CN1139731C - 轴流风扇 - Google Patents

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Abstract

一种轴流风扇(1)，其包括一个中央叶毂(3)；一组扇叶(4)，每个扇叶都具有一个根部(5)和一个端部(6)，扇叶(4)的形状是由一个凸边(7)和一个凹边(8)限定成的，凸边在平面(XY)上的投影是一段抛物线段，凹边在平面(XY)上的投影是一段圆弧曲线。扇叶(4)截面的气动学廓型(18)具有一个表面(18a)，其包括至少一个初始直线段(t)，其扇叶角(β)从扇叶(4)的根部(5)向端部(6)以半径的立方函数关系逐渐地减小。

Description

轴流风扇
技术领域
本发明涉及一种轴流风扇，它所安装的扇叶在风扇的转动平面内有一定的倾斜度。
背景技术
本发明所公开的风扇具有多种用途，例如用于将空气吹向热交换器、机动车冷却***中的散热器或发动机等装置，或者向车辆车厢内部加热***的换热器吹风，此外，本发明所公开的风扇还可用于固定式空气调节装置或建筑物内加热设备的通风。
这种类型的风扇必须要满足各种不同的要求，这些要求包括：低噪声、高效率、结构紧凑、高压头(压力)值和大通风量。
同属于本申请人的欧洲专利文件EP 0553598B公开了一种风扇，在扇叶的整个长度上扇叶的弦线长度都是恒定的，此外，扇叶的前缘和后缘是由两段曲线围成的，如果将这两条曲线投影到风扇的转动平面上，则是两条圆弧线。虽然按照此专利制造出的风扇在效率和低噪声方面达到了很好的效果，但由于它们的轴向尺寸较小，其实现高压头或压力值的能力有限。
考虑到在现代汽车的换热组件中，常包括两个或多个串联布置的换热器，这些串联布置的换热器例如为空调***的冷凝器、制冷***的散热器和透平发动机的进气热交换器等，或考虑到散热器因为要补偿前面尺寸较小(造成换热量不足)而增加厚度，因而能达到高压头值成为对风扇一个日益重要的要求。
发明内容
本发明的目的是解决上述风扇存在的在压头或压力值方面的问题，并进一步在效率和低噪声方面进行改进。
这一问题是通过以下方案来实现的，一种在平面(XY)内转动的轴流风扇(1)，其包括：一个中央叶毂(3)；一组扇叶(4)，每个扇叶都具有一个根部(5)和一个端部(6)，扇叶(4)还是由一个凸边(7)和一个凹边(8)围成的，在扇叶(4)横截面上形成的一组气动学廓型(18)中，扇叶角(β)在从根部(5)向扇叶(4)端部(6)的方向上逐渐并恒定地减小，其中的扇叶角(β)定义为各个扇叶截面的气动学廓型(18)上连接前缘和后缘的直线与风扇转动平面所成的流角，风扇的特征在于：凸边(7)在平面(XY)上的投影是一段抛物线段。
按照本发明，凹边(8)在平面(XY)上的投影是一段二次几何曲线(圆锥曲线)。
按照本发明，其中凹边(8)在平面(XY)上的投影是一段抛物线段。
按照本发明，凹边(8)在平面(XY)上的投影是一段圆弧线。
按照本发明，其中的气动学廓型(18)具有一个下表面(18a)，其包括至少一个直线段(t)。
按照本发明，其中的气动学廓型(18)具有一个下表面(18a)，其包括一段紧邻初始段(t)的曲线，该曲线基本是一段圆弧线。
按照本发明，其中的气动学廓型(18)具有一条弦线(L)和一个背面(18b)，背面是由一条拱起曲线形成的，在从扇叶先遇到气流的那一边缘量起、位于弦线(L)长度15％到25％的部位处，背面和下表面(18a)一起形成了一个廓型最大厚度值(Gmax)。
