ДИАГОНАЛЬНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР
DIAGONAL FAN

Изобретение относится к вентиляторостроению и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в том числе на транспорте в качестве системы охлаждения тяговых электродвигателей магистральных электровозов.
Известен осевой вентилятор, включающий цилиндрический корпус, внутри которого с помощью втулки и по меньшей мере с тремя радиальными выступами закреплен электродвигатель, на валу которого установлено рабочее колесо с лопастями (описание изобретения RU №2384747 С1, МПК: F04D 19/00, 2008 г.).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что оно малоэффективно и не приемлемо для использования в качестве вентилятора для тяговых электродвигателей магистральных электровозов. При этом напор нагнетающего воздуха при консольном закреплении лопастей не велик, а сама конструкция вентилятора не обеспечивает тех условий, которые необходимы для их промышленного использования на транспорте.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному устройству является другой известный диагональный вентилятор (описание изобретения RU №2455528С2, МПК: F04D 17/08; F04D 19/00; F04D 29/26; F04D 29/66, 2011 г.), в котором корпус вентилятора выполнен с конической частью, а рабочее колесо выполнено с конической втулкой, на которой консольно закреплены лопатки, при этом отношение углов конусности втулки и конусной части корпуса, где расположено рабочее колесо, составляет 1,33-1,28.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном источнике отсутствуют конструктивные элементы и технологические приемы, обеспечивающие достижение нижеуказанного технического результата, в частности входного коллектора и наружного усеченного конуса рабочего колеса, жестко соединяющего внешние края лопаток. К тому же консольно закрепленные диагональные лопатки на конической втулке не позволяют обеспечить соответствующую надежность при использовании данного устройства в сложных условиях его эксплуатации, например, в качестве средства охлаждения для тяговых электродвигателей магистральных электровозов. Следует также отметить, что технология сборки таких устройств часто является доминирующей при достижении надежности и, как правило, не всегда согласуется с теоретическими предложениями. Надежность - вот основной критерий, которому необходимо следовать при создании данных устройств для нужд промышленности, особенно транспортной отрасли.
Задачей заявляемого изобретения является создание и реализация новой конструкции вентилятора с осевым направлением движения воздуха и техническими параметрами вентилятора высокого давления (статическое давление более 3000 Па), имеющего устойчивую область работы на всем участке характеристики и лишенного всех перечисленных недостатков, присущих известным устройствам.
Указанная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в получении новой конструкции диагонального вентилятора с более высокой надежностью и эффективностью в процессе эксплуатации, а также снижения всех затрат, включая технологические и эксплуатационные.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения по объекту - устройству достигается в диагональном вентиляторе, включающем цилиндрический корпус, электродвигатель, рабочее колесо с диагональными лопатками, направляющий коллектор и спрямляющий аппарат. Особенностью предлагаемого диагонального вентилятора является то, что рабочее колесо его выполнено в виде двух усеченных конусов, жестко соединенных с помощью диагональных лопаток, а его направляющий коллектор выполнен в виде сопла Лаваля, аэродинамически сопряженного с верхним торцом наружного усеченного конуса, при этом на нижнем торце внутреннего конуса установлена ступица с дисками, с помощью которых рабочее колесо крепится на валу электродвигателя.
Указанный технический результат достигается также тем, что в рабочем колесе применены листовые лопатки с выходным углом в пределах 84-115°, переменным по радиусу высоты лопатки.
Указанный технический результат достигается также тем, что цилиндрический корпус его выполнен в виде двух разъемных секций, внутри которых последовательно установлены вдоль по потоку: направляющий коллектор, рабочее колесо и спрямляющий аппарат с электродвигателем.
Указанный технический результат достигается также тем, что узлы крепления электродвигателя внутри цилиндрического корпуса выполнены совместно с радиальными лопатками спрямляющего аппарата, при этом радиальные лопатки переднего узла крепления расположены под острым углом к набегающему потоку, в то время как радиальные лопатки заднего узла крепления электродвигателя расположены параллельно набегающему потоку и установлены с наклоном к продольной оси цилиндрического корпуса.
