CN110939603A - 叶片及使用其的轴流叶轮 - Google Patents

叶片及使用其的轴流叶轮 Download PDF

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CN110939603A CN201811119928.6A CN201811119928A CN110939603A CN 110939603 A CN110939603 A CN 110939603A CN 201811119928 A CN201811119928 A CN 201811119928A CN 110939603 A CN110939603 A CN 110939603A
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袁斌
王利
吴成刚
朱剑
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York Guangzhou Air Conditioning and Refrigeration Co Ltd
Johnson Controls Technology Co
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York Guangzhou Air Conditioning and Refrigeration Co Ltd
Johnson Controls Technology Co
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Abstract

本申请公开一种叶片，包括叶尖、叶根、前缘和尾缘，其中所述前缘和所述尾缘分别从所述叶尖延伸至所述叶根；所述叶片能够绕一旋转轴线旋转，所述旋转轴线与所述旋转轴线的一法向平面垂直相交于垂足；所述前缘沿所述旋转轴线在所述法向平面上的投影为第一曲线，所述第一曲线具有偶数个拐点。本申请的叶片能够在叶片转动时降低噪声，并且提升气动性能。

Description

叶片及使用其的轴流叶轮
技术领域
本申请涉及风机、泵和压缩机等旋转机械领域，更确切的说是一种叶片及使用其的轴流叶轮。
背景技术
传统的叶片的前缘和尾缘通常为单调光滑的曲线，由于叶片表面流动分离严重，形成涡流，因此叶片气动性能较低，噪声较大。
发明内容
本申请的示例性实施例可以解决至少一些上述问题。
根据本申请的第一方面，本申请提供一种叶片，包括叶尖、叶根、前缘和尾缘，其中所述前缘和所述尾缘分别从所述叶尖延伸至所述叶根；所述叶片能够绕一旋转轴线旋转，所述旋转轴线与所述旋转轴线的一法向平面垂直相交于垂足；所述前缘沿所述旋转轴线在所述法向平面上的投影为第一曲线，所述第一曲线具有偶数个拐点。
根据上述第一方面的叶片，所述拐点的个数为2个、4个或6个。
根据上述第一方面的叶片，所述拐点的个数的选择能够减小涡流的形成。
根据上述第一方面的叶片，所述第一曲线上任意一点与所述垂足的连线为第一连线；所述叶根与所述前缘的交点沿所述旋转轴线在所述法向平面上的投影点与所述垂足的连线为第二连线；所述第一连线与所述第二连线的夹角称为包角θ；所述第一曲线上的任意一点的包角θ满足θ∈[0°,40°]。
根据上述第一方面的叶片，所述尾缘具有数个槽。
根据上述第一方面的叶片，所述尾缘沿所述旋转轴线在所述法向平面上的投影为第二曲线，其中每一个槽的槽壁之间的夹角为α、槽深为H，第二曲线的长度为L；所述夹角与所述槽深满足：α∈[10°,100°]；H＝K×L，K∈[1.5％,20％；并且所述叶尖与所述尾缘的交点沿所述旋转轴线在所述法向平面上的投影点位于所述槽壁上。
根据上述第一方面的叶片，所述数个槽之间的间距相同。
根据上述第一方面的叶片，所述数个槽的开口宽度相同，并且所述槽深成等差递增。
根据上述第一方面的叶片，所述数个槽中的每一个槽的底部为圆弧形。
根据本申请的第二方面，本申请提供一种轴流叶轮，包括轮毂，所述轮毂具有旋转轴线，所述轮毂能够绕所述旋转轴线转动；和至少两片叶片，所述至少两片叶片布置在所述轮毂的外圆周面上，并且所述至少两片叶片中的每一片包括叶尖、叶根、前缘和尾缘，其中所述前缘和所述尾缘分别从所述叶尖延伸至所述叶根；所述叶片能够绕一旋转轴线旋转，所述旋转轴线与所述旋转轴线的一法向平面垂直相交于垂足；所述前缘沿所述旋转轴线在所述法向平面上的投影为第一曲线，所述第一曲线具有偶数个拐点。
