專(zhuān)利名稱(chēng)：軸流風(fēng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及到軸流風(fēng)機(jī)，特別是，以低的風(fēng)機(jī)氣流湍流和低噪音運(yùn)行的高效軸流風(fēng)機(jī)。
以軸流風(fēng)機(jī)用于通風(fēng)和冷卻的各地方，包括從私人電腦殼到整個(gè)建筑物。軸流風(fēng)機(jī)包括一多葉片的葉輪并可以或也可以不包括一風(fēng)機(jī)罩，它有助于引導(dǎo)空氣通過(guò)葉片，當(dāng)葉輪被風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)葉片的空氣壓力減低，這導(dǎo)致產(chǎn)生空氣連續(xù)地朝向風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。而后風(fēng)機(jī)葉片升高壓力，將空氣從風(fēng)機(jī)后方向外側(cè)推動(dòng)。移動(dòng)的空氣產(chǎn)生一穩(wěn)定的氣流，該氣流可用于通風(fēng)和冷卻特定的區(qū)域。
雖然軸流風(fēng)機(jī)在通風(fēng)和冷卻上極為有用，它們一般限制在最大為60%到65%的運(yùn)行效率。對(duì)于許多必須冷卻的裝置，需要大量利用能源來(lái)運(yùn)行的部件就是風(fēng)機(jī)，所以，改進(jìn)風(fēng)機(jī)的效率能大大改善這種裝置的整機(jī)效率。
許多傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)效率低的原因在于當(dāng)空氣流過(guò)風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)和排出風(fēng)機(jī)罩時(shí)有湍流。湍流是通過(guò)風(fēng)機(jī)的空氣的一種隨意流動(dòng)，而不是定向流動(dòng)，結(jié)果，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)必須花費(fèi)能量以克服湍流和推動(dòng)空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)。湍流還產(chǎn)生大量的不需要的噪音。例如，用于小的設(shè)備和個(gè)人計(jì)算機(jī)的風(fēng)機(jī)，能產(chǎn)生影響否則較為安靜的環(huán)境噪音。在大型建套物中須小心處理由較大型的取暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪音與該建筑物內(nèi)的居住者之間的隔離問(wèn)題。
傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)的另一個(gè)限制是，它必須有一個(gè)相對(duì)窄的工作速度范圍和條件。如果通過(guò)風(fēng)機(jī)的氣流低于風(fēng)機(jī)工作所要求的最低值，則能發(fā)生失速狀態(tài)。在失速狀態(tài)中空氣停止在風(fēng)機(jī)葉片表面上的平穩(wěn)流動(dòng)并劇烈地從葉片上分離開(kāi)。氣流的劇烈分離開(kāi)大大增加了湍流，湍流減少氣流量并使通過(guò)風(fēng)機(jī)的壓力升高，從而增加風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪音。在嚴(yán)重失速的情況下，便發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，以致能破壞風(fēng)機(jī)。
最后，污染、灰塵、昆蟲(chóng)或類(lèi)似物在葉片上的積聚因減小了通過(guò)風(fēng)機(jī)的空氣流和升高其壓力從而降低了風(fēng)機(jī)的性能。這些減量本身又使風(fēng)機(jī)效率降低，并且增加風(fēng)機(jī)的噪音級(jí)。過(guò)量的污物、灰塵和昆蟲(chóng)積聚能有效減小氣流，可以導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)入嚴(yán)重的失速狀態(tài)。如果風(fēng)機(jī)仍在這樣條件下運(yùn)行，便能破壞風(fēng)機(jī)。
從前面的討論中，應(yīng)當(dāng)清楚地看到，對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)需要提出在相對(duì)寬的工作條件范圍內(nèi)提供更大的效率并減小噪音的要求。本發(fā)明滿足了這個(gè)要求。
