ITPD20010211A1 - Ventola per ventilatori particolarmente per impianti di raffreddamento motore. - Google Patents

Description

“VENTOLA PER VENTILATORI PARTICOLARMENTE PER IMPIANTI DI RAFFREDDAMENTO MOTORE”

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha per oggetto una ventola per ventilatori particolarmente per impianti di raffreddamento motore.

Sono attualmente note in commercio diverse fogge di ventole per ventilatori impiegati in svariate applicazioni, sia veicolistiche che impiantistiche in senso generale.

La casistica più comune negli impianti fissi riguarda ventole con pale diritte, mentre sugli autoveicoli, nell’impianto di raffreddamento motore, sono impiegati, nella maggioranza dei casi, ventole con pale curve con larga prevalenza della curvatura in avanti.

Sono comunque presenti casi di curvatura all’indietro ed anche soluzioni miste combinate a doppia curvatura od a configurazione inconsueta di difficile classificazione.

La presente invenzione riguarda particolarmente ventole per ventilatori installati nel vano motore degli autoveicoli a valle del radiatore, per attivare la circolazione dell’ aria di raffreddamento nello stesso, a cui sono collegati mediante un convogliatore che può avere svariate conformazioni, che vanno dal semplice anello cilindrico alla forma di tronco di piramide raccordata in modo da accoppiare la massa radiante rettangolare con il ventilatore circolare.

In quasi tutti i casi le pale sono conformate con sezioni a profilo alare per il miglior scorrimento del flusso d’aria e la garanzia di una adeguata resistenza strutturale.

La curvatura palare, rispetto ad una pala diritta, è orientata principalmente a ridurre remissione sonora e, secondariamente, per aumentare a parità di diametro la superfìcie di reazione fra aria e pala in modo da ridurre il carico aerodinamico specifico.

Inoltre l’andamento del flusso d’aria alla mandata può in qualche misura essere influenzato in modo da ottenere un efflusso prevalente nella direzione voluta.

Le ventole del tipo noto però hanno problemi particolarmente riferiti alle prestazioni e alla rumorosità.

Compito principale del presente trovato è quello di risolvere o sostanzialmente ridurre i problemi dei tipi noti di ventole per ventilatori particolarmente per impianti di raffreddamento motore.

Nell'ambito del compito principale, un importante scopo è quello di mettere a punto un ventola di elevate prestazioni, con particolare riferimento alle perdite di carico.

Ancora uno scopo è quello di mettere a punto una ventola di bassa rumorosità.

Un altro scopo ancora è quello di mettere a punto una ventola costruttivamente semplice.

Non ultimo scopo è quello di mettere a punto una ventola di costo competitivo, producibile con impianti e tecnologie del tipo noto.

Il compito principale, gli scopi preposti ed altri scopi ancora, che più chiaramente appariranno in seguito, vengono raggiunti da una ventola per ventilatori particolarmente per impianti di raffreddamento motore, del tipo comprendente un mozzo a partire dal quale si sviluppano una pluralità di pale, equi di stanziate angolarmente, con curvatura all'indietro rispetto al senso di rotazione, fino ad un anello esterno, solidale alle pale stesse in corrispondenza del loro apice, caratterizzata dal fatto che ciascuna pala ha

angolo di calettamento (δ) che varia in funzione del raggio adimensionale (Ra) s econdo la formula:

dove K è compreso sostanzialmente fra 59,6 e 67,6,

- angolo di curvatura (Ac) con andamento, a partire dalla radice (circa al 45% del raggio della ventola), che inizia con valori bassi ma cresce poi in modo accentuato fino a circa il 70% del raggio, si mantiene all’incirca costante fino a circa il 90% e riprende quindi a crescere fino all’apice della pala.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una sua forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, indicata a titolo indicativo e non limitativo nelle allegate tavole di disegni, in cui:

- la fig. 1 illustra, in pianta, una ventola secondo il trovato;

- la fig. 2 illustra una porzione della ventola di figura precedente;

- la fig. 3 illustra, in vista prospettica, una pala della ventola;

- la fig. 4 illustra un metodo per la costruzione grafica di una pala della ventola;

- la fig. 5 illustra il grafico dell'andamento dell'angolo di calettarne della pala in funzione del raggio della ventola;

- la fig. 6 illustra il grafico dell'andamento dell'angolo di curvatura della pala in funzione del raggio adimensionale.

