ES2327291T3 - Impulsor y ventilador mejorados. - Google Patents

Abstract

Un impulsor (20) para un ventilador de ventilación, impulsor que comprende un cubo (36) y uno o más álabes, en el que al menos un álabe tiene: una porción (39) radial helicoidal interna cuya sección tiene un perfil aerodinámico; y una porción (42) aceleradora centrífuga que se extiende radialmente hacia el exterior de la porción (39) con perfil aerodinámico, caracterizado porque el ángulo formado entre el borde frontal de la porción (39) de perfil aerodinámico y un eje (45) de rotación del impulsor es mayor que el ángulo formado entre un borde frontal (40) de la porción (42) aceleradora y el eje (45) de rotación.

Description

Impulsor y ventilador mejorados.

La presente invención tiene que ver con un impulsor mejorado para un ventilador, en particular con un impulsor para un ventilador o un soplador, más en particular para un ventilador para su uso en aplicaciones domésticas y/o comerciales, para su empleo fundamentalmente en un conducto o conducto de ventilación o en una pared de un edificio. La presente invención tiene que ver además con un ventilador que comprende tal impulsor.

Se sabe (véanse, por ejemplo, los documentos US 2002/0098085 y EP 1355064) proporcionar álabes de ventilación, con los que el flujo de aire a través del ventilador es centrífugo. En tales ventiladores, existe una elevada turbulencia en el centro, causada por la rotación de los álabes, lo que lleva a perdidas elevadas y, por ende, a la ineficacia. Ello se debe a los vórtices centrales que, de hecho, reducen el área de entrada disponible al ventilador, de modo que hay una gran velocidad de aire en los bordes externos de la entrada para acomodar el gradiente de presión causado por el ventilador. En vista del perfil del flujo que entra en el ventilador, es una desventaja adicional de los ventiladores centrífugos existentes que el espacio libre mínimo para que entre un volumen de aire suficiente por la entrada es normalmente la mitad del diámetro del ventilador.

Los elevados gradientes de presión y otras características operativas de los ventiladores centrífugos convencionales no plantean un problema para la operación general, puesto que la abertura de entrada puede diseñarse para que acomode el flujo requerido. Sin embargo, la eficiencia de los ventiladores centrífugos convencionales se degrada significativamente cuando se colocan en una entrada estrecha y en conductos de ventilación de aire.

Una desventaja adicional de los ventiladores convencionales es que el vórtice interno que puede desarrollarse durante el uso de un ventilador centrífugo en una tubería afecta las características de presión y, por ende, reduce la eficiencia del ventilador. Por lo tanto, es necesario proporcionar un enderezador o un soporte en el conducto para evitar la formación de tal vórtice. En el caso de ventiladores centrífugos encajonados también hace falta un enderezador para reducir las pérdidas de presión.

Se ha propuesto proporcionar ventiladores que tengan un "flujo mixto", comprendiendo el flujo de aire que atraviesa el ventilador un componente axial y uno centrífugo. Sin embargo, en los ventiladores de "flujo mixto" existentes, el elemento axial del flujo de aire es muy bajo, del orden del 5% del flujo de aire total, siendo centrífugo el resto del flujo de aire. Por lo tanto, los ventiladores de flujo mixto existentes presentan las mismas desventajas que los ventiladores centrífugos convencionales.

Además, los ventiladores de flujo mixto convencionales comprenden una centrífuga curvada hacia a atrás, con una plancha trasera cóncava, de modo que el impulsor imparta un flujo espiral o en vórtice característico al fluido que sale del ventilador. Por ello, se pierde eficiencia, debido a la generación de un flujo indeseado tangencial, más que radial, corriente abajo del ventilador.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un ventilador en el que las anteriores desventajas se reduzcan o se obvien de forma sustancial.

Es un objeto adicional de la presente invención proporcionar un ventilador que pueda ser montado en un conducto de aire con un área de entrada y de descarga relativamente estrecha en comparación con los ventiladores convencionales de ventilación, ventilador que es relativamente plano en profundidad en comparación con los ventiladores convencionales.