本發(fā)明提供一種軸流風(fēng)機(jī)，該軸流風(fēng)機(jī)具有這樣的構(gòu)形，使得在將空氣送入風(fēng)機(jī)并經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，有效地減少由空氣承受的的湍流。通過(guò)提供一種具有圓形鐘形承口表面的風(fēng)機(jī)罩和輪轂來(lái)減小湍流，這些表面實(shí)際上與進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣路徑相一致，并在空氣通過(guò)鐘形承口表面運(yùn)動(dòng)時(shí)能使氣流平穩(wěn)地流動(dòng)。通過(guò)構(gòu)造該風(fēng)機(jī)葉片的構(gòu)形成可進(jìn)一步減小湍流，可確保葉片具有促進(jìn)氣流平穩(wěn)地流動(dòng)的壓力分布和失速特性，和確保在葉片輪轂上的空氣速度近似等于葉片翼梢上的空氣速度。構(gòu)造成具有這些特征的軸流風(fēng)機(jī)獲得大于80%的工作效率，并在較大條件范圍內(nèi)工作而不遭受風(fēng)機(jī)失速，與可比輸出的普通風(fēng)機(jī)相比，還降低了噪音。
按照本發(fā)明，風(fēng)機(jī)罩從風(fēng)機(jī)葉片的前導(dǎo)邊沿的前端延伸超出風(fēng)機(jī)葉片的出氣邊沿的一個(gè)點(diǎn)上，風(fēng)機(jī)罩鐘形承口設(shè)定為一曲面，該曲面一般限定為拋物面或橢圓面的形狀，具體地說(shuō)，風(fēng)機(jī)罩鐘形承口的形狀由等式y(tǒng) = (2 p x )12]]>給出，其中x是沿著風(fēng)機(jī)罩的內(nèi)表面的軸距，y是垂直于x軸的距離，位于風(fēng)機(jī)罩前導(dǎo)邊沿上的兩個(gè)軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)，P是一預(yù)定恒量，該恒量決定風(fēng)機(jī)罩鐘形承口的拋物面的曲率。
輪轂具有一比較平坦的中間平面和在周緣上彎曲的鐘形承口表面，該表面為與風(fēng)機(jī)罩鐘形承口表面相類(lèi)似的拋物面，其中y是沿輪轂外表面的軸距，x是與y軸垂直的距離，位于輪轂平坦表面上的兩軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)，P是一預(yù)定恒量，該恒量決定輪轂鐘形承口的拋物面曲率。為便于制造，風(fēng)機(jī)罩鐘形承口和輪轂鐘形承口的拋物面形狀可制成近似于圓形，其直徑選擇成可與拋物面上大約90°弧的形狀部分相一致，圓形雖比拋物面形更易制造，但也一樣能提供許多拋物面形所能獲得的益處。
通過(guò)將風(fēng)機(jī)葉片制成具有變化厚度和垂落的圓形前導(dǎo)邊沿而不是將它們制成傳統(tǒng)的具恒定的厚度和圓弧的外形，就可獲得額外的湍流的減小。葉片定形成可提供一壓力分布，使得對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片前導(dǎo)邊沿上的滯止壓力等于零，在上表面壓力從零連續(xù)下降到在風(fēng)機(jī)葉片弦的第一個(gè)20%到30%范圍中的負(fù)峰值點(diǎn)，然后越過(guò)上表面尾部三分之二到位于葉片的出氣邊沿平穩(wěn)地增加到正值，并在下表面壓力繼續(xù)為正值。結(jié)果，氣流的任何失速趨于在葉片出氣邊沿附近開(kāi)始，而不是如傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)在前導(dǎo)邊沿開(kāi)始。另外，當(dāng)失速條件產(chǎn)生時(shí)，與其他曾經(jīng)經(jīng)歷過(guò)的情況相比，失速趨向逐漸朝向前導(dǎo)邊沿移動(dòng)且趨向更緩和。
所要求的壓力分布和失速特征也通過(guò)將每個(gè)風(fēng)機(jī)葉片出氣邊沿制成一個(gè)鈍的，平正切割形狀來(lái)達(dá)到，它減小操作的噪音級(jí)，防止越過(guò)葉片流向出氣沿的氣流分離開(kāi)或產(chǎn)生強(qiáng)烈的失速，并使氣流如薄片一樣平穩(wěn)地離開(kāi)葉片的出氣邊沿。
最后，將葉片從輪轂到翼梢相對(duì)它們徑向弦軸扭曲，使得流過(guò)葉片的空氣速度從輪轂到葉片翼梢大致相等，盡管事實(shí)上位于翼梢處的葉片的線性速度大大高于位于軌轂上的葉片的線性速度。按照本發(fā)明構(gòu)造的風(fēng)機(jī)葉片與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)葉片相比能穩(wěn)定地運(yùn)行在很大的氣流范圍和很大的無(wú)失速的葉片沖擊角的范圍。
本發(fā)明的其它的特征和優(yōu)點(diǎn)從以下最佳實(shí)施例的描述中將會(huì)更加清楚，該實(shí)施例作為示例說(shuō)明本發(fā)明的原理。


圖1是按本發(fā)明構(gòu)成的軸流風(fēng)機(jī)分解示意圖;
圖2是氣流進(jìn)入如圖1所示風(fēng)機(jī)的平面示意圖;
圖3是風(fēng)機(jī)罩及其鐘形承口和圖2所示風(fēng)機(jī)輪轂的剖視圖;
圖4是對(duì)應(yīng)于該圖4底部所示的葉片斷面上圍繞葉片表面的壓力分布圖;
圖5是按本發(fā)明構(gòu)成的一葉片的圖，圖的上部為葉片的透視圖，圖的下部為葉片的平面圖;