根据本申请的第三方面，本申请提供一种叶片，包括叶尖、叶根、前缘和尾缘，其中所述前缘和所述尾缘分别从所述叶尖延伸至所述叶根；所述叶片的所述尾缘具有数个槽。
根据上述第三方面的叶片，所述叶片能够绕一旋转轴线旋转，所述旋转轴线与所述旋转轴线的一法向平面垂直相交于垂足；所述尾缘沿所述旋转轴线在所述法向平面上的投影为第二曲线，其中每一个槽的槽壁之间的夹角为α、槽深为H，第二曲线的长度为L；所述夹角与所述槽深满足：α∈[10°,100°]；H＝K×L，K∈[1.5％,20％；并且所述叶尖与所述尾缘的交点沿所述旋转轴线在所述法向平面上的投影点位于所述槽壁上。
根据上述第三方面的叶片，所述数个槽之间的间距相同。
根据上述第三方面的叶片，所述数个槽的开口宽度相同，并且所述槽深成等差递增。
根据上述第三方面的叶片，所述数个槽中的每一个槽的底部为圆弧形。
根据本申请的第四方面，本申请提供一种轴流叶轮，所述轴流叶轮包括轮毂，所述轮毂具有旋转轴线，所述轮毂能够绕所述旋转轴线转动；和至少两片叶片，所述至少两片叶片布置在所述轮毂的外圆周面上，并且所述至少两片叶片中的每一片包括叶尖、叶根、前缘和尾缘，其中所述前缘和所述尾缘分别从所述叶尖延伸至所述叶根；所述叶片的所述尾缘具有数个槽。
本申请的叶片能够提高叶片性能，降低运行噪声。
附图说明
本申请特征和优点可通过参照附图阅读以下详细说明得到更好地理解，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中：
图1示出了使用本申请的一个实施例的叶片的叶轮的立体图；
图2示出了图1中的叶轮所使用的叶片的立体图；
图3A示出了图1中的叶片沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图；
图3B示出了本申请的另一个实施例的叶片沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图；
图3C示出了本申请的再一个实施例的叶片沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图；
图4A-4B分别示出了普通叶片与本申请的叶片的涡量分布对比图、以及叶片上表面流线对比图；
图5示出了叶片的沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图；
图6A示出了图3A所示的槽的沿旋转轴线X方向在法向平面上的放大的投影图；
图6B示出了本申请的槽的另一个实施例的沿旋转轴线X方向在法向平面上的放大的投影图；
图7示出了图3A的局部放大图；
图8示出了本申请的叶片112与普通叶片的静压及总效率对比图；
图9示出了本申请的叶片112与普通叶片的噪声对比图。
具体实施方式
下面将参考构成本说明书一部分的附图对本申请的各种具体实施方式进行描述。在以下的附图中，同样的零部件使用同样的附图号，相似的零部件使用相似的附图号，以避免重复描述。
图1是使用本申请的一个实施例的叶片的叶轮100的立体图。如图1所示，叶轮100包括轮毂110和三个叶片112。轮毂110具有旋转轴线X，轮毂110垂直于旋转轴线X的截面为圆形。三个叶片112均匀地布置在轮毂110的外圆周面上，与叶片112连接成一体。轮毂110和叶片112能够一同绕旋转轴线X进行旋转。作为一个示例，本申请的叶轮100按顺时针方向(即图1中箭头所示旋转方向)绕旋转轴线X进行旋转。本领域的技术人员可以理解，轮毂110也可以是其他形状，叶片112的个数为至少两个即可。轮毂110的形状可以与叶片112的个数配合设置。例如，当叶片112的个数为三个时，轮毂110垂直于旋转轴线X的截面为三角形；当叶片112的个数为四个时，轮毂110垂直于旋转轴线X的截面为四边形。
图2是图1中的叶轮100所使用的叶片112的立体图。如图2所示，叶片112包括上表面、下表面、叶尖216、叶根218、前缘222和尾缘220。其中，“前缘222”表示沿叶片旋转方向的前端边缘。“尾缘220”表示沿叶片旋转方向的后端边缘。“叶根218”表示叶片与轮毂相交的边缘。“叶尖216”表示与叶根相对的另一个边缘。上表面和下表面分别从叶尖216延伸至叶根218，并且也分别从前缘222延伸至尾缘220。本申请的叶片112的尾缘220具有数个槽232，数个槽232中的每一个槽都朝向前缘222延伸。
