Лопатка рабочего колеса вентилятора для работы с взрывоопасными средами

Полезная модель относится к вентиляторостроению и может быть использована в конструкциях вентиляторов для перемещения взрывопожароопасных газовых сред, используемых на нефтегазоперерабатывающих предприятиях, угольных шахтах, при работе на промышленных предприятиях, связанных с различными химическими процессами и т.п.
В производстве вентиляторов активно используются стеклопластики, склонные к образованию на поверхности электростатических зарядов, поэтому к таким вентиляторам предъявляются определенные требования по искро-безопасности. Возможность отведения электростатического заряда с поверхности рабочего колеса вентилятора является важнейшей задачей обеспечения правил безопасности, поскольку при накоплении критического заряда статического электричества высока вероятность образования разрядной искры, способной вызвать воспламенение или взрыв газообразной воздушной смеси.
Непосредственной зоной образования статического электричества при работе вентилятора является поверхность лопаток рабочих колес, поэтому для оценки новизны заявляемой полезной модели интерес представляют конструктивные решения лопаток из диэлектрических материалов.
В бытовых вентиляторах из композитных пластиков применяют типичную антистатическую обработку, которая заключается в использовании добавки, содержащей поверхностно-активное вещество (CN 106832644, публ. 13.06.2017) [1]. Антистатик наносят на поверхность частиц пластика или смешивают с пластиковым материалом.  В качестве поверхностно-активного вещества широко используют коммерчески доступные анионные, катионные, неионные или биполярные ионные активные агенты.  Системы отвода статики с лопатки на заземляющий контур вентилятора, такие лопатки не содержат.
Наиболее близкой по назначению и технической сущности к заявляемой полезной модели является лопатка рабочего колеса вентилятора, предназначенного преимущественно для местного проветривания шахт, оснащенная системой отвода статического электричества (RU 2215909, публ.10.11.2003) [2]. Лопатка содержит профильную часть из диэлектрического материала, состоящую из выпуклой и вогнутой поверхностей, соединенных каналами, расположенными на расстоянии не более 100 мм.  Внутри профильной части расположена арматура, которая приварена к металлическому хвостовику для крепления лопатки к втулке рабочего колеса, при этом выпуклая и вогнутая поверхности профильной части с помощью каналов сообщены с арматурой.
Предполагается, что электростатический заряд, образующийся при работе вентилятора,  с профильной части  лопатки по каналам  будет "перетекать" внутрь этой части на арматуру, являющуюся металлическим проводником статического электричества, а затем через заземленные элементы рабочего колеса: хвостовик лопатки, втулку рабочего колеса, приводной вал и корпус вентилятора - на землю. По мнению авторов конструкции данной лопатки, если соседние каналы профильной части расположить на расстоянии друг от друга, не превышающем 100 мм., то электростатический заряд, образующийся при работе вентилятора на профильной части лопаток, будет отводиться, не накапливаясь.
Система отвода статического электричества с диэлектрических лопаток через внутренний металлический каркас в виде арматуры и металлический хвостовик не является надежной по следующим причинам. Во-первых, вентиляторы в шахтах работают с влажным и запыленным воздухом, и это обстоятельство в течение короткого промежутка времени приведет к закупорке отводных каналов профильной части. Во-вторых, каналы на поверхности лопаток будут искажать структуру ламинарного обтекания воздушным потоком лопаток, что приведет к кавитационным явлениям, вызывающим повышение уровня шума и снижения к.п.д. вентилятора. Кроме того, данная лопатка не может безопасно использоваться в рабочих колесах с лопатками и ступицей из диэлектрического материала, поскольку статическое электричество с поверхности таких лопаток вообще отводиться не будет.
Задача полезной модели заключается в разработке конструкции лопатки из диэлектрического материала, позволяющей надежно отводить статическое электричество с ее рабочей поверхности, а также в расширении возможностей ее использования в рабочих колесах вентиляторов, содержащих как токопроводные так и не токопроводные детали.
Предложена лопатка рабочего колеса вентилятора, которая, как и лопатка – прототип, выполнена из диэлектрического материала и содержит проводник электростатического заряда с рабочей поверхности лопаток через заземленные элементы рабочего колеса. Новая лопатка отличается тем, что ее наружная поверхность имеет токопроводящий слой, при этом лопатка содержит съемный проводник электростатического заряда, выполненный с возможностью контакта с токопроводящим слоем лопатки и с заземленными элементами рабочего колеса.
В частном случае исполнения:
- токопроводящий слой лопатки может быть выполнен из пленочных металлизированных покрытий;
- токопроводящий слой лопатки может быть выполнен из полимерной смолы с введенным в него концентратом одностенных углеродных нанотрубок в объеме 0,1 – 1,0 % от массы смолы;
- в качестве токопроводящего слоя лопатка может иметь наружный слой с вкрапленными линейными токопроводящими проводниками;
- лопатка может содержать съемный металлический проводник электростатического заряда с токопроводящего слоя, как на заземленную металлическую ступицу, так и на заземленный приводной вал   рабочего колеса.
Сущность заявленной полезной модели заключается в том, что электрический заряд, образующийся на токопроводящем поверхностном слое лопаток в процессе работы вентилятора, через съемный проводник электростатического заряда отводится из проточной части вентилятора на заземленные элементы рабочего колеса: ступицу или приводной вал. Таким образом, заявленная конструкция лопатки позволяет отводить статическое электричество с рабочей поверхности рабочих лопаток вентилятора, то есть непосредственно в зоне его образования. Это позволяет выравнивать электрические потенциалы между корпусом вентилятора и его рабочим колесом, исключая возможность проскакивания искры, являющегося основной причиной опасности при работе с легко воспламеняющимися и взрывоопасными рабочими средами.