圖6是圖5所示葉片的可替換結(jié)構(gòu)的葉片示圖，圖的上部分為葉片的透視圖，下部分為葉片的平面圖;
圖7是圖1所示風(fēng)機(jī)的兩葉片的透視圖，表示對(duì)兩葉片之間的風(fēng)道進(jìn)行分析的情況。
圖1表示一個(gè)按照本發(fā)明的軸流風(fēng)機(jī)10，它包括多個(gè)固定在輪轂14上的風(fēng)機(jī)葉片12，輪轂與電機(jī)16匹配并由其旋轉(zhuǎn)。輪轂和風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)機(jī)罩18內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)機(jī)罩18具有前后開(kāi)口。電動(dòng)機(jī)安裝在或裝到電機(jī)架20上，它與風(fēng)機(jī)罩的內(nèi)表面固定。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而風(fēng)機(jī)葉片和輪轂也旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣從風(fēng)機(jī)10前面停滯、靜止的空氣區(qū)域以箭頭22的方向向風(fēng)機(jī)罩18內(nèi)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)環(huán)狀的風(fēng)機(jī)罩鐘形承口24蓋住風(fēng)機(jī)罩的前端，并提供以一個(gè)有助于空氣平穩(wěn)地進(jìn)入風(fēng)機(jī)罩和減小湍流的圓形的周緣表面，湍流的減小有助于增加風(fēng)機(jī)10的效率。輪轂14同樣有一個(gè)圓形的周緣前表面26，這有助于通過(guò)風(fēng)機(jī)罩的空氣流平穩(wěn)流過(guò)輪轂并減小湍流。風(fēng)機(jī)葉片12被設(shè)置成這樣一個(gè)形狀，該形狀進(jìn)一步有助于減小湍流并促進(jìn)空氣平穩(wěn)地通過(guò)風(fēng)機(jī)罩流動(dòng)。由于減小空氣湍流的結(jié)果，與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)相對(duì)比時(shí)，本發(fā)明的風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率增加了，能達(dá)到大于80%的效率。
圖2表示風(fēng)機(jī)10的一個(gè)平面視圖，流動(dòng)曲線30表示來(lái)自遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)前部的不同靜止點(diǎn)進(jìn)入風(fēng)機(jī)罩的空氣流動(dòng)流型，在該靜止點(diǎn)上空氣是靜止的并處于大氣壓強(qiáng)下，曲線30具有一個(gè)由等式y(tǒng) = (2 p x )12]]>給出的拋物線形狀，對(duì)于每個(gè)拋物線而言，x是與風(fēng)機(jī)罩18的前表面成直角的軸距，y是從x軸到拋物線的垂直距離，p是一恒量。x和y軸的相交處是每個(gè)拋物線的原點(diǎn)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到每個(gè)拋物線與不同p值相對(duì)應(yīng)，而對(duì)于其x軸沿著風(fēng)機(jī)罩18的內(nèi)表面定位的空氣流動(dòng)曲線，其p值將根據(jù)風(fēng)機(jī)所要求的氣流和速度而變化。對(duì)于一個(gè)在大約3000轉(zhuǎn)/分運(yùn)行并具有一個(gè)大約4.50英寸內(nèi)徑風(fēng)機(jī)罩的風(fēng)機(jī)，且其x軸沿風(fēng)機(jī)罩的內(nèi)表面定位的流動(dòng)曲線30a而言，其p值大約為0.60。
因此，在風(fēng)機(jī)葉片12轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣沿著圖2中所示的彎曲的流動(dòng)流型30進(jìn)入風(fēng)機(jī)罩18?？諝怆m也以同樣的方式試圖流入一傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)，但在進(jìn)入其風(fēng)機(jī)罩后不會(huì)獲得如下文將敘述的本風(fēng)機(jī)10那樣低湍流的情況。如圖1所示，風(fēng)機(jī)罩鐘形承口24和輪轂14的曲面能促進(jìn)進(jìn)入風(fēng)機(jī)罩并通過(guò)鐘形承口的空氣流平穩(wěn)地并循著自然的空氣流動(dòng)流型進(jìn)入風(fēng)機(jī)罩，如圖2中曲線30所示。