按照本发明，凸边(7)在平面(XY)上的投影在点(M)处具有一条第一切线(21)，其相对于过点(M)的射线(17)的倾角(C)等于角(A)的3/4；其特征还在于凸边(7)在平面(XY)上的投影在点(N)处具有一个第二切线，其相对于过点(N)的射线(14)的倾角(W)为角(A)的六倍；当风扇(1)的转动方向使得凸边(7)先碰到空气时，第一和第二切线(21、22)位于对应射线(17、14)的前方，第一和第二切线(21、22)的布置方式还在平面(XY)内形成了一条曲线，该曲线为单调是凸拱的，而没有出现任何拐点。
按照本发明，由凹边(8)在平面(XY)上的投影所形成圆弧的半径(Rcu)等于叶毂(3)的半径(R)。
下文将参照附图进行描述，附图表示了本发明几种最佳的实施方式，在附图中：
图1是本发明所公开的一个实施例的正视图；
图2的正视图表示了本发明所公开的风扇扇叶的各个几何特征；
图3表示从叶毂部位到扇叶的端部以恒定的间隔对本发明公开的风扇扇叶所作的剖面视图；
图4是表示本发明所公开风扇的扇叶其他一些几何特征的立体图；
图5是对图1所示风扇和相关导流管的比例放大的详细视图；
图6是本发明公开的风扇的另一种实施方式的前视图；
图7中直角坐标上的图线代表本发明公开的风扇扇叶凸边的形状；
图8表示了在本发明公开的一种风扇中，扇叶的不同截面上的叶角随风扇半径的函数变化图线。
下面定义一些用于描述风扇的技术术语：
弦线L是指在扇叶截面的气动力学廓型上，弧线正对着的、从扇叶前缘引向后缘的直线段的长度，其中扇叶的截面是通过将扇叶和一个圆柱面相交来形成的，该圆柱面的中轴线和风扇的转动轴线同轴，其半径r延伸到一个Q点处；
扇叶中线或弦线中点线MC是将各个射线方向上的弦线L中点连接起来所成的线；
掠角δ是在扇叶特征曲线的一个给定点Q处测得的，其中的特征曲线例如是代表扇叶后缘形状的曲线，该角是指从风扇中央部位发向所讨论Q点处的一条射线与在同一点Q处特征曲线切线所成的夹角；
扇叶某一特征曲线的斜交角或净角位移(Net angulardisplacement)α是指由穿过该特征曲线在风扇叶毂上点的射线、和经过该特征曲线在扇叶端部处点的射线所成的角，其中的特征曲线例如为扇叶的中线或弦线中点线；
扇叶叶角β是指扇叶截面上的连接气动学廓型前缘和后缘的直线与风扇的转动平面所成的角；
螺距比P/D是指螺旋扇叶的旋距和风扇最大直径的比值，其中的旋距即为所研究Q点在轴向上的位移量，也即是：P＝2*π*r*tan(β)，其中的r是指射向Q点的射线长度，而β为Q点处的扇叶叶角；
廓型拱高f是从弦线L到扇叶的拱线所测得的、垂直于弦线L的最长直线段；廓型拱高f相对于弦线L的出现位置可表示成弦线长度百分比的形式；
倾度V是指扇叶突出于风扇转动平面的轴向位移，其不但包括整个廓型突出于转动平面的位移，还包括由于扇叶的挠曲在轴向方向上产生的位移分量——如果在轴向方向上也有挠曲的话。
参照附图，风扇1绕一个转轴2转动，其包括一个中央叶毂3，在叶毂上安装了一组扇叶4，它们在风扇1的转动平面XY内弯曲成一定形状。扇叶4具有一个根部5、一个端部6，并由一个凸边7和一个凹边8限界围成。
由于按照本发明制造的风扇无论在那个方向上转动，都可以在效率、噪声、压头值等方面获得理想的效果，因而凸边7和凹边8都可以是扇叶的前缘或后缘。
换句话说，风扇1可这样进行旋转，使得空气的运动是先和凸边7接触，然后再遇到凹边8，或反过来是首先碰到凹边8，然后碰到凸边7。
显然，扇叶截面上气动学廓型的定位必须根据风扇1的工作模式进行，这也就是说，要按照空气是要先遇到凸边7还是要先碰到凹边8来确定。
在扇叶4的端部6，可以固定一个增强环9，该增强环加固了扇叶组4，例如防止了扇叶4的叶角β由于在扇叶的端部处由于受到空气动力学载荷的作用而发生偏转。此外，增强环9还和一个导流管10相配合来抑制绕风扇形成的气旋流，并减少在扇叶端部6处的涡旋，如人们所公知的那样，这些涡旋是由扇叶4两表面间的压力差造成的。