Указанный технический результат достигается также тем, что узлы крепления электродвигателя выполнены в виде цилиндрических втулок со шпангоутами, жестко соединенные с помощью радиальных лопаток с цилиндрическим корпусом вентилятора.
Указанный технический результат достигается также тем, что между шпангоутами и фланцами электродвигателя установлены жесткие упругие элементы, преимущественно, тарельчатые пружины из углеродистой стали.
При исследовании отличительных признаков заявленного устройства не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся исполнения рабочего колеса диагонального вентилятора и его остальных элементов, включая направляющий коллектор и спрямляющий аппарат. А также не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся узлов крепления электродвигателя внутри цилиндрического корпуса диагонального вентилятора. Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, содержащей сведения об аналогах заявляемого решения, позволил установить, что не существует аналога, характеризующегося признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявляемого изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный анализ известных решений с целью выявления признаков, соответствующих с отличительными признаками заявленного решения. Результаты анализа показали, что заявленное решение не вытекает явным образом для специалиста из известного уровня техники и могло быть получено только при глубоком и всестороннем изучении данного вопроса.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
На фиг. 1 изображен общий вид диагонального вентилятора в продольном разрезе.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.
Заявленный диагональный вентилятор включает: цилиндрический корпус, выполненный в виде двух разъемных секций 1, 2 (фиг. 1), электродвигатель 3, рабочее колесо 4, выполненное из двух усеченных корпусов 5 (внешнего), 6 (внутреннего) и диагональных лопаток 7, направляющий коллектор 8, спрямляющий аппарат, выполненный из радиальных лопаток 9 (переднего ряда), 10 (заднего ряда) и втулок 11, 12 (переднего и заднего узлов крепления электродвигателя). При этом рабочее колесо 4 закреплено на валу электродвигателя 3 с помощью ступицы 13 и кольцевых дисков 14, 15, установленных внутри внутреннего усеченного конуса 6, что создает благоприятные условия для восприятия любых нагрузок, включая вибрационные. Для восприятия осевых и термических нагрузок между шпангоутами втулок 11, 12 и фланцами электродвигателя 3 установлены дополнительно жесткие упругие элементы 16. При этом радиальные лопатки 9 спрямляющего аппарата в переднем узле крепления электродвигателя 3 установлены под острым углом по отношению к набегающему потоку, в то время как радиальные лопатки 10 заднего узла крепления электродвигателя 3 установлены параллельно набегающему потоку и с наклоном к продольной оси электродвигателя 3. Такое конструктивное исполнение обеспечивает восприятие всех видов нагрузок, включая вибрационные и термические. Все основные узлы диагонального вентилятора могут быть изготовлены из листовой стали с применением сварки, однако это не исключает использование других технологических процессов, например, применение литьевых или прессованных узлов из специальных сплавов или армированных пластиков.
