Радиальное колесо вентилятора, блок вентилятора и система радиального вентилятора
Изобретение относится к радиальному колесу вентилятора с наклоненными против направления (8) вращения лопатками (2) (радиальное рабочее колесо с наклоном назад), в которых наружные краевые области (14, 7) переднего и заднего дисков (3, 1) выступают за выходной диаметр (DAs) лопаток. Заданное таким образом между задним и передним дисками (1, 3) и выходным диаметром (DAs) лопаток и наружным диаметром (DN) лопаток диффузионное пространство обеспечивает эффективное преобразование кинетической энергии текучей среды в потенциал давления (преобразование кинетической энергии в статическое давление). При этом профиль поперечного сечения диффузионного пространства выполнен прямоугольным или трапециевидно расширенным радиально наружу, что позволяет повысить КПД радиального вентилятора. 3 н. и 7 з.п.ф-лы, 7 ил.
Область техники
Изобретение относится к радиальному колесу вентилятора с наклоненными назад направляющими лопатками, блоку вентилятора и системе радиального вентилятора.
Уровень техники
Такие радиальные колеса вентилятора или рабочие радиальные колеса применяются, например, в технике кондиционирования воздуха и в вентиляционной технике.
В вентиляционной технике применяются также рабочие колеса с наклоненными вперед 30-40 направляющими лопатками, которые проходят изнутри наружу в направлении вращения, с диаметрами от 160 до 400 мм в соединении с образующими поток спиральными корпусами. Их статический коэффициент полезного действия составляет около 30-35%. Такое рабочее колесо известно из JP 06299993. Выполнение радиального вентилятора с сужающимся выходным кольцом показано в US 1447915, в котором получивший центробежное ускорение воздух дополнительно ускоряется с помощью радиально сужающегося наружу выходного сопла.
Для больших объемных потоков в большинстве случаев применяются рабочие колеса с наклоном назад, в которых направляющие лопатки наклонены наружу против направления вращения. Общепринятые диаметры составляют от 200 до 1500 мм, для особых применений известны диаметры свыше 2500 мм. Статический коэффициент полезного действия таких рабочих колес находится в диапазоне от 70 до 74%. Их применяют со спиральным корпусом и без него, т.е. при свободной установке, например, в так называемых кожухах кондиционеров. При этом засасываемый в осевом направлении снаружи через входное отверстие воздух выходит наружу радиально между лопатками. Для уменьшения нежелательных излучений шума, которые возникают при работе рабочих колес вентилятора, необходимы либо звукоизоляционные (звукопоглощающие) меры, либо конструктивные меры на самом рабочем колесе, которые оказывают влияние на выходной поток воздуха с уменьшением шума.
В ЕР 0848788 показано рабочее колесо, в котором наружные кромки лопаток имеют косой, наклоненный к оси вращения край, а периферийные концевые участки концевых пластин изогнуты, чтобы понижать звуковое давление в диапазоне частот от 50 до 300 Гц.
При выходе потока воздуха из рабочего колеса за счет резкого расширения поперечного сечения потока возникают эффекты, которые уменьшают коэффициент полезного действия при превращении содержащейся в среде потока кинетической энергии в желаемое статическое повышение давления. Для улучшения этого коэффициента полезного действия после рабочего колеса располагают неподвижные диффузорные кольца с решеткой из направляющих лопаток, которые известны, например, из ЕР 1039142. Однако такие диффузорные кольца являются конструктивно сложными, занимающими много места и дорогостоящими.
Сущность изобретения
Изобретение согласно первому аспекту представляет радиальное колесо вентилятора с имеющим входное отверстие передним диском и задним диском. Указанные диски соединены друг с другом через лопаточный венец, который имеет проходящие наклонно изнутри наружу против направления вращения и ориентированные в осевом направлении направляющие лопатки. Проходящие параллельно оси вращения наружные кромки направляющих лопаток задают выходной диаметр лопаток. На переднем и заднем дисках выполнены выступающие за выходной диаметр лопаток наружные краевые зоны, которые задают кольцевое диффузионное пространство с наружным диаметром, который превышает выходной диаметр лопаток максимум на 25% и профиль поперечного сечения которого выполнен прямоугольно или трапециевидно расширенным наружу.