由于此原因，环9具有一个厚的唇部11，该部分配装在导流管10的一个承装座12上。唇部11和承座12之间在轴向方向上有很小的间隙a，并在两个元件之间设置了迷宫结构，从而减小了在风扇扇叶端部所产生的涡旋。
此外，外环9和导流管10之间的特殊配合关系还使得两个部件可紧密地相互贴靠在一起，同时还减小了风扇在轴向上的串动。
总体来看，环9是一个喷管形状，也就是说，其进气口部分要大于气流流经扇叶4端部时的部分，大的吸气表面由于补偿了流动阻力损失，使空气的流量保持稳定。
但是，如图6所示，根据本发明的风扇并不一定要设置外增强环和相关的导流管。
下文将描述当扇叶4投影到风扇1的转动平面XY上时的各个特征参数。
在中心点处的角度B是在考虑了两相邻扇叶4之间的间距的条件下计算出来的，假设风扇的几何中心和风扇转动轴线2重合，则该角度对应于扇叶4在根部5的宽度。事实上，由于这种类型风扇最好是通过塑料的注模成型制成的，所以扇叶在模具中是不能有重叠部分的，不然的话，用于制造风扇的模具将变得非常复杂，结果就不可避免地增加了生产成本。
此外，应当意识到，尤其是在机动车应用场合中，风扇并不是始终工作着的，这是因为在发动机运转的大部分时间内，安装该风扇的散热器是可以通过车辆运行时自身所产生的气流来冷却的。因而，即使在风扇停转的时候，气流应能容易地穿过散热器。这可以通过在风扇扇叶之间留出相对较大的间隙来实现。换句话讲，风扇的扇叶必须不能成为阻碍车辆运动所产生气流的冷却效果的一个屏障。可用下面的关系式来计算以角度为单位计量的夹角B：B＝(360°/扇叶数)-K；其中K值的最小值：(叶毂直径；在叶毂上的扇叶廓型高度)。
角度K是一个考虑了相邻两个扇叶之间最小间距的系数，以避免它们在注模成型时发生重叠，它是叶毂直径的函数，叶毂的直径越大，角度K可以越小，角度K的值还受到扇叶廓型在叶毂上高度的影响。
下文的描述只是给出示例，而不对本发明设计思想的保护范围进行限定，描述参照了一个根据本发明设计的风扇的实施例，如附图中所示，风扇具有七个扇叶，一个直径为140mm的叶毂，其外直径对应于外环9的直径，为385mm。
由这些数值计算出：对应于扇叶在叶毂上宽度的夹角B为44°。
下文将描述风扇1的扇叶4的几何形状；首先对扇叶4在风扇1的转动平面XY上的投影进行限定，然后再将扇叶4在平面XY上的投影转化成空间形状。
详见图2，附图中扇叶4的几何结构包括夹角B的角平分线13，而夹角B是由左侧的射线17和右侧的射线16相交而成的。然后再连出两条射线14、15，射线14以逆时针方向相对于平分线13转动角度A＝3B/11，而射线15也是在逆时针方向转动了角A，但却是相对于射线16进行的转动，因而这两条射线14、15都转动了一个角度A＝3B/11，也就是说A＝12°。射线17、16和叶毂3的交点、以及射线14、15和风扇外环9(或一个和外环9等直径的一个假想圆)的交点在平面XY内确定了四个点M、N、S、T，这些点限定了风扇1扇叶4的投影范围。凸边7在叶毂处的投影也由一条第一切线21确定了，该切线经过叶毂3上的点M，并相对于射线17具有一个倾角C，其中C＝3A/4，也就是说C＝9°。
从图2可以看出，夹角C是从相对于射线17的顺时针方向测得的，因而在凸边7是首先和气流接触的情况下，第一切线21要在射线17的前面，或在凸边7是后遇到气流的情况下、也即是当扇缘8先遇到气流的情况下，是在射线17的后面。