圖3是風(fēng)機(jī)罩鐘形承口24和輪轂14的放大剖視平面圖。而且，以箭頭22標(biāo)示進(jìn)入的空氣的流動(dòng)方向。鐘形承口的曲面在圖3中容易觀察到，具體地說(shuō)，一般遵從由以參照號(hào)32表示的拋物線形狀并由等式y(tǒng) = (2 p x )12]]>表示該拋物線，其中x是從風(fēng)機(jī)罩18的前邊沿沿著風(fēng)機(jī)罩的內(nèi)圓柱面的軸距，y是從x軸到拋物線的垂直距離，p是等于0.60的恒量。在圖3中，x軸由參照號(hào)為34的線表示，而y軸則與風(fēng)機(jī)罩的前表面18a校直。兩軸的交點(diǎn)35是拋物線的原點(diǎn)。因此，p值選擇成使得其對(duì)應(yīng)的拋物線的外形與如圖2所示和以上所描述的空氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)罩的空氣流動(dòng)流型最密切地配合，其結(jié)果，鐘形承口的形狀與空氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)罩所遵從的曲線路徑相一致，減少由于空氣碰撞風(fēng)機(jī)罩鐘形承口所引起的對(duì)空氣流的任何破壞，并因此減小鐘形承口下游的空氣流中的湍流。
為了便于制造，所要求的風(fēng)機(jī)罩鐘形承口的拋物線形狀制成接近于圓形。在圖3中用點(diǎn)劃線36示出的該圓形，實(shí)際上與在拋物線32上的第一個(gè)90°弧相一致。圓形半徑可通過(guò)模壓也可通過(guò)機(jī)加工易于制造，而一拋物線形狀相對(duì)來(lái)講是難以制造的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在下游的空氣湍流的顯著減小，并因此通過(guò)提供風(fēng)機(jī)罩鐘形承口24以拋物線形的曲面所能獲得的大量的益處，也可由在風(fēng)機(jī)罩鐘形承口提供以實(shí)際上與在拋物線形狀上的第一個(gè)90°弧的作用相一致的半徑獲得。
風(fēng)機(jī)輪轂14上提供以與風(fēng)機(jī)罩鐘形承口的曲面相類(lèi)似的曲面。雖然在圖3中僅示出輪轂的一半，但應(yīng)當(dāng)理解到輪轂在截面上對(duì)稱(chēng)地圍繞輪轂和風(fēng)機(jī)罩的中線37。輪轂的前中心表面38是平坦的，且不凸起超過(guò)風(fēng)機(jī)罩18的前邊沿處，由于該中心表面38不在風(fēng)機(jī)罩以外延伸，輪轂的前表面與通過(guò)風(fēng)機(jī)罩的最小截面保持平齊。這保持了輪轂和風(fēng)機(jī)罩之間的壓力場(chǎng)大致上均勻，它有助于減小空氣流的湍流。
輪轂14的前表面38和輪轂的圓柱邊表面39之間的曲面一般遵從由下式給出的拋物線40的形狀y = (2 p x )12]]>其中，y是沿著輪轂的外表面的軸距，x是與y軸垂直的距離，其原點(diǎn)在輪轂的平坦的中心表面38上，p是等于1.00的恒量。在圖3中，輪轂的拋物線形的x軸由以參照號(hào)42所示的線表示，而y軸相應(yīng)地由參號(hào)44所示的線表示。二個(gè)軸的交叉處是拋物線40的原點(diǎn)45。p的值選擇成其所提供的拋物線與流出輪轂平坦前表面38的空氣路徑最密切地配合。再一次，拋物線表面能由圓46近似地代替，使得該圓具有一個(gè)與在該拋物線的第一個(gè)90°弧上的拋物線形功能相一致的半徑。
通過(guò)風(fēng)機(jī)10減小的湍流不僅以風(fēng)機(jī)罩和輪轂的鐘形承口來(lái)獲得，也以改進(jìn)的風(fēng)機(jī)葉片來(lái)獲得，該風(fēng)機(jī)葉片提供一具有改進(jìn)的抗失速，減小湍流的壓力分布，和流出葉片后沿表面的有利的空氣流。這些葉片的全部設(shè)計(jì)特征與風(fēng)機(jī)罩鐘形承口和輪轂鐘形承口相結(jié)合來(lái)減小在通過(guò)風(fēng)機(jī)10的氣流中的湍流。
圖4示出在該圖的下部的一按照本發(fā)明的風(fēng)機(jī)葉片12的截面圖，在該圖的上部有一個(gè)圍繞葉片的相應(yīng)壓力的分布圖。新的葉片制成具有促使空氣更平穩(wěn)地流動(dòng)通過(guò)其表面的圓形和垂落狀的頭部翼型的形狀，而不以傳統(tǒng)的曲面弧型葉片為其形狀。具體地說(shuō)，在圖4的下部分中的葉片截面表示風(fēng)機(jī)葉片12的頂部表面50與沿著前導(dǎo)邊沿54的風(fēng)機(jī)葉片的底表面52相匯合，葉片在接近前導(dǎo)邊沿處的截面比較厚并逐漸減小到在上、下表面的出氣邊沿上具有比較薄的截面。上表面的形狀特別制成可提供抗失速的外形，失速對(duì)來(lái)自沿葉片表面的空氣流具有強(qiáng)烈的分離作用，并伴隨著發(fā)生快速地空氣速度的減小和嚴(yán)重的湍流。
