Радиальный вентилятор высокого давления

Изобретение относится к радиальным вентиляторам высокого давления. Вентилятор содержит спиральный корпус 1, входной патрубок 3 и рабочее колесо 2 диаметром D₂, образованное передним 4 и задним 5 дисками с лопатками 6 между ними, выполненными криволинейными и загнутыми назад. Передний диск 4 плоский с тороидальным входным участком 7, ширина рабочего колеса 2 b/D₂=0,10-0,12, входные кромки 9 лопаток 6 наклонены в среднем по ширине сечении и расположены на диаметре D₁/D₂=0,48-0,52, радиус кривизны лопатки 6 R/D₂=0,63-0,7, угол выхода лопаток 6 β₂=42-46°, диффузорность межлопаточного канала 10 n_d=1,8-2,2, диаметр минимального сечения входного патрубка 3 D₀/D₂=0,4-0,5. Технический результат - обеспечение высокого КПД вентилятора путем оптимизации лопаточной системы рабочего колеса с минимальными потерями давления в межлопаточных каналах и обеспечение технологичности конструкции вентилятора. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к обасти вентиляторостроения, в частности, к конструкции радиального вентилятора, и может быть использовано при проектировании радиальных вентиляторов высокого давления.

Из уровня техники известны вентиляторы высокого давления в спиральном корпусе.

Из описания к изобретению в патенте РФ «Радиальный вентилятор» №2124144, МПК F04D 17/08, дата публикация 27.12.1998 г., [1], известен радиальный вентилятор, содержащий рабочее колесо, входной патрубок и спиральный корпус, рабочее колесо содержит передний и задний диски, расположенные между дисками лопатки, выполненные криволинейными, загнутыми назад. Особенностью изобретения [1] является придание конусности переднему диску рабочего колеса и вхождение входного патрубка внутрь колеса, что значительно усложняет конструкцию вентилятора и не обеспечивает его надежную работу при высоких окружных скоростях рабочего колеса, необходимых для создания высокого давления.

В изобретении Китая «Центробежный вентилятор высокого давления» CN 205036603 (U), МПК F04D 17/08, F04D 25/06, дата публикации 17.02.2017, [2] рассмотрена конструкция привода радиального вентилятора высокого давления, в котором рабочее колесо насажено на вал, вращающийся в двух корпусах опорных подшипников, установленных вместе с двигателем на удлиненной станине. Такой привод гарантирует надежную работу вентилятора при высоких окружных скоростях рабочего колеса для создания высокого давления.

В изобретении Китая «Корпус вентилятора» CN 105041682 (А) F04D 17/08, F04D 29/42, дата публикации 11.11.2015, [3], известен радиальный вентилятор, содержащий рабочее колесо, размещенное в спиральном корпусе. Для обеспечения устойчивого течения в корпусе и снижения создаваемого шума спиральная обечайка корпуса очерчена восемью дугами окружности с постепенно увеличивающимися радиусами этих дуг.

В изобретении Китая «Центробежная вентиляторная машина с самоочищающимися лопатками колеса» CN 106382239 (А), МПК F04D 17/08, F04D 29/28, F04D 29/30, дата публикации 08.02.2017, [4], представлен радиальный вентилятор, содержащий рабочее колесо, входной патрубок и спиральный корпус; рабочее колесо содержит конический передний и плоский задний диски, расположенные между дисками 14 лопаток, выполненных плоскими, отклоненными назад, не допускающими отложение пыли и других частиц на лопатках, не вызывая тем самым перегрузку двигателя.