Съемный проводник электростатического заряда, обеспечивающий токопроводящий контакт токопроводящего слоя с заземленными элементами рабочего колеса, позволяет использовать лопатку в рабочих колесах с как поворотными лопатками, так и с неподвижными лопатками, выполненных заодно со ступицей, а также в рабочих колесах с лопатками из диэлектрика, имеющими как металлическую ступицу, так и ступицу из диэлектрика. Электропроводный токопроводящий слой каждой лопатки будет иметь индивидуальный механический контакт с металлической поверхностью приводного вала, если ступица выполнена из диэлектрика, или с поверхностью обода ступицы, если материал ступицы будет электропроводен.
Новый технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в повышении надежности отвода статического электричества из проточной части вентилятора, а также в расширении возможностей использования лопаток из диэлектрических материалов в рабочих колесах вентиляторов.
Полезная модель иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 изображено рабочее колесо с металлической ступицей и поворотными лопатками; на фиг.2 - рабочее колесо со ступицей из диэлектрика и металлической втулки с поворотными лопатками; на фиг.3 - рабочее колесо, со ступицей из диэлектрика и неподвижно закрепленными на ступице лопатками из диэлектрика.
Лопатка рабочего колеса осевого вентилятора может быть изготовлена из таких диэлектрических материалов, как термо- или реактопласты: полиамид, полиэтилен, стекло-, базальто-, органо-пластики и т.п. Наружная поверхность лопатки может быть покрыта электропроводным токопроводящим слоем на основе пленочных металлизированных покрытий. Это, как правило, эмали, наполненные порошкообразными металлами, такими как цинк, железо, алюминиевая пудра, порошки бронзы и т.п. Наличие металлических порошков делает эти эмали электропроводными. Токопроводящий слой может быть выполнен из токопроводящего материала с вкрапленными линейными проводниками, такими как углеродные нити или ткани, токопроводные проволоки и т.п.
Ступица рабочего колеса вентилятора с данными лопатками  может быть изготовлена как из диэлектриков, так и из традиционных металлических материалов, таких, как сталь, алюминий, титан и т.п. Индивидуальный механический контакт с металлической поверхностью приводного вала, если ступица выполнена из диэлектрика,  или с поверхностью обода ступицы, если материал ступицы будет электропроводен, осуществляется с помощью съемного проводника электростатического заряда. Это может быть жесткая токопроводящая связь в виде металлической шины или углеродной ленты, если лопатки неподвижные, или гибкая токопроводящая связь в виде медной проволоки, углеродной нити и т.п., если лопатки закреплены подвижно.
Пример1. В корпусе 1 осевого вентилятора (фиг.1) установлен приводной двигатель 2, на валу 3 которого смонтирована металлическая ступица 4 рабочего колеса с поворотными лопатками 5, выполненных из диэлектрика, например, полиамида. На наружную поверхность лопаток 5 нанесен токопроводящий слой 6, представляющий собой пленочное металлизированное покрытие, например, из цинкнаполненной эмали "ЦИНОТАН" (производитель ОАО НПП "ВМП" (Россия)). Толщина покрытия не более 500 мкм. С помощью крепежного элемента - самореза 7 слой 6 посредством съемного проводника в виде металлической проволоки 8 заземлен через крепежный болт 9 на металлическую ступицу 4.
Пример 2. В корпусе осевого вентилятора (фиг.2) установлен приводной двигатель 2, на валу 3 которого смонтирована   ступица 4, состоящая из обода 10 с лопатками 5, выполненных из диэлектрика, например, базальтопластика и металлической втулки 11. На наружную поверхность лопатки нанесен токопроводящий слой 6 из полимерной смолы с введенным в него концентратом одностенных углеродных нанотрубок в объеме 0,1 – 1,0 % от массы смолы (Электронный ресурс/ www. ocsial.com.) [3].
Заземление токопроводящего слоя 6 осуществляется посредством съемного проводника в виде жесткой металлической шины 12, один конец которой приклеен к слою 6, а другой с помощью болтового соединения 13 прикреплен к металлической втулке 11.
Пример 3. В корпусе осевого вентилятора (фиг.3) установлен приводной двигатель 2, на валу 3 которого смонтировано рабочее колесо, в котором ступица, лопатки и приводной вал выполнены из диэлектрика, например, из стеклопластика. Лопатка изготовлена из послойно укладываемых в форму слоев армирующего материала, пропитанного органической смолой с последующим прессованием. При формировании/изготовлении лопатки в верхний (последний) слой заложены токопроводящие, так называемые линейные проводники, в качестве которых использованы тонкие проволоки или углеродные нити.  Смола служит "клеем", который фиксирует в заданном направлении и удерживает во время работы вентилятора проводники на поверхности лопаток. Полученный таким образом токопроводящий слой 6 посредством жесткой шины 12 заземлен на приводной вал 3 через центральный болт 14, с помощью которого рабочее колесо крепят на валу 3 от осевого смещения.
Таким образом, соединение токопроводящего слоя лопаток с заземленной частью вентилятора осуществляется наиболее надежным и проверенным временем способом – посредством специальных проводников, обеспечивающих надежную и безопасную работу вентилятора, причем как вентилятора с поворотными лопатками, так и с неподвижными лопатками, выполненными заодно со ступицей, а также в рабочих колесах с лопатками из диэлектрика, имеющими как металлическую ступицу, так и ступицу из диэлектрика, что расширяет возможности ее использования. Причем факт отвода статического электричества с рабочей поверхности лопатки заявленной конструкции можно надежно контролировать визуально и инструментально с помощью приборов, что повышает безопасность работы вентилятора в опасной производственной среде.