軸流風(fēng)機(jī)典型地使用相對(duì)固定厚度的圓弧葉片，在失速開(kāi)始之前，它能承受大約10%空氣流動(dòng)速度的減小。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，按照本發(fā)明的風(fēng)機(jī)葉片12構(gòu)成的風(fēng)機(jī)，在失速開(kāi)始之前，能承受大約65%的空氣流動(dòng)速度的減小。因此，按照本發(fā)明構(gòu)成的軸流風(fēng)機(jī)能在葉片表面的條件下及在沒(méi)有進(jìn)入失速的運(yùn)行速度下能較好地阻止起伏現(xiàn)象。此外，按照本發(fā)明的葉片可設(shè)計(jì)成比普通葉片提供更接近失速開(kāi)始的外形和入射角，由此能提供增強(qiáng)的性能。
圖4中的上部的曲線圖表示由葉片12的外形獲得的壓力分布。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的那樣，當(dāng)用進(jìn)入的空氣流對(duì)葉片進(jìn)行定向時(shí)，葉片的前導(dǎo)邊沿定義成葉片上的滯流點(diǎn)。該滯流點(diǎn)是在葉片前表面上測(cè)到的最大壓力點(diǎn)。在壓力分布曲線圖中設(shè)為零。葉片12的前面是垂落狀的，或向下傾斜，以便提供具有曲率的上部分表面50，使得壓力分布從零快速減小到大約-2.40英寸水標(biāo)尺的最大負(fù)值，從前導(dǎo)邊沿54葉片弦的10%到20%之間有一較寬和平坦的峰部。前部分的垂落段一般將那一部分的葉片部分與空氣流22相對(duì)齊并有助于減少污物，灰塵和昆蟲(chóng)在葉片上的積聚。調(diào)整上表面的曲面使得在葉片表面上的空氣壓力在葉片弦的25%到35%之間開(kāi)始變?yōu)橐惠^小的負(fù)值，并平緩地減小，使得壓邊連續(xù)逐漸地成為一較小的負(fù)值、變成零、最后達(dá)到在上表面50的尾端附近大約0.20的少許正值。
葉片12的下表面52如此構(gòu)成，使得空氣壓力從導(dǎo)前邊沿54上的零到0.40和0.80之間的正值快速增加，并直到下表面端部附近一直保持在大致上相同的值，這里的壓力分布達(dá)到大約為0.20的一個(gè)值。下表面如此構(gòu)成以提供一盡可能均勻平坦的壓力分布，由此將空氣流動(dòng)中的任何不穩(wěn)定性減小到最小程度。
以在圖4中表示的壓力分布，從圍繞風(fēng)機(jī)葉片12上表面50的空氣流的任何分離似乎在葉片的出氣邊表面56附近開(kāi)始發(fā)生。這里的壓力變成正值。這是一個(gè)與傳統(tǒng)葉片形狀的直接對(duì)比，在傳統(tǒng)的葉片里失速典型地在葉片的前導(dǎo)邊沿附近開(kāi)始并向邊上延伸。可以認(rèn)為在靠近前導(dǎo)邊沿開(kāi)始的失速將很可能在葉片表面的其余地方破壞氣流并從葉片上引起氣流的災(zāi)難性的分離。按照本發(fā)明的風(fēng)機(jī)葉片12所遇到的典型的失速特別地適度，并且一般不導(dǎo)致氣流能產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)和甚至破壞風(fēng)機(jī)的災(zāi)難性分離。
在上、下表面50和52的出氣邊沿上的葉片12的形狀也有助于產(chǎn)生平穩(wěn)的氣流和減少湍流。圖4表示處于鈍角的上下葉片表面，它們由平坦的端面56相連并在兩者間伸展。如壓力分布曲線所示，上表面的出氣邊端部和下表面的出氣邊端部有正值，氣壓在兩者之間和經(jīng)過(guò)葉片的平坦區(qū)域?qū)⑹秦?fù)值。產(chǎn)生在這一區(qū)域的負(fù)壓區(qū)趨于保持來(lái)自上和下表面的氣流靠擾在一起，以平穩(wěn)的片狀氣流流過(guò)葉片，從而減小了湍流。
由于風(fēng)機(jī)葉片12圍繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，位于輪轂14最遠(yuǎn)處的葉片翼梢當(dāng)然具有一個(gè)比位于鄰近輪轂的葉片根部更大的線速度。為促使氣流更平穩(wěn)地通過(guò)風(fēng)機(jī)和進(jìn)一步減小湍流，風(fēng)機(jī)葉片12沿其徑向長(zhǎng)度上具有扭曲形狀，使得由葉片推動(dòng)的氣流取得相等速度和壓力，而與其離開(kāi)輪轂的徑向距離無(wú)關(guān)。即位于翼梢處的葉片翼弦相對(duì)于位于輪轂處的葉片翼弦是轉(zhuǎn)動(dòng)的。以相等的速度和壓力，不論在輪轂或在翼梢處，由葉片在空氣上所作的功大致上一樣。為獲得從輪轂到翼梢完成相等的功所需要的扭曲形狀由試驗(yàn)方便地確定。
按照本發(fā)明的葉片60的透視圖描繪在圖5的上部，所示為從葉片翼梢62到葉片根部64看到的一個(gè)葉片，在圖5的下部分示出葉片上表面66。在葉片翼梢處的葉片翼弦等于在輪轂14附近葉片根部的葉片翼弦，在圖5的上部分示出的在翼梢的翼弦線68和根部的翼弦線69，很清楚地說(shuō)明葉片的扭曲。另一方面，為最大程度增大葉片表面積，圖6中所示的葉片70定形成使得葉片的翼弦在葉片翼梢72處大于輪轂附近的葉片根部的翼弦。風(fēng)機(jī)葉片的這樣布置如果風(fēng)機(jī)葉片和輪轂?zāi)Ｖ瞥梢粏渭r(shí)是有利的，因?yàn)樗∪チ巳~片的交搭。當(dāng)軸向觀察時(shí)，可看到一個(gè)葉片的出氣邊沿與另一個(gè)葉片的前導(dǎo)邊沿相重疊時(shí)便出現(xiàn)所謂葉片交搭的現(xiàn)象。如果有葉片交搭，則用于模制葉片和輪轂的普通模具便不容易進(jìn)行脫模，就必須以較昂貴的模制技術(shù)來(lái)替代。通過(guò)使用在輪轂上比在翼梢上有較小翼弦的葉片，象圖6所示，輪轂四周的周邊長(zhǎng)度比翼梢四周的周邊長(zhǎng)度要小得多，葉片交搭便被消除了。因此，生產(chǎn)成本降低。