叶轮100具有一个法向平面(未示出)，该法向平面垂直于旋转轴线X设置，并且该旋转轴线X与该法向平面的垂直的交点为垂足O(参见图3A-3C)。本领域的技术人员可以理解，所述法向平面为一虚拟平面，用于更好地示出叶片112的前缘222和尾缘220的具体结构。本申请的叶片112的前缘222沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影为第一曲线，其中第一曲线具有偶数个拐点。所述拐点为凹弧与凸弧的分界点。
图3A是图1中叶片112沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图。如图3A所示，第一曲线具有两个拐点，分别为拐点a和拐点b。叶根218与前缘222的交点沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影点为点A，叶尖216与前缘222的交点沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影点为点B。从点A至拐点a的曲线以及从拐点b至点B的曲线为凹弧；拐点a至拐点b的曲线为凸弧。点P为第一曲线上任意一点，点P与垂足O的连线为第一连线。点A与垂足O的连线为第二连线。第一连线与第二连线的夹角为包角θ。在本申请的实施例中，第一曲线上的任意一点P的包角θ满足θ∈[0°,40°]，并且所述第一曲线上的任意一点P与垂足O的连线都在第一连线的同一侧。
图3B是本申请的另一个实施例的叶片沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图。如图3B所示，第一曲线具有四个拐点，分别为拐点a、拐点b、拐点c和拐点d。从点A至拐点a的曲线、从拐点b至点拐点c的曲线以及从拐点d至点B的曲线为凹弧；拐点a至拐点b的曲线以及拐点c至拐点d的曲线为凸弧。
图3C是本申请的再一个实施例的叶片沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图。如图3C所示，第一曲线具有六个拐点，分别为拐点a、拐点b、拐点c、拐点d、拐点e和拐点f。从点A至拐点a的曲线、从拐点b至点拐点c的曲线、从拐点d至点拐点e的曲线以及从拐点f至点B的曲线为凹弧；拐点a至拐点b的曲线、拐点c至拐点d的曲线以及拐点e至拐点f的曲线为凸弧。
图3B和图3C中第一曲线上任一点的包角θ也满足θ∈[0°,40°]，并且所述第一曲线上的任意一点P与垂足O的连线都在第一连线的同一侧。
需要说明的是，本申请中的第一曲线表示的是前缘222沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影，并不表示具有特定形状的曲线为第一曲线。
图4A和图4B分别是普通叶片(前缘沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影的曲线不具有拐点的叶片，即前缘沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影的曲线为单调光滑的曲线)与本申请的叶片112的涡量分布对比图以及叶片上表面流线对比图。其中，图4A和图4B中左侧的叶片为普通叶片，右侧的叶片为本申请的叶片112。本申请中的前缘222通过设有凹弧和凸弧来增加前缘222的做功长度，从而减轻叶片112的前缘222的载荷。当叶片112旋转时，前缘222上的凹弧和凸弧能够将原本聚集在叶片112的上表面的靠近前缘222部分的较大的剥离涡强制***成至少两个较小的涡(如图4A所示)，从而降低湍流强度和因湍流而引起的耗散损失，提高气动性能的同时降低噪声。***成较小的涡还能够避免叶片由于较大的剥离涡的存在而在高速转动时被撕裂，从而增加了叶片运行时的可靠性。并且，已经被前缘222上的凹弧和凸弧***成较小的剥离涡在朝着尾缘220传播时，不容易在叶片112的径向上相互窜动引起二次流，叶片112表面空气的相对速度流线尽量少地出现交叉(如图4B所示)，从而实现提高气动性能的同时降低噪声。
图5是叶片112的沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图，以示出槽232的数个分布点Q。如图5所示，尾缘220具有轮廓线502。尾缘220具有数个槽232，每一个槽具有一个分布点Q，每一个槽的分布点Q都位于轮廓线502上。作为一个示例，槽232的分布点Q之间的间距相同。
图6A是图3A所示的槽232的沿旋转轴线X方向在法向平面上的放大的投影图，以示出槽232的具体结构。如图6A所示，尾缘220沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影为第二曲线，第二曲线的长度为L。作为一个示例，在分布点Q处作垂直于轮廓线502的直线，根据槽深H来确定底点G的位置。其中，槽深H满足：