Es aún otro objeto adicional de la presente invención proporcionar un ventilador que haga pasar volúmenes relativamente elevados de aire por conductos de ventilación estrechos.

La presente invención proporciona un impulsor para un ventilador, impulsor que comprende un cubo y uno o más álabes, en el que al menos un álabe tiene: una porción radial interna cuya sección tiene un perfil aerodinámico y una porción aceleradora centrífuga que se extiende radialmente hacia el exterior de la porción con perfil aerodinámico, en la que la porción con perfil aerodinámico tiene un ángulo de ataque mayor que la porción aceleradora.

El ángulo de ataque define el ángulo entre el frente del álabe y la dirección del movimiento del álabe.

El impulsor conforme a la presente invención tiene características en parte de perfil aerodinámico y en parte de ventilador centrífugo, llevando así aire hacia el centro del ventilador en un grado mayor que las turbinas convencionales. Esto proporciona un perfil de flujo más homogéneo en el aire que entra en el ventilador, evitando la turbulencia hacia el centro y las resultantes regiones de elevada velocidad hacia el perímetro de la entrada al ventilador. La porción de perfil aerodinámico actúa a modo de impulsor axial, mientras que la sección aceleradora fuerza al aire hacia el exterior en dirección radial, de tal modo que los elementos axial y radial están ambos incluidos en un impulsor de flujo "combinado" conforme a la presente invención.

En una realización, la porción radialmente interior, o de perfil aerodinámico, tiene forma helicoidal. La sección axial helicoidal situada en el origen del impulsor imparte una fuerza sustancialmente radial al aire que entra en el ventilador, forzando al aire radialmente hacia afuera. Así, el aire es forzado hacia afuera por la larga ruta de la porción aceleradora lateral.

Preferentemente, la curvatura del álabe aumenta hacia el eje de rotación o el centro del impulsor. Típicamente, el ángulo del álabe con respecto al eje de rotación del impulsor es mayor en la porción central. Así, el ángulo de ataque del álabe es mayor en la porción aceleradora.

En una realización preferida el ángulo de ataque del álabe se reduce en la porción de perfil aerodinámico y, típicamente, el ángulo de ataque es menor en el borde radialmente más interior del álabe. Así, la orientación del álabe tiene hacia un borde más externo que es sustancialmente paralelo al eje de rotación del álabe. Sin embargo, el borde más externo no alcanza una línea recta, sino que mantiene una ligera curvatura.

Preferentemente, la curvatura de la porción aceleradora centrífuga es sustancialmente constante, de modo que el álabe sea sustancialmente simétrico en su borde más exterior.

La orientación del álabe hacia el borde más exterior resulta particularmente ventajosa, dado que la porción aceleradora centrífuga adopta una forma similar a la de una paleta o de un álabe para generar a partir del impulsor un flujo radial, en contraposición a tangencial. En este sentido, la caída de presión en la porción aceleradora es mayor que la caída de presión en la porción de perfil aerodinámico del álabe. Por ello, la porción de perfil aerodinámico produce poco arrastre, al llevar el aire al centro del ventilador, mientras que la alargada porción aceleradora empuja el aire radialmente hacia afuera.

La larga ruta de la porción aceleradora es particularmente ventajosa, dado que obvia la turbulencia del aire e imparte energía al aire para generar un gradiente de presión de forma novedosa.

Además, el ángulo de ataque es mínimo en el centro, donde la velocidad del álabe es mínima, y aumenta hacia el borde más exterior, donde la velocidad es máxima. Esto promueve un perfil de flujo homogéneo de la entrada en la totalidad de la entrada del impulsor.

Conforme a una realización preferida, el borde frontal del álabe es sustancialmente recto. Preferentemente, el borde frontal es sustancialmente tangencial a la porción de cubo del impulsor.

Preferentemente, el impulsor comprende 5 o 7 álabes, cada uno de las cuales tiene una porción central helicoidal de perfil aerodinámico que se extiende lateralmente a una porción aceleradora centrífuga.