在對(duì)兩葉片之間通道的氣流進(jìn)行分析之后，可通過(guò)調(diào)整在輪轂14上的葉片12的外形和相對(duì)位置來(lái)減小通過(guò)風(fēng)機(jī)的湍流。如圖7所示，該分析通過(guò)把葉片間的通道分成從輪轂到葉片翼梢和從前導(dǎo)邊沿到出氣邊沿的多個(gè)平面來(lái)完成的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，把通道分成十個(gè)用作分析的平面提供了滿意的結(jié)果，檢查每一個(gè)平面上的壓力分布來(lái)確保平面之間是連續(xù)的并且不受突變和峰值的影響。
參照?qǐng)D7，當(dāng)氣流進(jìn)入一個(gè)通道時(shí)，它遇到一葉片12a的上表面的壓力分布和相鄰葉片12b的下表面的壓力分布。例如參照?qǐng)D4，可以看到在葉片翼弦20%處兩葉片之間的通道，在通道的一側(cè)邊由于位于一葉片12a的上表面的空氣的壓力分布值大約為-2.40，在通道的另一側(cè)邊由于位于另一葉片12b的下表面則空氣的壓力分布值大約為0.60。葉片12a的上表面壓力為零處面對(duì)著另一葉片12b的下表面壓力大約為0.40處。
兩葉片間通道的設(shè)計(jì)目的是為了獲得連續(xù)的壓力分布。例如，在葉片12a壓力為零處面對(duì)著另一個(gè)葉片12b壓力為0.40處，在兩葉片間一半距離處的壓力將是差值的一半，大約為0.20。同樣，從葉片12a到另一個(gè)葉片12b四分之一距離的地方，壓差也為四分之一，或0.10。如果對(duì)通道中的壓力分布分析表現(xiàn)出不連續(xù)性，則以葉片的扭曲、葉片的相對(duì)間隔和葉片的數(shù)量來(lái)修正，這取決于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而定。修正的結(jié)果能被檢查并且如果有必要，可進(jìn)行進(jìn)一步的或不同的修正。
按照以上描述的所有考慮構(gòu)成的風(fēng)機(jī)包括符合進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣的自然流動(dòng)的風(fēng)機(jī)罩和輪轂鐘形承口、能減小雜屑的積聚并阻止失速的帶有翼型形狀和前斜部分的葉片、它們相互間放置成使得兩葉片間的通道具有連續(xù)的壓力分布。結(jié)果，通過(guò)風(fēng)機(jī)的湍流得到減少，風(fēng)機(jī)獲得大于80%的效率，并以小的噪音運(yùn)行。
依據(jù)給出的最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了以上的描述，從而增進(jìn)對(duì)本發(fā)明的理解。然而，許多軸流風(fēng)機(jī)的構(gòu)型，未在此具體地描述，但本發(fā)明可適用于該些構(gòu)型。所以本發(fā)明顯然不受所述實(shí)施例的限制，更確切地說(shuō)，可以理解本發(fā)明在多種不同構(gòu)形的軸流風(fēng)機(jī)中均適用。在所要求的權(quán)利要求范圍之內(nèi)的所有的修正、變型或等效的布置都被認(rèn)為是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一個(gè)具有多個(gè)安裝在可轉(zhuǎn)動(dòng)輪轂上的葉片的軸流風(fēng)機(jī)，輪轂由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以從風(fēng)機(jī)的前部移動(dòng)空氣到葉片并經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)，其特征在于，該風(fēng)機(jī)進(jìn)一步包括一個(gè)風(fēng)機(jī)罩，該風(fēng)機(jī)罩以其周緣圍繞輪轂和風(fēng)機(jī)葉片，并從輪轂的前表面延伸超出葉片的出氣邊沿；一個(gè)圍繞風(fēng)機(jī)罩前表面的風(fēng)機(jī)罩鐘形承口，該鐘形承口引導(dǎo)空氣以平穩(wěn)的氣流從風(fēng)機(jī)的前部向風(fēng)機(jī)罩內(nèi)運(yùn)動(dòng)；其中風(fēng)機(jī)罩鐘形承口具有大致上由關(guān)系式y(tǒng) = (2 p x )12]]>給定的外形表面，其中，x=沿著風(fēng)機(jī)罩的內(nèi)圓柱形表面從風(fēng)機(jī)罩的前邊沿開(kāi)始的軸距；y=從風(fēng)機(jī)罩內(nèi)圓柱形表面的平面到風(fēng)機(jī)罩鐘形承口的曲面的徑向垂直距離；p=對(duì)應(yīng)于等效拋物線的值的預(yù)定恒量，該拋物線與進(jìn)入風(fēng)機(jī)罩的空氣的氣流流型相一致；以及一個(gè)一般為圓柱形的輪轂，它具有一相對(duì)平坦的中間前表面和從輪轂中間到輪轂側(cè)邊表面的曲面，該曲面由以下關(guān)系式給出y = (2 p x )12]]>其中，y=沿輪轂外表面到曲面的軸距；x=從輪轂前表面開(kāi)始的、與y軸垂直的徑向距離；p=等于大約1.00的預(yù)定恒量。