РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА
CENTRIFUGAL FAN IMPELLER

Изобретение относится к области вентиляторостроения, в частности к рабочим колесам центробежных вентиляторов с загнутыми вперед лопатками.
Известно рабочее колесо центробежного вентилятора, содержащее между несущим и покрывным дисками загнутые вперед лопатки, каждая из которых выполнена в форме сегмента цилиндрической поверхности постоянного радиуса кривизны, центр которой расположен на концентрической по отношению к рабочему колесу окружности (Заморский С.В., Соломахова Т.С. Центробежные вентиляторы ЦАГИ малой быстроходности // Промышленная аэродинамика: сб. ст. вып. 31. - М.: Машиностроение, 1974. - c.16).
Такое исполнение рабочего колеса позволяет увеличить окружную (напорную) составляющую абсолютной скорости потока воздуха на выходе из рабочего колеса, тем самым повысить развиваемое им давление.
Однако большая кривизна вперед загнутых лопаток рабочего колеса при недостаточной их густоте на выходном участке межлопаточного канала приводит к интенсивному отрывному вихреобразованию в межлопаточном канале в области тыльной поверхности лопаток, что увеличивает угол отставания потока воздуха от лопаток и потери энергии, тем самым не позволяя существенно увеличить окружную скорость потока на выходе из рабочего колеса, то есть добиться значительного роста давления, развиваемого центробежным вентилятором, снижая при этом его к.п.д.
Наиболее близким по исполнению к предлагаемому техническому решению является рабочее колесо центробежного вентилятора [2], содержащее несущий и покрывной диски, между которыми установлены загнутые вперед основные лопатки и расположенные между ними в области выхода из межлопаточных каналов дополнительные укороченные вперед загнутые лопатки той же кривизны (Заморский С.В., Соломахова Т.С. Центробежные вентиляторы ЦАГИ малой быстроходности // Промышленная аэродинамика: сб. ст. вып. 31. - М.: Машиностроение, 1974. - c.19).
Такое исполнение лопаток рабочего колеса позволяет за счет увеличения густоты их расположения на выходном участке межлопаточных каналов рабочего колеса дополнительно увеличить окружную составляющую абсолютной скорости потока воздуха на выходе из рабочего колеса, способствуя тем самым увеличению развиваемого им давления.
Однако такое выполнение выходного участка рабочего колеса не в полной мере обеспечивает увеличение давления развиваемого центробежным вентилятором и его к.п.д.
Задача изобретения заключается в повышении давления, развиваемого рабочим колесом центробежного вентилятора и его к.п.д. за счет формирования на рабочей поверхности дополнительных укороченных вперед загнутых лопаток устойчивого вихреисточника, воздействующего на поток в межлопаточном канале рабочего колеса со стороны тыльной поверхности основных и дополнительных укороченных вперед загнутых лопаток.
Указанная задача достигается тем, что в предлагаемом рабочем колесе центробежного вентилятора, содержащем несущий и покрывной диски и установленные между ними загнутые вперед основные и дополнительные укороченные лопатки, со стороны рабочей поверхности каждой из дополнительных укороченных лопаток с конфузорным зазором по отношению к ним установлены укороченные назад загнутые лопатки в форме цилиндрической перфорированной поверхности с радиусом кривизны, меньшим радиуса кривизны дополнительных укороченных вперед загнутых лопаток, и центрами кривизны, расположенными на окружности большего радиуса, чем радиус окружности расположения центров кривизны вперед загнутых основных и дополнительных укороченных лопаток.
H
B
ЦН
ЦВ
Радиус кривизны R цилиндрической перфорированной поверхности укороченных назад загнутых лопаток составляет 10%-30% от радиуса кривизны R вперед загнутых основных и дополнительных укороченных лопаток, а радиус окружности R расположения центров кривизны дополнительных укороченных назад загнутых лопаток составляет 109%-115% от радиуса окружности R расположения центров кривизны назад загнутых основных и дополнительных укороченных лопаток.
На фиг. 1 изображено рабочее колесо центробежного вентилятора, поперечный разрез; на фиг. 2 - дополнительная укрученная лопатка рабочего колеса центробежного вентилятора, поперечный разрез.
Рабочее колесо центробежного вентилятора содержит несущий 1 и покрывной 2 диски, между которыми установлены основные 3 и дополнительные укороченные 4 вперед загнутые лопатки, имеющие рабочую вогнутую 5 и тыльную выпуклую 6 поверхности. Со стороны рабочей поверхности 5 каждой из дополнительных укороченных вперед загнутых лопаток 4 с конфузорным зазором Δ по отношению к ним установлены укороченные назад загнутые лопатки 7 в форме цилиндра с внутренней полостью 8, образованной фронтальной по отношению к потоку воздуха, движущемуся в межлопаточном канале 9, (рабочей выпуклой) поверхностью 10 и теневой по отношению к потоку воздуха, движущемуся в межлопаточном канале 9, (тыльной выпуклой) поверхностью 11. На фронтальной поверхности 10 лопатки 7 выполнены перфорации 12 в виде тангенциальных конфузорных каналов с фронтальной поверхности 10 во внутреннюю полость 8 лопатки 7. На теневой поверхности 11 лопатки 7 выполнены перфорации 13 в виде тангенциальных конфузорных каналов из внутренней полости 8 лопатки 7 на теневую ее поверхность 11.
