Радиальное колесо центробежной лопаточной машины

Изобретение относится к области вентиляторо-, насосо- и компрессоростроения. Радиальное колесо содержит передний диск 2, имеющий входное отверстие 4, и задний диск 5, соединенные друг с другом через лопаточный венец, который имеет ориентированные в осевом направлении лопатки 6. Лопатки 6 лопаточного венца и по меньшей мере часть по меньшей мере одного диска 2 или 5 выполнены из гибкого материала, деформирующегося при вращении радиального колеса. Радиальное колесо имеет меньшую шумность и пониженную вибрацию при высоких окружных скоростях и сохраняет требуемый уровень напора. 11 з.п. ф-лы, 16 ил.

 

Изобретение относится к области вентиляторо-, насосо- и компрессоростроения, а именно к радиальным колесам вентиляторов, водяных нагнетателей и компрессоров с низким уровнем шума.

Известно рабочее колесо радиального вентилятора (см. патент №22978 U, МПК F04D 29/28, F04D 29/66, опубликован 10.05.2002), включающее выполненные из металла основной и передний диски, лопатки рабочего колеса, размещенные между дисками и выполненные загнутыми назад.

Известное рабочее колесо обеспечивает при его использовании в канальных вентиляторах хорошие аэродинамические и акустические характеристики вентиляторов. Однако заявленные шумовые характеристики данный вентилятор обеспечивает при довольно низкой окружной скорости рабочего колеса, что не обеспечивает требуемую в большинстве случаев величину напора.

Известно радиальное колесо центробежной лопаточной машины (вентилятора) сборной конструкции (см. патент RU №22979, МПК F04D 29/38, опубликован 10.05.2002), которое содержит основной диск из алюминиевого сплава или термопласта и реактопласта с лопатками, тонколистовые стальные покрывной и закрепляющий диски, осевую крыльчатку. Лопатки основного диска имеют выступы, которыми закрепляются в отверстиях покрывного диска при повороте закрепляющего диска на некоторый угол относительно покрывного диска, а осевая крыльчатка, выполненная за одно целое с основным диском или отдельной деталью, располагается в несколько удлиненной входной части основного диска вентилятора.

В эксплуатации параметры перемещаемой среды могут изменяться в широких пределах. В связи с этим вентиляторы с такими радиальными колесами практически всегда работают в нерасчетном режиме, что приводит к снижению их эффективности, повышенной шумности.

Известно радиальное колесо центробежной лопаточной машины (вентилятора) (см. заявка US №20070098556, МПК В64С 11/00, опубликована 03.05.2007), включающее основной диск, закрепляемый на валу привода, и задний диск, которые соединены полыми лопатками. Основной диск, задний диск и полые лопатки отлиты из жесткого полимерного материала.

Известное радиальное колесо обеспечивает низкий уровень шума при работе вентилятора и позволяет снизить его вес. Снижение шума в известном колесе достигается традиционным способом - увеличением пространственной жесткости, что позволяет снизить вибрации, также возможно улучшить геометрию проточных частей. В то же время известное рабочее колесо будет иметь оптимальные показатели по к.п.д. и шумности только на каком-либо одном режиме работы, т.е. остается однорежимным; при этом производство подобного колеса требует точного изготовления, что увеличивает его стоимость.

Известно радиальное колесо центробежной лопаточной машины (вентилятора) (см. заявка US №200090047133, МПК F04D 29/22, опубликована 19.02.2009), включающее основной диск, закрепляемый на валу привода, и задний диск в виде кольца конической формы, к которым приварены полые лопатки. Основной диск, задний диск и полые лопатки отлиты из жесткого полимерного материала.

Известное радиальное колесо вентилятора создает меньшее излучение шума при работе вентилятора только при низких окружных скоростях, что существенно сужает диапазон его применения.

