ES2273710T3 - Rotor centrifugo con una curvatura de palas elevada. - Google Patents

Abstract

Un rotor centrífugo montado para girar sobre un eje, comprendiendo dicho rotor una pluralidad de palas extendidas radialmente, teniendo dichas palas un ángulo de borde de salida grande BTE, siendo dicho ángulo de borde de salida de al menos 70 grados; y una superficie de carcasa superior conectada a las palas de rotor, que cubre al menos una porción sustancial de la longitud de cuerda de las palas de rotor; caracterizado por el hecho de que las palas tienen una curvatura positiva alta en una región interior radialmente de la pala, teniendo dicha curvatura positiva un valor máximo en una posición x, donde x/C<0, 5, siendo el valor de la curvatura en x de al menos el 7% de la cuerda de la pala.

Description

Rotor centrífugo con una curvatura de palas elevada.

Esta invención se refiere a ventiladores centrífugos, como los que se usan para calentar, ventilar y climatizar (HVAC).

Una característica del diseño básico de un rotor centrífugo es el ángulo que el borde de salida de la pala hace con una tangente al rotor. Este ángulo se llama ángulo del borde de salida de la pala. Los rotores curvados hacia atrás tienen ángulos del borde de salida de la pala menores de 90 grados, mientras que los rotores curvados hacia adelante tienen ángulos del borde de salida de la pala mayores de 90 grados. Otra característica del diseño básico es la curvatura de la pala. La curvatura de la pala se define como la relación entre la distancia perpendicular desde la línea media a la cuerda de la pala hacia la longitud de la cuerda de la pala en sí.

Dos características importantes del rendimiento de un rotor centrífugo son su corriente no dimensional y su capacidad de presión; esto es, la capacidad de rendimiento del rotor normalizado sobre el diámetro y velocidad de funcionamiento. Los rotores curvados hacia atrás normalmente funcionan más deprisa o son de diámetro mayor que un rotor curvado hacia adelante funcionando en el mismo punto de funcionamiento, y los rotores curvados hacia atrás normalmente funcionan en eficiencias estáticas superiores. Los rotores curvados hacia adelante funcionan a eficiencias inferiores, pero pueden funcionar más despacio o ser de diámetro más pequeño en el mismo punto de funcionamiento.

En aplicaciones de control de climatización de automoción para ventiladores centrífugos, el rotor puede ubicarse dentro de la cabina adyacente a los ocupantes, así que el control del ruido y las vibraciones es importante. En estas y otras diversas aplicaciones, los ventiladores centrífugos deberían funcionar no solo con ruido y vibraciones bajos, sino que también deberían funcionar con alta eficiencia sobre una gama de condiciones de funcionamiento en un paquete de volumen relativamente pequeño. Por ejemplo, en sistemas HVAC para automoción, pueden conseguirse varias funciones abriendo y cerrando pasos de conducto, y la resistencia de la corriente normalmente es superior en condiciones de calefacción y descongelación, y menor en modo de aire acondicionado. La potencia del rotor debería ser fuerte en todas las condiciones de funcionamiento, si es posible, y el funcionamiento del rotor debería ser silencioso en todos sus puntos de funcionamiento. Con respecto a los rotores curvados hacia atrás en particular, los modos calefacción y descongelación de alta resistencia pueden causar problemas de ruido particulares, que pueden ser calificados de ruido de baja frecuencia.

Yapp, US 4900228 describe palas de rotor centrífugas curvadas hacia atrás con una curvatura en forma de "S". Una realización incorpora una curvatura máxima que es el 5% de la cuerda de la pala, y un ángulo de salida de la pala de entre 50 y 60 grados desde la tangente del rotor.

Nishikawa, US 4401410 describe una pala de la turbina de un ventilador de corriente en diagonal, que debería idealmente tener la forma de una curvatura doble retorcida o superficie indesarrollable, estando formado a partir de una porción de una combinación de una placa cilíndrica y una placa planar tangente a la placa cilíndrica, o de una combinación de un par de superficies cilíndricas recíprocamente circunscritas, cuya porción constituye una superficie desarrollable. Para realizar la formación de una pala desde la superficie desarrollable, se han usado como base para el diseño líneas de intersección entre placas planares y placas cilíndricas combinadas, o cilindros combinados y una serie de superficies cónicas imaginarias coaxiales que representan las líneas de corriente en la turbina. Nishikawa describe realizaciones de rotor que tienen un ángulo del borde de salida de la pala que supera los 70 grados y una superficie de carcasa superior conectada a las palas y que cubre una porción sustancial de la longitud de la cuerda de las palas.