Con particolare riferimento alle figure precedentemente descritte, una ventola per ventilatori particolarmente per impianti di raffreddamento motore, secondo il trovato, viene complessivamente indicata con il numero 10.

La ventola 10 comprende sei pale 11, uguali tra loro, le quali si sviluppano con curvatura all'indietro, rispetto al senso di rotazione, a partire da un mozzo 12 fino ad un anello esterno 13, il quale è solidale alle pale 11 stesse in corrispondenza del loro apice 14.

Lo scopo primario dell'anello 13 è quello di ridurre il ricircolo di aria intorno all’apice 14 delle pale 11 fra il lato a valle, a maggiore pressione, e il lato a monte, a pressione minore.

Infatti, una fonte importante di perdita di rendimento è proprio rappresentata del predetto ricircolo, specialmente nei casi in cui per motivi costruttivi non è possibile realizzare giochi piccoli fra le pale rotanti ed il convogliatore fìsso.

Il profilo delle pale 11 è stato elaborato sulla base di una distribuzione degli spessori derivata dal classico profilo C4 con un valore massimo di spessore pari al 5% della corda del profilo, definita come la distanza tra bordo di attacco 15 e bordo di uscita 16 misurata sulla retta congiungente.

La curvatura massima del profilo è pari al 10% della corda alla radice 17 della pala 11 e del 7% all’apice 13 con una transizione graduale tra i due valori proporzionale al raggio della ventola 10.

La posizione massima della curvatura è posizionata al 50% della cord la curva media è rappresentata da un arco di cerchio.

Il valore massimo dello spessore si trova in corrispondenza del 30% della corda.

Le varie sezioni di una pala 11 non sono però ricavate su di un piano intersecante la pala 11 ad un dato raggio, ma sulla superficie laterale di un cilindro avente un raggio pari al raggio della ventola 10 considerato per ogni sezione.

Ciò significa che la curva media del profilo giace su una superficie cilindrica e che la corda viene considerata come un arco di cerchio invece che una retta, per cui le distanze rispetto al bordo di attacco sono curvilinee anziché lineari.

Le pale 11 della ventola 10 non presentano inclinazione in quanto il bordo di uscita 16 giace completamente sul piano di rotazione.

Tale configurazione con corda ed incidenza palare costante comporta, rispetto alla direzione assiale del flusso di aria, un andamento del bordo di attacco 15 avanzato in corrispondenza del mozzo 12 e più arretrato in corrispondenza dell’apice 14 delle pale 11.

In questo modo, tenuto conto che la ventola 10 è collocata a valle di un radiatore per il raffreddamento motore degli autoveicoli, si ottiene maggiore spazio nella zona esterna per facilitare l’aspirazione dell’aria dal convogliatore convergente posto fra il radiatore ed il ventilatore.

Inoltre, essendo ridotta l’estensione in senso assiale dell’apice 14 della pala 11, l’anello esterno 13 risulta di dimensioni contenute per cui la sua realizzazione risulta più semplice e la sua massa ragionevolmente limitata in modo da non aumentare eccessivamente il momento d’inerzia della ventola 10 e rendere più facile la sua equilibratura.

La ventola 10, quindi, è stata sviluppata allo scopo di ottimizzare il suo funzionamento nell’ambito di impianti raffreddamento motore che presentano la seguenti caratteristiche di perdite di carico in funzione della portata aria:

Dove : - ΔΡ = perdite di carico dell’impianto di raffreddamento misurate in Pa:

- Qa = Portata aria di raffreddamento misurata in m<3>/s;

- A = 150 e B = 46 nel caso di impianti con due ventilatori in parallelo; - A = 600 e B = 92 nel caso di impianti con un solo ventilatore.