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于風(fēng)機(jī)葉片制成使得圍繞每個(gè)風(fēng)機(jī)葉片上表面的壓力分布，從位于葉片的前導(dǎo)邊沿處的零到在葉片弦的前三分之一處的負(fù)峰值，然后其值增加，該增值在葉片的出氣邊端部以正值結(jié)束。
3.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于，其中葉片弦的三分之二出氣邊端部的上表面上的壓力分布從負(fù)峰值到零值、直到位于出氣邊沿上的正值具有一連續(xù)減小的梯度。
4.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于，其中風(fēng)機(jī)葉片的頂部表面和風(fēng)機(jī)葉片的底部表面在出氣邊表面處匯合，它是平坦并至平正切割的。
5.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于，其中葉片的前三分之一上的每個(gè)風(fēng)機(jī)葉片的上表面朝向相對(duì)于氣流的方向向下傾斜，使得葉片前導(dǎo)邊沿的氣壓為零，而在前三分之一表面上達(dá)到大于大約-2.00的負(fù)峰值。
6.如權(quán)利要求5所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于，其中葉片圍繞一徑向軸從葉片的根部到葉片的翼梢部扭曲。
7.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于，其中風(fēng)機(jī)罩鐘形承口的前表面由一圓形限定，它具有一半徑，該圓的圓周實(shí)質(zhì)上等于從風(fēng)機(jī)罩的前表面開(kāi)始的鐘形水口90°弧上的橢圓關(guān)系中的y值。
8.一種具有多個(gè)風(fēng)機(jī)葉片的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)葉片固定到一個(gè)與電機(jī)匹配的可轉(zhuǎn)動(dòng)輪轂上，使得在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輪轂時(shí)，空氣從風(fēng)機(jī)前面向葉片并經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，其特征在于，該風(fēng)機(jī)進(jìn)一步包括一個(gè)風(fēng)機(jī)罩，該風(fēng)機(jī)罩以其周緣圍繞輪轂和風(fēng)機(jī)葉片，并從輪轂的前表面延伸超出葉片的出氣邊沿;一個(gè)風(fēng)機(jī)罩鐘形承口，該風(fēng)機(jī)罩鐘形承口圍繞風(fēng)機(jī)罩的前表面周?chē)由觳⑶矣写笾律嫌上铝嘘P(guān)系式定義的前曲面，y = (2 p x )12]]>其中x＝沿風(fēng)機(jī)罩的內(nèi)圓柱表面從風(fēng)機(jī)罩的前邊沿開(kāi)始的軸距;y＝從風(fēng)機(jī)罩的內(nèi)圓柱表面的平面開(kāi)始到風(fēng)機(jī)罩鐘形承口的曲面的徑向垂直距離;p＝對(duì)應(yīng)于等效拋物線的值的預(yù)定恒量，該拋物線與進(jìn)入風(fēng)機(jī)罩的空氣的氣流流型相一致;和一個(gè)一般為圓柱形的輪轂，它具有一相對(duì)平坦的中間前表面和從輪轂中間到輪轂邊表面的曲面，該曲面大致上有以下關(guān)系式來(lái)限定;y = (2 p x )12]]>其中y＝沿輪轂的外表面到曲面的軸距;x＝從輪轂的前表面開(kāi)始的、與y軸垂直的徑向距離;p＝等于大約為1.00的預(yù)定恒量;其中風(fēng)機(jī)葉片如此構(gòu)成使得每個(gè)葉片上表面四周的壓力分布連續(xù)變化，從位于葉片前導(dǎo)邊的零值，在風(fēng)機(jī)葉片弦前三分之一處增加到一個(gè)負(fù)峰值，該峰值具有大約至少2.00的幅值，然后在葉片弦后三分之二的上表面上從負(fù)峰值減小到零值，并一直到在出氣邊上增加為正值，其中風(fēng)機(jī)葉片的頂部表面和風(fēng)機(jī)葉片的底部表面在出氣邊表面上匯合，它是平坦的和平正切割。
