ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР
CENTRIFUGAL FAN

Изобретение относится к области вентиляторостроения, в частности к центробежным вентиляторам.
Известен центробежный вентилятор [1], содержащий корпус, установленное в нем рабочее колесо, входную коробку и устройство регулирования подачи в виде телескопического подвижного входного патрубка с тороидальной выходной частью.
Данная конструкция регулирующего устройства позволяет увеличить глубину его экономичного регулирования за счет частичного устранения вихревой зоны в области покрывного диска путем профилирования течения закрутки управляющего потока. Однако взаимодействие управляющего и основного потоков непосредственно при входе на лопатки рабочего колеса и невозможность независимого регулирования проходного сечения рабочего колеса и эжектирующего действия управляющего потока не позволяют достичь требуемой глубины экономичного регулирования вентилятора.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является центробежный вентилятор [2], содержащий корпус, установленное в нем рабочее колесо, входной патрубок и регулирующее устройство, состоящее из телескопического патрубка, снабженного с одной стороны коллектором, размещенным в зоне рабочего колеса, а с другой стороны соединенный с ним телескопически цилиндрический участок и обечайку, установленную снаружи от телескопического патрубка с коллектором на входе, жестко связанную с ним при помощи спиц. Обечайка установлена в кольцевом направляющем элементе, образующим совместно с ней и телескопическим патрубком кольцевой канал, сообщающий область рабочего колеса в зоне покрывного диска с полостью корпуса и обеспечивающий возможность совместного осевого перемещения телескопического патрубка и обечайки.
Данная конструкция регулирующего устройства центробежного вентилятора позволяет в процессе регулирования режима работы вентилятора в большей степени устранить вихревую зону в области покрывного диска за счет подачи управляющего потока, закрученного в полости корпуса вентилятора, через кольцевой канал в рабочее колесо. Центробежная сила вращающегося управляющего потока поджимает его к криволинейной поверхности покрывного диска, улучшая структуру потока в рабочем колесе, тем самым способствуя увеличению глубины регулирования экономичной работы центробежного вентилятора. Однако невозможность раздельного регулирования величины проходного сечения рабочего колеса и расхода управляющего потока, а также существенные потери на дросселирование при взаимодействии управляющего и основного потоков не позволяют достичь требуемой глубины экономичного регулирования вентилятора и, в первую очередь, в силу недостаточной глубины экономичного регулирования по давлению.
Целью изобретения является увеличение глубины экономичного регулирования вентилятора за счет раздельного регулирования проходного сечения рабочего колеса и расхода управляющего потока, а также повышение эффективности взаимодействия управляющего и основного потоков.
Для этого в центробежном вентиляторе, содержащем корпус, установленное в нем рабочее колесо, входной патрубок и регулирующее устройство, состоящее из телескопического патрубка, снабженного с одной стороны коллектором, размещенным в зоне рабочего колеса, а с другой стороны соединенный с ним телескопически цилиндрический участок и обечайку, установленную снаружи от телескопического патрубка с коллектором на входе, жестко связанную с ним при помощи спиц. Обечайка установлена в кольцевом направляющем элементе, образующим совместно с ней и телескопическим патрубком кольцевой канал, сообщающий область рабочего колеса в зоне покрывного диска с полостью корпуса и обеспечивающий возможность совместного осевого перемещения телескопического патрубка и обечайки, тороидальный участок входного коллектора которой выполнен состоящим из двух частей с возможностью осевого перемещения внешней составляющей коллектора с образованием кольцевого зазора между ними.
Для усиления положительного эффекта:
- в подвижной тороидальной части входного коллектора выполнены расходные окна с заслонками и механизмом их одновременного перемещения в меридиональном направлении;
- на стенке корпуса вентилятора, сопряженной с входной коробкой вне входного патрубка, выполнен кольцевой канал с секторными заслонками и механизмом их одновременного перемещения в радиальном направлении.