L’ottimizzazione delle prestazioni del ventilatore per le esigenze di portata d'aria dell’impianto di raffreddamento, porta alla individuazione di un angolo di incidenza, cioè l’angolo che la corda del profilo forma rispetto alla direzione del vettore rappresentante la velocità dell’aria relativa alla pala 11 in corrispondenza del bordo di attacco 15, di 8° sessagesimali.

L’angolo di calettamento, cioè l’angolo che la corda del profilo forma col piano di rotazione della ventola 10, viene calcolato sulla base di parametri di progetto quali la portata d'aria il diametro della ventola 10 (D [m]) in corrispondenza dell’apice 14 delle pale 11, il diametro del mozzo 12 (d [m]) in corrispondenza della radice 17 delle pale 11, la velocità di rotazione (n [giri/min]).

In prima istanza si scelgono alcuni valori del raggio della ventola 10, usualmente 10-12 valori compresi quelli del mozzo 12 e dell’apice 14, in corrispondenza dei quali si individuano le varie sezioni per le quali si conduce il calcolo.

Si procede quindi al calcolo della velocità periferica u per i vari raggi:

Si calcola la velocità assiale media dell’aria all’ingresso Ci:

Il calcolo prosegue con la determinazione della velocità relativa wi dell’ aria all’ingresso della pala 11:

Da questa si calcola l’angolo di inclinazione βι della velocità relativa WÌ rispetto al piano di rotazione:

e quindi l’angolo di calettamento δ:

dove α è l’angolo di incidenza.

Ripetendo il calcolo per i diversi raggi prescelti si ottiene l’andamento illustrato sul grafico di figura 5, che si può rappresentare in termini puramente numerici con il seguente polinomio di 3° grado in funzione del raggio adimensionale Ra:

dove K è compreso fra 59,6 e 67,6.

Ricavato l’angolo di calettamento si procede alla determinazione del valore della corda e del numero delle pale in modo da ottenere la prevalenza prevista a progetto minimizzando la potenza assorbita.

H metodo consiste nel partire da una prima ipotesi dei tre parametri in oggetto e da questa calcolare la prevalenza e la potenza modificando successivamente i valori dei tre parametri se necessario fino ad ottenere il risul voluto.

E’ cioè un metodo per successive approssimazioni che consiste nel calcolare le forze aerodinamiche di portanza e resistenza agenti sulle pale procedendo coi metodi consueti descritti nella letteratura che tratta l’argomento, e utilizzando dati empirici la cui validità precipua è stata verificata nello specifico campo di applicazione autoveicolistica.

Come detto, le pale 11 della ventola 10 sono curvate all’indietro, ed hanno un andamento caratteristico diverso da quanto si riscontra nelle ventole note.

Infatti, mentre le più comuni soluzioni oggi sul mercato presentano un andamento dell’angolo di curvatura gradualmente crescente dalla radice (mozzo) all’apice della pala, nel caso presente questo andamento a partire dalla radice 17 (circa al 45% del raggio della ventola) inizia con valori bassi ma cresce poi in modo accentuato fino al 70% del raggio, si mantiene all’incirca costante fino al 90% e riprendendo quindi a crescere fino all’apice 14 della pala 11.

Tale andamento è anche illustrato sul grafico riportato in figura 6.

La curvatura C della pala 11 viene ricavata con un metodo di derivazione prettamente empirica, che parte dal posizionamento dei vari punti del bordo di uscita 16 sul piano di rotazione del ventilatore (essendo la ventola in esame priva di inclinazione delle pale) mediante la formula seguente:

che fornisce il valore della coordinata y sul piano predetto come illustrato nella figura 4.

Per ottenere la coordinata x si procede con una specie di coordinata polare, in quanto si ricerca il punto in cui la y predetta si colloca sulla circonferenza generata dal raggio r che volta per volta si considera.

Determinata la posizione del bordo di uscita 16 si ricava, tenendo conto del valore della corda e dell’angolo di calettamento, la posizione del bordo di attacco 15 e dei vari punti del dorso e del ventre del profilo sempre lungo l’arco di circonferenza del raggio considerato.