Известно радиальное колесо центробежной лопаточной машины (вентилятора) (см. патент RU №2321775, МПК F04D 29/28, опубликован 10.04.2008), совпадающее с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Радиальное колесо-прототип содержит имеющий входное отверстие передний диск и задний диск, которые соединены друг с другом через лопаточный венец. Лопаточный венец имеет проходящие с изгибом изнутри наружу против направления вращения и ориентированные в осевом направлении лопатки. Проходящие параллельно оси вращения наружные кромки лопаток задают выходной диаметр (DAs) лопаток. На переднем и заднем дисках образованы выступающие за выходной диаметр лопаток наружные краевые области, которые задают кольцевое диффузионное пространство с наружным диаметром (DN). (DN) превышает выходной диаметр (DAs) лопаток максимум на 25%. При этом выступающие краевые области проходят в поперечном сечении прямолинейно. Профиль поперечного сечения диффузионного пространства выполнен прямоугольно или трапециевидно расширенным наружу. Радиальное колесо снаружи от выходного диаметра (DAs) не имеет лопаток.

Известное радиальное колесо-прототип позволяет повысить КПД радиального вентилятора. Однако расчетное профилирование проточной части радиального колеса оптимизируется под конкретные параметры перемещаемой среды. В реальной эксплуатации эти параметры изменяются в широких пределах. Поэтому вентиляторы с такими радиальными колесами практически всегда работают в нерасчетном режиме, что приводит к снижению их эффективности, повышенной шумности.

Задачей изобретения является разработка такого радиального колеса центробежной лопаточной машины, которое бы позволило расширить эффективный диапазон работы, имело бы меньшую шумность и пониженную вибрацию при высоких окружных скоростях и сохраняло требуемый уровень напора.

Поставленная задача решается тем, что в радиальном колесе центробежной лопаточной машины, содержащем передний диск, имеющий входное отверстие, и задний диск, соединенные друг с другом через лопаточный венец, который имеет ориентированные в осевом направлении лопатки, согласно изобретению лопатки лопаточного венца и по меньшей мере часть по меньшей мере одного диска выполнены из гибкого материала, деформирующегося при вращении радиального колеса.

В колесе центробежной лопаточной машины из гибкого материала может быть выполнена по меньшей мере часть переднего диска.

В колесе центробежной лопаточной машины передний диск может быть снабжен входной горловиной.

В колесе центробежной лопаточной машины из гибкого материала может быть выполнена по меньшей мере часть заднего диска.

В качестве гибкого материала может быть использована резина, полимерный материал или ткань.

Ткань может быть выполнена из лавсанового волокна, из высокопрочного углеродного волокна, из стеклянного волокна.

Радиальное колесо может быть выполнено в виде одной монолитной детали.

Передний диск, задний диск и лопатки могут быть изготовлены в виде отдельных деталей, скрепленных между собой.

Выполнение лопаток лопаточного венца и по меньшей мере части по меньшей мере одного диска из гибкого материала обеспечивает поддержание процесса автоматической адаптации формы проточных элементов колеса под текущие параметры потока. Такая конструкция радиального колеса с гибкими элементами обладает способностью изменять геометрические размеры проточных частей под суммарным воздействием центробежных сил от вращения радиального колеса и сил давления от проходящей газовой среды. Таким образом, обеспечивается автоматическая приспособляемость формы элементов радиального колеса к текущим параметрам потока. Такое радиальное колесо может иметь лопаточный венец, например, сшитый из соответствующей ткани или отформованный из гибкой резины - сегодня существует широкий спектр материалов и технологий для реализации данного устройства.

Радиальное колесо центробежной лопаточной машины поясняется чертежами, где

на фиг.1 показан один вариант выполнения радиального колеса в продольном разрезе;

на фиг.2 изображен поперечный разрез А-А радиального колеса, изображенного на фиг.1;

на фиг.3 показан другой вариант выполнения радиального колеса в продольном разрезе;

на фиг.4 изображен поперечный разрез Б-Б радиального колеса, изображенного на фиг.3;

на фиг.5 показан третий вариант выполнения радиального колеса в продольном разрезе;

на фиг.6 изображен поперечный разрез В-В радиального колеса, изображенного на фиг.5;

на фиг.7 показан четвертый вариант выполнения радиального колеса в продольном разрезе;

