EA031251B1

EA031251B1 - Diagonal fan

Info

Publication number: EA031251B1
Application number: EA201501009A
Authority: EA
Inventors: Александр Фридрихович БОГЕР; Алексей Алексеевич КРИСАНОВ
Original assignee: Александр Фридрихович БОГЕР; Алексей Алексеевич КРИСАНОВ
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2018-12-28
Also published as: WO2015060747A1; RU2578070C2; EA201501009A1; RU2013147062A

Abstract

Usage: a diagonal fan for cooling traction motors of mainline electric locomotives. Essence of the invention: a diagonal fan, containing an impeller made in the form of two truncated cones which are rigidly connected together by means of diagonal blades, a directing manifold, the inner surface of the directing manifold is made in the form similar to the inner surface of a de Laval nozzle and is aerodynamically adjacent to the surface of the outer truncated cone, wherein a trunnion with discs is installed at the lower end of the inner cone, with which the impeller is attached to an electric motor shaft. Electric motor attachment assemblies are made in the form of cylindrical ribbed bushings and contain rigid resilient elements for affixing the electric motor. The advantages of the present diagonal fan are its ease of installation, its operational reliability, and its effectiveness as a cooling device in any mode of operation.

Description

Изобретение относится к вентиляторостроению и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в том числе на транспорте в качестве системы охлаждения тяговых электродвигателей магистральных электровозов.The invention relates to fanbuilding and can be used in various industries, including transport as a cooling system for traction electric motors of trunk electric locomotives.

Известен осевой вентилятор, включающий цилиндрический корпус, внутри которого с помощью втулки и по меньшей мере с тремя радиальными выступами закреплен электродвигатель, на валу которого установлено рабочее колесо с лопастями (описание изобретения RU № 2384747 C1, МПК F04D 19/00, 2008 г.).Known axial fan, comprising a cylindrical housing, inside which, using a sleeve and at least three radial protrusions, is mounted an electric motor, on the shaft of which an impeller with blades is mounted (description of the invention RU No. 2384747 C1, IPC F04D 19/00, 2008) .

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что оно малоэффективно и не приемлемо для использования в качестве вентилятора для тяговых электродвигателей магистральных электровозов. При этом напор нагнетающего воздуха при консальном закреплении лопастей не велик, а сама конструкция вентилятора не обеспечивает тех условий, которые необходимы для их промышленного использования на транспорте.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device include the fact that it is inefficient and not acceptable for use as a fan for traction electric motors of mainline electric locomotives. In this case, the pressure of the injecting air when the blades are consolidated in a cantilever is not great, and the fan design itself does not provide the conditions that are necessary for their industrial use in transport.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному устройству является другой известный диагональный вентилятор (описание изобретения RU № 2455528 C2 МПК F04D 17/08; F04D 19/00; F04D 29/26; F04D 29/66, 2011 г.), в котором корпус вентилятора выполнен с конической частью, а рабочее колесо выполнено с конической втулкой, на которой консально закреплены лопатки, при этом отношение углов конусности втулки и конусной части корпуса, где расположено рабочее колесо, составляет 1,33-1,28.The closest set of features to the claimed device is another well-known diagonal fan (description of the invention RU No. 2455528 C2 IPC F04D 17/08; F04D 19/00; F04D 29/26; F04D 29/66, 2011), in which the fan casing made with a conical part, and the impeller is made with a conical sleeve, on which the blades are mounted, the ratio of the angles of taper of the sleeve and the conical part of the housing where the impeller is located is 1.33-1.28.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном источнике отсутствуют конструктивные элементы и технологические приемы, обеспечивающие достижение нижеуказанного технического результата. К тому же, консально закрепленные диагональные лопатки на конической втулке не позволяют обеспечить соответствующую надежность при использовании данного устройства в сложных условиях его эксплуатации, например в качестве средства охлаждения для тяговых электродвигателей магистральных электровозов. Следует также отметить, что технология сборки таких устройств часто является доминирующей при достижении надежности и, как правило, не всегда согласуется с теоретическими предложениями. Надежность - вот основной критерий, которому необходимо следовать при создании данных устройств для нужд промышленности, особенно транспортной отрасли.The reasons that impede the achievement of the following technical result when using the known device adopted for the prototype, is that in a known source there are no structural elements and technological methods that ensure the achievement of the following technical result. In addition, the biased diagonal blades on a conical sleeve do not allow for ensuring adequate reliability when using this device in difficult operating conditions, for example, as a cooling means for main electric locomotive traction motors. It should also be noted that the technology of assembling such devices is often dominant in achieving reliability and, as a rule, is not always consistent with theoretical proposals. Reliability is the main criterion that must be followed when creating these devices for the needs of industry, especially the transport industry.