В описании полезной модели РФ «Центробежный вентилятор» №38367 U1, МПК F04D 17/08, дата публикация 10.06.2004 г., [5], представлен радиальный вентилятор высокого давления, содержащий рабочее колесо, входной патрубок и спиральный корпус, рабочее колесо содержит передний и задний диски, расположенные между дисками лопатки, выполненные криволинейными и загнутыми назад. Особенностью полезной модели [5] является придание конусности переднему диску, вхождение входного патрубка внутрь колеса, а также ряд геометрических параметров вентилятора, в частности, величины углов входа (34-36°) и выхода (39-41°) лопаток, диаметр по внутренним кромкам лопастей (49-51% диаметра рабочего колеса), диаметр входного патрубка (53-54% диаметра рабочего колеса), максимальное раскрытие спирального корпуса (39-41% диаметра рабочего колеса). Такие особенности радиального вентилятора усложняют конструкцию узкого рабочего колеса при сварном исполнении, не обеспечивают надежную работу вентилятора при достижении высокого давления (более 6 кПа), что является его недостатком.

Радиальный вентилятор, представленный в описании полезной модели [5], принят за наиболее близкий аналог изобретения.

Решаемой технической задачей изобретения является создание радиального вентилятора высокого давления.

Технический результат состоит в обеспечении высокого КПД вентилятора высокого давления при простой технологии изготовления рабочего колеса путем оптимизации лопаточной системы рабочего колеса с минимальными потерями давления в межлопаточных каналах, которые определяются оптимальными значениями углов атаки при обтекании входных кромок лопаток. Технический результат состоит также в обеспечении технологичности конструкции вентилятора высокого давления.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Радиальный вентилятор высокого давления, как и в наиболее близком аналоге [5], содержит рабочее колесо, входной патрубок и спиральный корпус, рабочее колесо содержит передний и задний диски, расположенные между дисками лопатки, выполненные криволинейными и загнутыми назад, но в отличие от наиболее близкого аналога [5], передний диск рабочего колеса выполнен плоским с тороидальным входным участком, ширина рабочего колеса составляет 0,10-0,12 диаметра рабочего колеса, входные кромки лопаток рабочего колеса выполнены наклонными со средним диаметром 0,48-0,52 диаметра рабочего колеса, радиус кривизны лопатки рабочего колеса составляет 0,63-0,70 диаметра рабочего колеса, угол выхода лопаток 42°-46°, диффузорность межлопаточного канала рабочего колеса составляет 1,8-2,2, диаметр минимального сечения входного патрубка составляет 0,4-0,5 диаметра рабочего колеса.

Радиальный вентилятор высокого давления характеризуется тем, что густота решетки лопаток рабочего колеса находится в диапазоне 1,5-2,0.

Радиальный вентилятор высокого давления характеризуется тем, что максимальное раскрытие спирального корпуса составляет 0,3 диаметра рабочего колеса.

Радиальный вентилятор высокого давления характеризуется тем, что входной патрубок отстоит от входа в рабочее колесо на расстояние не более 0,01 диаметра рабочего колеса.

Представленные в сущности изобретения признаки являются существенными для решения поставленной технической задачи и достижения технического результата, и образуют совокупность, достаточную для разработки и изготовления радиального вентилятора высокого давления на специализированном предприятии.

Радиальные вентиляторы высокого давления используются в вентиляционных системах и технологических установках различного назначения со сравнительно небольшим расходом и высоким сопротивлением сети. Эти вентиляторы характеризуются малым относительным диаметром минимального сечения входного патрубка и небольшой относительной шириной рабочего колеса и спирального корпуса.

Для обеспечения высокого давления свыше 6000 Па вентилятор должен иметь высокую окружную скорость рабочего колеса, как правило больше 120 м/с, и максимально возможный коэффициент давления больше единицы, что достигается большими значениями углов выхода лопаток в диапазоне 42°-46°. Для обеспечения достаточной прочности при такой окружной скорости рабочее колесо должно быть узким с шириной не более 0,1-0,12 диаметра рабочего колеса. Чтобы обеспечить высокий КПД вентилятора высокого давления, выполненного по такой простой конструктивной схеме без вхождения входного патрубка внутрь колеса, необходимо обеспечить оптимизацию лопаточной системы рабочего колеса с минимальными потерями давления в межлопаточных каналах, которые зависят от оптимальных значений углов атаки при обтекании входных кромок лопаток. Диффузорность межлопаточного канала рабочего колеса должна составлять 1,8-2,2, при этом густота решетки лопаток рабочего колеса должна находиться в диапазоне 1,5-2,0.

