RU2646987C2 - Centrifuge-axial fan "sherdor" - Google Patents

Abstract

FIELD: ventilation.

SUBSTANCE: invention relates to fans, compressors and propellers of the vertical take-off and landing apparatus. Technical solution is to use the energy of the entire accelerated mass of gas both in the axial and radial directions. Profile of the rotating blades contains the quality of both the axial and radial fan, and the profile and direction of the line of the edges of the fixed blades are oriented to the incoming stream in this manner, at which the outgoing gas is directed parallel to the axis of rotation of the fan or in a different direction.

EFFECT: invention increases the efficiency and throughput of the mechanism.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к вентиляторам, компрессорам и движителям аппарата вертикального взлета и посадки.The invention relates to fans, compressors and propulsion apparatus for vertical take-off and landing.

Известны центробежные вентиляторы, содержащие рабочее колесо с лопатками, плоскости которых параллельны оси вращения колеса. Перемещение газовой массы происходит за счет центробежных сил, направляющих газ в радиальном направлении. Потери энергии происходят при изменении направления движения газов и при сравнительно длинном пути прохождения газов в улитке корпуса.Known centrifugal fans containing an impeller with blades, the planes of which are parallel to the axis of rotation of the wheel. The movement of the gas mass occurs due to centrifugal forces directing the gas in the radial direction. Losses of energy occur when the direction of movement of the gases and with a relatively long path of passage of gases in the cochlea shell.

Известны осевые вентиляторы, содержащие рабочее колесо с лопастями, плоскость которых ориентирована под углом к оси вращения колеса. Перемещение газовой массы происходит по спирали, ось которой совпадает с осью вращения колеса. Потери энергии происходят по причине непроизводительного закручивания массы газа во вращательное движение и затраты на центробежное ускорение.Known axial fans containing an impeller with blades, the plane of which is oriented at an angle to the axis of rotation of the wheel. The movement of the gas mass occurs in a spiral, the axis of which coincides with the axis of rotation of the wheel. Energy losses occur due to unproductive twisting of the gas mass into rotational motion and the cost of centrifugal acceleration.

Известны осевые компрессоры, в которых закручиваемая масса газа спрямляется неподвижными, относительно корпуса, лопатками и производит полезную работу в виде давления на неподвижные лопатки в осевом направлении. Затраты энергии на центробежное ускорение непроизводительны.Axial compressors are known in which the swirling mass of gas is straightened with stationary blades relative to the casing and performs useful work in the form of pressure on the stationary blades in the axial direction. Energy costs for centrifugal acceleration are unproductive.

Известно техническое решение, принятое за прототип. Рабочее колесо осевого вентилятора или компрессора и вентиляторный контур двухконтурного турбовентиляторного двигателя, использующий такое рабочее колесо (Патент RU 2460905 С2). В этом техническом решении энергия потока в радиальном направлении частично проделывает полезную работу за счет давления на внутреннюю поверхность конусообразного тракта или бандажа. Но основная доля энергии от радиального уплотнения массы газа остается неиспользованной в полезной работе. Также остается неиспользованной вращательная энергия газа. И остается проблема преимущественного уплотнения газа в радиальном направлении, что повышает отрицательный эффект перетекания газа на торцах лопаток из зоны повышенного давления в пониженную.Known technical solution adopted for the prototype. The impeller of an axial fan or compressor and the fan circuit of a dual-circuit turbofan engine using such an impeller (Patent RU 2460905 C2). In this technical solution, the energy of the flow in the radial direction partially does a useful job due to the pressure on the inner surface of the conical path or bandage. But the bulk of the energy from the radial compaction of the gas mass remains unused in useful work. The rotational energy of the gas also remains unused. And there remains the problem of preferential gas compaction in the radial direction, which increases the negative effect of gas flow at the ends of the blades from the zone of high pressure to low.