Задачей заявляемого изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, присущих известным устройствам, путем создания и реализации новой конструкции диагонального вентилятора.The task of the claimed invention is to eliminate the above disadvantages inherent in the known devices, by creating and implementing a new design of a diagonal fan.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в получении новой конструкции диагонального вентилятора с более высокой надежностью и эффективностью в процессе эксплуатации, а также снижения всех затрат, включая технологические и эксплуатационные.This problem is solved by achieving a technical result consisting in obtaining a new design of a diagonal fan with higher reliability and efficiency during operation, as well as reducing all costs, including technological and operational.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения по объекту - устройству достигается в диагональном вентиляторе, включающем цилиндрический корпус, электродвигатель, рабочее колесо с диагональными лопатками, направляющий коллектор и спрямляющий аппарат. Особенностью предлагаемого диагонального вентилятора является то, что рабочее колесо его выполнено в виде двух усеченных конусов, жестко соединенных с помощью диагональных лопаток, а его направляющий коллектор выполнен по форме, аналогичной внутренней поверхности сопла Лаваля, аэродинамически сопряженного с верхним торцом наружного усеченного конуса, при этом на нижнем торце внутреннего конуса установлена ступица с дисками, с помощью которых рабочее колесо крепиться на валу электродвигателя.This technical result in the implementation of the invention on the object - the device is achieved in a diagonal fan, comprising a cylindrical housing, an electric motor, an impeller with diagonal blades, a guide manifold and a straightening device. A feature of the proposed diagonal fan is that its impeller is made in the form of two truncated cones rigidly connected with diagonal blades, and its guide manifold is made in a form similar to the inner surface of a Laval nozzle, which is aerodynamically coupled to the upper end of the outer truncated cone, while A hub with disks is mounted on the lower end of the inner cone, with which the impeller is mounted on the motor shaft.

Указанный технический результат достигается также тем, что цилиндрический корпус его выполнен в виде двух разъемных секций, внутри которых последовательно установлены вдоль по потоку: направляющий коллектор, рабочее колесо и спрямляющий аппарат с электродвигателем.This technical result is also achieved by the fact that the cylindrical body of it is made in the form of two detachable sections, within which sequentially installed along the stream: a guide manifold, an impeller and a rectifying device with an electric motor.

Указанный технический результат достигается также тем, что узлы крепления электродвигателя внутри цилиндрического корпуса выполнены совместно с радиальными лопатками спрямляющего аппарата, при этом радиальные лопатки переднего узла крепления расположены под острым углом к набегающему потоку, в то время как радиальные лопатки заднего узла крепления электродвигателя расположены параллельно набегающему потоку и установлены с наклоном к продольной оси цилиндрического корпуса.This technical result is also achieved by the fact that the attachment points of the electric motor inside the cylindrical body are made together with the radial blades of the straightening apparatus, while the radial blades of the front mount assembly are at an acute angle to the incident flow, while the radial blades of the rear motor mount assembly are parallel to the incident flow and installed with a slope to the longitudinal axis of the cylindrical body.

Указанный технический результат достигается также тем, что узлы крепления электродвигателя выполнены в виде цилиндрических втулок со шпангоутами, жестко соединенными с помощью радиальных лопаток с цилиндрическим корпусом вентилятора.This technical result is also achieved by the fact that the attachment points of the electric motor are made in the form of cylindrical sleeves with frames rigidly connected by means of radial blades with a cylindrical fan casing.

Указанный технический результат достигается также тем, что между шпангоутами и фланцами электродвигателя установлены жесткие упругие элементы, преимущественно тарельчатые пружины из углеродистой стали.This technical result is also achieved by the fact that rigid resilient elements, predominantly disc springs made of carbon steel, are installed between the frames and flanges of the electric motor.