Como se hará patente a partir de la descripción y dibujos siguientes, nuestras realizaciones descritas de rotor centrífugo combinan características tanto de rotores curvados hacia atrás como hacia adelante, para obtener las ventajas de ambos. La geometría del borde de ataque es similar a la del rotor curvado hacia atrás convencional, pero la curvatura y los ángulos del borde de salida son muy superiores.

Según la presente invención, se dispone un rotor centrífugo montado para girar sobre un eje, comprendiendo dicho rotor una pluralidad de palas extendidas radialmente, teniendo dichas palas un ángulo de borde de salida grande \theta_{TE}, siendo dicho ángulo de borde de salida de al menos 70 grados; y una superficie de carcasa superior conectada a las palas de rotor, que cubre al menos una porción sustancial de la longitud de cuerda de las palas de rotor; caracterizado por el hecho de que las palas tienen una curvatura positiva alta en una región interior radialmente de la pala, teniendo dicha curvatura positiva un valor máximo en una posición x, donde x/C<0,5, siendo el valor de la curvatura en x de al menos el 7% de la cuerda de la pala.

En las realizaciones preferidas: El valor máximo de la curvatura puede ser del 10% o más. La curvatura máxima puede producirse en x/C<0,4. La superficie de la carcasa superior está moldeada, esto es, que tiene curvatura en un plano que contiene el eje del rotor (la "dirección radial", Fig. 3) - para ayudar a controlar la difusión de la corriente y contribuir a eliminar el desprendimiento de la corriente, y está conectada a las palas del rotor y cubre al menos una porción sustancial de la longitud de la cuerda de las palas del rotor. La carcasa puede también a veces incorporar un reborde de entrada para ayudar a la corriente a entrar en las palas del rotor con una turbulencia relativamente baja, ayudando a reducir la posibilidad de desprendimiento de la corriente.

En las realizaciones preferidas, la cuerda es larga, normalmente de al menos el 15% o incluso el 20% del diámetro del rotor. También en las realizaciones preferidas, el rotor tiene una relación de superficie cilíndrica de entre el 1,0 y el 1,5, el radio del borde de ataque de la pala es de al menos el 0,8% de la longitud de la cuerda de la pala, y al menos un componente del rotor es de plástico moldeado por inyección. El diámetro del rotor está entre 75 y 300 milímetros, y la relación del número de palas con el diámetro del rotor en milímetros es de al menos 0,15, más preferiblemente al menos 0,2.

Los rotores descritos no solo controlan el ruido de baja frecuencia, sino también el ruido y la vibración generales bajo ciertas condiciones de funcionamiento. Los bordes de ataque de la pala están alineados con la corriente de aire entrante para limitar la carga aerodinámica allí, evitando la separación inmediata de la corriente. Las palas están altamente curvadas y tienen un ángulo de borde de salida de pala relativamente alto, permitiendo al rotor tener una corriente altamente no dimensional y capacidad de presión. El ángulo de borde de salida de la pala se acerca al de un rotor curvado hacia adelante convencional, pero el diseño del cubo, las superficies de la carcasa curvada y la mayor longitud de cuerda de la pala permiten que se produzca la difusión (la conversión de energía cinética en presión estática). Un gran número de palas también contribuye al control del proceso de difusión. Los rotores descritos son particularmente adecuados para aplicaciones de automoción porque pueden producir un rendimiento similar al de los rotores curvados hacia atrás convencionales, pero a una velocidad de funcionamiento inferior o con un diámetro más pequeño.

Otras características y ventajas se harán patentes para aquellos familiarizados con la técnica a partir de la descripción siguiente de la realización preferida.

En los dibujos:

La Fig. 1 es una vista transversal de las palas de rotor que muestra la cuerda de pala, línea media, curvatura máxima, y ángulo de borde de salida de pala.

La Fig. 1a es un primer plano que muestra el radio del borde de ataque de la pala.

La Fig. 2 es una vista transversal del rotor, que muestra las palas y la dirección de rotación del rotor.

La Fig. 3 es una vista transversal del rotor, que muestra las formas del cubo y la carcasa, habiéndose omitido las palas adyacentes para mayor claridad.

La Fig. 4 es una vista en perspectiva del rotor que muestra la forma de las palas y la carcasa.

