專利名稱：葉輪的制作方法
技術領域：
本發(fā)明與一種葉輪有關，特別是與適用于壓縮諸如氣體之類流體的增壓葉輪有關。
人們熟知的葉輪或風扇都配置一組翼，翼是指一種大體呈翼狀的薄片或葉片。典型的翼或葉片的形狀呈現(xiàn)這樣一種關系，即翼的一側(通常是頂側)與相對的另一側面相比距離較長。
由于典型翼或葉片這種結構，當翼被驅動向前運動時，最前部的最厚端劈分開周圍流體(氣體或液體)并使其中一部分流體流經翼的頂面，而另一部分流體則流經翼的下面，彎曲弧線大的一側翼面，流體流經的路也較長，(通常是頂側)，因而使流體趨于變得稀薄。
流體這種明顯變稀薄的情況會伴隨發(fā)生壓力降低，形成低壓就會吸入附近的流體，即產生一種向上的抽吸效應，若翼或葉片不能升起，那末流體就會沿翼面流動來填補，通常很大可能是向后流動流經翼的后沿(后緣)來填補的。
對這種型式的葉片或翼，我們可以看出，翼或葉片的每一側相互間存在著一種直接關系。若彎曲太大(上仰)，下側的壓力會變得太高而上側壓力變得太低，翼或葉片就會失速(氣流不連續(xù))，此時下方的高壓流體會環(huán)繞翼的后沿徐徐流動并沿頂側面向前移動，這會引起頂側面上的流體流(與翼面)分離。向上的抽吸作用消失或大大減小了，也即消除了升力。
高壓空氣也會圍繞翼或葉片翼梢流動因而產生渦流，它會引起升力下降并產生一個拉力作用在翼靠近翼梢處。
一種典型的通用風扇，其葉片或小翼幾乎總是按環(huán)形布置，由于相同的因素引起效率的損失。對一種典型的通用徑流式風扇，葉片或小翼從其中部至橫側面區(qū)域是發(fā)散(擴大)的，這種情況下，每個葉片或翼依靠流過翼或葉片低壓側的低壓空氣，實質上是流到翼的后沿來與從翼的高壓側沿徑向猛烈流過來的較高壓力的流體會合，因此這種風扇若產生背壓或頭壓的情況下，葉片會有失速現(xiàn)象發(fā)生，若這種風扇的翼梢速度被驅動達到太高的程度，每個葉片都會失速，某些情況下，在每組葉片之間的流體實際上沿每個葉片的低壓側或抽吸側反向流動，即在任何兩葉片之間產生反流。
本發(fā)明的目的在于提供一種葉輪，它基本上能克服上面提到的一些缺點，或向社會提供一種可供選擇的合用或商用的葉輪。
本發(fā)明的一種形式可歸屬于一種包含有前部引入?yún)^(qū)域和一后部排出區(qū)域;及一個包含有葉輪旋轉軸線的輪轂和一組圍繞輪轂延伸的葉片，至少有部分葉片相互重疊，在鄰近相互重疊的葉片之間限定出一個通道，該通道有一個與前方引入?yún)^(qū)域溝通的入口和一個與后方排出區(qū)域溝通的出口，入口面積大于出口面積，這樣就限定了流過通道的流體容積逐漸減小。圍繞輪轂延伸的葉片可具有一限定部分入口的前沿、一個限定部分出口的后沿、一個向外延伸的尖端或翼梢和一個能與輪轂連接的翼根。
葉片連接于輪轂上且距旋轉軸有一定距離，以在葉片與旋轉軸線之間限定出一實體部分，此實體部分可覆蓋整個輪轂面積的10-50%，較典型的是至少占30%。翼根是在鄰近后部排出區(qū)域處與輪轂連接。
葉片可具有翼的構形，即其前沿比后沿厚，借此進入的流體被劈分為兩股，一部分流體流過葉片的一側，另一部分流體流過葉片的另一側，由于翼面的形狀使流經葉片一側的流體所經過的路程要比流經另一側的流體所經過的路程長，這就會使該部分流體變稀薄，葉片在前沿和后沿之間的形狀可為曲面，因而兩個相鄰葉片的曲面可在空間上形成重疊的關系。
輪轂大體上做成錐形，可沿引入?yún)^(qū)向排出區(qū)擴展，葉片可連接于錐形輪轂上。輪轂在排出區(qū)實質上可為平面。
至少一部分葉片，最好是全部葉片從旋轉軸以一定角度向外延伸，因而特定葉片翼根與翼梢間限定出從輪轂旋轉軸線擴展的連線。