在外环9处，凸边7还由一条第二切线22来限界，它相对于射线14的倾角W为夹角A的六倍。也就是说为72°，切线22在外环9处经过点N。如图2所示，夹角W是相对于射线14从逆时针方向测量的，因而在凸边7是先遇到气流的情况下，第二切线22在射线14的前面，或当凸边7是后遇到气流的情况下、也即是当扇缘8先遇到气流的情况下，是在射线14的后面。
实际上，凸边7的投影线和第一切线21和第二切线22相切，投影线的特征在于它是一条单调凸起的曲线，并没有出现任何一个拐点。限定凸边7投影的曲线是一条抛物线类型的曲线：
y＝ax2+bx+c。
在所示的实施例中，该抛物线是由下面的方程限定的：
y＝0.013x2-2.7x+95.7。
该方程确定了图7中所示的表示在直角坐标系中的曲线，该方程表明了平面XY内的变量x、y的函数关系。
再参见图2，抛物线的端点是由在点M、N处的切线21和22限定的，抛物线上最大凸拱区为最靠近叶毂3的那部分曲线。
实验表明，在风扇转动平面XY内的投影为抛物线的凸边7可具有非常高的效率和非常好的噪声特性。
至于扇叶4的凹边8在平面XY内的投影，可采用任何形式的二次曲线，并以能形成一个凹陷部分的方式进行布置。例如，凹边8的投影可采用一条类似于凸边7抛物线的曲线来限定，并以基本相同的方式进行布置。
在一个最佳实施例中，限定了凹边8在平面XY内投影的曲线是一段圆弧，其曲率半径Rcu等于叶毂的半径R，在此处所描述的实际条件下，该半径值为70mm。
如图2所示，凹边8的投影形状是由点S、T限界的，它为一段半径等于叶毂半径的圆弧。凹边8的投影形状因而在几何上就完全确定了。
图3表示了十一个断面廓型18，它们是从左到右、也即是从叶毂3到扇叶4的端缘6对扇叶4以相同的间距所作的一系列截面。廓型18的某些特征参数是相同的，但所有这些廓型在几何形状上都是不同的，以便于和空气动力学状态相适应，其中的气动学状态基本是廓型在径向方向上位置的函数。那些对所有扇叶廓型都相同的特征参数是一些特别适于达到高效率、高压头值和低噪声的参数。
在左侧的第一廓型弯曲度更大，并具有更大的扇叶叶角β，这是因为由于更靠近叶毂，其线速度要小于在外廓型处的线速度。
廓型18具有一个表面18a，其包括一段起始的直线段。设计该直线段的目的是为了使气流能平稳地进入，防止扇叶拍击空气，对空气的拍击将干扰气流的平稳流动，从而增大噪声、降低效率，在图3中，该直线段被标记为t段，其长度间于弦线L长度的14％到17％之间。
表面18a上的其它部分基本由圆弧线组成。从廓型靠近叶毂的部位移向扇叶的端部，组成表面18a的圆弧的半径也越来越大，也就是说，扇叶4廓型的拱度f是逐渐减小的。
廓型拱度f相对于弦线L的位置点在图3中用lf标记，其大约在弦线L总长度的35％到47％处之间，该长度必须从廓型先遇到空气的那一缘开始测量。
扇叶的背面18b是由一条曲线以这样的方式形成的：廓型的最大厚度Gmax出现在扇叶弦线总长度15％到25％的区域处，并最好是在弦线L总长度的20％处，在此情况下，长度同样是从廓型先遇到空气的那一边缘测量的。
从廓型上靠近叶毂的、最大厚度Gmax为最大值的部位开始，廓型18的厚度在向着廓型端部的方向上以一个恒定的比率减小，在端部处的厚度缩减到最大值的四分之一左右。最大厚度Gmax是按照与风扇半径成线性函数的变化关系来减小的。扇叶4截面的廓型18在风扇1的最外侧部分具有最小的厚度Gmax值，这是因为它们的气动学特性要求它们必须能适于高速旋转。以这样的方式，廓型对扇叶截面根据线速度作了优化，其中的线速度显然随风扇半径的增加而增加。
廓型18的弦线L长度同样与半径成函数变化关系。
在扇叶4的中段，弦线长度L达到其最大值，并在向着扇叶端部6的方向上逐渐减小，以此来减小风扇扇叶最外部分上的气动力学载荷，并如上文所述的那样，在风扇停止工作时，便于空气流过。