Другой аспект изобретения относится к блоку вентилятора с пластиной всасывания с интегрированным входным соплом, которая через держатель соединена посредством балок с несущим привод держателем. Колесо вентилятора указанного выше типа расположено на приводном валу между приводом и входным соплом.
Другой аспект изобретения относится к системе радиального вентилятора, которая имеет следующее: радиальное колесо вентилятора с имеющим входное отверстие передним диском и задним диском, которые соединены друг с другом через лопаточный венец, который имеет проходящие с изгибом изнутри наружу против направления вращения и ориентированные в осевом направлении лопатки, проходящие параллельно оси вращения наружные кромки которых задают выходной диаметр (DAs) лопаток, при этом на переднем и заднем дисках образованы выступающие за выходной диаметр лопаток наружные краевые области, которые задают кольцевое диффузионное пространство с наружным диаметром (DN), который превышает выходной диаметр (DAs) лопаток максимум на 25% и профиль поперечного сечения которого выполнен прямоугольно или трапециевидно расширенным наружу; и зону, которая радиально примыкает к диффузионному пространству и примыкает со стороны торца, по меньшей мере, к одной наружной краевой области и не имеет направляющих элементов, существенно влияющих на профиль давления и/или скорости проходящей через эту зону текучей среды.
Другие признаки содержатся в раскрытых устройствах и способах или следуют для специалистов в данной области техники из приведенного ниже подробного описания вариантов осуществления и прилагаемых чертежей.
Краткое описание чертежей
Ниже описываются приведенные лишь в качестве примера варианты осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - трехмерный вид колеса вентилятора;
фиг.2 - разрез по оси вращения показанного на фиг.1 колеса вентилятора;
фиг.3 - вид колеса вентилятора в направлении оси вращения на задний диск;
фиг.4 - вариант выполнения краевой области колеса вентилятора;
фиг.5 - альтернативное выполнение краевой области;
фиг.6а и b - осевой и поперечный разрезы системы свободно установленного колеса вентилятора в кожухе кондиционера; и
фиг.7а и b - осевой и поперечный разрезы системы колеса вентилятора (не свободно установленного) в спиральном корпусе.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
На фиг.1 показан трехмерный вид колеса вентилятора. Перед подробным описанием фиг.1 приводятся различные пояснения к вариантам осуществления.
В показанных колесах вентилятора между наружными краевыми областями переднего и заднего дисков, которые выступают за выходной диаметр лопаток, образовано кольцевое диффузионное пространство, в котором выходящий поток текучей среды успокаивается и кинетическая энергия с небольшими потерями преобразуется в статическое давление. При этом профиль поперечного сечения этого «диффузионного кольца» можно конструктивно и технологически особенно простым образом выполнять прямоугольным за счет соответствующего увеличения наружного диаметра переднего и заднего дисков по сравнению с выходным диаметром лопаток. В качестве альтернативного решения оно может трапециевидно расширяться наружу, при этом за счет дополнительного расширения поперечного сечения усиливается диффузионное действие и тем самым повышается коэффициент полезного действия, а диаметр колеса можно уменьшить.
В некоторых вариантах осуществления наружный диаметр (DN) диффузионного пространства (например, 16 на фиг.2, 4, 5) превышает выходной диаметр (DAs) лопаток на 8-20%, предпочтительно 10-15% и еще более предпочтительно на 12%. Это - диапазоны диаметра, в которых максимально проявляется указанное действие.