На чертеже изображен общий вид диагонального вентилятора в продольном разрезе.The drawing shows a General view of the diagonal fan in a longitudinal section.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.Information confirming the possibility of implementing the claimed invention using the specified technical result is as follows.

Заявленный диагональный вентилятор включает цилиндрический корпус, выполненный в виде двух разъемных секций 1, 2, электродвигатель 3, рабочее колесо 4, выполненное из двух усеченных корпусовThe claimed diagonal fan includes a cylindrical housing, made in the form of two detachable sections 1, 2, an electric motor 3, an impeller 4, made of two truncated housings

- 1 031251 (внешнего), 6 (внутреннего) и диагональных лопаток 7, направляющий коллектор 8, спрямляющий аппарат, выполненный из радиальных лопаток 9 (переднего ряда), 10 (заднего ряда) и втулок 11, 12 (переднего и заднего узлов крепления электродвигателя). При этом рабочее колесо 4 закреплено на валу электродвигателя 3 с помощью ступицы 13 и кольцевых дисков 14, 15, установленных внутри внутреннего усеченного конуса 6, что создает благоприятные условия для восприятия любых нагрузок, включая вибрационные. Для восприятия осевых и термических нагрузок между шпангоутами втулок 11, 12 и фланцами электродвигателя 3 установлены дополнительно жесткие упругие элементы 16. При этом радиальные лопатки 9 спрямляющего аппарата в переднем узле крепления электродвигателя 3 установлены под острым углом по отношению к набегающему потоку, в то время как радиальные лопатки 10 заднего узла крепления электродвигателя 3 установлены параллельно набегающему потоку и с наклоном к продольной оси электродвигателя 3. Такое конструктивное исполнение обеспечивает восприятие всех видов нагрузок, включая вибрационные и термические. Все основные узлы диагонального вентилятора могут быть изготовлены из листовой стали с применением сварки, однако это не исключает использование других технологических процессов, например применение литьевых или прессованных узлов из специальных сплавов или армированных пластиков.- 1 031251 (external), 6 (internal) and diagonal blades 7, guide manifold 8, straightening apparatus, made of radial blades 9 (front row), 10 (back row) and bushings 11, 12 (front and rear mountings of the electric motor ). In this case, the impeller 4 is fixed on the shaft of the electric motor 3 by means of the hub 13 and the annular disks 14, 15 installed inside the inner truncated cone 6, which creates favorable conditions for the perception of any loads, including vibration. For the perception of axial and thermal loads between the frames of the sleeves 11, 12 and the flanges of the electric motor 3, additional rigid elastic elements 16 are installed. At the same time, the radial vanes 9 of the straightening apparatus in the front mount of the electric motor 3 are installed at an acute angle with respect to the incident flow, while Radial blades 10 of the rear motor mount 3 are installed parallel to the oncoming flow and tilted to the longitudinal axis of the electric motor 3. Such a design provides an explosion Acceptance of all types of loads, including vibration and thermal. All the main components of the diagonal fan can be made of sheet steel using welding, but this does not preclude the use of other technological processes, for example, the use of injection-molded or extruded components made of special alloys or reinforced plastics.