Для упрощения технологии изготовления такого узкого рабочего колеса при сварке передний диск колеса должен быть плоским с небольшим тороидальным входным участком, который обеспечивает плавное сопряжение с цилиндрическим выходным участком входного патрубка.

Для надежной работы вентилятора с высокооборотным рабочим колесом максимальное раскрытие спирального корпуса составляет 0,3 диаметра рабочего колеса, а осевое расстояние между входом в рабочее колесо и входным патрубком не превышает 0,01 диаметра рабочего колеса.

Изобретение поясняется чертежами и графиками.

На фиг. 1 представлен радиальный вентилятор высокого давления при виде сбоку.

На фиг. 2 представлен продольный разрез А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 показан график зависимости коэффициента полного давления λ от коэффициента расхода ϕ образца радиального вентилятора высокого давления λ=ƒ(ϕ).

На фиг. 4 показан график зависимости коэффициента мощности λ от коэффициента расхода ϕ образца радиального вентилятора высокого давления λ=ƒ(ϕ).

На фиг. 5 показан график зависимости полного коэффициента полезного действия η от коэффициента расхода ϕ образца радиального вентилятора высокого давления η=ƒ(ϕ).

Радиальный вентилятор высокого давления устроен следующим образом.

Радиальный вентилятор высокого давления (далее вентилятор), как показано на фиг. 1, 2, содержит спиральный корпус 1, рабочее колесо 2 и входной патрубок 3. Рабочее колесо 2 содержит передний 4 и задний 5 диски, расположенные между дисками 4 и 5 лопатки 6, выполненные криволинейными и загнутыми назад. Передний диск 4 рабочего колеса 2 выполнен плоским с тороидальным входным участком 7. Ширина b рабочего колеса 2, равная расстоянию между дисками 4 и 5 выходных кромок 8 лопаток 6, составляет 0,10-0,12 диаметра рабочего колеса D₂, равного диаметру окружности, описываемой выходными кромками 8 лопаток 6. Входные кромки 9 лопаток 6 рабочего колеса 2 выполнены наклонными со средним диаметром входа D₁=(0,48-0,52)D₂ диаметра рабочего колеса D₂, радиус кривизны R лопаток 6 рабочего колеса 2 составляет R=(0,63-0,70)D₂. Угол выхода лопаток 6 β₂=42°-46°, диффузорность n_d межлопаточного канала 10 рабочего колеса 2, равная отношению площади выходного сечения межлопаточного канала 10 к площади его входного сечения, составляет 1,8-2,2. Густота t решетки лопаток 6 рабочего колеса 2, равная отношению длины лопатки 6 к ширине межлопаточного канала 10 в среднем сечении по длине межлопаточного канала 10, находится в диапазоне 1,5-2,0, диаметр минимального сечения входного патрубка D₀ составляет 0,4-0,5 диаметра рабочего колеса D₂: D₀=(0,4-0,5)D₂.

Максимальное раскрытие спирального корпуса А равно 0,3 диаметра рабочего колеса D₂: А=0,3D₂. Входной патрубок 3 отстоит от входа в рабочее колесо 2 на расстояние h не более 0,01 диаметра рабочего колеса D₂: h≤0,01D₂.

В предпочтительном варианте выполнения радиальный вентилятор высокого давления имеет следующие геометрические параметры:

- угол выхода лопаток	β2=44°-46°
- относительная ширина колеса на выходе	b/D2=0,10-0,12
- относительный диаметр минимального сечения
входного патрубка	D0/D2=0,4-0,45
- относительный радиус кривизны лопаток	R/D2=0,63-0,68
- диффузорность межлопаточного канала колеса	nd=1,8-2,2.

