2, превышающий диаметр D1 ступицы 3, в результате чего лопасти 4 перекрывают электродвигатель 3а.
Лопасти 4 имеют основание 5 и вершину 6, и они ограничены вогнутой передней кромкой 7 и выпуклой задней кромкой 8.
Для достижения наилучших результатов относительно производительности, потока и давления воздуха, изобретение устанавливает, что крыльчатка 1 должна вращаться в соответствии с направлением вращения V, показанным на фиг.1 и 4, так что вершина 6 каждой лопасти 4 встречается с потоком воздуха до основания 5.
На фиг.4 показан пример геометрических особенностей лопасти 4; каждая из передней и задней кромок 7, 8 ограничена двумя сегментами 9, 10 и 11, 12 дуг окружностей, соответственно, и имеет радиус R1 и R2, при этом один сегмент дуги переходит в другой сегмент дуги, имеющий другой радиус.
В примере с фиг.4, общие размеры лопасти 4, спроецированной на плоскость XY, указаны в нижеприведенной таблице 1.
Таблица 1
Размеры лопасти 4
Радиус внутреннего сегмента (мм)
Радиус перехода (мм)
Радиус внешнего сегмента (мм)
Передняя кромка (поз.7)
50,5 (поз.9)
61,6 (поз.R1)
45,3 (поз.10)
Задняя кромка (поз.8)
29,3 (поз.11)
49,9 (поз.R2)
46.4 (поз.12)
Общие геометрические характеристики лопасти 4 определены относительно теоретической ступицы диаметром 55 мм, то есть лопасть 4 имеет минимальный радиус Rmin=27,5 мм на основании 5, и внешнего диаметра 190 мм, то есть она имеет максимальный радиус Rmax=95 мм на вершине 6, в результате чего лопасть 4 имеет теоретическую радиальную протяженность 67,5 мм.
Как будет видно ниже, ступица 3 может иметь другой размер, то есть может быть больше, причем в этом случае лопасть 4 будет усечена по эффективному диаметру ступицы 3.
Так как лопасть 4 имеет минимальный радиус Rmin=27,5 мм, и максимальный радиус Rmax=95 мм, то, следовательно, для передней кромки 7 радиус R1, на котором происходит переход дуг окружности, соответствует приблизительно половине (или 50%) радиальной протяженности передней кромки 7, то есть 67,5 мм, как было указано ранее.
Участок 9 передней кромки 7, ближний к основанию 5, образован дугой окружности с радиусом, равным приблизительно 53% радиуса Rmax, а участок 10 передней кромки 7, ближний к вершине 6, образован сегментом дуги окружности с радиусом, равным приблизительно 47% радиуса Rmax лопасти 4.
Для задней кромки 8 радиус R2, на котором происходит переход дуг окружности, составляет приблизительно одну треть (или 33%) от радиальной протяженности передней кромки, а именно - 67,5 мм.
Участок 11 задней кромки 8, ближний к основанию 5, образован дугой с радиусом, равным приблизительно 30% радиуса Rmax лопасти 4, а участок 12 задней кромки 8, ближний к вершине 6, образован дугой с радиусом, равным приблизительно 49% радиуса Rmax лопасти 4.
Размеры в процентах указаны в нижеприведенной Таблице 2.
Таблица 2
Размеры лопасти 4 в процентах
Радиус внутреннего сегмента (% Rmax)
Радиус перехода (% протяженности лопасти = Rmax-Rmin)
Радиус внешнего сегмента (% Rmax)
Передняя кромка (поз.7)
53 (поз.9)
50 (поз.R1)
47 (поз.10)
Задняя кромка (поз.8)
30 (поз.11)
33 (поз.R2)
49 (поз.12)
Удовлетворительные результаты были достигнуты относительно потока, давления и шума, даже со значениями около этих размеров в процентах. В частности, в соответствии с данными, приведенными выше в процентной форме, допустимы отклонения в плюс или минус 10% от указанных выше размеров.
Процентные диапазоны относительно размеров указаны в нижеприведенной таблице 3.
