改进的叶轮和风扇.pdf

本发明公开了一种风扇的叶轮，该叶轮包括轮毂和一个或多个叶片，其中至少一个叶片具有截面为翼形的径向内部部分和从翼形部分沿径向向外延伸的离心加速部分。翼形部分比加速部分具有更大的攻角。

1.  一种风扇的叶轮，该叶轮包括轮毂和一个或多个叶片，其中至少一个叶片具有：
径向内部部分，该径向内部部分的截面是翼形的；和
离心加速部分，该离心加速部分从翼形部分沿径向向外延伸，
其中翼形部分比加速部分具有更大的攻角。

2.  如权利要求1所述的叶轮，其中所述翼形部分具有螺旋的形状。

3.  如权利要求1或2所述的叶轮，其中所述叶片的前缘沿着叶片的长度方向基本上是直的。

4.  如权利要求1到3中任一项所述的叶轮，其中所述叶片的前缘基本上沿轮毂的切线方向延伸。

5.  如权利要求1到4中任一项所述的叶轮，其中所述轮毂具有弯曲的外周表面，叶片从该外周表面伸出。

6.  如权利要求5所述的叶轮，其中所述叶片的加速部分延伸出轮毂的外周边缘。

7.  如权利要求1到6中任一项所述的叶轮，其中所述叶片是围绕其前缘扭转的。

8.  如权利要求1到7中任一项所述的叶轮，其中所述翼形部分处的攻角在0度到45度之间。

9.  如权利要求1到8中任一项所述的叶轮，其中所述加速部分的攻角在60度到90度之间。

10.  如权利要求1到9中任一项所述的叶轮，其中所述叶轮具有一直径，该直径至少为叶轮高度的四倍。

11.  一种风扇，包括如权利要求1至10中任一项所述的叶轮以及壳体，所述叶轮安装在所述壳体中旋转。

12.  如权利要求11所述的风扇，其中叶轮是安装在形成于壳体内的螺旋形通道内。

13.  如权利要求11或12所述的风扇，其中壳体具有开放的出口喉部。

改进的叶轮和风扇
技术领域
本发明涉及一种改进的用于风扇的叶轮，尤其涉及一种通风风扇或鼓风机的叶轮，更特殊的是用于家用和/或商用的风扇，该风扇主要用于管道、通风管道或用于建筑物的墙内部。本发明还涉及到一种包括该叶轮的风扇。
背景技术
现有技术提供的通风风扇中，通过风扇的空气流是离心的。在这种风扇内，中心处具有由叶片的旋转引起的高的湍流，这带来高的损失和低效率。其原因在于中心漩涡有效地减少了通入风扇的可用入口面积，以致于在入口的外边缘处具有高速空气，以适应风扇引起的压力梯度。考虑到进入风扇的流动形状，目前的离心风扇的另一个缺点是：对于进入入口的足量空气而言的最小间隙通常是风扇的直径的一半。
常规的离心风扇的高压力梯度和其他工作特性没有给常规的操作带来任何问题，因为入口开口可以设计用来容纳所需的流动。然而，当常规的离心风扇被设置在狭小的入口和排出通风管道中时，效率将大大的降低。
常规的风扇的还一个缺点在于，当应用内嵌的离心风扇时所引起的内部漩涡会影响到压力特性并更进一步减小风扇的效率。因而有必要在管道中提供一种矫直装置或挡板来防止这种漩涡的形成。在箱式离心风扇中矫直装置也用来减少卸出损失(dump loss)。
现有技术提出一种可提供“混流”的风扇；通过风扇的空气流包括轴向分量和离心分量。然而，在现有的“混流”风扇中，空气流的轴向分量非常的低，占总的空气流的5％量级，剩余部分的空气流是离心的。因此，现有的混流风扇表现出和常规的离心风扇一样的缺点。
而且，常规的混流风扇包括具有碟形背板的向后弯曲的离心，使得叶轮会将螺旋形或漩涡形的流动特征施加到离开风扇的流体上。这样，由于在风扇的下游产生了不希望的切线流(而不是径向流)，因此损失了效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种风扇，该风扇减小或基本上避免了上述风扇的缺点。