雖然兩相鄰葉片間的重疊量可以變化，但重疊量最好至少為50%以形成所需的通道。
為使進口與出口之間的通道能實現(xiàn)容積上逐漸減小，限定該通道的相鄰葉片從其前沿至后沿相互間可有收斂(會聚)的關系。每個相鄰的葉片從前沿至后沿的長度大致相等，由于葉片的收斂使通道的容積得以減小。相鄰的各葉片都可以是剛性結構并可被固定在理想的收斂部位。
有另外一種方法，在葉輪旋轉前或旋轉中會聚角可以改變，為實現(xiàn)此目的，葉片可以在鄰近其前沿部位以樞軸安裝固定，使葉片能朝向鄰近的葉片轉動。還有其他方法達到上述目的(或者附加于上述方法)，某些或所有的葉片可做成柔性折或者葉片包含有一柔性部分以使葉片改變形狀，實現(xiàn)它相對于相鄰的葉片有會聚的關系。
還有一種方法可使一對相鄰的葉片前沿做得比這對葉片的后沿長，以獲得容積的逐漸減小，這樣，每個葉片的翼梢從前沿至后沿呈錐形，葉片之間基本上可相互平行而不必要收斂，需要做成收斂也可。實際上依靠葉片的前沿與后沿長度比率的變化，甚至葉片呈擴散狀時仍能獲得容積的減小。
我們也希望引入?yún)^(qū)大于通道入口的面積，可由各葉片的前沿與翼梢結合起來限定此引入?yún)^(qū)域。若葉片從旋轉軸線以一定角度向外延伸，引入?yún)^(qū)域(即入口或喉面積)可顯著地大于入口面積(即葉片掃過面積)。
葉輪可安裝在一旋轉軸上并安裝在一罩或殼體內，每個葉片的翼梢與罩或殼體間可保持密封的配合關系，或兩者之間距離很小，罩或殼體可為凹形以配合圍繞葉輪。


圖1是按本發(fā)明的一種葉輪的平面視圖;
圖2是圖1所示葉輪的側視圖;
圖3是表現(xiàn)出流體流過葉輪相鄰葉片間情況的示意圖;
圖4是按本發(fā)明的一個實施例的簡圖，葉輪具有兩個通道;
圖5示出先有技術的具有兩個葉片的徑流式風扇的示意圖;
圖6是按本發(fā)明的葉輪的可轉動葉片的示意圖;
圖7和圖8是按本發(fā)明的另一實施例的葉輪的后視圖和前視圖;
圖9是列出圖1所示的葉輪各種參數(shù)的表格;
圖10是按表9的數(shù)據(jù)畫出的曲線圖。
現(xiàn)在首先參閱附圖1所示的葉輪10，葉輪10可由金屬(雖然也并不需限定是金屬)制成，它包括有一個中心輪轂11和一組葉片12，葉輪10還包括一個用虛線13示出的引入?yún)^(qū)，它可由特定的葉片12的前沿14和翼梢15結合起來限定出。每個葉片12有一個與引入?yún)^(qū)13溝通的前沿(緣)14;一個向外延伸的翼梢15;一用以把葉片12連接在輪轂11上的翼根16和一個與葉輪10的排出區(qū)18溝通的后沿(緣)17(見圖2)。輪轂11具有一中心旋轉軸線19，在圖1中輪轂11包含有一中心孔20，葉輪10通過該中心孔安裝在軸上(圖中未示出)并由軸帶動旋轉。
葉片12，12a至少其中一部分有相互重疊(關系)以限定出沿這對相鄰的葉片12，12a之間延伸的通道21，相鄰葉片間的重疊面積約為30-70%以確保能有一尺寸理想的通道21。
如圖1所示輪轂11上的葉片相對旋轉軸線19向外偏斜呈擴散狀，這樣的構造能獲得一個大的引入?yún)^(qū)13，這可由把輪轂11做成錐形來實現(xiàn)，如圖2所示，輪轂從鄰近前部引入?yún)^(qū)較窄部位延伸至后部排出區(qū)較寬的部位擴散狀。葉片12大致是垂直地安裝在輪轂11傾斜的錐形表面上，葉片地就如圖1和圖2中所示那樣呈擴散狀。
每個葉片的翼根連接于輪轂上的位置實質上是與旋轉軸線之間存在一間距，以使輪轂11在其旋轉軸線19或孔20與每個葉片的根部(翼根)之間留有一實體部分22(見圖1)，此實體部分可占輪轂表面積(端面面積)20-60%之間，也就是說葉片12并沒有延伸到旋轉軸線19，也沒有延伸到孔20處。
