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PERFECTIONNEMENTS AUX AUBES, AUX PALES DE GUIDAGE ET ANALOGUES POUR
VENTILATEURS, TURBINES ET ANALOGUES.
La présente invention est relative à des perfectionnements aux aubes ou pales de guidage pour ventilateurs, pompes rotatives, soufflantes, compresseurs et appareils analogues, en particulier mais non exclusivement du type à écoulement axial.
L'objet de l'invention est de procurer des aubes ou pales pour de tels appareils qui, lorsque l'appareil est en usage, donneront lieu à un important débit d'air associé à une pression totale élevée pour un dianètre aux extrémités (diamètre extérieur)± donné et tout rapport donné du diamètre au moyeu (aux racines), I, au diamètre extérieur.
Pour des aubes -ou pales de ce type, le terme de "ligne de cambrure moyenne" définit une ligne passant à travers l'aube du bord menant au bord postérieur, à mi distance entre les faces menante et postérieure de l'aube. Le terme "ligne de cambrure" est utilisé ici pour définir une ligne semblable à travers l'aube, qui est parallèle à la surface concave de l'aube et se trouve ramenée dans l'épaisseur de l'aube à une distance de la surface concave égale au quart de la plus forte épaisseur de l'aube.
L'angle d'attaque ou angle d'incidence est l'angle que cette ligne de cambrure fait au bord de l'aube avec l'angle de la direction d'entrée de l'air dans l'aubage. Le terme "radial" relatif aux aubes ou pales pour un tel appareil définit toute ligne tracée à travers les lignes de cambrure de l'extrémité ou de la racine de l'aube, à angle droit avec l'axe de rotation du rotor ou de l'axe équivalent du stator, et signifie véritablement radial par rapport à cet axe.
Le terme de "rapport d'apparence" d'une aube est employé pour définir le rapport de la hauteur de l'aube à la longueur moyenne de la corde.
On verra que le rapport d'apparence et la conformation radiale
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des aubes déterminent le nombre des aubes à employer dans une roue de ventilateur, rotor ou stator.
Suivant l'invention, une aube sensiblement radiale pour le rotor ou le stator d'un tel appareil est formée avec le rayon de la ligne de cambrure moyenne à la racine par supérieur à ce rayon à l'extrémité de 1' aube.
Pour permettre de comprendre plus clairement l'invention, des aubes suivant l'invention seront décrites à présent en se référant aux dessins ci-annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue latérale schématique d'un rotor pour appareil du type précité employant des aubes suivant l'invention; - la figure 2 est une coupe transversale d'une racine d'aube suivant la ligne C-C de la figure 1 en regardant dans le sens des flèches; - la figure 3 est une coupe par l'extrémité de l'aube, suivant la ligne B-B de la figure l en regardant dans le sens des flèches; et - la figure 4 est une vue latérale de trois aubes montrées à la figure 1 en regardant suivant A-A dans le sens des flèches.
En se référant aux figures 2 et 3, la ligne de courbure 10 est parallèle à la face concave 12 de l'aube 14 dans l'épaisseur de l'aube, et la ligne D-D montre l'épaisseur maxima de l'aube "x" de la face concave à la face convexe de l'aube 16. La ligne de cambrure 10 est à distance "y" de la face 12 et x = Y. "
On verra d'après la figure 1 que les aubes 14 sont toutes ra- diales et que le rayon de la ligne de cambrure et par conséquent de la surface concave d'aube à la racine est plus petit que le rayon à l'extrémité ou est sensiblement égal au rayon à l'extrémité. Le rapport d'apparence de l'aube est de préférence d'une valeur de 0,4 - 1,0 mais il peut être supérieur à 1,0 si on le désire.