9.一種具有多個(gè)風(fēng)機(jī)葉片的軸流風(fēng)機(jī)，該葉片固定在與電機(jī)匹配的可轉(zhuǎn)動(dòng)的輪轂上，使在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轂時(shí)，空氣從風(fēng)機(jī)前面向葉片并經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，其特征在于，其中，每個(gè)葉片具有相當(dāng)于葉片滯流點(diǎn)的前導(dǎo)邊沿，該滯流點(diǎn)在葉片的壓力分布曲線上設(shè)定為零，一個(gè)從前導(dǎo)邊沿向后面延伸的頂部表面，一個(gè)從前導(dǎo)邊沿向后面延伸的底部表面，頂部表面和底部表面在平坦和平正切割的出氣邊沿上匯合，一弦軸從前導(dǎo)邊沿向出氣邊沿表面以一直線伸展，一個(gè)葉片的前部相對(duì)于弦軸向下傾斜;每一個(gè)葉片進(jìn)一步如此構(gòu)成，使得圍繞底部表面的壓力分布從前導(dǎo)邊沿上為零連續(xù)變化到在底部表面全長(zhǎng)度上為正值，圍繞頂部表面的壓力分布如此連續(xù)變化，從前導(dǎo)邊沿上的零在幅值上增加到葉片弦前三分之一處的負(fù)峰值，在葉片弦后三分之二的上表面上其中幅值從負(fù)峰值減小到零值，然后增加到出氣邊沿上的正值;以及每一個(gè)葉片具有一固定在輪轂上的葉片根部和一個(gè)葉片翼梢，其中每個(gè)葉片從葉片根部向葉片翼梢被扭曲。
10.如權(quán)利要求9所述的一軸流風(fēng)機(jī)，其特征在于，該風(fēng)機(jī)進(jìn)一步包括一個(gè)風(fēng)機(jī)罩，該風(fēng)機(jī)以其周緣圍繞輪轂和風(fēng)機(jī)葉片，并從輪轂的前表面延伸超出葉片的出氣邊沿;一個(gè)圍繞在風(fēng)機(jī)罩前表面周?chē)娘L(fēng)機(jī)罩鐘形承口，該風(fēng)機(jī)罩鐘形承口引導(dǎo)空氣以穩(wěn)定的氣流從風(fēng)機(jī)的前部向風(fēng)機(jī)罩運(yùn)動(dòng);其中風(fēng)機(jī)罩具有一外表面，該表面大致由以下關(guān)系式給出;y = (2 p x )12]]>其中x＝沿著風(fēng)機(jī)罩的內(nèi)圓柱形表面從風(fēng)機(jī)罩的前邊沿開(kāi)始的軸距y＝從風(fēng)機(jī)罩內(nèi)圓柱表面平面到風(fēng)機(jī)罩鐘形承口的曲面的垂直徑向距離p＝對(duì)應(yīng)于等效拋物線的值的預(yù)定恒量，該拋物線與進(jìn)入風(fēng)機(jī)罩的空氣的流型相一致，以及一個(gè)一般為圓柱形的輪轂，它具有相對(duì)平坦的中心前表面和從輪轂中間到輪轂側(cè)邊表面的曲面，該曲面由以下關(guān)系式限定;y = (2 p x )12]]>其中y＝沿著輪轂的外表面到曲面的軸距;x＝從輪轂前表面開(kāi)始的、與y軸垂直的徑向距離;p＝等于大約為1.00的預(yù)定恒量。
11.如權(quán)利要求9的所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于，在葉片頂部表面上的負(fù)峰值大致上維持在弦軸的10到20%之間。
12.如權(quán)利要求9所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于，在葉片頂部表面上的負(fù)峰值至少大約為-2.00。
13.如權(quán)利要求9所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于，在葉片頂部表面上從弦軸的大約3%到32%處的負(fù)峰值至少大約為-2.00。
14.如權(quán)利要求9所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于，鄰近出氣邊沿表面的頂部表面上的壓力分布大約為+0.20。
15.如權(quán)利要求10所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于，底部表面的壓力分布在大約表面65%大致上維持在0.40和0.80之間。
16.如權(quán)利要求10所述的風(fēng)機(jī)，其特征在于，鄰近出氣邊沿的底部表面上的壓力分布大約為+0.20。
全文摘要
一種軸流風(fēng)機(jī)以增加的效率、降低的噪音和改善的抗失速性能工作。這些優(yōu)點(diǎn)通過(guò)提供風(fēng)機(jī)罩以一鐘形承口和提供輪轂以一彎曲的鐘形承口來(lái)達(dá)到。其中二者實(shí)質(zhì)上具有拋物面的外形，還通過(guò)提供促進(jìn)平穩(wěn)氣流和抗失速的氣壓分布的葉片形狀來(lái)達(dá)到，葉片設(shè)置成隨著從葉片根部開(kāi)始的距離變化的扭曲形狀，使葉片移動(dòng)的空氣所做的功，無(wú)論在葉片根部還是翼梢部，大致上是相等的。
文檔編號(hào)F04D19/00GK1073240SQ9211107
公開(kāi)日1993年6月16日 申請(qǐng)日期1992年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月5日
發(fā)明者L·R·佐當(dāng) 申請(qǐng)人:工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室有限公司