La presente invención proporciona además un ventilador que comprende un impulsor y un alojamiento en el que el impulsor está montado para su rotación, impulsor que comprende uno o más álabes, en la que el álabe o al menos uno de los álabes tiene una porción central helicoidal de perfil aerodinámico que se extiende lateralmente a una porción aceleradora centrífuga.

En una realización preferida de un ventilador conforme a la presente invención, el impulsor está montado dentro de una espiral formada dentro del alojamiento.

Se entenderá que el ángulo de ataque se refiere al ángulo entre el álabe y la dirección del movimiento del álabe. El ángulo de ataque para una sección concreta del álabe puede medirse como el ángulo entre la línea central del álabe y la dirección del movimiento del borde frontal del álabe. Para un ventilador conforme a la presente invención, la dirección del movimiento es generalmente aproximadamente perpendicular al eje de rotación.

Ahora se describirán con más detalle realizaciones preferidas de un impulsor y un ventilador conforme a la presente invención haciendo referencia a los dibujos adjuntos, de los cuales:

la Figura 1 es una vista lateral de un ventilador centrífugo convencional que muestra el patrón de velocidad de la entrada;

la Figura 2 es una vista en planta del ventilador de la Figura 1 que muestra el patrón de descarga del aire;

la Figura 3 es una vista isométrica de una realización de un impulsor conforme a la presente invención;

la Figura 4 es una vista en planta desde arriba del impulsor de la Figura 3;

la Figura 5 es una vista lateral de un ventilador conforme a la Figura 3;

la Figura 6 es una vista lateral de un ventilador genérico conforme a la presente invención;

la Figura 7 es una vista en planta del ventilador de la Figura 6.

Como puede apreciarse en las Figuras 1 y 2, un ventilador centrífugo convencional mostrado de forma genérica en 10 comprende un impulsor 2 que tiene un diámetro D^{1} y está albergado en un alojamiento 4. El impulsor 2 es movido por un motor 6. El diámetro de entrada D^{2} del impulsor 2 es menor que el diámetro D^{1} del impulsor 2. Los valores típicos para los diámetros son que D^{1} = 300 mm y D^{2} = 240 mm. Para estos diámetros, el volumen máximo de aire es de 400 litros/segundo, lo que se equipara a una velocidad media de entrada de 8,8 m/s. Como puede verse en la Figura 1, el área del alojamiento 4 en el lado de la entrada del impulsor incluye una velocidad central reducida y una zona 8 de turbulencia reducida rodeada por una zona 12 de velocidad elevada. Para las dimensiones y la velocidad de entrada especificadas más arriba, la velocidad en la zona 8 de velocidad reducida es del orden de 6,5 m/s, y en la zona 12 de velocidad elevada la velocidad es del orden de 11 m/s.

Como puede verse en la Figura 2, el impulsor 2 es movido por un motor 6 que está ubicado en el eje de rotación del impulsor 2. Una pared interna curvada 14 está ubicada dentro del alojamiento 4 y define una espiral 16 en la que está montado el impulsor 2 para su rotación. La pared interna curvada 14 forma en un extremo una placa 18 de sección angosta de paso.

Las flechas A^{1} y A^{2} muestran esquemáticamente el patrón de descarga del aire. Como puede verse por las flechas A^{1} y A^{2}, el patrón de descarga del aire está curvado como consecuencia del remolino que es impartido al flujo por los álabes del impulsor. La descarga tiene una inercia elevada, del orden de 15-20 m/s para las dimensiones de ventilador descritas arriba.

Un diseño alternativo de un ventilador que tiene una relación de aspecto elevada y un patrón de flujo combinado, como se muestra en las Figuras 3 a 7.

Como puede verse en la Figura 3, un impulsor mostrado de forma genérica en 20 comprende una pluralidad de álabes, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 separados equiangularmente en torno a la porción del cubo 36. El cubo 36 tiene una superficie circunferencial 35 curvada que termina en el borde periférico 37. La dirección de la rotación del impulsor está indicada por la fecha 38. Cada uno de los álabes 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 comprende un borde frontal 40 que se extiende a lo largo de la porción de perfil aerodinámico 39, y una porción lateral 42 aceleradora del aire.