La Fig. 1 es una representación transversal de las palas de la invención, que muestra sus formas. Como se ha visto, el ángulo del borde de salida TE es el ángulo que el borde de salida de la pala forma con una tangente del rotor. En las realizaciones preferidas, las palas del rotor son bidimensionales, es decir, que la línea media (ML) no cambia en la dirección del recorrido de la pala. La curvatura CM es la distancia perpendicular entre la línea media ML y la cuerda de la pala C, y el valor máximo de curvatura (CM_{máx}) está situado hacia el borde de ataque en un punto x situado a lo largo de la cuerda, suficientemente cerca del borde de ataque para evitar el desprendimiento de la corriente. En la Fig. 1, CM_{máx} está situado en x alrededor de x/C=0,32 (donde C es toda la cuerda). En cualquier caso, la relación deseada es x/C< alrededor de 0,4 o 0,5.

Los bordes de ataque de la pala están alineados con la corriente de aire entrante para limitar la carga aerodinámica allí, evitando la separación inmediata de la corriente. La curvatura de pala máxima preferiblemente está entre el 10 y el 35% de la cuerda de la pala (0,10C<CM_{máx}>O,35C), pero esta gama puede ampliarse hasta 0,07C<CM_{máx}>0,35C. El desprendimiento de la corriente es muy difícil de controlar con una curvatura de pala máxima de más del 35% de la cuerda de la pala.

Las palas del rotor de la realización preferida tienen unos ángulos de borde de salida de pala (_{TE}) de entre 70 y 135 grados, en los que este desprendimiento de corriente es difícil de controlar con un ángulo de borde de salida de la pala de más de 135 grados.

Sin intención de vincularse a una teoría específica que explique la invención, se ofrece la explicación siguiente. En condiciones de resistencia de corriente alta, como los modos de calefacción y descongelación del HVAC de automoción, un rotor centrífugo es susceptible de sufrir un desprendimiento de corriente. El desprendimiento de corriente es una condición en la que el rotor pierde de forma repentina una porción considerable de su capacidad de rendimiento y genera una cantidad sustancial de ruido, caracterizado por un ruido sordo o rugido de baja frecuencia. Esta pérdida de rendimiento puede deberse a la separación de la corriente de la capa límite desde las palas del rotor. La corriente de la capa límite unida permite que tenga lugar el proceso de difusión, aumentando la eficiencia operativa del rotor. La separación prematura de la capa límite conduce a una reducción del rendimiento, ya que el proceso de difusión se interrumpe cuando la capa límite se separa de las palas del rotor.

El rotor está diseñado de forma que las palas del rotor difunden la corriente cerca del borde de ataque, donde la energía de la capa límite es alta. La difusión de la corriente es muy reducida hacia el borde de salida, donde una capa límite gruesa de energía más baja es susceptible de separarse.

El objetivo del diseño de este rotor es evitar que se produzca el desprendimiento de corriente en condiciones de resistencia de corriente alta, y también incorporar ángulos de borde de salida de pala altos. Los ángulos de borde de salida de pala altos permiten velocidades altas de salida de corriente a una razón de rotación del rotor relativamente baja. La relación de rotación baja (para un diámetro dado) permite características de menores ruido y vibraciones.

En las realizaciones preferidas, se usa también un radio de borde de ataque LER relativamente redondeado de al menos un 0,8% de la cuerda de la pala C (Fig. 1A) para reducir la generación de ruido y el contenido de ruido tonal. El radio de borde de ataque máximo está limitado por las características del moldeo, del espaciado de las palas y de la corriente de aire.

Generalmente, palas de rotor con curvatura extrema del tipo descrito en la presente inducirían un desprendimiento de corriente inmediato. Sin embargo, el alto número de palas y la gran longitud de la cuerda de las palas (comparada con los rotores curvados hacia atrás típicos), así como el diseño del cubo y de las superficies de carcasa curvadas mitigan este problema. El alto número de palas (Fig. 2) reduce la cantidad de trabajo que cada pala debe ejecutar, contribuyendo a aumentar la resistencia al desprendimiento de corriente del rotor. En algunas realizaciones, habrá al menos 40 palas, todas ellas idénticas.

Las superficies de las palas adyacentes y las superficies del cubo y la carcasa definen una zona de sección transversal de paso de la pala. El alto número de palas limita el aumento en la zona de sección transversal del paso de pala, limitando así la difusión, ya que más palas ocupan una fracción más alta del espacio disponible. En las realizaciones preferidas, la relación del número de palas con el diámetro del rotor en milímetros es de al menos 0,2, pero puede ser tan baja como 0,15. El número máximo de palas está limitado por las características del moldeo, del espaciado de las palas y de la corriente de aire.