Радиальный вентилятор высокого давления работает следующим образом.

Радиальные вентиляторы высокого давления создают полное давление, соответствующее 6000-12000 Па, что достигается при высоких окружных скоростях рабочих колес 2 u=πD₂n/60=120-130 м/с (где n - частота вращения рабочего колеса). При таких необходимых высоких значениях окружной скорости u для обеспечения достаточной прочности рабочие колеса 2 должны иметь небольшую относительную ширину b/D₂, соответствующие небольшие значения относительного диаметра минимального сечения входного патрубка 3 D₀/D₂ и относительного среднего диаметра D₁/D₂, где расположены входные кромки 9 лопаток 6 рабочего колеса 2. При этом увеличивается протяженность межлопаточных каналов 10 рабочего колеса 2.

Чтобы уменьшить габаритные размеры вентиляторов, коэффициенты давления ψ=2Pν/ρu², создаваемого вентилятором, и углы выхода β₂ лопаток 6 должны иметь как можно большие значения, но для обеспечения высоких КПД углы выхода β₂ лопаток 6 не должны превышать 50°. При большой протяженности межлопаточных каналов 10 рабочего колеса 2 на величину потерь давления в рабочем колесе 2 и значения КПД вентилятора большое влияние оказывает форма лопаток 6 рабочего колеса 2, которую необходимо оптимизировать.

Таким образом, при разработке нового вентилятора высокого давления с высоким КПД и с высокой степенью технологичности изготовления необходимо оптимизировать не только отдельные значения геометрических параметров аэродинамической схемы вентилятора, но и совокупность параметров и их соотношений, которые и обеспечивают высокую энергоэффективность вентилятора.

Результаты разработки радиального вентилятора высокого давления с оптимальными геометрическими параметрами представлены в виде аэродинамических характеристик на графиках фиг. 3, 4, 5, которые получены в результате аэродинамических испытаний опытного образца и подтверждают достижение изобретением решения заявленной технической задачи и получения технического результата.

Действительно, коэффициент полного давления ψ=2Pν/ρu², как продемонстрировано на графике фиг. 3, достигает максимальной величины ψ_MAX=1,245 при низких величинах коэффициента расхода ϕ=Q/(uF)=0,026, при этом напорная характеристика ψ(ϕ) имеет плавный характер в диапазоне коэффициентов расхода ϕ=0,02-0,11,

где:

Pν - полное давление, создаваемое вентилятором;

ρ - плотность воздуха;

u=πD₂n/60 - окружная скорость внешних концов лопаток 6 рабочего колеса 2;

n - частота вращения рабочего колеса 2;

Q - объемная производительность вентилятора;

F=πD₂²/4 - условная площадь рабочего колеса 2;

Коэффициент потребляемой мощности (характеризующий приводимую к валу рабочего колеса 2 мощность N) в зависимости от коэффициента расхода ϕ, согласно графику фиг. 4, достигает максимальной величины в диапазоне коэффициента расхода ϕ=0,1-0,12 напорной характеристики вентилятора и не вызывает перегрузку двигателя при работе вентилятора на этих режимах.

Максимальная величина полного коэффициента полезного действия η=PνQ/N достигается, как показано на графике фиг. 5, при величинах коэффициента расхода ϕ=0,06-0,08 и составляет η=0,8 (80%).

Таким образом, экспериментально показана возможность решения поставленной технической задачи и достижение технического результата при создании радиального вентилятора высокого давления в соответствии с представленными формулой и описанием изобретения.

Полнота раскрытия устройства радиального вентилятора высокого давления в формуле и описании изобретения позволяет разработать и изготовить вентилятор на специализированном предприятии. Изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Перечень позиций и обозначений изобретения

«Радиальный вентилятор высокого давления»

1 - спиральный корпус;

2 - рабочее колесо;

3 - входной патрубок;

4 - передний диск;

5 - задний диск;

6 - лопатка рабочего колеса;

7 - тороидальный входной участок рабочего колеса 2;

8 - выходная кромка лопатки 6;

9 - входная кромка лопатки 6 рабочего колеса 2;

10 - межлопаточный канал рабочего колеса 2.