圖2中以點線23示出排出區(qū)域或相鄰各對葉片之間限定出的各個通道的出口24。
參閱圖3可看出，各葉片都具有翼型的結構，它包含有加厚的前沿14，14a和較薄的后沿17，17a，每個葉片的這種翼型結構能實現(xiàn)使流體被葉片的各個前沿14，14a剖分成兩部分，一部分流體流經葉片的上側25而另一部分流體則流經葉片的下側26，下側26限定的形狀使流體流經的距離較長，這就引起流經表面26的流體相對于表面25上的流體壓力下降了。
當葉輪10轉動時，迎著葉片的流體受其上側面25擠壓而被壓縮(見圖3)，與此同時，下側面26上的流體因壓力下降而引起減壓或變得稀薄，當流體受到壓擠并沿每個葉片的上側表面25流過時，若該上側表面25與相鄰葉片的后沿之間的距離大約等于流經上側表面25受壓縮的流體層厚度時，實質上就會使流體沿葉片低壓側向后流動的趨勢下降。
正如圖3所示的那樣，在相鄰葉片的前沿與后沿之間呈現(xiàn)出一種相互的收斂關系，而且一個葉片的后沿17與相鄰葉片上側表面25之間的距離大約等于沿著葉片上側表面25流動通過通道21的高壓流體層的“厚度”。
由于流體被驅入鄰近排出區(qū)18的高壓區(qū)，該區(qū)域內的頭壓實際上作用在與流入高壓區(qū)的流體流動相垂直的方向上，這個方向在圖3中以位號27標出，圖中示出高壓流體經出口24流出，排出區(qū)(例如是一壓縮介質貯箱)的頭壓并不完全是逆著流體流動的方向作用，實際上其作用方向是垂直于液流方向的。
只有當呈現(xiàn)為壓力或速度的進入氣體的能量被鄰近于葉片后沿呈現(xiàn)為壓力的氣體(例如在充氣腔或壓力容器)的能量超過時，進入的體流才實際上受到擾動或被阻止。
已經發(fā)現(xiàn)具有固定螺距的葉片，葉輪10的這種壓縮氣體的能力僅在相當窄的速度范圍內起作用。
由于液體實際上不可壓縮，幾乎在任何一種轉速下，葉輪10的流入側大致等于流出側，那末所述葉片的收斂程度從設計的觀點，只需保持在能起調節(jié)的范圍內就可以了。
圖6示出了三個代表性的翼型葉片12，12a和12b，它們都通過轉動點28以樞軸安裝在輪轂上(未示出)，轉動點與前沿14，14a和14b鄰近。當葉輪按圖6中箭頭所示方向轉動時，這些葉片能自己轉動，葉片的后沿自動地背離相鄰的葉片的上側表面方向移位，使兩者間的距離大致等于流過該上側表面高壓流體層的厚度，這種自己對準作用的產生是由于在每個葉片12，12a和12b上側表面的高壓流體，趨于使葉片朝向另一個鄰近葉片的上側表面轉動，但由于相鄰葉片上的高壓流體限制了能轉動的程度。這種自己轉動或自己調節(jié)的效應也可通過用柔性材料制造葉片來實現(xiàn)，也可以使葉片鄰近其后沿部分用柔性材料制作，通過它的變形來實現(xiàn)自調節(jié)。
圖4和圖5表明了只采用兩個葉片的先有技術中的徑流風扇(圖5)與按本發(fā)明的實例的一個采用兩個通道(圖4)的葉輪相互間的顯著差異。圖5所示先有技術的風扇，葉片30和31之間的區(qū)域是不起作用的。圖4中，葉輪是由實體材料32，32表示的，通道34，35之間的實體部分是不起作用的，這表明了葉輪做功是通過任何兩葉片間的作用完成的，而且是通過一個葉片的高壓側與相鄰片低壓側間相互關系的作用完成的。在采用翼型葉片的常規(guī)徑流式風扇情況下，輸送流體的功實際上是沿葉片兩側面的全長上完成的。葉輪壓縮和輸送流體做功實際上是通過每個葉片的前沿和與其相鄰葉片的后沿間的作用完成的。