L'aube 14 peut avoir toute section d'aile aérienne convenable, par exemple pour fonctionner à des nombres de Mach supérieurs à 0,3, l'épaisseur maxima de l'aube est 10% de la longueur de la corde et se présente entre 20 - 40% et de préférence 25 - 30 % de la longueur de la corde du bord menant de l'aube à un point quelconque du dessus de l'aube. L'épaisseur horizontale de l'aube va en décroissant également à la surface concave et convexe de l'aube jusqu'à une épaisseur minime au bord postérieur, tandis que la ligne de canbrure peut être un arc parabolique ou circulaire.
En variante, l'arbre peut être formée en section à 2 arcs circulaires ayant des bords menant et postérieur appointis symétriquement par rapport à un point de la ligne de cambrure à mi-longueur de corde depuis l'un ou l'autre bord. Dans ce cas, l'épaisseur maxima de l'aube se présente au point médian de la longueur de la corde de l'aube et peut être égale à 10 % de la longueur de corde à la racine, se réduisant à 4 % de la corde à l'extrémité. Une telle aube est la plus convenable pour le fonctionnement à des nombres de Mach supérieurs à 0,3.
L'aube est de préférence conformée de telle sorte que, lorsque ses faces concave et convexe sont développées à plat, leurs bords menant et postérieur divergent de la racine à l'extrémité.
En construisant un anneau de rotor ou de stator pour un appareil du type précité, des aubes radiales de la conformation décrite ci-dessus sont employées suivant l'invention avec un angle d'incidence ayant une valeur négative de jusqu'à 25 combiné à un angle moyen de déflection d'air élevé, tandis que la perte de charge totale est maintenue faible.
En agengant les aubes de stator pour maintenir un écoulement d'air axial près des aubes du rotor, un tourbillon d'air à l'entrée des aubes du rotor est réduit à un niveau bas et peut même être éliminé et ceci, en ayant une vitesse d'air relativement grande au-dessus des aubes,
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ce qui a pour conséquence une forte pression totale, permettant ainsi de créer une pression statique sensible à travers les aubes de rotor et les aubages statiques (immobiles) leur faisant suite.
Dans un mode de construction, l'angle d'entrée des aubes à l'extrémité est réglé à 75 sur la ligne axiale, tandis qu'à la racine il est diminué de manière correspondante en raison directe du rapport du dia- mètre au moyeu au diamètre aux extrémités, tandis que le même angle négatif d'incidence est employé. Le rapport du diamètre au moyeu au diamètre aux extrémités est déterminé d'après les valeurs relatives du débit et de la pression statique demandées à chaque unité particulière, mais il n'est besoin d'aucun changement dans le dessin de l'aube de rotor. Les bords menant et postérieur d'aubes voisines sont agencés sensiblement en aligne- ment axial du rotor ou du stator. Le bord postérieur est de préférence agencé axialement de la racine à l'extrémité..
Les caractéristiques d'aubes précédentes sont applicables jus- qu'à un nombre de Mach de 0,3 mais pour des valeurs supérieures à 0,3, les angles d'entrée des aubes sont déterminées par les pressions requises et les vitesses relatives de l'air sur les aubes, prenant en compte les effets de compressibilité aux hautes vitesses de l'air sur les aubes.
Pour des ventilateurs ou des rotors fonctionnant à des nombres de Mach supérieurs à 0,3 les bords menant et postérieur d'aubes voisines ne resteront pas nécessairement en alignement axial mais conserveront leurs caractéristiques radiales.
Avec-des aubes radiales ayant des rapports d'apparence faibles et des angles d'incidence négatifs comme décrit ci-avant, pour le fonctionnement à des vitesses d"air jusqu'à des nombres de Mach relativement élevés, il est possible de couler des rotors avec des aubes d'une pièce utilisant un alliage léger, abaissant ainsi les frais de fabrication, comparativement à des disques de rotor garnis d'aubes séparées, bien que des aubes séparées puissent être fixées dans un rotor tel qu'un anneau par exemple. En outre les fatigues centrifuges dans les aubes, naissant du fait de la rotation sont purement radiales et toutes les fatigues dues à des moments de flexion sont simplement celles associées à la pression de l'air.