D₂ [м] - диаметр рабочего колеса 2, равен диаметру окружности, описываемой выходными кромками 8 лопаток 6;

D₁ [м] - средний диаметр входа в рабочее колесо 2, равный диаметру окружности, описываемой входными кромками 9 лопаток 6 колеса 2 в среднем по ширине рабочего колеса 2 сечении;

D₀ [м] - диаметр минимального сечения входного патрубка 3;

R [м] - радиус кривизны лопатки 6 рабочего колеса 2;

b [м] - ширина рабочего колеса 2, равная расстоянию между передним 4 и задним 5 дисками рабочего колеса 2;

h [м] - расстояние от входного патрубка 3 до входа в рабочее колесо 2;

А [м]- максимальное раскрытие спирального корпуса 1;

β₂ [град] - угол выхода лопаток 6 рабочего колеса 2;

b/D₂ - относительная ширина рабочего колеса 2, равная расстоянию b между передним 4 и задним 5 дисками рабочего колеса 2, отнесенному к диаметру D₂ рабочего колеса 2;

n_d - диффузорность межлопаточного канала 8 рабочего колеса 2, равная отношению площади выходного сечения межлопаточного канала 10 к площади его входного сечения;

t - густота решетки лопаток 6 рабочего колеса 2, равная отношению длины лопатки 6 к ширине межлопаточного канала 10 в среднем сечении по длине межлопаточного канала 10;

D₀/D₂ - относительный диаметр минимального сечения входного патрубка 3;

ψ=2Pν/ρu² - коэффициент полного давления;

ϕ=Q/(uF) - коэффициент расхода;

- коэффициент потребляемой мощности;

η=PνQ/N - полный коэффициент полезного действия вентилятора;

Pν [Па] - полное давление, создаваемое вентилятором;

ρ [кг/м³] - плотность воздуха;

u=πD₂n/60 [м/с] - окружная скорость рабочего колеса 2;

n [мин^-1] - частота вращения рабочего колеса 2;

Q [м³/с] - объемная производительность вентилятора;

F=πD₂²/4 [м²]- условная площадь рабочего колеса 2;

N [Вт] - механическая мощность, подводимая к валу рабочего колеса 2.

1. Радиальный вентилятор высокого давления, содержащий рабочее колесо, входной патрубок и спиральный корпус, рабочее колесо содержит передний и задний диски, расположенные между дисками лопатки, выполненные криволинейными и загнутыми назад, отличающийся тем, что передний диск рабочего колеса выполнен плоским с тороидальным входным участком, ширина рабочего колеса на выходе составляет 0,10-0,12 диаметра рабочего колеса, входные кромки лопаток рабочего колеса выполнены наклонными и в среднем по ширине колеса сечении расположены на диаметре 0,48-0,52 диаметра рабочего колеса, радиус кривизны лопатки рабочего колеса составляет 0,63-0,7 диаметра рабочего колеса, угол выхода лопаток 42-46°, диффузорность межлопаточного канала рабочего колеса составляет 1,8-2,2, диаметр минимального сечения входного патрубка равен 0,4-0,5 диаметра рабочего колеса.

2. Радиальный вентилятор высокого давления по п. 1, отличающийся тем, что густота решетки лопаток рабочего колеса находится в диапазоне 1,5-2,0.

3. Радиальный вентилятор высокого давления по п. 1, отличающийся тем, что максимальное раскрытие спирального корпуса составляет 0,3 диаметра рабочего колеса.

4. Радиальный вентилятор высокого давления по п. 1, отличающийся тем, что входной патрубок отстоит от входа в рабочее колесо на расстояние не более 0,01 диаметра рабочего колеса.