на фиг.8 изображен поперечный разрез Г-Г радиального колеса, изображенного на фиг.7;

на фиг.9 показана конфигурация в продольном разрезе радиального колеса в действии при увеличенном расходе газа;

на фиг.10 изображена в аксонометрии форма лопатки колеса, изображенного на фиг.9:

на фиг.11 приведен вид сверху на радиальное колесо в действии при увеличенном расходе газа;

на фиг.12 показана конфигурация в продольном разрезе радиального колеса в действии при сниженном расходе газа;

на фиг.13 изображена в аксонометрии форма лопатки колеса, изображенного на фиг.12:

на фиг.14 показан вид сверху на радиальное колесо в действии при сниженном расходе газа;

на фиг.15 в таблице 1 приведены аэродинамические параметры сравнительных испытаний жесткого радиального колеса и описываемого радиального колеса;

на фиг.16 в таблице 2 даны результаты сравнительных испытаний жесткого радиального колеса и описываемого радиального колеса.

Радиальное колесо 1 (см. фиг.1, фиг.2) содержит передний диск 2, снабженный, например, входной горловиной 3 и имеющий входное отверстие 4, и задний диск 5, соединенные друг с другом через лопаточный венец, имеющий ориентированные в осевом направлении лопатки 6 (на фиг.1-фиг.8 показано 8 лопаток 6), выполненные из гибкого материала. Из гибкого материала может быть выполнена как дистальная часть переднего диска 2 (см. фиг.1-фиг.4), так и весь передний диск 2 (фиг.7, фиг.8). Из гибкого материала может быть выполнена дистальная часть заднего диска 5 (см. фиг.3, фиг.4) или весь задний диск 5 (см. фиг.1, фиг.2). Колесо 1 может быть выполнено в виде одной монолитной детали, например, отформованной из резины или гибкого полимерного материала (см. фиг.5, фиг.6). В другом варианте реализации передний диск 2, задний диск 5 и лопатки 6 могут быть изготовлены в виде отдельных деталей, затем скрепленных между собой (см. фиг.9, фиг.11). В вариантах, в которых гибкими являются части переднего и/или заднего дисков 2, 5, остальные их части являются жесткими, выполненными из металла и соединенными между собой жесткими связями, например соединительными штангами на сварке. В качестве гибкого материала может быть использована резина, полимерный материал, ткань, выполненная, например, из высокопрочного углеродного волокна, из лавсанового волокна, из стеклянного волокна. Выходной диаметр переднего диска 2 и заднего диска 5 может быть равен выходному диаметру лопаток 6 (см. фиг.1, фиг.2, фиг.5, фиг.6). В другом варианте выходной диаметр переднего диска 2 и заднего диска 5 может быть больше выходного диаметра лопаток 5 (см. фиг.3, фиг.4, фиг.7, фиг.8).

Во время работы колесо 1 центробежной лопаточной машины вращается на валу 7 привода (не показан), соединенном со ступицей 8 в приводном направлении R (см. фиг.9-фиг.14), газообразная или жидкая среда, например, воздух из трубопровода 9, снабженного заслонкой 10, поступает через входное отверстие 4 в полость колеса 1, и лопатки 6 подают находящуюся внутри колеса среду наружу, где она выходит на наружном диаметре лопаток 6 по существу радиально. При прикрытой заслонке 10 (см. фиг.12-фиг.14) расход среды снижен, при этом передний диск 2 сближается с задним диском 5, а дистальные части лопаток 6 изгибаются в поперечном сечении по дуге, выпуклостью в направлении, обратном приводному направлению R. Тем самым поддерживается достаточная скорость среды в межлопаточных каналах 11, т.е. сохраняется напор и коэффициент полезного действия (КПД) центробежной лопаточной машины. При открытой заслонке 10 (см. фиг.9-фиг.11) расход воздуха увеличен, при этом передний диск 2 отходит от заднего диска 5, лопатки 6 распрямляются, тем самым межлопаточные каналы 11 расширяются, сохраняя скоростные параметры потока среды в расчетном диапазоне.