Le changement du rayon de courbure de la ligne de cambrure moyenne peut être uniforme sur toute la hauteur de l'aube on peut varier le long de celle-ci. Semblablement, le changement de l'angle d'incidence de la racine à l'extrémité peut être uniforme ou varié. De préférence, on emploie un faible angle d'incidence, par exemple jusqu'à 25 et l'angle d'attaque est conservé sensiblement constant. Aux bords postérieurs des aubes l'angle de départ peut atteindre une valeur aussi grande que 90
Les faces de succion des aubes peuvent être de toute courbure désirée, en sorte que les aubes ont des sections d'ailes aériennes ou d'ailes hydrauliques, par exemple, tandis que leur courbure, de la racine à l'extrémité, change uniformément ou par échelons ou en courbes plus adoucies.
Les aubes, entre l'extrémité et la racine, peuvent avoir toute section transversale désirée dans le cadre des conditions précédentes.
Dans des stators ayant des pales de guidage suivant 1-'invention, les pales sont de préférence symétriques par rapport à leurs lignes centrales normales à la ligne de cambrure, les angles d'entrée et de sortie étant constants à toute distance des racines et ils peuvent augmenter de la racine à l'extrémité
Les aubes, le rotor et/ou le stator peuvent être des pièces coulées de matériaux convenables tels que des alliages métalliques légers et leurs surfaces peuvent être rendues lisses pour réduire les pertes par frottement.
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IMPROVEMENTS TO BLADES, GUIDE BLADES AND SIMILAR FOR
FANS, TURBINES AND SIMILAR.
The present invention relates to improvements to vanes or guide blades for fans, rotary pumps, blowers, compressors and the like, in particular but not exclusively of the axial flow type.
The object of the invention is to provide vanes or blades for such apparatus which, when the apparatus is in use, will give rise to a large air flow associated with a high total pressure for a dianeter at the ends (diameter outside) ± given and any given ratio of the diameter at the hub (at the roots), I, to the outside diameter.
For blades or blades of this type, the term “mean camber line” defines a line passing through the blade of the edge leading to the rear edge, midway between the leading and rear faces of the blade. The term "line of camber" is used herein to define a similar line across the vane, which is parallel to the concave surface of the vane and lies within the thickness of the vane at a distance from the surface. concave equal to a quarter of the greatest thickness of the blade.
The angle of attack or angle of incidence is the angle that this camber line makes at the edge of the blade with the angle of the direction of entry of the air into the blade. The term "radial" relating to the vanes or blades for such an apparatus defines any line drawn through the lines of camber of the end or the root of the vane, at right angles to the axis of rotation of the rotor or of the blade. the equivalent axis of the stator, and means truly radial with respect to this axis.
The term "aspect ratio" of a vane is used to define the ratio of the height of the vane to the average length of the chord.
We will see that the aspect ratio and the radial conformation
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vanes determine the number of vanes to be used in a fan wheel, rotor or stator.
According to the invention, a substantially radial vane for the rotor or stator of such an apparatus is formed with the radius of the mean camber line at the root by greater than this radius at the end of the vane.
To allow the invention to be understood more clearly, the blades according to the invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a schematic side view of a rotor for an apparatus of the aforementioned type using blades according to the invention; - Figure 2 is a cross section of a blade root along the line C-C of Figure 1 looking in the direction of the arrows; - Figure 3 is a section through the end of the blade, along line B-B of Figure 1 looking in the direction of the arrows; and - Figure 4 is a side view of three blades shown in Figure 1 looking along A-A in the direction of the arrows.
Referring to Figures 2 and 3, the line of curvature 10 is parallel to the concave face 12 of the blade 14 in the thickness of the blade, and the line DD shows the maximum blade thickness "x "from the concave face to the convex face of the blade 16. The line of camber 10 is at a distance" y "from the face 12 and x = Y."
It will be seen from Figure 1 that the vanes 14 are all radial and that the radius of the camber line and therefore of the vane concave surface at the root is smaller than the radius at the end or is substantially equal to the radius at the end. The vane aspect ratio is preferably 0.4 - 1.0 but it can be greater than 1.0 if desired.