Таблица 3
Процентные диапазоны для кромок лопасти 4
Радиус внутреннего сегмента (% Rmax)
Радиус перехода (% протяженности лопасти = Rmax-Rmin)
Радиус внешнего сегмента (% Rmax)
Передняя кромка (поз.7)
47,7-58,3 (поз.9)
45-55 (поз.R1)
42,3-51,7 (поз.10)
Задняя кромка (поз.8)
27-33 (поз.11)
29,7-36,3 (поз.R2)
44,1-53,9 (поз.12)
Для кромок 7, 8 лопасти 4 в области перехода дуг окружности может быть обеспечено подходящее соединение, так что кривая, образованная двумя кромками 7, 8, является плавной и не имеет заострений.
Что касается угловой протяженности или ширины лопастей, как показано на фиг.4, проекция лопасти 4 в плоскости XY составляет на основании 5 угол В1, приблизительно равный 41 градусу в центре, и на вершине угол В2, приблизительно равный 37 градусам в центре.
В этом случае также удовлетворительные результаты были получены относительно потока, давления и шума, со значениями для углов В1, В2 в окрестности этих значений. В частности, допустимы отклонения плюс или минус 10% от этих углов, таким образом угол В1 может изменяться от 36,9 до 45,1 градуса, в то время как угол В2 может изменяться от 33,3 до 40,7 градуса.
Вообще, принимая во внимание пластиковые материалы, из которых изготавливаются крыльчатки, все размеры и углы могут иметь отклонения плюс или минус 5% от указанных значений.
Рассматривая соответствующие биссектрисы углов В1, В2, и следуя направлению вращения V крыльчатки 1, вершина 6 опережает основание 5 на угол В3, составляющий приблизительно 21 градус.
Другие углы, которые являются особенностью лопасти 4, представляют собой углы В4, В5, В6, В7 (см. фиг.4), образованные соответствующими касательными к двум кромкам 7, 8 и соответствующими радиусами, исходящими из центра крыльчатки и проходящими через точки S, T, N, M: углы В4 и В5 составляют 25 и 54 градуса, соответственно, а углы В6, В7 составляют 22 и 52 градуса, соответственно.
Может быть оборудовано от четырех до девяти лопастей 4, и в соответствии с предпочтительным вариантом воплощения оборудовано семь лопастей 4 в соответствии с отличающимися углами.
Углы между одной лопастью и следующей, если смотреть на, например, соответствующую переднюю кромку 7 или заднюю кромку 8, составляют 50,7; 106,0; 156,5; 205,2; 257;5; 312,9 (в градусах).
При помощи этих углов обеспечивается преимущество относительно шума, в то время как крыльчатка 1 остается полностью уравновешенной как статически, так и динамически.
Каждая лопасть 4 состоит из ряда аэродинамических профилей, которые соединены последовательно, начиная от основания 5 к вершине 6.
На фиг.5 показано семь профилей 13-19, которые относятся к соответствующим сечениям, взятым на разных интервалах вдоль радиальной протяженности лопасти 4.
Профили 13-19 также обладают геометрическими особенностями, пример которых приведен на фиг.6 для одного из профилей. Как показано на фиг.6, каждый профиль 13-19 имеет центральную линию L1, которая образует плавную кривую без перегибов или заострений, и хорду L2.
Более того, каждый профиль 13-19 характеризуется двумя углами установки BLE, BTE на передней кромке и на задней кромке, причем эти углы образованы их соответствующими касательными к центральной линии L1 в точке пересечения с передней кромкой и с задней кромкой и соответствующей прямой линией, перпендикулярной к плоскости XY, проходящей сквозь соответствующие точки пересечения.
В нижеприведенной таблице 4 показаны, со ссылкой на семь профилей 13-19, углы передней кромки BLE и задней кромки BTE, а также длина центральной линии L1 и хорды L2 профилей лопасти 4.
Таблица 4
радиальное положение, углы передней и задней кромок, длина центральной линии и хорды профилей лопасти 4
Профиль
Протяжен-ность, (%)
Радиус,(мм)
BLE,(градусы)
BTE(градусы)
L1 (центральная линия, мм)
L2 (хорда, мм)
13
0
27,5
65
20
30,40
29,24
14
19,44
40,6
72
30
36,96
35,88
15
37,68
52,9
75
42
41,86
41,09
16
55,89
65,2
77,5
50,5
47,04
46,43
17
72,59
76,5
80,58
56,27
53,50
52,88
18
88,35
87,1
79,34
62,02
59,30
59,13
19
1
95
73,73
72,55
62,51
62,5
Следует отметить, что толщина каждого профиля 13-19 в соответствии с обычной формой крыловидных профилей изначально возрастает и достигает максимального значения S-Max приблизительно на 20% длины центральной линии L1 и затем постепенно снижается до задней кромки 8.