Задачей изобретения является создание вентилятора или ступени компрессора с равномерным уплотнением газа по плоскости вращения, образуемой лопатками вентилятора или компрессора, и с максимальным использованием энергии центробежных и осевых сил газа, что приведет к повышению коэффициента полезного действия механизма.The objective of the invention is the creation of a fan or compressor stage with uniform gas compaction along the plane of rotation formed by the blades of the fan or compressor, and with maximum use of the energy of centrifugal and axial gas forces, which will increase the efficiency of the mechanism.

Технический результат достигается тем, что вращающиеся лопатки максимально ускоряют газ в осевом, центробежном и вращательном направлениях, а неподвижные лопатки спрямляют поток таким образом, что в каждой точке плоскости вращения вентилятора вектор скорости газа направлен перпендикулярно этой плоскости вращения. The technical result is achieved in that the rotating blades accelerate the gas to the maximum in the axial, centrifugal and rotational directions, and the stationary blades straighten the flow so that at each point of the plane of rotation of the fan the gas velocity vector is directed perpendicular to this plane of rotation.

Внутренний профиль (корытце) вращающихся лопаток в поперечном сечении имеет форму дуги и содержит качество как осевого, так и центробежного вентиляторов. Это достигается тем, что угол атаки входящей кромки аналогичен углу атаки осевого вентилятора (или воздушного винта) в соответствующих точках от оси вращения. То есть если провести касательную к дуге профиля поперечного сечения в точке входа газа, то угол атаки касательной будет в пределах угла атаки воздушного винта. Если касательную провести к дуге профиля поперечного сечения лопатки в точке выхода газа из вращающейся лопатки, то она будет параллельна оси вращения вентилятора, а плоскость, проведенная через эту касательную, будет аналогична лопасти центробежного вентилятора. Таким образом, в начале входной кромки газ ускоряется преимущественно в осевом направлении, а по мере приближения к выходной кромке - преимущественно в центробежном. В момент выхода с выходной кромки вращающейся лопатки газу придается максимальная кинетическая энергия в виде осевой, радиальной и тангенциальной скоростей. Результирующий вектор этих скоростей при выходе с кромки вращающейся лопатки направлен таким образом, что в каждой отдельно взятой точке неподвижной лопатки находится в одной плоскости с дугообразным профилем поперечного сечения неподвижной лопатки и направлен по касательной к этой дуге. Дугообразный профиль корытца неподвижной лопатки спрямляет поток газа таким образом, что при выходе вектор скоростей газа направлен параллельно оси вращения вентилятора. В результате этого кинетическая энергия всех трех составляющих скорости газа проделывает полезную работу.The inner profile (trough) of the rotating blades in cross section has the shape of an arc and contains the quality of both axial and centrifugal fans. This is achieved in that the angle of attack of the incoming edge is similar to the angle of attack of the axial fan (or propeller) at corresponding points from the axis of rotation. That is, if you draw a tangent to the arc of the cross-sectional profile at the gas entry point, then the angle of attack of the tangent will be within the angle of attack of the propeller. If the tangent is drawn to the arc of the cross section profile of the blade at the point of gas exit from the rotating blade, then it will be parallel to the axis of rotation of the fan, and the plane drawn through this tangent will be similar to a centrifugal fan blade. Thus, at the beginning of the inlet edge, the gas is accelerated mainly in the axial direction, and as it approaches the outlet edge, it is predominantly centrifugal. At the moment of exit from the exit edge of the rotating blade, the gas is given maximum kinetic energy in the form of axial, radial and tangential velocities. The resulting vector of these velocities at the exit from the edge of the rotating blade is directed in such a way that at each individual point of the fixed blade is in the same plane with the arcuate cross-sectional profile of the fixed blade and is directed tangentially to this arc. The arcuate profile of the fixed blade trough straightens the gas flow in such a way that upon exit the gas velocity vector is directed parallel to the axis of rotation of the fan. As a result, the kinetic energy of all three components of the gas velocity does a useful job.