Такое исполнение центробежного вентилятора позволяет в процессе регулирования режима его работы более эффективно устранять отрывное вихреобразование в области покрывного диска рабочего колеса. Это достигается раздельным изменением площади проходного сечения рабочего колеса и расходом управляющего и основного потоков, проходящих через кольцевой канал, образованный телескопическим патрубком и обечайкой с направляющим элементом. Поступающий из полости корпуса через кольцевой зазор, образованный с составными частями входного коллектора, управляющий поток обеспечивает эффективную закрутку основного потока во входной коробке вентилятора в области тороидальной поверхности входного коллектора за счет действия эффекта Коанда. Центробежная сила, действующая на эффективно закрученный управляющим потоком основной поток, обеспечивает безотрывное его течение в области покрывного диска, улучшение его структуры. При этом данные процессы эффективного взаимодействия управляющего и основного потоков происходят аналогично по всему сечению входного патрубка во входной коробке вентилятора. Возможность широкого диапазона изменения ширины кольцевого зазора, позволяющего регулировать в широком диапазоне количество управляющего потока, поступающего во входную коробку вентилятора, позволяет значительно увеличить диапазон изменения давления, развиваемого вентилятором, при сохранении режима плавного обтекания покрывного диска. Тем самым существенно увеличивается глубина экономичного регулирования режима работы вентилятора. Расходные окна тороидальной подвижной части коллектора позволяют увеличить площадь взаимодействия управляющего и основного потока на криволинейной поверхности патрубка во входной коробке, что, способствуя снижению потерь энергии на трение и «удар», также обеспечивает повышение экономичного регулирования режима работы вентилятора.
Кольцевой канал на стенке корпуса, сопряженный с входной коробкой, также увеличивает площадь взаимодействия управляющего и основного потока, способствуя снижению потерь на дросселирование в связи с минимальной площадью смачиваемой поверхности кольцевого канала (площадь перегородок кольцевого канала).
Таким образом, раздельное эффективное управление глубиной регулирования по подаче за счет изменения проходного сечения рабочего колеса вентилятора и эффективной закрутке потока в кольцевом канале и большей глубиной регулирования по давлению за счет изменения проходного сечения кольцевого зазора во входном коллекторе и расходных окон входного коллектора и корпуса вентилятора позволяет обеспечить существенное увеличение области экономичной работы вентилятора.
На фиг.1 изображен предлагаемый центробежный вентилятор, продольное сечение; на фиг.2 - регулирующее устройство центробежного вентилятора, продольное сечение; на фиг.3 - вид А на расходные окна внешнего подвижного элемента входного тороидального коллектора; на фиг.4 - вид Б на расходные окна в стенке корпуса вентилятора, сопряженной с входной коробкой.
Центробежный вентилятор содержит корпус 1, установленное в его полости 2 рабочее колесо 3 с телескопическим входным патрубком 4, состоящим из неподвижно закрепленного кольцевого направляющего элемента 5 и подвижного патрубка 6, которые образуют кольцевой канал 7 с обечайкой 8, установленной снаружи от патрубка 6 и жестко связанной с ним с помощью спиц 9, причем подвижный патрубок 6 выполнен телескопическим и имеет прямолинейную образующую 10, подвижную обечайку 11 и тороидальный выходной участок 12. Обечайка 8, установленная в кольцевом канале 7, имеет входной тороидальный коллектор 13, состоящий из внутреннего элемента 14, жестко связанного с обечайкой 8, и внешнего 15, перемещающегося по спицам 16 в осевом направлении во входной коробке 17 с образованием кольцевого зазора 18 между составными элементами коллектора 13. Во внешнем, подвижном элементе 15 входного коллектора 13 выполнены расходные окна 19 с заслонками 20 и механизмом их одновременного перемещения по окружности. На стенке 21 корпуса 1 вентилятора, сопряженной со входной коробкой 17, выполнен кольцевой канал 22 с секторными заслонками 23 и механизмом их одновременного перемещения в радиальном направлении.
При работе центробежного вентилятора поток воздуха из атмосферы через входной патрубок 4 поступает в рабочее колесо 3. Прямолинейная образующая 10 подвижного патрубка 6 и установленные в положение «закрыто» внешняя подвижная часть 15 входного тороидального коллектора 13, расходные окна 19, 22 на входном коллекторе 13 и стенке 21 корпуса 1 не нарушают номинального режима работы вентилятора. Для регулирования режима работы вентилятора обечайку 8, жестко связанную с подвижным патрубком 6, смещают в осевом направлении так, что патрубок 6 своим тороидальным входным участком 12 входит в проточную часть рабочего колеса 3, уменьшая его проходное сечение в меридиональном направлении.