圖7和圖8表明了葉輪的不同的實施例，在該實施例中，葉輪40有一與以前敘述過的實施例中相似的輪轂41，輪轂具有把葉輪裝在軸上的孔42，一組安裝在輪轂41上并分布在葉輪外緣部位彼此間隔開的一組葉片44a，44b。葉片44a，44b在空間上有重疊關系的構造，在相鄰的一對重疊的葉片(即44a，44b)間限定出一通道45，通道45有與上述實例相似的入口和出口，也由于每個葉片的前沿46a，46b長度大于葉片后沿47a，47b的長度，而使入口與出口之間的容積逐漸減小，這樣，通道45從其入口至出口呈下降錐形。依靠前沿相對于后沿的長度關系，相鄰的葉片44a，44b并不須收斂，但可保持一種平行曲面關系，甚至于可以稍稍擴散，仍然能獲得容積的減小。
某些型式的葉輪從側向看，葉片以呈一定的角度布置而不是與軸線相垂直的線平行，這種配置在某種情況下有優(yōu)點，例如，當把這種有角度布置葉片的葉輪與常規(guī)徑流式風扇相比、可以看出，葉輪的流體引入?yún)^(qū)(入口)比常規(guī)徑流式風扇的入口大，也可以看到葉輪的上述葉片的掃過面積比常規(guī)徑流式風扇的葉片掃過面積大得多。
葉片呈角度布置的葉輪也可能更易于使通過葉輪流出的流體轉向軸線方向，而仍然保持有普通徑流風扇或葉輪的離心效應的優(yōu)點。上述的具有葉片呈角度布置的葉輪型式還可具有已敘述的葉片收斂的特點。葉輪葉片的翼梢15預定要以很小的配合間隙掠過罩殼，為各圖表示清楚起見，圖中罩殼均未示出。
圖9和圖10分別列出表格和以曲線說明葉輪的優(yōu)點，從這些信息指明了葉輪能工作在非常低的流量情況下保持高的靜壓并能抵制失速發(fā)生。葉輪并不遵循標準手冊中示出的常規(guī)風扇曲線。
一種典型的離心式壓縮機，其葉片或翼確有重疊，然而那些葉片從中部向外緣部位是發(fā)散的而葉輪的葉片卻可以是收斂的。
離心式壓縮機是依靠氣體速度變化以實現(xiàn)壓縮，氣體從相對很小的入口抽入，經歷了從軸向轉為徑向的方向改變后以很高的速度向外拋出，這種型式的壓縮機，當氣體從葉片后沿流出時達到最高速度。高速氣體幾乎立即降速而壓力上升，在離心式壓縮機中壓力增加相對較小。
注意到在離心式壓縮機中，氣體首先碰撞向前推進的每個葉片或翼的高壓側面受到壓縮，然后氣體從翼梢處以很高速度被拋出時壓力下降，隨著其速度的降低又會產生壓力升高，這樣的速度和壓力的快速改變會使壓縮機的效率降低。
具有把所述特點的葉片布置得更靠近葉輪外緣并以這樣的方式能增大與向前推進的葉片高壓側碰撞的氣體的壓縮量，以達到所述葉片間所需要的高的壓力升高值，且不會產生氣體離開葉片后接著出現(xiàn)的壓力降低和壓力再升高的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會在離心式壓縮機中產生。
用另一種方法來敘述在葉輪的構件(葉片)之間，更具體說在一給定的葉片的前沿與在其前面的另一葉片的后沿之間獲得所需要的壓力升高，用這種方法，葉片呈角度配置型形式的葉輪能使氣體的流動方向的改變減小能提供增大的入口或氣體引入?yún)^(qū)域并能實現(xiàn)氣體實際上只沿一個方向被壓縮的目的，而不是在離心式壓縮機中那樣發(fā)生三次速度和壓力的突變。要提到的是，典型的軸流式壓縮機也如同離心式壓縮機那樣，要經受速度的降低才能實現(xiàn)氣體壓縮，這兩者都會產生葉片或翼的失速現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在使用葉輪時明顯地減少。還需提出，葉片呈角度布置型式轉子大的入口或流體引入面，當用來取代常規(guī)的前向運動的函道風扇或軸流式壓縮機時，可以利用沖壓效應。