La gran cuerda de la pala permite más oportunidad para que se produzca la recuperación de la presión, distribuyendo la cantidad de trabajo sobre una pala más larga. La cuerda máxima de la pala está limitada por el número de palas, y por el tamaño mínimo requerido de la entrada de aire; a medida que la entrada de aire se hace más pequeña, aumentan las pérdidas asociadas con la aceleración del aire a través de la entrada. La cuerda mínima de la pala está limitada por el comportamiento del desprendimiento de corriente del rotor. La cuerda es larga, normalmente al menos de un 15% o incluso un 20% del diámetro del rotor.

El cubo y la carcasa (Figs. 3 y 4) también están configurados para limitar el aumento, así como la relación de aumento, en la zona transversal de paso de la pala. Esto produce un proceso de difusión controlada a través de los pasos de las palas. El diseño del cubo y de la carcasa curvada puede también contribuir a mantener estable el punto de separación de la capa límite, evitando que el punto de separación cambie de posición o se propague aguas arriba. La carcasa está conectada a las palas a lo largo de una porción sustancial de la longitud de la cuerda, esto es, la longitud de cuerda suficiente para eliminar significativamente el desprendimiento de corriente en el rango de funcionamiento. Normalmente, la carcasa está conectada a lo largo de al menos el 75% de la longitud de la cuerda, y preferiblemente a lo largo del 90 al 100% de la longitud de la cuerda, creando un espacio para consideraciones de moldeo en el borde de
ataque.

La posición radial de los bordes de ataque de la pala y el recorrido de las palas en el borde de ataque definen un cilindro de radio RLE. La posición radial de los bordes de salida de la pala y el recorrido de las palas en el borde de salida definen otro cilindro de radio RTE. La altura de cada uno de los cilindros viene determinada por la longitud de los bordes de ataque (LE) y los bordes de salida (_{TE}) mostrados en la Fig. 3. La relación entre la zona transversal definida por el primer cilindro (2 II RLE * LE) y la definida por el segundo cilindro (2 II RTE * _{TE}) se llama relación de zona cilíndrica. La relación de la zona cilíndrica debe ser suficientemente grande para controlar el desprendimiento de corriente, pero no tanto como para comprometer el volumen del conjunto. En las realizaciones preferidas, la relación de zona cilíndrica está entre el 1,0 y el 1,5.

Claims (12)

1. Un rotor centrífugo montado para girar sobre un eje, comprendiendo dicho rotor una pluralidad de palas extendidas radialmente, teniendo dichas palas un ángulo de borde de salida grande \theta_{TE}, siendo dicho ángulo de borde de salida de al menos 70 grados; y una superficie de carcasa superior conectada a las palas de rotor, que cubre al menos una porción sustancial de la longitud de cuerda de las palas de rotor; caracterizado por el hecho de que las palas tienen una curvatura positiva alta en una región interior radialmente de la pala, teniendo dicha curvatura positiva un valor máximo en una posición x, donde x/C<0,5, siendo el valor de la curvatura en x de al menos el 7% de la cuerda de la pala.

2. Un rotor centrífugo según la Reivindicación 1, caracterizado además por el hecho de que dicha curvatura positiva tiene un valor máximo de al menos un 10% de la cuerda de la pala, y produciéndose dicho valor máximo en x/C<0,5.

3. Un rotor centrífugo según la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2, caracterizado además por el hecho de que the valor máximo de the curvatura de la pala se produce a x/C<0,4.

4. Un rotor centrífugo según la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que comprende además una superficie de carcasa superior que tiene curvatura en un plano que contiene el eje del rotor.

5. Un rotor centrífugo según la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2, caracterizado además por el hecho de que la cuerda de la pala es al menos el 15% del diámetro del rotor.

6. Un rotor centrífugo según la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2, que además se caracteriza por una relación de zona cilíndrica de entre el 1,0 y el 1,5.

7. Un rotor centrífugo según la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2, caracterizado además por el hecho de que el radio del borde de ataque de la pala es de al menos el 0,8% de la longitud de la cuerda de la pala.

8. Un rotor centrífugo según la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2, caracterizado además en que tiene un número de palas para una relación de diámetro de al menos 0,15/mm.

9. Un rotor centrífugo según la Reivindicación 8, caracterizado además por el hecho de que el número de palas para una relación de diámetro de al menos 0,2/mm.

10. Un rotor centrífugo según la Reivindicación 1 o Reivindicación 2, caracterizado además en que comprende al menos un componente de plástico moldeado por inyección.

11. Un rotor centrífugo según cualquiera de las Reivindicaciones 1, 2 ó 10, caracterizado además por el hecho de que el diámetro del rotor esta entre 75 y 300 milímetros.

12. Un rotor centrífugo según la Reivindicación 1 o Reivindicación 2, caracterizado además por el hecho de que el ángulo de borde de salida de pala \theta_{TE} es menor de 135 grados.