El borde exterior 41 es sustancialmente perpendicular al borde frontal 40 y al borde posterior 40'.

Puede verse que el álabe está torcido de forma que la porción más exterior de cada álabe tiende hacia una orientación que es sustancialmente paralela al eje de rotación del impulsor. El ángulo de curvatura del álabe se reduce también a lo largo de la longitud del álabe con la distancia desde el eje de rotación. Así, la sección más interior del borde frontal define la porción 39 de perfil aerodinámico con la porción 42 aceleradora del aire que se extiende radialmente de la misma.

La Figura 4 muestra el impulsor 20 de la Figura 3 desde arriba. Puede verse que la profundidad de cada álabe en una dirección circunferencial es mayor adyacente al cubo y que disminuye hacia el borde exterior 41. Es decir, el grosor del álabe se reduce con la distancia desde el cubo 36 cuando se ve desde arriba. Este estrechamiento del álabe es debido a la torsión del álabe, de tal modo que se presente un área superficial mayor de álabe al flujo de aire hacia el cubo del impulsor que hacia la periferia, en la que el álabe tiene un ángulo que lo aleja del flujo de aire.

También puede verse en la Figura 4 que el borde frontal 40 de cada álabe forma sustancialmente una línea recta que se extiende tangencialmente desde el cubo. El borde posterior 40' del álabe en la porción aceleradora está radialmente alineado con el eje de rotación 45.

Volviéndonos ahora a la Figura 5, puede verse que los álabes del impulsor se extienden radialmente hacia afuera desde la superficie circunferencial curvada exterior 35. La profundidad de los álabes en la dirección axial es menor en el punto más interior del álabe, y aumenta con la distancia desde el eje de rotación en virtud de la forma curvada de la superficie 35 del cubo. En este sentido, cada álabe sigue la curvatura del cubo.

Sin embargo, a diferencia de los ventiladores convencionales, los álabes se extienden hacia afuera del borde más exterior de la porción del cubo. La profundidad axial del álabe en la porción de aceleración 42, entre el borde exterior del cubo y el borde externo 41 del álabe, es sustancialmente constante, aunque es preferible que cada álabe se estreche ligeramente hacia el eje de rotación.

La combinación de la sección interna del álabe con perfil aerodinámico y de la sección aceleradora que se extiende radialmente hacia afuera desde la misma tiene el efecto de hacer girar el aire sustancialmente 90º al pasar por el ventilador.

En la Figura 6, el impulsor 20 tiene un diámetro D^{3} y está ubicada dentro de un alojamiento 44 que tiene una corona de entrada 47. El impulsor 20 es movido por un motor 46. El diámetro de la entrada D^{4} del impulsor 20 es menor que el diámetro D^{3} del impulsor 20. Valores típicos para los diámetros son que D^{3} = 300 mm y D^{4} = 280 mm. Para estos diámetros, el volumen máximo de entrada es de 400 litros/segundo, lo que equivale a 6,49 m/s. La velocidad de entrada es sustancialmente la misma en toda el área de D^{4} en el lado de entrada del impulsor.

En el ejemplo mostrado, la altura del impulsor H^{1} es de aproximadamente 50 mm; la altura del ventilador, incluida la corona de entrada, H^{2} es de aproximadamente 80 mm y la altura total de la cavidad o del conducto en el que se ubica el ventilador, H^{3} es de aproximadamente 150 mm. Así, el ventilador puede funcionar de manera efectiva con un espacio libre de solo 70 mm para proporcionar un flujo de aire de aproximadamente 500 l/s. Esto está en contraposición con un ventilador convencional, que requeriría una cavidad de típicamente 250 mm de altura para lograr una velocidad similar de flujo.

El aire es llevado a centro del impulsor por los elementos 40 de perfil aerodinámico de los álabes 22, 24, 26, 28, 30, 32 y 34 del impulsor. Esto evita la generación de un perfil de flujo como el mostrado en la Figura 1, y hace que el aire sea llevado de forma sustancialmente homogénea sobre el diámetro D^{2} de la entrada. Sin embargo, se apreciará que la curvatura exacta del álabe y la geometría de la porción de perfil aerodinámico pueden ser alteradas para lograr el perfil de flujo deseado para el rendimiento óptimo.