H＝K×L，K∈[1.5％,20％。
槽壁线NG和槽壁线MG形成夹角α，夹角α满足：
α∈[10°,100°]。
MN为槽232的开口宽度。槽底EF为圆弧形，其半径为r。槽底EF与槽壁线NG和槽壁线MG分别相切于点E和点F。半径r满足
Figure BDA0001810346800000061
此外，槽壁线NG和轮廓线502的第一连接部ST以及槽壁线MG和轮廓线502的第二连接部IJ也为圆弧形，其半径为R。第一连接部ST与槽壁线NG和轮廓线502分别相切于点S和T；第二连接部IJ与槽壁线MG和轮廓线502分别相切于点I和J。半径R满足
Figure BDA0001810346800000062
第一连接部ST、槽壁SE、槽底EF、槽壁FI和第二连接部IJ形成槽232。点C为叶尖216与尾缘220的交点沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影点，投影点C位于槽壁FI上。
本领域的技术人员可以理解，槽232也可以不具有第一连接部ST或第二连接部IJ，并且第一连接部ST或第二连接部IJ的半径R也可以不相同。
作为另一个示例，直线QG也可以不垂直于轮廓线502，而是朝向叶尖216、叶根218或前缘222。
图6B是本申请的槽232的另一个实施例的沿旋转轴线X方向在法向平面上的放大的投影图。图6B所示的实施例与图6A所示的实施例不同之处在于，槽232不具有第一连接部ST、槽底EF和第二连接部IJ。槽壁NG和槽壁MG形成槽232。点C为叶尖216与尾缘220的交点沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影点，投影点C位于槽壁MG上。
图7是图3A的局部放大图，以示出叶尖216与尾缘220相交处的结构。如图7所示，最接近叶尖216的槽232的槽壁704与叶尖216形成尖部702。叶尖216与槽壁704之间的夹角为β，β满足β∈[5°,80°]。
本领域的技术人员可以理解，尾缘220上的数个槽232的开口宽度MN相同。槽深H沿叶根218至叶尖216的方向等差递增。
参考图4A和4B，图4A和图4B分别是普通叶片(尾缘不具有槽的叶片，即尾缘沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影的曲线为单调光滑的曲线)与本申请的叶片112的涡量分布对比图以及叶片上表面流线对比图。如图4A所示，当叶片112旋转时，剥离涡在尾缘220会发展成杂乱无章的湍流，湍流能够与尾缘220上的槽232相互作用，从而降低噪声散射。由于低频噪声在大气中的传导距离更长，因此尾缘220上的槽232能够有效降低低频噪声。此外，尾缘220上的槽232还能够将叶片112的上表面上靠近尾缘220部分的较大的剥离涡***成较小尺寸的剥离涡，避免较大的剥离涡影响下游紧挨着的下一个叶片112的前缘222的进口气流，从而避免不良的进口条件引起的气动性能的下降。如图4B所示，尾缘220上的槽232还能够减少叶片112的上表面的径向上相互窜动引起的二次流，从而降低耗散损失。
图8是本申请的叶片112与普通叶片的静压及总效率对比图。其中，图8中虚线表示的是风量-总效率关系图，实线表示的是风量-静压关系图。从图8中可以看出，在相同风量下，本申请中的叶片的总效率高于普通叶片的总效率。具体的，在风量为19000m3/h-25000m3/h时，本申请的叶片的总效率比普通叶片的总效率高出大约8％。此外，在相同风量下，本申请中的叶片的静压高于普通叶片的静压。具体的，在风量为15000m3/h-20000m3/h时，本申请的叶片的静压比普通叶片的静压高出大约20Pa。由此可以看出，本申请的叶片的气动性能(即静压及总效率)优于普通叶片。
图9是本申请的叶片112与普通叶片的噪声对比图。从图9中可以看出，在频率为1000Hz-10000Hz时，普通叶片运行时发出的噪声比本申请的叶片运行时发出的噪声高出大约5dB。并且，在0Hz-1000Hz时，本申请的叶片运行时发出的噪声也比普通叶片运行时发出的噪声低。由此可以看出，本申请的叶片在全频段内发出的噪声大致上都低于普通叶片所发出的噪声。
需要说明的是，叶片112的从前缘到尾缘的叶型截面可以有多种，其可以为等厚度截面或者任何二维翼型。