В некоторых вариантах осуществления наружная краевая область (например, 7 на фиг.4 и 5) и плоскость, перпендикулярная оси вращения, образуют угол α, который меньше 35° и, например, меньше 25°. Например, угол α составляет 12°. Это - углы раскрытия, при которых особенно эффективно возникает желаемое направление воздуха и достигается особенно эффективное диффузионное действие.
В вариантах осуществления с особенно эффективным выполнением колеса вентилятора, в области входа воздуха входное отверстие переднего диска конусообразно расширяется внутрь. В некоторых из этих вариантов осуществления внутренние кромки направляющих лопаток имеют в области соединения с передним диском выпуклый изгиб.
В некоторых вариантах осуществления задний диск (например, 1 на фиг.1-6) снабжен ступицей (например, 9).
В некоторых вариантах осуществления число лопаток колеса вентилятора находится в диапазоне от шести до десяти лопаток.
Входной угол лопаток находится, например, в диапазоне от 19 до 25°, выходной угол лопаток находится, например, в диапазоне от 28 до 34° (включая указанные величины).
Варианты осуществления включают также блоки вентилятора с пластиной всасывания (например, 7) с интегрированным входным соплом (например, 18), которая через держатель (например, 19) посредством балок (например, 20) соединена с несущим привод (например, 22) держателем (например, 21), при этом колесо вентилятора согласно одному варианту осуществления расположено на приводном валу (например, 23) между приводом и входным соплом.
Некоторые варианты осуществления относятся к системам радиального вентилятора, в которых рабочее колесо устанавливается в основном без дополнительных направляющих поток элементов, и, в частности, такие элементы не содержатся в области выхода воздуха. Такая система радиального вентилятора имеет, например, следующее: радиальное колесо вентилятора с имеющим входное отверстие передним диском и задним диском, которые соединены друг с другом через лопаточный венец, который имеет проходящие с изгибом изнутри наружу против направления вращения и ориентированные в осевом направлении лопатки, проходящие параллельно оси вращения наружные кромки которых задают выходной диаметр (DAs) лопаток, при этом на переднем и нижнем дисках образованы выпускающие за выходной диаметр лопаток наружные краевые области, которые задают кольцевое диффузионное пространство с наружным диаметром (DN), который превышает выходной диаметр (DAs) лопаток максимум на 25% и профиль поперечного сечения которого выполнен прямоугольно или трапециевидно с расширением наружу; и зону, которая радиально примыкает к диффузионному пространству, а со стороны торца примыкает, по меньшей мере, к одной наружной краевой области и не имеет направляющих элементов, существенно влияющих на профиль давления и/или скорости проходящей через эту зону текучей среды.
В некоторых вариантах осуществления указанные колеса вентилятора применяются в виде свободно установленных колес вентилятора, например, по существу в кубообразных кожухах кондиционеров. В других вариантах осуществления колеса вентилятора применяются в спиральных корпусах.
Как показано на фиг.1, колесо вентилятора образовано из плоского заднего диска 1, состоящего из нескольких лопаток 2 лопаточного венца, и переднего диска 3. Задний и передний диски 1, 3 расположены концентрично на расстоянии В друг от друга относительно оси 4 вращения и соединены друг с другом через лопаточный венец. Передний диск 3 имеет входное отверстие 5 с диаметром DE, через которое во время работы всасывается текучая среда.
При этом передний диск 3 проходит, исходя от ограничивающего входное отверстие 5 со стороны торца края 6, конусообразно расширяясь внутрь и радиально в наружную краевую область 7. Задний диск 1 выполнен в виде кругового диска и несет центрально расположенную ступицу 9 с отверстием 10, которая может быть соединена с приводным блоком для приведения во вращение колеса вентилятора (фиг.6). В непредставленном варианте осуществления задний диск и приводной фланец могут быть также выполнены за одно целое.
Задний и передний диски ограничены своими наружными кромками 8 и соединены друг с другом через лопаточный венец на расстоянии В (привод с электродвигателем с наружным ротором).