Las líneas L^{1} y L^{2} son paralelas al eje de rotación del impulsor. El ángulo formado entre el álabe 24 y las líneas L^{1} y L^{2} se muestra en \alpha y \beta, respectivamente.

El ángulo \alpha representa el ángulo formado entre el borde frontal de la porción 39 de perfil aerodinámico y el eje de rotación, mientras que el ángulo \beta se forma entre el borde frontal de la porción de aceleración y el eje de rotación. El ángulo \alpha puede estar entre 45º y 90º, mientras que el ángulo \beta está entre 0º y 30º.

El ángulo de ataque define el ángulo agudo entre el álabe y su dirección de movimiento. Las líneas L^{1} y L^{2} son perpendiculares a la dirección de la rotación de los álabes. Así, el ángulo de ataque del álabe en la porción de perfil aerodinámico puede definirse como 90º - \alpha, y el ángulo de ataque en la porción aceleradora puede definirse como 90º - \beta. Por lo tanto, el ángulo de ataque de la sección de perfil aerodinámico puede estar entre 0 y 45º, mientras que el ángulo de ataque de la porción aceleradora puede estar entre 60º y 90º.

Así, el ángulo de ataque varía con la distancia al cubo lo largo del borde frontal. El ángulo de ataque varía constantemente a lo largo de la longitud del álabe en virtud de la torsión del álabe en torno a su borde frontal. Así, el ángulo de ataque será mínimo en el punto más interno del álabe y máximo en el borde más exterior 41. El ángulo de ataque puede variar entre 0 y 90º a lo largo del álabe.

Además, puede verse que la torsión del álabe varía con su longitud. La curvatura del álabe es mayor en las proximidades del borde frontal dentro de la porción con perfil aerodinámico y se reduce hacia el borde posterior. Sin embargo, la curvatura del álabe en la porción aceleradora es sustancialmente constante entre los bordes frontal y posterior. En el borde más externo, el álabe es sustancialmente simétrico en torno al punto medio del álabe, aunque el álabe puede estar ligeramente curvada hacia adelante, como se muestra en la Figura 4. A diferencia de la sección con perfil aerodinámico del álabe, es sumamente simétrica.

Como puede verse en la Figura 7, el impulsor 20 es movido por el motor 46, que se ubica en el eje de rotación 45 del impulsor 20. El motor es del tipo de rotor externo, y está dispuesto dentro de la porción del cubo para proporcionar un diseño compacto. Dentro del alojamiento 44 se encuentra una pared 48 interna curvada, y define una espiral 50 en la que se monta el impulsor 20 para su rotación. Puede verse que la angostura 49 está retractada en comparación con la placa 18 de sección angosta de paso de la Figura 1 para definir un pasillo abierto para que el aire deje el alojamiento 44.

Las flechas B^{1} y B^{2} muestran esquemáticamente el patrón de descarga del aire. Como puede verse por las flechas B^{1} y B^{2}, el patrón de descarga del aire es recto. La descarga tiene inercia reducida, del orden de 11 m/s como máximo para el ventilador de las dimensiones descritas más arriba.

El principio de funcionamiento del ventilador de las Figuras 3 a 7 es como sigue. Las características de la entrada del ventilador centrífugo convencional producen patrones de velocidad elevados en los bordes exteriores y una turbulencia elevada en el centro, como se muestra en la Figura 1. El diseño del impulsor 20 de las Figuras 3 a 5 tiene una porción central helicoidal de perfil aerodinámico que discurre lateralmente hasta una porción aceleradora centrífuga, de modo que la velocidad del aire sea homogénea en toda el área de entrada, proporcionando una entrada de aire de inercia reducida. Esto también permite una proporción mayor entre entrada y diámetro del impulsor de lo que resulta posible con el impulsor convencional de las Figuras 1 y 2, reduciéndose así sustancialmente las pérdidas y el ruido de entrada, y permitiendo un espacio libre en la entrada mucho más estrecho de lo normal.