Диагональный вентилятор работает следующим образом: при включении электродвигателя 3 (чертеж) начинает вращаться рабочее колесо 4, создавая лопатками 7 поток воздуха. При этом в направляющем коллекторе 8 воздушный поток разгоняется и с минимальным лобовым сопротивлением поступает к диагональным лопаткам 7. С помощью диагональных лопаток 7 воздушный поток отклоняется к периферии и тем самым повышает компрессию. Диагональные вентиляторы занимают промежуточное положение между осевыми и центробежными вентиляторами. Первые создают низкое давление нагнетания при максимальном потоке воздуха, а вторые развивают повышенное давление при сравнительно малом воздушном потоке. Диагональные вентиляторы позволяют при сравнительно высоком давлении нагнетания обеспечить сравнительно высокую производительность, что весьма существенно отличает их как от осевых, так и от центробежных вентиляторов. Далее закрученный вихревой поток поступает в первую ступень спрямляющего аппарата, где он с помощью радиальных лопаток 9 вновь приобретает осевое направление. При своем движении поток воздуха омывает корпус электродвигателя 3 и охлаждает его. При этом тепло, генерируемое в электродвигателе 3, несоизмеримо с охлаждающей мощностью вихревого потока, что исключает перегрев электродвигателя 3 при любом режиме его работы, включая аварийные, т.е. нестационарные режимы его работы. После прохождения второй ступени, т.е. через лопатки 10, спрямляющего аппарата, воздушный поток полностью стабилизируется и перемещает уже только параллельно продольной оси вентилятора. Данный диагональный вентилятор предназначен, прежде всего, для системы охлаждения тяговых электродвигателей магистральных электровозов, что накладывает определенные требования как к техническим и аэродинамическим характеристикам, так и к прочности, в том числе к вибрационным и термическим. Выполнение рабочего колеса 4 из двух усеченных конусов 5, 6 способствует не только улучшению аэродинамической устойчивости, но и существенно улучшает его прочностные и усталостные характеристики. Срыв и завихрения, возникающие при традиционном исполнении рабочих колес, в данной конструкции рабочего колеса 4 просто исключены. К другим достоинствам конструктивного исполнения данного диагонального вентилятора следует отнести то, как крепится рабочее колесо 4 на валу электродвигателя 3, как и крепление самого электродвигателя 3 внутри секции 2 его цилиндрического корпуса. С помощью цапфы 13 и дисков 14, 15 создается единая рамная конструкция, устойчивая к любым вибрационным нагрузкам, а совместные компоновка узлов крепления электродвигателя 3 и спрямляющего аппарата не только улучшает аэродинамические характеристики, но и существенно улучшает съем паразитного тепла, которое возникает при работе электродвигателя 3 при нештатном режиме его работы. К тому же установка жестких компрессоров 16 между шпангоутами втулок 11, 12 и фланцами электродвигателя 3 снимает все проблемы, связанные с термическими напряжениями, которые при эксплуатации данных вентиляторов в системе охлаждения тяговых электродвигателей магистральных электровозов являются неизбежными и чуть ли не штатными ситуациями. От того, как конструкция вентилятора воспринимает все виды нагрузок, зависит не только его надежность, но и безаварийность всей системы в целом, включая сам магистральный электровоз.The diagonal fan operates as follows: when the motor 3 is turned on (drawing), the impeller 4 begins to rotate, creating air flow with blades 7. In this case, in the guide manifold 8, the air flow accelerates and with minimal drag is supplied to the diagonal vanes 7. With the help of the diagonal vanes 7, the air flow is deflected to the periphery and thereby increases the compression. Diagonal fans are intermediate between axial and centrifugal fans. The former create a low discharge pressure at maximum air flow, while the latter develop an increased pressure at a relatively low airflow. Diagonal fans with relatively high discharge pressure provide relatively high performance, which quite significantly distinguishes them from both axial and centrifugal fans. Next, the swirling vortex flow enters the first stage of the straightening apparatus, where it again with the help of the radial blades 9 acquires an axial direction. During its movement, the air flow washes the body of the electric motor 3 and cools it. In this case, the heat generated in the electric motor 3 is incommensurable with the cooling power of the vortex flow, which eliminates the overheating of the electric motor 3 in any mode of operation, including emergency ones, i.e. non-stationary modes of its work. After passing the second stage, i.e. through the blades 10 of the rectifier, the air flow is fully stabilized and moves only parallel to the longitudinal axis of the fan. This diagonal fan is designed primarily for the cooling system of traction electric motors of mainline electric locomotives, which imposes certain requirements both on technical and aerodynamic characteristics, as well as on strength, including vibration and thermal. The implementation of the impeller 4 of the two truncated cones 5, 6 contributes not only to the improvement of aerodynamic stability, but also significantly improves its strength and fatigue characteristics. The breakdown and turbulence arising from the traditional execution of impellers in this design of the impeller 4 is simply excluded. Other advantages of the design of this diagonal fan include how the impeller 4 is mounted on the shaft of the electric motor 3, as well as the mounting of the electric motor 3 itself inside section 2 of its cylindrical body. Using the pin 13 and the disks 14, 15 creates a single frame structure that is resistant to any vibration loads, and the joint layout of the attachment points of the electric motor 3 and the rectifier apparatus not only improves the aerodynamic characteristics, but also significantly improves the removal of the parasitic heat that occurs during operation of the electric motor 3 with an abnormal mode of its work. In addition, the installation of rigid compressors 16 between the frames of the sleeves 11, 12 and the flanges of the electric motor 3 removes all the problems associated with thermal stresses, which during the operation of these fans in the cooling system of traction electric motors of main electric locomotives are inevitable and almost no regular situations. On how the fan design takes all kinds of loads, depends not only its reliability, but also the failure-free operation of the entire system as a whole, including the main electric locomotive itself.