В процентах толщина S-MAX составляет от 2,26% до 2,42% радиуса Rmax, а толщина профилей распределена симметрично относительно центральной линии L1.
Расположение профилей 13-19 относительно радиальной протяженности лопасти 4 и соответствующие значения толщины в соответствии с их положением относительно центральной линии L1 указаны в нижеприведенной таблице 5.
Таблица 5
Радиальное положение и значения толщины профилей лопасти 4
Про-филь
Протяжен-ность (%)
Радиус (мм)
Толщина
S-MAX (мм)
безразмерная относительно S-MAX
0% L1
20% L1
40% L1
60% L1
80% L1
100% L1
13
0
27,5
2,18
0,569196
1
0,846665
0,719688
0,591336
0,109558
14
19,44
40,6
2,23
0,600601
1
0,89373
0,763659
0,623011
0,126933
15
37,68
52,9
2,23
0,69237
1
0,973294
0,816338
0,664273
0,172666
16
55,89
65,2
2,25
0,694791
1
0,934996
0,817809
0,667854
0,179252
17
72,59
76,5
2,26
0,697084
1
0,935484
0,819178
0,671675
0,185418
18
88,35
87,1
2,30
0,702375
1
0,936645
0,822311
0,673064
0,199574
19
1
95
2,15
0,731532
1
0,913833
0,777364
0,624127
0,168607
В нижеприведенной таблице 6 указаны действительные значения толщины в мм в соответствии с их положением относительно центральной линии L1 для каждого профиля 13-19 со ссылкой на проиллюстрированный на чертежах вариант воплощения.
Таблица 6
Значения толщины профилей 13-19 лопасти 4 в мм
Профиль
Толщина (мм)
0% L1
20% L1
40% L1
60% L1
80% L1
100% L1
13
1,24
2,18
1,85
1,57
1,29
0,24
14
1,34
2,23
1,99
1,70
1,39
0,28
15
1,54
2,23
2,17
1,82
1,48
0,38
16
1,56
2,25
2,10
1,84
1,50
0,40
17
1,58
2,26
2,12
1,85
1,52
0,42
18
1,62
2,30
2,16
1,89
1,55
0,46
19
1,57
2,15
1,96
1,67
1,34
0,36
Предпочтительно, профили 13-19 образованы эллиптическим соединением на стороне передней кромки 7 и усечением, выполненным посредством прямого сегмента на стороне задней кромки 8.
Как сказано ранее, важные особенности крыльчатки 1 в соответствии с настоящим изобретением обеспечиваются ступицей 3. Последняя имеет ограниченную толщину и диаметр, который меньше диаметра электродвигателя 3а.
Между ступицей 3 и каждой лопастью 4 также оборудован коробчатый участок 20, который обеспечивает соединение, по меньшей мере, частично, между ступицей 3 и каждой лопастью 4. Например, в случае, проиллюстрированном на чертежах, показано семь коробчатых участков 20, то есть участков столько же, сколько и лопастей 4, которые в свою очередь частично и напрямую присоединены к ступице 3 в области вблизи передней кромки 7.
Участки 20 соответствуют внешней форме электродвигателя 3а и в целом обеспечивают седло (опорную поверхность) 21 для последнего, таким образом, электродвигатель 3а частично содержится внутри этого седла 21, и соответственно он может быть больше ступицы 3.
Седло 21 имеет диаметр, немного превышающий диаметр D2 электродвигателя 3а, для обеспечения крыльчатке 1 возможности вращения, а также для приспособления к электродвигателям, диаметры которых немного отличаются.
Следует отметить, что, так как ступица 3 имеет форму диска и лопасти 4 имеют относительно большой угол установки на основании 5, на участке вблизи задней кромки 8 лопасти 4 не могут быть присоединены непосредственно к ступице 3.