E’ a questo punto possibile calcolare l’andamento della curvatura del bordo di attacco 15 espressa dall’angolo formato dalla retta tangente nei vari punti al bordo di attacco 15 proiettato in pianta e la retta rappresentante il raggio corrispondente (come visibile in figura 2).

Per individuare la retta tangente si ricava una rappresentazione polinomiale della curva del bordo di attacco 15, del tipo:

Si calcola quindi la funzione derivata prima e da questa l’angolo rispetto all’asse delle ascisse; si ricava l’angolo della retta uscente dall’origine corrispondente nei vari punti e si ottiene per differenza l’angolo di curvatura Ac.

L’andamento di questo in funzione del raggio Ra, espresso in forma adimensionale, è rappresentato dalla correlazione:

dove A è compreso fra 47376 e 68339,5, B è compreso fra 199581,5 e 292270, C è compreso fra 340791,6 e 508214,1, D è compreso fra 301132 e 459016, E è compreso fra 145024 e 226915,6, F è compreso fra 36217,6 e 58382 e G è compreso fra 3676 e 6135,5.

L’andamento della curvatura della pala 11 comporta un migliore rendimento massimo della ventola rispetto alle curvature del tipo tradizionale.

Inoltre, l’accentuazione della curvatura nel tratto terminale della pala dove si hanno le maggiori velocità relative dell’aria e quindi i carichi più elevata contribuisce ulteriormente alla riduzione dell’emissione di rumore.

Nel caso particolare che la ventola 10, a sei pale 11 curvate all'indietro, abbia corda di lunghezza pari a 64 mm, diametro esterno di 301 mm, diametro del mozzo 12 di 135 mm e diametro dell'anello esterno 13 di 305 mm, il valore di K nella formula dell'angolo di calettamento δ è pari a 62,6, mentre l'andamento dell'angolo di curvatura Ac è rappresentato dalla correlazione:

Si è in pratica constatato come il presente trovato abbia portato a compimento gli scopi ad esso preposti.

Il presente trovato è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.

I dettagli tecnici sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.

I materiali, purché compatibili con l'utilizzo contingente, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1) Ventola per ventilatori particolarmente per impianti di raffreddamento motore, del tipo comprendente un mozzo a partire dal quale si sviluppano una pluralità di pale, equidi stanziate angolarmente, con curvatura all'indietro rispetto al senso di rotazione, fino ad un anello esterno, solidale alle pale stesse in corrispondenza del loro apice, caratterizzata dal fatto che ciascuna pala ha - angolo di calettamento (δ) che varia in funzione del raggio adimensionale (Ra) secondo la formula:

   dove K è compreso sostanzialmente fra 59,6 e 67,6, - angolo di curvatura (Ac) con andamento, a partire dalla radice (circa al 45% del raggio della ventola), che inizia con valori bassi ma cresce poi in modo accentuato fino a circa il 70% del raggio, si mantiene all’incirca costante fino a circa il 90% e riprende quindi a crescere fino all’apice della pala.
2. 2) Ventola, come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto angolo di curvatura (Ac) varia in funzione del raggio adimensionale (Ra) secondo la formula:

   dove A è compreso sostanzialmente fra 47376 e 68339,5, B è compreso sostanzialmente fra 199581,5 e 292270, C è compreso sostanzialmente fra 340791,6 e 508214,1, D è compreso sostanzialmente fra 301132 e 459016, E è compreso sostanzialmente fra 145024 e 226915,6, F è compreso sostanzialmente fra 36217,6 e 58382 e G è compreso sostanzialmente fra 3676 e 6135,5.
3. 3) Ventola, come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che l'angolo di curvatura (Ac) varia in funzione del raggio adimensionale (Ra) secondo la formula:

   Ra 177447,192 Ra 44961,081 Ra 4642,246.
4. 4) Ventola, come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che K è uguale a 62,6.
5. 5) Ventola per ventilatori particolarmente per impianti di raffreddamento motore, come ad una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata da quanto illustrato nelle allegate tavole di disegni.