Технический эффект от использования предлагаемого изобретения состоит в следующем.The technical effect of the use of the present invention is as follows.

Предложенный диагональный вентилятор обеспечивает все необходимые требования, предъявляемые требования, предъявляемые к данному классу устройств. Данный вентилятор предназначен для принудительного охлаждения тяговых электродвигателей магистральных электровозов и представляет собой одноступенчатый вентилятор с рабочим колесом диагонального типа с осевым направлением потока воздуха. Привод рабочего колеса - прямой асинхронный двигатель повышенной надежности. Более суровых условий эксплуатации трудно представить. Предварительные стендовые испытания подтвердили все технические, аэродинамические и акустические характеристики, заложенные в данную конструкцию. Вскоре будут проведены натурные промышленные испытания опытного образца на магистральном электровозе, и авторы надеются, что они подтвердят его эксплуатационные качества, включая высокую надежность и безотказность в любых климатических условиях при различных режимах его работы.The proposed diagonal fan provides all the necessary requirements, requirements for this class of devices. This fan is intended for forced cooling of traction electric motors of trunk electric locomotives and is a single-stage fan with a diagonal type impeller with axial air flow direction. Impeller drive - direct asynchronous motor of increased reliability. More severe operating conditions are difficult to imagine. Preliminary bench tests confirmed all the technical, aerodynamic and acoustic characteristics incorporated in this design. Full-scale industrial tests of a prototype on a trunk electric locomotive will be held soon, and the authors hope that they will confirm its performance, including high reliability and dependability in any climatic conditions under various modes of its operation.

Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявляемого изоThus, the above information shows that when using the claimed

- 2 031251 бретения выполнена следующая совокупность условий:- 2 031251 brets made the following set of conditions:

средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в качестве диагонального вентилятора в системе охлаждения тяговых электродвигателей магистрального электровоза;the tool embodying the claimed invention in its implementation is intended for use in industry, namely as a diagonal fan in the cooling system of a traction electric motor of a main electric locomotive;

для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;for the claimed invention in the form as it is described in the independent clause of the stated claims, the possibility of using the means and methods described above in the application or known before the priority date is confirmed;

средства, воплощающие заявляемое изобретение при его осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.means embodying the claimed invention in its implementation are able to ensure the achievement of a technical result perceived by the applicant.

Claims

CLAIM

1. Diagonal fan, comprising a cylindrical housing, a guide manifold, an impeller made of two truncated cones, rigidly interconnected with diagonal blades, a straightening apparatus and an electric motor, characterized in that the guide manifold, the impeller and straightener are concentric and sequential installed along the ceiling inside the cylindrical housing, made in the form of two detachable sections, and in the first section a guide collector is installed, which is made in as a tapering and expanding nozzle, aerodynamically coupled with the upper end of the outer truncated body, and the impeller, in the volume of the inner truncated body of which a hub is installed to rigidly fasten it directly to the end of the electric motor shaft, and in the second section a straightening device is installed with inlet and outlet rims of radial blades and electric motor with front and rear attachment points, while the attachment points of the electric motor inside the cylindrical body are made together with the crown The radial blades of the front motor mount are located at an acute angle to the incoming flow, while the radial blades of the rear motor mount are parallel to the incident flow and mounted inclined to the longitudinal axis of the cylindrical body.

2. Diagonal fan according to claim 1, characterized in that sheet blades with an output angle in the range of 84-115 °, varying along the radius of the blade height, are used in the impeller.

3. Diagonal fan according to claim 1, characterized in that the front and rear motor mountings inside the second section of the housing contain cylindrical bushings and annular frames, which are rigidly connected to the radial vanes of the straightener and are elastically connected to the end flanges of the electric motor through rigid elastic elements, mainly through carbon steel cup springs.

4 J 8 £ \\ ι G G