На графических материалах схематично показано: Фиг. 1 - вид вентилятора параллельно оси вращения со стороны вращающихся лопаток, совмещенный с видом без бандажей и с видом Е-Е без вращающихся лопаток; Фиг. 2 - разрез вентилятора плоскостью, проходящей по оси вращения вентилятора; Фиг. 3 - Разрез лопаток вентилятора плоскостью, проходящей по линии вектора скорости газа перетекающего с нижней кромки вращающейся лопатки на верхнюю кромку неподвижной лопатки и далее исходящего с нижней кромки неподвижной лопатки; Фиг. 4 - разрез лопаток вентилятора плоскостью, перпендикулярной к продольной линии вращающейся лопатки.Graphic materials schematically show: FIG. 1 is a view of a fan parallel to the axis of rotation from the side of the rotating blades, combined with a view without bandages and with a view of EE without rotating blades; FIG. 2 - section of the fan by a plane passing along the axis of rotation of the fan; FIG. 3 - Section of the fan blades with a plane passing along the line of the gas velocity vector flowing from the lower edge of the rotating blade to the upper edge of the fixed blade and then outgoing from the lower edge of the fixed blade; FIG. 4 is a section through a fan blade in a plane perpendicular to the longitudinal line of the rotating blade.

Вентилятор на Фиг. 2 состоит из корпуса 1 с силовым приводом 2, приводящим во вращение диск 3 с установленными в нем лопатками 4. Вращающиеся лопатки 4 по периферийным торцам соединены бандажом 5. В корпусе 1 установлены неподвижные лопатки 6, периферийные торцы которых соединены бандажом 7. В случае применения изобретения в качестве ступени компрессора бандаж 5 может отсутствовать, а неподвижные лопатки 6 закрепляются периферийными торцами к наружному корпусу компрессора образующему внутренний газовый тракт компрессора.The fan of FIG. 2 consists of a housing 1 with a power drive 2, which drives the disk 3 with the blades 4 installed in it. The rotating blades 4 are connected by a bandage 5 at the peripheral ends. In the case 1, fixed blades 6 are installed, the peripheral ends of which are connected by a bandage 7. In case of application According to the invention, there may be no bandage 5 as a compressor stage, and the fixed blades 6 are fixed with peripheral ends to the outer case of the compressor forming the internal gas path of the compressor.