H
B
ЦН
ЦВ
Радиус кривизны R цилиндрической поверхности дополнительных назад загнутых лопаток 7 меньше радиуса кривизны R цилиндрической поверхности дополнительных укороченных вперед загнутых лопаток 4, а их центры кривизны расположены на окружности радиуса R большем, чем радиус R окружности расположения центров кривизны вперед загнутых основных и дополнительных укороченных лопаток 3, 4.
H
B
ЦН
ЦВ
По результатам экспериментальных исследований рациональный радиус кривизны R цилиндрической перфорированной поверхности укороченных назад загнутых лопаток составляет 10%-30% от радиуса кривизны R вперед загнутых основных и дополнительных укороченных лопаток, а рациональный радиус окружности R расположения центров кривизны дополнительных укороченных назад загнутых лопаток составляет 109%-115% от радиуса окружности R расположения центров кривизны назад загнутых основных и дополнительных укороченных лопаток.
При вращении рабочего колеса центробежного вентилятора поток воздуха, поступающий в межлопаточные каналы 9, образованные несущим 1, покрывным 2 дисками и лопатками 3, 4, взаимодействуя с последними, поворачивается в направлении вращения колеса по их рабочим поверхностям 6. Часть потока из межлопаточного канала 9 по конфузорному зазору Δ, образованному рабочей поверхностью 5 дополнительной укороченной вперед загнутой лопатки 4 и фронтальной поверхностью 10 назад загнутой укороченной лопатки 7, через перфорации 12 поступает во внутреннюю полость 8 назад загнутой лопатки 7, закручиваясь в ней со скоростью ω, превышающей скорость вращения рабочего колеса.
За счет центробежной силы вращения высокоэнергетический закрученный во внутренней полости 8 лопатки 7 поток воздуха, обладающий большой скоростью вращения в направлении вращения рабочего колеса, через перфорации 13 на теневой поверхности 11 назад загнутых лопаток 7 и выходной участок конфузорного зазора Δ поступает за счет действия эффекта Коанда в направлении вращения рабочего колеса на теневую поверхность 11 укороченных назад загнутых лопаток 7 вне конфузорного зазора Δ, способствуя за счет действия эффекта Магнуса повороту потока на выходе из межлопаточных каналов 9 в направлении вращения рабочего колеса, устраняя область отрывного вихреобразования на тыльной поверхности 6 основных вперед загнутых лопаток 3 и, как результат, существенно уменьшая угол отставания основного потока на выходе из рабочего колеса в условиях значительного изменения режимов работы центробежного вентилятора.
Кроме того, отсос части потока воздуха с рабочей вогнутой и тыльной выпуклой поверхностей 5, 6 дополнительных вперед загнутых лопаток 4 за счет ижектирующего действия закрученного потока в конфузорном зазоре Δ между рабочей 5 поверхностью лопатки 4 и теневой 11 поверхностью лопатки 7 приводит к устранению отрывного вихреобразования в области тыльной поверхности 6 дополнительных укороченных вперед загнутых лопаток 4.
Суммарный эффект уменьшения угла отставания основного потока на выходе из рабочего колеса и снижения потерь энергии на вихреобразование на тыльной поверхности 6 основных и дополнительных вперед загнутых лопаток 3, 4 приводит к существенному росту давления, развиваемого рабочим колесом и его к.п.д.
H
B
ЦН
ЦВ
Наибольший эффект повышения давления, развиваемого рабочим колесом центробежного вентилятора достигается при условии, что радиус кривизны R цилиндрической перфорированной поверхности укороченных назад загнутых лопаток составляет 10%-30% от радиуса кривизны R вперед загнутых основных и дополнительных укороченных лопаток, а радиус окружности R расположения центров кривизны дополнительных укороченных назад загнутых лопаток составляет 109%-115% от радиуса окружности R расположения центров кривизны назад загнутых основных и дополнительных укороченных лопаток.
H
B
При R меньше 10% от R энергии циркуляции, формируемой во внутренней полости 8 назад загнутой лопатки 7 недостаточно для устранения отрывного вихреобразования на тыльных поверхностях 6 основных вперед загнутых лопаток 3.
H
B
При R больше 30% R существенно возрастают потери энергии вследствие уменьшения проходного сечения межлопаточного канала 9 на его выходном участке.
ЦН
ЦВ
При R меньше 109% от R существенно снижается отсос части потока воздуха с рабочей вогнутой и тыльной выпуклой поверхностей 5, 6 дополнительных вперед загнутых лопаток 4, что снижает эффект устранения отрывного вихреобразования в области тыльной поверхности 6 дополнительных укороченных вперед загнутых лопаток 4.
ЦН
ЦВ
При R больше 115% от R происходит существенное снижение эффективности уменьшения угла отставания основного потока на выходе из рабочего колеса.
Таким образом, применение данной конструкции рабочего колеса центробежного вентилятора позволяет эффективно устранять отрывное вихреобразование на тыльной поверхности основных и дополнительных лопаток, уменьшать отставания потока и увеличивать перепад давления между рабочей и тыльной поверхностями лопаток, что повышает давление, развиваемое рабочим колесом центробежного вентилятора и его к.п.д.
H
B
ЦН
ЦВ
п
п
Результаты испытаний центробежного вентилятора с рабочим колесом предложенной конструкции при R=0,3 R и R=1,157R подтвердили увеличение коэффициента давления, развиваемого центробежным вентилятором и его к.п.д. η до значений: ψ=1,38; η=0,61, то есть их росту на 15% и 12% соответственно по отношению к прототипу.