El diseño de la espiral está también modificado con respecto a la espiral de un ventilador convencional, debido al diseño del impulsor, a la velocidad de descarga del aire, inferior a la de un ventilador convencional. El impulsor usa un acelerador de largo recorrido para impartir energía cinética al aire, proporcionando un flujo lateral incrementado y obviando la necesidad de una placa de sección angosta de paso en la descarga. Todo lo anterior permite un ventilador mucho más estrecho de lo que normalmente cabría esperar para lograr los flujos de aire, las presiones estáticas y los niveles de ruido logrados. En particular, la velocidad menor del aire que deja los álabes con remolino reducido permite un ventilador de profundidad reducida conforme a la presente invención que iguale o supere la velocidad de flujo de un ventilador convencional, dado que puede lograrse un flujo más homogéneo hacia el ventilador, y desde el mismo, en conducciones más amplias. Esto es a pesar de la profundidad reducida de los conductos.

Como se ha afirmado anteriormente, el ventilador mostrado en las Figuras 3 a 7 tiene una sección de perfil aerodinámico para llevar el aire a la porción central del impulsor, lo que, de hecho, crea una porción axial. Dado que el ventilador tiene un flujo combinado, el acelerador de largo recorrido acelera el flujo de aire.

Preferentemente, el motor del ventilador es un motor de cuatro polos que funciona a 50 Hz, de modo que el ventilador gire aproximadamente a 1500 rpm. Alternativamente, pueden preferirse los motores de dos polos por los menores diámetros de las turbinas.

Es una ventaja adicional del ventilador conforme a la invención que, mientras que un ventilador convencional necesita un "enderezador" o de un soporte en el conducto de salida para evitar la formación de un vórtice interior o, en otras disposiciones, de una pérdida de presión, el ventilador conforme a la invención no precisa ni de soportes ni de enderezadores.

Como en los ventiladores convencionales, el ventilador conforme a la invención debe tener un número impar de álabes, por ejemplo 5 o 7. Un número par de álabes lleva a problemas de ruido debido a las frecuencias de paso de los álabes que se generarían.

Claims (12)

1. Un impulsor (20) para un ventilador de ventilación, impulsor que comprende un cubo (36) y uno o más álabes, en el que al menos un álabe tiene:

una porción (39) radial helicoidal interna cuya sección tiene un perfil aerodinámico; y

una porción (42) aceleradora centrífuga que se extiende radialmente hacia el exterior de la porción (39) con perfil aerodinámico,

caracterizado porque el ángulo formado entre el borde frontal de la porción (39) de perfil aerodinámico y un eje (45) de rotación del impulsor es mayor que el ángulo formado entre un borde frontal (40) de la porción (42) aceleradora y el eje (45) de rotación.

2. Un impulsor conforme a la reivindicación 1, en el que el borde frontal del álabe es sustancialmente recto a lo largo de la longitud del álabe.

3. Un impulsor conforme a la reivindicación 1 o 2, en el que el borde frontal del álabe se extiende de forma sustancialmente tangencial desde el cubo.

4. Un impulsor conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el cubo tiene una superficie circunferencial curvada de la que depende el álabe.

5. Un impulsor conforme a la reivindicación 4, en el que la porción aceleradora del álabe se extiende hacia el exterior del borde periférico del cubo.

6. Un impulsor conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el álabe está torsionado en torno a su borde frontal.

7. Un impulsor conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el ángulo de ataque en la porción de perfil aerodinámico está entre 0 y 45º.

8. Un impulsor conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el ángulo de ataque en la porción aceleradora está entre 60 y 90º.

9. Un impulsor conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en las que el impulsor tiene un diámetro que es al menos el cuádruple de la altura del impulsor.

10. Un ventilador que comprende un impulsor conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 y un alojamiento en el que está montado el impulsor para su rotación.

11. Un ventilador conforme a la reivindicación 10 en el que el impulsor está montado dentro de una espiral formada dentro del alojamiento.

12. Un ventilador conforme a la reivindicación 10 u 11, en el que el alojamiento tiene una salida abierta de sección mínima de paso.