В соответствии с изобретением был изготовлен экспериментальный образец радиального колеса центробежной лопаточной машины (вентилятора). Рабочее колесо представляло собой составную конструкцию. Центральная часть выполнена из стальных элементов. Жесткая центральная часть представляла собой как бы фрагмент обрезанного до начального диаметра стального рабочего колеса известного вентилятора, т.е. геометрические размеры центральной части гибкого колеса соответствуют таковым для стального рабочего колеса. В качестве сравнительного образца был взят радиальный вентилятор общепромышленного назначения марки ВР 132-30 №5. Рабочее колесо вентилятора - стальное, с загнутыми назад лопатками. Марки использованных электродвигателей АИР80А4 и АМР112М2. Периферийная лопаточная часть колеса была изготовлена из лавсановой ткани методом шитья с дополнительной проклейкой швов. Лопаточные каналы были пришиты к гибким частям заднего и переднего дисков. Мягкие части дисков через фланцы были закреплены на центральной части через болтовые соединения. Заявляемое колесо монтировалось на валу указанных выше электродвигателей.

Диаметры радиальных колес:

- наружный

стального колеса 520 мм;

гибкого колеса по изобретению 527 мм;

- внутренний

стального колеса 242 мм;

гибкого колеса по изобретению 242 мм.

разъем выполнен на диаметре 280 мм.

На нагрузочном стенде были выполнены замеры акустических характеристик сравниваемых вентиляторов. Испытания проводились при частотах вращения 1450 об/мин и 2900 об/мин. Уровни шума замерялись на расстоянии 1 м от входного патрубка улитки. При испытаниях использовался один и тот же кожух улитки вентиляторов. Для обоих типов радиальных колес задавалась примерно одинаковая нагрузка по расходу, соответствующая 85% наибольшей производительности образцового вентилятора. Давление замерялось перед нагрузочным дросселем. Значения аэродинамических параметров приведены в таблице 1 (см. фиг.15). Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 2 (см. фиг.16).

Сравнительные испытания показали, что колесо согласно изобретению дает сходные характеристики по напору (снижение меньше трех процентов) и, в то же время, имеет существенно лучшие акустические характеристики. Наблюдается устойчивое снижение звукового давления во всем диапазоне частот.

Дальнейшее развитие данной конструкции гибких радиальных колес позволит улучшить эргономические свойства лопаточных машин.

1. Радиальное колесо центробежной лопаточной машины, содержащее передний диск, имеющий входное отверстие, и задний диск, соединенные друг с другом через лопаточный венец, который имеет ориентированные в осевом направлении лопатки, при этом лопатки лопаточного венца и по меньшей мере часть по меньшей мере одного диска выполнены из гибкого материала, деформирующегося при вращении радиального колеса.

2. Колесо центробежной лопаточной машины по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере часть переднего диска выполнена из гибкого материала.

3. Колесо центробежной лопаточной машины по п.1, отличающееся тем, что передний диск снабжен входной горловиной.

4. Колесо центробежной лопаточной машины по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере часть заднего диска выполнена из гибкого материала.

5. Колесо центробежной лопаточной машины по п.1, отличающееся тем, что в качестве гибкого материала использована резина.

6. Колесо центробежной лопаточной машины по п.1, отличающееся тем, что в качестве гибкого материала использован полимерный материал.

7. Колесо центробежной лопаточной машины по п.1, отличающееся тем, что в качестве гибкого материала использована ткань.

8. Колесо центробежной лопаточной машины по п.6, отличающееся тем, что в качестве гибкого материала использована ткань из лавсанового волокна.

9. Колесо центробежной лопаточной машины по п.6, отличающееся тем, что в качестве гибкого материала использована ткань из высокопрочного углеродного волокна.

10. Колесо центробежной лопаточной машины по п.6, отличающееся тем, что в качестве гибкого материала использована ткань из стеклянного волокна.

11. Колесо центробежной лопаточной машины по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде одной монолитной детали.

12. Колесо центробежной лопаточной машины по п.1, отличающееся тем, что передний диск, задний диск и лопатки выполнены в виде отдельных деталей, скрепленных между собой.