葉輪能用來取代水下推進器，葉輪的葉片相對于平盤式輪轂或錐形輪轂可以是任何角度，錐形輪轂的錐度也可任意定。
錐形輪轂和所述的翼梢可占有一半徑，葉輪的葉片從任何角度看都可呈扭曲形。
葉輪的葉片可占有一半徑，該半徑沿著其長度而改變。
葉輪的葉片可具有一不變的厚度或一個尖銳的前沿和/或尖銳的后沿。
葉輪的葉片從側面看，其翼根和翼梢相對的角度可以相同或者不相同。
權利要求
1.一種葉輪，包含有前部引入?yún)^(qū)和后部排出區(qū)，一個包含葉輪旋轉軸線的輪轂和一組圍繞輪轂延伸的葉片，至少有部分葉片有重疊的關系以在相鄰相互重疊的葉片之間限定出一個通道，該通道有一與前部引入?yún)^(qū)溝通的入口和一與后方排出區(qū)溝通的出口，入口面積大于出口面積以限定通過通道的流體容積逐步減小。
2.按權利要求1的葉輪，其中，葉片具有一限定部分入口的前沿(緣)、一限定部分出口的后沿(緣)、一向外延伸的翼梢和一與輪轂連接的翼根。
3.按權利要求2的葉輪，其中，葉片距輪轂的旋轉軸線有一定距離，以在旋轉軸線與葉片之間限定出一個實體部分。
4.按權利要求3的葉輪，其中，實體部分至少要占輪轂尺寸的30%。
5.按權利要求3的葉輪，其中，葉片是在鄰近于排出區(qū)的部位與輪轂連接的。
6.按權利要求3的葉輪，其中，葉片從其前沿至后沿的形狀呈弧形。
7.按權利要求6的葉輪，其中，葉片從旋轉軸線向外呈擴散狀。
8.按權利要求7的葉輪，其中，相鄰葉片之間的重疊度至少為30%。
9.按權利要求7的葉輪，其中，相鄰的葉片從入口朝向出口是收斂的，以限定當葉輪旋轉時容積逐步減小。
10.按權利要求9的葉輪，其中，葉片被安裝固定在收斂的部位。
11.按權利要求9的葉輪，其中，葉片是活動的，以實現(xiàn)收斂程度的調節(jié)。
12.按權利要求11的葉輪，其中，葉片是剛性的，它通過樞軸靠近前沿處安裝在輪轂上。
13.按權利要求11的葉輪，其中，葉片至少有部分是柔性的，以便實現(xiàn)當葉輪旋轉時收斂程度的調節(jié)。
14.按權利要求9的葉輪，其中，相鄰葉片間的前沿長度彼此相等，所述相鄰葉片間的后沿長度也彼此相等，容積的減小僅是由葉片相互之間的會聚性質獲得的。
15.按權利要求8的葉輪，其中，相鄰葉片的前沿比該相鄰葉片的后沿長，每個葉片的翼梢沿各自的前沿至各自的后沿有錐度，從而實現(xiàn)入口面積大于出口面積以使容積逐步減小。
16.按權利要求1的葉輪，其中，引入?yún)^(qū)是由各葉片的前沿及翼梢結合起來限定的。
17.按權利要求16的葉輪，其中，引入?yún)^(qū)大于所述通道的入口面積，因此在引入?yún)^(qū)與入口之間能獲得容積的減小。
18.按權利要求17的葉輪，其中，葉輪的翼梢在實際使用中與殼體或罩之間，間距(隙)很小。
19.按權利要求6的葉輪，其中，輪轂大體上呈錐形，沿引入?yún)^(qū)朝向排出區(qū)擴展。
20.按權利要求3的葉輪，其中，葉片從其前沿至后沿具有翼面的構形。
21.一種流體壓縮機，它包含有按權利要求1的葉輪。
全文摘要
一種能減少失速現(xiàn)象并在小流量時有較高升壓比的葉輪，該葉輪包含有一個輪轂11，圍繞輪轂11安裝有一組翼型葉片12，相鄰葉片間有重疊關系，這種相互重疊的布置在一對相鄰的葉片間建立起一個通道21，該通道在其入口與出口之間的容積是逐步減小的。
文檔編號F04D29/30GK1105427SQ9410106
公開日1995年7月19日 申請日期1994年1月10日 優(yōu)先權日1994年1月10日
發(fā)明者特倫斯·R·戴 申請人:美吉浮控股公司