Закрученный поток воздуха из полости 2 корпуса 1 через зазор между патрубком 6 и стенкой корпуса 1 поступает в телескопический входной патрубок 4. Под действием центробежной силы от закрутки управляющий поток полости 2 формирует течение основного потока в полость подвижного патрубка 6, а сам поступает на вход в рабочее колесо 3 через кольцевой канал 7, образованный кольцевым направляющим элементом 5 и подвижным патрубком 6.
Определенное количество закрученного управляющего потока, плавно огибая тороидальный выходной участок 12, прижимается к покрывному диску рабочего колеса 3, заполняя в радиальном направлении его проточную часть до выходного сечения подвижного патрубка 6. Основной поток через внутреннюю полость подвижного патрубка 6 поступает в рабочее колесо 3 с уменьшенным эффективным проходным сечением - в меньшем количестве, т.е. циркуляция управляющего потока снижает расход основного потока. Устранение вихревых зон у покрывного диска за счет подачи закрученного управляющего потока при малом энергетическом взаимодействии его с рабочим колесом 3 позволяет в широком диапазоне изменять эффективную ширину проходного сечения рабочего колеса 3 без резкого роста потерь энергии, что обеспечивает увеличение глубины экономичного регулирования.
При увеличении длины подвижного патрубка 6 в пределах обечайки 8 происходит рост доли основного потока, поступающего под действием эжекции в кольцевой канал 7 вместе с управляющим потоком. Закрутка части основного потока, поступающего через кольцевой канал 7, приводит к снижению давления, развиваемого вентилятором, и увеличению его подачи при фиксированном положении обечайки 12.
Перемещением внешней части 15 коллектора 13 в осевом направлении обеспечивают подачу управляющего потока из полости 2 корпуса 1 вентилятора через кольцевой канал 22 во входную коробку 16. Эффективное взаимодействие управляющего и основного потоков полости входной коробки 16 по внешней и внутренней поверхностям входа и выхода в кольцевой канал 22 способствует существенной закрутке основного потока, поступающего через внутреннюю полость патрубка 10 в рабочее колесо 3 без существенных потерь энергии на вихреобразование. Указанное позволяет осуществлять глубокое экономичное регулирование давления, развиваемого вентилятором при каждом фиксированном положении коллектора 12, соответствующего конкретному значению подачи вентилятора. Таким образом, изменяя в широком диапазоне положение коллектора 12 и подвижной части 15 коллектора 13, можно в широком диапазоне изменять величину расхода и давления, развиваемого вентилятором. Причем, что очень важно, эти указанные параметры можно изменять независимо друг от друга. Открытие расходных окон 19 на подвижной части 15 коллектора 13 перемещением заслонок 20 позволяет существенно увеличить эффективную площадь взаимодействия управляющего и основного потока в области тороидальной поверхности входного коллектора 13 в полости входной коробки 17, что также способствует большему изменению глубины экономичного регулирования вентилятора по давлению.
Кольцевой канал 22 на стенке 21 корпуса 2 вентилятора также способствует эффективному закручиванию основного потока управляющим потоком в полости входной коробки 17. При этом в данном случае достигается максимальная эффективность взаимодействия потоков в силу отсутствия в кольцевом зазоре конструктивных элементов, способствующих возникновению местного сопротивления движению управляющего потока. Таким образом, предложенная конструкция регулирующего устройства, обеспечивая эффективное, т.е. с минимальными потерями энергии на вихреобразование взаимодействие, основного и управляющего потоков в полости входной коробки 17 и раздельное регулирование ширины проходного сечения рабочего колеса 3, кольцевого зазора 18, расходных окон 19 и кольцевого канала 22, позволяет существенно увеличить глубину экономичного регулирования центробежного вентилятора как по подаче, так и по давлению. При этом возможно раздельное изменение подачи и давления, развиваемых вентилятором, в широком диапазоне их значений.
Литература
1. Ковалевская В.И., Бабак Г.А., Пак В.В. Шахтные центробежные вентиляторы. - М.: Недра, 1976, с.110-112 с.
2. Патент RU 2047007, кл. F04D 17/08. Центробежный вентилятор. / Макаров В.Н., опубл. 27 октября 1995.