Лопаточный венец имеет в показанном в качестве примера варианте осуществления семь направляющих лопаток 2, которые расположены равномерно звездообразно относительно оси 4 вращения. При этом обращенные к оси вращения внутренние кромки 11 задают внутренний диаметр DSi, а наружные кромки 12 - наружный диаметр DSa лопаток. Собственно рабочая сторона лопатки проходит, исходя от внутренней кромки 11, в радиальном направлении и с наклоном наружу против направления R вращения, где она заканчивается на наружной кромке 12 лопатки (фиг.3). Дополнительно к этому проходящие в осевом направлении направляющие лопатки изогнуты относительно оси 4 вращения, при этом выпуклые стороны обращены наружу. Такое колесо вентилятора называется также изогнутым назад рабочим колесом, в альтернативных вариантах осуществления (не изображены) оно снабжено, например, 6-14 лопатками, при этом направляющие лопатки 2 могут быть выполнены также плоскими. Их боковые края соединены подходящим образом с задним и, соответственно, передним дисками 1, 3, при этом контуры боковых краев в области их присоединения следуют изгибу заднего диска 1 и, соответственно, переднего диска 3. Наружная и внутренняя кромки 12, 11 проходят по существу параллельно оси 4 вращения, при этом в показанном примере осуществления внутренняя кромка 11 в области присоединения к переднему диску проходит с изгибом по технологическим и аэродинамическим причинам.
Под входным углом β1 лопатки (фиг.3) понимается в данном случае угол между касательной к внутренней точке основания лопатки и проходящей через эту точку основания касательной к круговой периферии, а под выходным углом β2 лопатки понимается, соответственно, угол между касательной к наружной точке основания лопатки и проходящей через эту точку основания касательной к круговой периферии. В лопатках с подходящим логарифмическим изгибом входной и выходной углы равны; в показанных на фигурах вариантах осуществления лопатки менее сильно изогнуты, так что входной угол β1 лопатки меньше выходного угла β2 лопатки.
Задний и передний диски 1, 3 имеют наружный диаметр DN, который превышает наружный диаметр DSa лопаток, так что также между наружной кромкой 8 заднего диска 1 и наружным диаметром DSa направляющих лопаток задается наружная краевая область 14. Расстояние между передним и задним дисками 3, 1 или ширина В лопаток составляет максимум:
5(DN-DSa)/2.
Во время работы колесо вентилятора вращается в приводном направлении R (фиг.3), и направляющие лопатки подают находящуюся внутри колеса вентилятора текучую среду наружу, где она выходит на наружном диаметре DSa по существу радиально. За счет возникающего разрежения внутри рабочего колеса текучая среда всасывается снаружи через входное отверстие 5. Таким образом, направление потока проходит коаксиально через входное отверстие внутрь рабочего колеса и направляется радиально наружу, причем поперечное сечение потока непрерывно расширяется. При этом поток выходит сначала на диаметре DSa из промежуточных пространств 15 между лопатками в диффузионное пространство 16, которое задано кольцеобразно между наружными кромками 12 направляющих лопаток 2, наружными краевыми областями 7, 14 переднего и, соответственно, заднего дисков 3, 1 и наружным диаметром DN соответствующих наружных кромок 8. Форма этой области влияет на коэффициент полезного действия и уровень шума колеса вентилятора. За счет того, что радиальный поток после своего выхода из промежуточных пространств 15 между лопатками удерживается на обеих сторонах в осевом направлении с помощью наружных краевых областей 7, 14, прежде чем он покинет колесо вентилятора, исключается так называемый диффузорный эффект Карно, который возникал бы при непосредственном освобождении потока в осевом направлении. За счет направления потока, согласно изобретению, возникает контролируемая диффузия в диффузионном пространстве, т.е. сообщаемая текучей среде в промежуточных пространствах 15 кинетическая энергия преобразуется в потенциал давления с небольшими потерями. То есть с точки зрения аэродинамики: кинетическое давление преобразуется в статическое давление. За счет предотвращения диффузии Карно увеличивается коэффициент полезного действия, а уменьшение турбулентности на выходных кромках 8 и 12 уменьшает излучение шума.