扇叶角β同样是作为风扇半径的函数而进行变化的，具体来讲，扇叶角β是按照一个准线性的关系进行减小的。
扇叶角β的变化规律可根据作用在风扇扇叶最外部分上的气动载荷的要求来进行选定。
在一个最佳实施例中，扇叶角β作为风扇半径r的函数，是以下面方程所描述的立方关系进行变化的：
β＝-7*10-6*r3+0.0037*r2-0.7602*r+67.64
夹角β随风扇半径r的函数变化表示为图8中的图线。
图4表示了如何将扇叶4在平面XY内的投影转化为空间形状。扇叶4相对于风扇1的转动平面具有一个倾度V。
图4还表示了连接扇叶4的点M′、N′以及S′、T′的线段。
这些点M′、N′、S′、T′是通过从平面XY内的点M、N、S、T向上垂直引出线段M′M、N′N、S′S、T′T来定出的，从而这些线段确定了一个倾度V，换句话说，使扇叶4在轴向方向上有一定的位移。
此外，在最佳实施例中，每个扇叶4的形状都是由图4中的弧线19和弧线20确定出来的。弧线19和20是两段圆弧，它们的曲率是作为直线段M′N′、S′T′的长度函数而计算出来的。如图4所示，弧线19和20分别和对应的直线段M′N′和S′T′偏移了一段距离h1和h2。这两段距离h1和h2是从垂直于风扇转动平面XY的方向上测量的，并被换算成直线段M′N′和S′T′自身长度百分比的形式。
在图4中的虚线是对应于凸边7和凹边8的抛物曲线和圆弧曲线。
由轴向位移分量和曲率变化这两方面所形成的扇叶4的倾度V使得可对扇叶由于气动学载荷的作用而发生的挠曲进行修正，并平衡扇叶上的气动学扭矩，使得在风扇的整个前向迎风面上获得了均匀一致的轴向气流分布。
根据所描述实施例设计的扇叶的所有特征值都概括在下文的表中，其中的r是指一组风扇半径值，而其下面的各个几何变量和该半径值为对应关系；
L指代弦线的长度；
F指代廓型的拱度；
t指代扇叶截面上的初始直线段；
lf表示廓型拱度相对于弦线L的位置；
β指代扇叶断面廓型的叶角以六十进制表示的角度值；x和y表示扇叶的抛物线边缘在平面XY内的笛卡尔坐标。
    r     70     100.6   131.2   161.9     179
    L     59.8     68.7   78.2   73     71.2
    f     8.2     7.5   7.8   6.7     5
    t     10     10.5   11   10.5     10
    lf     21     25.5   31.2   32.8     33
    β     30.1     21.9   15.7   13.3     11.1
    x     65.3     93.2   126.1   161.9     176.4
    y     -25.2     -43.0   -38.1   -0.7     23.9
实验表明：根据本发明的风扇与和同种类型的现有风扇相比，噪声等级降低了大约25％到30％，并且在听觉舒适性方面有了很大的改进，这意味着其所产生的噪声比现有风扇产生的噪声要“悦耳”一些。
此外，在相同的通风量的条件下，根据本实施例制成的、扇叶以等距角θ布置的风扇，与同种类型的普通风扇相比，其压头值高出50％。
在根据本发明制成的风扇中，噪声等级从扇叶的背面到扇叶的前部结构并没有任何显著的变化。此外，在风扇某些特定的工作状态下，尤其是在高速段上，扇叶的前面构造比扇叶的背面构造要多输送20-25％的风量。

Claims (15)