Фактически участок вблизи задней кромки 8 расположен в положении, отклоненном по оси относительно диска 3 ступицы. Коробчатые участки 20 поэтому позволяют осуществить соединение между ступицей 3 и ближайшей частью задней кромки 8 лопастей 4, а также достичь определенной степени жесткости лопасти 4 в основании 5.
В соответствии с вариантом изобретения, показанным на фиг.3а, крыльчатка 1 имеет ступицу 3 в форме диска и участок 20а, единственными функциями которого является придание жесткости и соединение участков лопастей, ближних к задней кромке, которые располагаются в положении, смещенном по оси относительно диска 3 ступицы.
В данном варианте воплощения участок 20а специально не ограничивает седло для электродвигателя, который может иметь размеры (в частности диаметр), совпадающие с диаметром ступицы или являющиеся меньше него.
Однако возникает увеличение потока воздуха, создаваемого лопастями 4, так как дисковая форма ступицы 3 вызывает увеличение сечения, через которое проходит поток воздуха, по сравнению с обычными решениями, согласно которым ступица имеет боковую юбку.
В проиллюстрированных примерах ступица 3 имеет диаметр D1, равный 75 мм, в то время как электродвигатель 3а имеет диаметр D2, равный 100 мм.
Седло 21 имеет диаметр приблизительно 105 мм для приспосабливания к электродвигателю 3а. Согласно вышеприведенным данным относительно лопасти 4 она усечена на основании 5 до диаметра D1, равном 75 мм, то есть до радиуса, равного 37,5 мм, причем на ближайшей части задней кромки 8 она, более того, частично замещена участком 20.
Хотя электродвигатель 3а перекрывает ближнюю часть передней кромки 7, он способствует увеличению потока воздуха, создаваемого крыльчаткой 1, и работе в целом.
Во втором и третьем вариантах воплощения, показанных на фиг.7, 8, 9, 10, 11 и 12, крыльчатка 1 также оборудована кольцом 22, которое соосно с осью 2 вращения и соединено с вершинами 6 каждой лопасти 4. Кольцо 22 образовано цилиндрической стенкой, имеющей круглое сечение, которая параллельна оси 2 вращения и имеет внутреннюю область 23, которая объединена с вершинами 6 лопастей 4. Основная функция кольца 22 заключается в придании жесткости лопастям 6 для ограничения их искривления, вызванного центробежной и аэродинамической силами. Кольцо 22 также обеспечивает направление потока воздуха через диск, ограниченный лопастями 6, таким образом, что возрастает производительность крыльчатки 1.
Третий вариант воплощения изобретения согласно фиг.10-12 дополнительно оборудован рамой 24, присоединенной к грани кольца 22 и проходящей по радиусу наружу от оси 2 вращения. Рама имеет внешний участок, который находится в плоскости под прямым углом к оси 2 вращения. Так как крыльчатка 1, как правило, устанавливается в подходящее отверстие, расположенное в неподвижной опорной стенке, рама 24, которая перекрывает стенку, обеспечивает поддержание потока воздуха, который проходит снаружи диска лопастей 6, между самими лопастями и внутренней гранью упомянутого отверстия для дополнительного улучшения показателей напора, которые могут быть достигнуты.
Крыльчатка, обеспеченная посредством настоящего изобретения, достигает многочисленных преимуществ.
Как сказано ранее, дисковая форма ступицы 3 без боковой юбки вызывает увеличение сечения, через которое проходит поток воздуха, и соответственно увеличивает сам поток.
Более того, даже лопасти, которые проходят к центру крыльчатки, увеличивают поток воздуха.
Седло, созданное коробчатыми участками 20, позволяет присоединить электродвигатель большего диаметра и, в частности, позволяет присоединить больший электродвигатель, который обеспечивает больший крутящий момент.
Соответственно, можно установить надлежащее соединение между крыльчаткой и электродвигателем, при помощи существующего электродвигателя, который создает крутящий момент, необходимый для данного типа крыльчатки.
Таким образом, можно избежать необходимости разработки нового электродвигателя, подходящего по размеру для соответствия ступице крыльчатки.
Более того, отсутствие боковой юбки в ступице и протяженность лопастей по направлению к центру крыльчатки способствует охлаждению электродвигателя.
Изобретение, как описано выше, может быть модифицировано и изменено, не выходя за рамки концепции изобретения, которые определены в формуле изобретения.