The vane 14 can have any suitable aerial wing section, e.g. to operate at Mach numbers greater than 0.3, the maximum vane thickness is 10% of the chord length and occurs between 20 - 40% and preferably 25 - 30% of the length of the chord from the leading edge of the vane to any point above the vane. The horizontal thickness of the blade decreases also at the concave and convex surface of the blade to a minimal thickness at the posterior edge, while the groove line can be a parabolic or circular arc.
Alternatively, the shaft may be formed in a circular 2-arch section having leading and posterior edges pointed symmetrically to a point of the mid-chord camber line from either edge. In this case, the maximum blade thickness occurs at the midpoint of the blade chord length and may be 10% of the root chord length, reducing to 4% of the root chord length. rope at the end. Such a vane is most suitable for operation at Mach numbers greater than 0.3.
The blade is preferably shaped such that when its concave and convex faces are developed flat, their leading and posterior edges diverge from root to tip.
In constructing a rotor or stator ring for an apparatus of the above type, radial vanes of the conformation described above are employed according to the invention with an angle of incidence having a negative value of up to 25 combined with a high mean air deflection angle, while the total pressure drop is kept low.
By arranging the stator vanes to maintain axial airflow near the rotor vanes, air vortex at the inlet of the rotor vanes is reduced to a low level and can even be eliminated by having a relatively high air speed above the blades,
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which results in a high total pressure, thus making it possible to create a substantial static pressure across the rotor blades and the static (stationary) blades following them.
In one embodiment, the angle of entry of the vanes at the end is set at 75 on the axial line, while at the root it is correspondingly reduced in direct proportion to the ratio of the diameter to the hub. to the diameter at the ends, while the same negative angle of incidence is used. The ratio of the hub diameter to the diameter at the ends is determined from the relative values of flow rate and static pressure required for each particular unit, but no change in the design of the rotor blade is required. . The leading and trailing edges of neighboring vanes are arranged substantially in axial alignment with the rotor or the stator. The posterior edge is preferably arranged axially from root to end.
The preceding blade characteristics are applicable up to a Mach number of 0.3 but for values greater than 0.3 the inlet angles of the blades are determined by the required pressures and the relative speeds of the blades. air on the blades, taking into account the effects of compressibility at high air speeds on the blades.
For fans or rotors operating at Mach numbers greater than 0.3 the leading and trailing edges of neighboring vanes will not necessarily remain in axial alignment but will retain their radial characteristics.
With radial vanes having low aspect ratios and negative angles of incidence as described above, for operation at air speeds up to relatively high Mach numbers, it is possible to cast. rotors with one-piece vanes using a light alloy, thus lowering manufacturing costs, compared to rotor discs with separate vanes, although separate vanes can be fixed in a rotor such as a ring for example In addition, the centrifugal fatigue in the blades, arising from the rotation is purely radial and all the fatigue due to bending moments are simply those associated with the air pressure.
The change in the radius of curvature of the mean camber line can be uniform over the entire height of the blade, and can vary along it. Likewise, the change in the angle of incidence from root to tip can be uniform or varied. Preferably, a small angle of incidence is employed, for example up to 25 and the angle of attack is kept substantially constant. At the rear edges of the blades the departure angle can reach a value as large as 90
The suction faces of the vanes can be of any curvature desired, so that the vanes have aerial wing or hydraulic wing sections, for example, while their curvature from root to tip changes uniformly or in steps or in gentler curves.
The vanes, between the tip and the root, can have any cross section desired under the preceding conditions.
In stators having guide vanes according to the invention, the vanes are preferably symmetrical with respect to their central lines normal to the line of camber, the entry and exit angles being constant at all distance from the roots and they can grow from root to tip
The vanes, rotor and / or stator can be castings of suitable materials such as light metal alloys and their surfaces can be made smooth to reduce frictional losses.
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