1.一种在平面(XY)内转动的轴流风扇(1)，其包括：一个中央叶毂(3)；一组扇叶(4)，每个扇叶都具有一个根部(5)和一个端部(6)，扇叶(4)还是由一个凸边(7)和一个凹边(8)围成的，在扇叶(4)横截面上形成的一组气动学廓型(18)中，扇叶角(β)在从根部(5)向扇叶(4)端部(6)的方向上逐渐并恒定地减小，其中的扇叶角(β)定义为各个扇叶截面的气动学廓型(18)上连接前缘和后缘的直线与风扇转动平面所成的流角，风扇的特征在于：凸边(7)在平面(XY)上的投影是一段抛物线段。
2.根据权利要求1所述的风扇，其特征在于：凹边(8)在平面(XY)上的投影是一段二次几何曲线(圆锥曲线)。
3.根据权利要求1或2所述的风扇，其特征在于：其中凹边(8)在平面(XY)上的投影是一段抛物线段。
4.根据权利要求2所述的风扇，其特征在于：凹边(8)在平面(XY)上的投影是一段圆弧线。
5.根据权利要求1或2或4所述的风扇，其特征在于：其中的气动学廓型(18)具有一个下表面(18a)，其包括至少一个直线段(t)。
6.根据权利要求5所述的风扇，其特征在于：其中的气动学廓型(18)具有一个下表面(18a)，其包括一段紧邻初始段(t)的曲线，该曲线基本是一段圆弧线。
7.根据权利要求5所述的风扇，其特征在于：其中的气动学廓型(18)具有一条弦线(L)和一个背面(18b)，背面是由一条拱起曲线形成的，在从扇叶先遇到气流的那一边缘量起、位于弦线(L)长度15％到25％的部位处，背面和下表面(18a)一起形成了一个廓型最大厚度值(Gmax)。
8.根据权利要求6所述的风扇，其特征在于：其中的气动学廓型(18)具有一条弦线(L)和一个背面(18b)，背面是由一条拱起曲线形成的，在从扇叶先遇到气流的那一边缘量起、位于弦线(L)长度15％到25％的部位处，背面和下表面(18a)一起形成了一个廓型最大厚度值(Gmax)。
9.根据权利要求1或2或4所述的风扇，其特征在于：凸边(7)在平面(XY)上的投影在点(M)处具有一条第一切线(21)，其相对于过点(M)的射线(17)的倾角(C)等于角(A)的3/4；其特征还在于凸边(7)在平面(XY)上的投影在点(N)处具有一个第二切线，其相对于过点(N)的射线(14)的倾角(W)为角(A)的六倍；当风扇(1)的转动方向使得凸边(7)先碰到空气时，第一和第二切线(21、22)位于对应射线(17、14)的前方，第一和第二切线(21、22)的布置方式还在平面(XY)内形成了一条曲线，该曲线为单调是凸拱的，而没有出现任何拐点。
10.根据权利要求4所述的风扇，其特征在于：由凹边(8)在平面(XY)上的投影所形成圆弧的半径(Rcu)等于叶毂(3)的半径(R)。
11.根据权利要求5所述的风扇，其特征在于：扇叶(4)截面上气动学廓型(18)的扇叶角(β)从根部(5)到扇叶(4)的端部(6)以半径的立方函数变化关系逐渐地减小。
12.根据权利要求6所述的风扇，其特征在于：扇叶(4)截面上气动学廓型(18)的扇叶角(β)从根部(5)到扇叶(4)的端部(6)以半径的立方函数变化关系逐渐地减小。
13.根据权利要求7所述的风扇，其特征在于：扇叶(4)截面上气动学廓型(18)的扇叶角(β)从根部(5)到扇叶(4)的端部(6)以半径的立方函数变化关系逐渐地减小。
14.根据权利要求8所述的风扇，其特征在于：扇叶(4)截面上气动学廓型(18)的扇叶角(β)从根部(5)到扇叶(4)的端部(6)以半径的立方函数变化关系逐渐地减小。
15.根据权利要求9所述的风扇，其特征在于：扇叶(4)截面上气动学廓型(18)的扇叶角(β)从根部(5)到扇叶(4)的端部(6)以半径的立方函数变化关系逐渐地减小。
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