Одним из вариантов осуществления изобретения является вентилятор, приводимый во вращение силовым приводом 2, диск 3 с лопатками 4, выполненными с изогнутым профилем в поперечном сечении. Профиль вращающихся лопаток 4 и угол атаки, в зависимости от удаленности от центра вращения и числа оборотов, должен обеспечить максимальное увлечение газа с сохранностью ламинарного течения. Газ, увлекаемый вращающейся лопаткой 4 по аналогии с осевым вентилятором, перемещается в осевом направлении, по мере продвижения газа по внутреннему профилю лопатки увеличивается центробежная составляющая скорости газа. На выходе из вращающейся лопатки 4 результирующий вектор скорости газа направлен перпендикулярно к касательной, проведенной к кромке неподвижной лопатки 6 в точке входа в нее газа. То есть в любой точке неподвижной лопатки 6 газ проходит путь от входа в лопатку до выхода из нее по кратчайшему пути, при этом спрямляя поток во всех трех направлениях: осевом, центробежном, вращательном. Результирующее направление скорости газа при выходе из неподвижной лопатки 6 можно задавать путем изменения кривизны поперечного сечения лопатки в зоне выхода из нее газа. На представленных графических материалах показан вариант направления газа параллельно оси вращения вентилятора. Неподвижные лопатки 6 имеют саблевидную линию кромок и изогнутый профиль в поперечном сечении. Линия кромок 6 ориентирована к результирующему вектору скорости потока, исходящего с кромки вращающейся лопатки 4 таким образом, когда при сближении кромок вращающихся лопаток 4 с неподвижными лопатками 6 поток газа входит под прямым углом к линии кромки неподвижной лопатки, а исходящий с этой лопатки 6 газ направляется параллельно оси вращения лопаток 4. Возможны и другие варианты направления газа, сходящего с нижней кромки неподвижной лопатки 6, например, на сближение с осью вращения или на удаление. Но в любом случае достигается цель использования всей энергии движущейся массы газа как в центробежном, так и в осевом направлениях.One of the embodiments of the invention is a fan driven by a power drive 2, a disk 3 with blades 4 made with a curved profile in cross section. The profile of the rotating blades 4 and the angle of attack, depending on the distance from the center of rotation and the number of revolutions, should provide maximum gas entrainment with the preservation of the laminar flow. The gas carried by the rotating blade 4 by analogy with the axial fan moves in the axial direction, as the gas moves along the internal profile of the blade, the centrifugal component of the gas velocity increases. At the exit of the rotating blade 4, the resulting gas velocity vector is directed perpendicular to the tangent drawn to the edge of the stationary blade 6 at the gas inlet point. That is, at any point on the fixed blade 6, the gas passes from the entrance to the blade to the exit from it along the shortest path, while straightening the flow in all three directions: axial, centrifugal, rotational. The resulting direction of the gas velocity at the exit from the stationary blade 6 can be set by changing the curvature of the cross section of the blade in the zone of gas exit from it. The graphic materials shown show a variant of the gas direction parallel to the axis of rotation of the fan. Fixed blades 6 have a saber-shaped line of edges and a curved profile in cross section. The line of edges 6 is oriented towards the resulting velocity vector of the flow coming from the edge of the rotating blade 4 in such a way that when the edges of the rotating blades 4 approach the fixed blades 6, the gas flow enters at right angles to the edge line of the fixed blade, and the gas coming from this blade 6 is directed parallel to the axis of rotation of the blades 4. There are other options for the direction of the gas coming from the lower edge of the stationary blade 6, for example, to approach the axis of rotation or to remove. But in any case, the goal is achieved of using all the energy of a moving mass of gas in both centrifugal and axial directions.

Claims (4)

1. Вентилятор, содержащий набор принудительно вращаемых лопаток и набор неподвижных лопаток, отличающийся тем, что внутренний профиль вращающейся лопатки в поперечных сечениях является дугой и эта дуга ориентирована к плоскости своего вращения таким образом, что угол, образуемый плоскостью вращения и касательной, проведенной к дуге в точке входа газа, аналогичен углу вращающихся лопаток осевого вентилятора, а угол, образуемый плоскостью вращения и касательной в точке выхода газа, равен 90 градусам, аналогично центробежному вентилятору.1. A fan comprising a set of forcibly rotated blades and a set of fixed blades, characterized in that the internal profile of the rotating blades in cross sections is an arc and this arc is oriented to its plane of rotation so that the angle formed by the plane of rotation and the tangent drawn to the arc at the gas inlet point, it is similar to the angle of the rotary blades of the axial fan, and the angle formed by the plane of rotation and the tangent at the gas outlet point is 90 degrees, similar to a centrifugal fan. 2. Вентилятор по п. 1, отличающийся тем, что внутренний профиль неподвижной лопатки в поперечных сечениях представляет дугу, которая находится в одной плоскости с вектором скорости газа, исходящего с вращающейся лопатки.2. The fan according to claim 1, characterized in that the internal profile of the stationary blade in cross sections represents an arc that is in the same plane with the velocity vector of the gas emanating from the rotating blade. 3. Вентилятор по п. 1, отличающийся тем, что вектор скорости газа при выходе из неподвижной лопатки направлен параллельно оси вращения вентилятора.3. The fan according to claim 1, characterized in that the gas velocity vector at the exit from the stationary blade is directed parallel to the axis of rotation of the fan. 4. Вентилятор по п. 1, отличающийся тем, что вектор скорости газа при выходе из неподвижной лопатки может быть направлен на сближение с осью вращения вентилятора или на удаление от нее.4. The fan according to claim 1, characterized in that the gas velocity vector at the exit from the fixed blade can be aimed at approaching or moving away from the axis of rotation of the fan.

Images