В вариантах осуществления, согласно фиг.4 и 5, задано диффузионное пространство 16, поперечное сечение которого в противоположность показанной на фиг.2 прямоугольной форме расширяется трапециевидно наружу. Как показано на фиг.4, наружная краевая область 7 переднего диска 3 открывается наружу с углом α, который находится в диапазоне между 0 и 35°. Это дополнительное расширение усиливает диффузионный эффект и позволяет выполнять наружные краевые области 7, 14 более узкими, так что наружный диаметр DN, например, лишь на 20% или меньше превышает наружный диаметр DSa лопаток, однако он должен превышать его, по меньшей мере, на 8%.
На фиг.5 показано соответствующее расширение обеих наружных краевых областей 7, 14 заднего и переднего дисков 1, 3. Краевое расширение можно выполнять также лишь на заднем диске 1 (не изображено).
На фиг.6 показан собранный блок в осевом разрезе (фиг.6а) и в поперечном разрезе (фиг.6b), который наряду с колесом вентилятора, описание которого приведено выше, имеет дополнительно пластину 17 всасывания с интегрированным входным соплом 18, которая через держатели 19 и балки 20 соединена с держателем 22 электродвигателя, приводной вал 23 которого соединен со ступицей 9 колеса вентилятора. Этот собранный блок со свободно установленным колесом вентилятора размещен в имеющем по существу форму куба кожухе 24 кондиционера. В нем с помощью блока вентилятора создается внутри давление, которое создает в одном или нескольких отходящих каналах объемные потоки. Поскольку такие кожухи кондиционера, как правило, не выполнены аэродинамическими, то указанное диффузионное действие является в них особенно эффективным, поскольку можно в целом отказаться от дополнительных направляющих поток или изолирующих шум мер. В частности, отсутствуют радиально примыкающие к диффузионному пространству 16 направляющие элементы, например неподвижные диффузионные кольца. При этом дополнительно, обращенная наружу торцевая сторона одной или обеих наружных краевых областей 7, 14 также не содержит направляющие элементы. Колесо 1 вентилятора в кожухе 24 кондиционера не окружено спиральным корпусом; стенки кожуха кондиционера в радиальном направлении удалены относительно далеко от наружного края колеса вентилятора, а также диффузионного пространства (обычно более чем на 15% радиуса колеса вентилятора, а также половины наружного диаметра (DN) диффузионного пространства), и колесо вентилятора на наружном диаметре (DN) диффузионного пространства в одном или обоих радиальных направлениях не имеет закрывающего диффузионное пространство корпуса (т.е. стенки кожуха кондиционера удалены в осевом направлении дальше, чем на ширину колеса на выходе из колеса).
Для колеса вентилятора со следующими размерами было при свободной установке получено повышение коэффициента полезного действия на 5%:
| Наружный диаметр, DN: | 457 мм |
| Наружный диаметр лопаток, Dsa: | 406,4 мм |
| Внутренний диаметр лопаток, Dsi: | 252,4 мм |
| Ширина лопаток на выходе, B: | 110,5 мм |
| Диаметр входного отверстия, DE: | 257,4 мм |
| Входной угол лопаток, β1: | 22° |
| Выходной угол лопаток, β2: | 31° |
Размеры для других вариантов осуществления колес вентилятора находятся в следующих диапазонах:
| Наружный диаметр, DN: | 200-1800 мм |
| Наружный диаметр лопаток, Dsa: | 160-1400 мм |
| Внутренний диаметр лопаток, Dsi: | 100-650 мм |
| Ширина лопаток на выходе, B: | 40-280 мм |
| Диаметр входного отверстия, DE: | 98-660 мм |
| Входной угол лопаток, β1: | 19-25° |
| Выходной угол лопаток, β2: | 28-34° |
Как показано на фиг.7а (осевой разрез) и 7b (поперечный разрез), можно использовать колесо 1 вентилятора, описание которого приведено выше, также в соединении со спиральным корпусом 25, поскольку и в этом случае полезно достигаемое увеличение коэффициента полезного действия. Спиральный корпус 25 имеет язык 26; он образован той частью спирального корпуса, в которой радиальное расстояние до колеса вентилятора является минимальным (оно составляет, например, менее 15% радиуса колеса вентилятора). Исходя от языка 26, это расстояние увеличивается (например, линейно или логарифмически) вплоть до выходного отверстия 27. В осевом направлении спиральный корпус может, например, примыкать непосредственно к образующим диффузор стенкам колеса или же может быть расположен от них на расстоянии х, которое, как показано на фиг.7а, например, меньше ширины колеса на выходе (т.е. у диффузора).