Диагональный вентилятор работает следующим образом: при включении электродвигателя 3 (фиг. 1) начинает вращаться рабочее колесо 4, создавая лопатками 7 поток воздуха. При этом в направляющем коллекторе 8 воздушный поток разгоняется и с минимальным лобовым сопротивлением поступает к диагональным лопаткам 7. С помощью диагональных лопаток 7 воздушный поток отклоняется к периферии и тем самым повышает компрессию. Диагональные вентиляторы занимают промежуточное положение между осевыми и центробежными вентиляторами. Первые создают низкое давление нагнетания при максимальном потоке воздуха, а вторые развивают повышенное давление при сравнительно малом воздушном потоке. Диагональные вентиляторы позволяют при сравнительно высоком давлении нагнетания обеспечить сравнительно высокую производительность, что весьма существенно отличает их как от осевых, так и от центробежных вентиляторов. При этом в полной мере используется одно из основных преимуществ осевых вентиляторов - компактность корпуса и соосность входящего и выходящего потоков воздуха. Далее закрученный вихревой поток поступает в первую ступень спрямляющего аппарата, где он с помощью радиальных лопаток 9 вновь приобретает осевое направление. При своем движении поток воздуха омывает корпус электродвигателя 3 и охлаждает его. При этом тепло, генерируемое в электродвигателе 3, несоизмеримо с охлаждающей мощностью вихревого потока, что исключает перегрев электродвигателя 3 при любом режиме его работы, включая аварийные, т.е. нестационарные режимы его работы. После прохождения второй ступени, т.е. через лопатки 10, спрямляющего аппарата, воздушный поток полностью стабилизируется и перемещается уже только параллельно продольной оси вентилятора. Данный диагональный вентилятор предназначен, прежде всего, для системы охлаждения тяговых электродвигателей магистральных электровозов, что накладывает определенные требования как к техническим и аэродинамическим характеристикам, так и к прочностным, в том числе к вибрационным и термическим. Выполнение рабочего колеса 4 из двух усеченных конусов 5, 6 способствует не только улучшению аэродинамической устойчивости, но и существенно улучшает его прочностные и усталостные характеристики. Срыв и завихрения, возникающие при традиционном исполнении рабочих колес, в данной конструкции рабочего колеса 4 практически исключены. К другим достоинствам конструктивного исполнения данного диагонального вентилятора следует отнести то, как крепится рабочее колесо 4 на валу электродвигателя 3, как и крепление самого электродвигателя 3 внутри секции 2 его цилиндрического корпуса. С помощью цапфы 13 и дисков 14, 15 создается единая рамная конструкция, устойчивая к любым вибрационным нагрузкам, а совместная компоновка узлов крепления электродвигателя 3 и спрямляющего аппарата не только улучшает аэродинамические характеристики, но и существенно улучшает съем «паразитного» тепла, которое возникает при работе электродвигателя 3 при нештатном режиме его работы. К тому же установка жестких компенсаторов 16 между шпангоутами втулок 11, 12 и фланцами электродвигателя 3 снимает все проблемы, связанные с термическими напряжениями, которые при эксплуатации данных вентиляторов в системе охлаждения тяговых электродвигателей магистральных электровалов являются неизбежными и чуть ли не штатными ситуациями. От того, как конструкция вентилятора воспринимает все виды нагрузок, зависит не только его надежность, но и живучесть и безаварийность всей системы в целом, включая сам магистральный электровоз.
Технический эффект от использования предлагаемого изобретения состоит в следующем.
Предложенный диагональный вентилятор обеспечивает все необходимые требования, предъявляемые к данному классу устройств. Данный вентилятор предназначен для принудительного охлаждения тяговых электродвигателей магистральных электровозов и представляет собой одноступенчатый вентилятор с рабочим колесом диагонального типа с осевым направлением потока воздуха. Привод рабочего колеса - прямой асинхронный двигатель повышенной надежности. Более суровых условий эксплуатации трудно представить. Предварительные стендовые испытания подтвердили все технические, аэродинамические и акустические характеристики, заложенные в данную конструкцию. Вскоре будут проведены натурные промышленные испытания опытного образца на магистральном электровозе и авторы надеются, что они подтвердят его эксплуатационные качества, включая высокую надежность и безотказность в любых климатических условиях при различных режимах его работы. Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявляемого изобретения выполнена следующая совокупность условий:
- средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно, в качестве диагонального вентилятора в системе охлаждения тяговых электродвигателей магистрального электровоза;
- для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средства, воплощающие заявляемое изобретение при его осуществлении, способны обеспечить достижения усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Описание изобретения RU №2384747 С1, МПК: F04D 19/00, 2008 г.
2. Описание изобретения RU №2455528 С2, МПК: F04D 17/08; F04D 19/00, F04D 29/26; F04D 29/66, 2011 год.