尽管本文中仅对本申请的一些特征进行了图示和描述，但是对本领域技术人员来说可以进行多种改进和变化。因此应该理解，所附的权利要求旨在覆盖所有落入本申请实质精神范围内的上述改进和变化。

Claims (16)

1.一种叶片(112)，包括：
叶尖(216)、叶根(218)、前缘(222)和尾缘(220)，其中所述前缘(222)和所述尾缘(220)分别从所述叶尖(216)延伸至所述叶根(218)；所述叶片(112)能够绕一旋转轴线(×)旋转，所述旋转轴线(×)与所述旋转轴线(×)的一法向平面垂直相交于垂足(O)；
其特征在于：
所述前缘(222)沿所述旋转轴线(×)方向在所述法向平面上的投影为第一曲线，所述第一曲线具有偶数个拐点。
2.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：
所述拐点的个数为2个、4个或6个。
3.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：
所述拐点的个数的选择能够减小涡流的形成。
4.如权利要求3所述的叶片(112)，其特征在于：所述第一曲线上任意一点与所述垂足(O)的连线为第一连线；
所述叶根(218)与所述前缘(222)的交点沿所述旋转轴线(×)方向在所述法向平面上的投影点(A)与所述垂足(O)的连线为第二连线；
所述第一连线与所述第二连线的夹角称为包角θ；
所述第一曲线上的任意一点的包角θ满足θ∈[0°，40°]。
5.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：
所述尾缘(220)具有数个槽(232)。
6.如权利要求5所述的叶片(112)，其特征在于：
所述尾缘(220)沿所述旋转轴线(×)方向在所述法向平面上的投影为第二曲线，其中每一个槽的槽壁之间的夹角为α、槽深为H，第二曲线的长度为L；
所述夹角与所述槽深满足：
α∈[10°，100°]；
H＝K×L，K∈[1.5％，20％]；并且
所述叶尖(216)与所述尾缘(220)的交点沿所述旋转轴线(×)方向在所述法向平面上的投影点(C)位于所述槽壁上。
7.如权利要求5所述的叶片(112)，其特征在于：
所述数个槽(232)之间的间距相同。
8.如权利要求6所述的叶片(112)，其特征在于：
所述数个槽(232)的开口宽度相同，并且所述槽深成等差递增。
9.如权利要求5所述的叶片(112)，其特征在于：
所述数个槽(232)中的每一个槽的底部为圆弧形。
10.一种轴流叶轮(100)，其特征在于包括：
轮毂(110)，所述轮毂(110)具有旋转轴线(×)，所述轮毂(110)能够绕所述旋转轴线(×)转动；和
至少两片根据权利要求1-9中任意一项所述的叶片(112)，所述至少两片叶片(112)布置在所述轮毂(110)的外圆周面上。
11.一种叶片(112)，包括：
叶尖(216)、叶根(218)、前缘(222)和尾缘(220)，其中所述前缘(222)和所述尾缘(220)分别从所述叶尖(216)延伸至所述叶根(218)；
其特征在于：
所述叶片(112)的所述尾缘(220)具有数个槽(232)。
12.如权利要求11所述的叶片(112)，其特征在于：
所述叶片(112)能够绕一旋转轴线(×)旋转，所述旋转轴线(×)与所述旋转轴线(×)的一法向平面垂直相交于垂足(O)；
所述尾缘(220)沿所述旋转轴线(×)方向在所述法向平面上的投影为第二曲线，其中每一个槽的槽壁之间的夹角为α、槽深为H，第二曲线的长度为L；
所述夹角与所述槽深满足：
α∈[10°，100°]；
H＝K×L，K∈[1.5％，20％]；并且
所述叶尖(216)与所述尾缘(220)的交点沿所述旋转轴线(×)方向在所述法向平面上的投影点(c)位于所述槽壁上。
13.如权利要求11所述的叶片(112)，其特征在于：
所述数个槽(232)之间的间距相同。
14.如权利要求12所述的叶片(112)，其特征在于：
所述数个槽(232)的开口宽度相同，并且所述槽深成等差递增。
15.如权利要求11所述的叶片(112)，其特征在于：
所述数个槽(232)中的每一个槽的底部为圆弧形。
16.一种轴流叶轮(100)，其特征在于：所述轴流叶轮(100)包括：
轮毂(110)，所述轮毂(110)具有旋转轴线(×)，所述轮毂(110)能够绕所述旋转轴线(×)转动；和
至少两片根据权利要求11-15中任意一项所述的叶片(112)，所述至少两片叶片(112)布置在所述轮毂(110)的外圆周面上。
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