Содержание всех публикаций и описание существующих систем, названных в данном описании, включаются в данное описание.
Хотя было приведено описание определенных изделий, выполненных в соответствии с идеями данного изобретения, объем защиты данного патента не ограничивается ими. Наоборот, патент охватывает все варианты осуществления в соответствии с идеями изобретения, которые, буквально или принимая во внимание доктрину эквивалентов, входят в объем защиты прилагаемой формулы
1. Радиальное колесо вентилятора, содержащее имеющий входное отверстие (5) передний диск (3) и задний диск (1), которые соединены друг с другом через лопаточный венец, который имеет проходящие с изгибом изнутри наружу против направления вращения и ориентированные в осевом направлении лопатки (2), проходящие параллельно оси (4) вращения наружные кромки (8) которых задают выходной диаметр (DAs) лопаток, при этом на переднем и заднем дисках (3, 1) образованы выступающие за выходной диаметр лопаток наружные краевые области (7, 14), которые задают кольцевое диффузионное пространство (16) с наружным диаметром (DN), который превышает выходной диаметр (DAs) лопаток максимум на 25%, при этом выступающие краевые области (7, 14) проходят в поперечном сечении прямолинейно и профиль поперечного сечения диффузионного пространства (16) выполнен прямоугольно или трапециевидно расширенным наружу, при этом радиальное колесо вентилятора снаружи от выходного диаметра (DSa) не имеет лопаток.
2. Колесо вентилятора по п.1, в котором входной угол (в1) направляющих лопаток (2) составляет 19-25°, а их выходной угол (в2) составляет 28-34°.
3. Колесо вентилятора по п.1, в котором наружный диаметр (DN) диффузионного пространства (16) превышает выходной диаметр (DAs) лопаток на 8-20%.
4. Колесо вентилятора по п.1, в котором наружная краевая область (7, 14) и плоскость, перпендикулярная оси вращения, образуют угол α, который меньше 35°.
5. Колесо вентилятора по п.4, в котором угол α составляет 12°.
6. Колесо вентилятора по п.5, в котором входное отверстие (5) переднего диска конусообразно расширяется внутрь.
7. Колесо вентилятора по п.6, в котором внутренние кромки (10) направляющих лопаток (2) имеют в области присоединения к переднему диску (3) выпуклый изгиб.
8. Колесо вентилятора по п.7, в котором задний диск (1) снабжен ступицей (9).
9. Блок вентилятора, содержащий пластину (7) всасывания с интегрированным входным соплом (18), которая через держатель (19) соединена посредством балок (20) с несущим привод (22) держателем (21), при этом колесо вентилятора по п.1 расположено на приводном валу (23) между приводом (22) и входным соплом (18).
10. Система радиального вентилятора, которая имеет радиальное колесо вентилятора по п.1 и зону, которая радиально примыкает к диффузионному пространству и со стороны торца примыкает, по меньшей мере, к одной наружной краевой области (7, 14) и не имеет направляющих элементов, существенно влияющих на профиль давления и/или скорости проходящей через эту зону текучей среды.