本发明的还一目的是提供一种风扇，该风扇与常规的通风风扇相比，可以安装在具有相对狭小的入口和排放面积的通风管道中，该风扇相比于常规的风扇具有相对浅的深度。
本发明的还一目的是提供一种风扇，该风扇通过狭小的通风管道使相对高容量的空气通过。
本发明提供一种风扇的叶轮，该叶轮包括轮毂和一个或多个叶片，所述至少一个叶片具有：径向内部部分，所述径向内部部分的剖面是翼形的(aerofoil)；和离心加速部分，该部分从翼形部分沿径向向外延伸，其中所述翼形部分具有比离心加速部分更大的攻角。
攻角定义为叶片的前部和叶片的运动方向两者之间的角度。
本发明的叶轮具有部分翼形和部分离心风扇特性，因而能比常规的叶轮朝风扇的中心拉入更大量的空气。该叶轮提供更均匀的进入风扇的空气的流动形状，避免朝向中心的湍流和朝向风扇入口周边区域的高流速区域。根据本发明，翼形部分以轴向叶轮的方式运行，同时加速部分驱动空气沿径向方向向外，这样轴向和径向元件都包含在“结合的”流动叶轮里。
在一个实施例中，径向内部或翼形部分是螺旋形的。在叶轮根部处的螺旋形轴部分施加大致径向作用力给进入风扇的空气，迫使空气沿径向向外流出。因而空气被迫向外至长路径横向加速部分。
优选地，叶片曲率可以朝向叶轮的旋转轴线或中心增大。典型的，叶片与叶轮的旋转轴线的角度在叶片中心部分处最大。因而，叶片的攻角在加速部分最大。
在一个优选的实施例中，叶片的攻角在翼形部分减小，典型的，攻角在叶片的径向最内侧边缘处最小。因而，叶片的取向朝向最外侧边缘，该最外侧边缘基本上平行于叶片的旋转轴线的方向。然而，最外侧边缘并不是直线的，而是保持微小的曲率。
优选地，离心加速部分的曲率是基本上保持一致的，这样叶片在其最外侧边缘基本上是对称的。叶片的取向朝向最外侧边缘是特别有利，因为离心加速部分采用勺铲状或桨状，以从叶轮产生大致径向流动，而不是切线流动。在这点上，作用到加速部分的压降比作用到叶片的翼形部分上的压降更大。因而翼形部分会产生小的拉力，将空气拉入风扇的中心，而延伸的加速部分推动空气沿径向向外运动。
长路径加速部分是重要的优点，因为它避免空气的湍流同时施加能量给空气，以便以新的方式产生压力梯度。
另外，攻角在中心处最小，该中心处位置叶片的速度最小，攻角朝向最外侧边缘增大，该最外侧边缘位置处速度最大。这有利于促进在整个叶轮入口上形成均匀的入口流动形状。
根据优选的实施例，叶片的前缘基本上是直的。优选地，叶片的前缘基本上是沿着叶轮的轮毂部分的切线方向。
更有利的是，叶轮包括5个或7个叶片，每个叶片具有翼形螺旋中心部分，该部分沿横向延伸至离心加速部分中。
本发明进一步提供一种风扇，该风扇包括叶轮和壳体，叶轮安装在所述壳体中进行旋转，该叶轮包括一个或多个叶片，所述该叶片或多个叶片中的至少一个具有翼形螺旋中心部分，该翼形螺旋中心部分横向延伸到离心加速部分中。
在本发明的风扇的优选实施例中，叶轮安装在形成在壳体内的螺旋形通道内。
可以理解的是，攻角是指叶片和叶片运动方向之间的角度。对于特别的叶片部分，叶片的攻角可以通过测量在叶片的中心线和在叶片前缘处的运动方向之间的夹角获得。对于本发明的风扇，运动方向一般为旋转轴线的垂直方向。
附图说明
下面将结合附图详细描述根据本发明的叶轮和风扇的优选实施例，在附图中：
图1是常规离心风扇的侧视图，显示入口速度图形；
图2是图1中所示的风扇的的平面图，显示空气流出方式；
图3是根据本发明的叶轮的实施例的立体图；
图4是图3所示叶轮的俯视图；
图5是图3所示风扇的侧视图；
图6是根据本发明的一般性风扇的侧视图；
图7是图6中的风扇的平面图。
具体实施方式
由图1和图2可以看到，图示的常规的离心风扇10包括叶轮2，叶轮2具有直径D1并容置在壳体4内。叶轮2由发动机6驱动。叶轮2的入口直径D2比叶轮2的直径D1小。典型的直径值为D1＝300mm和D2＝240mm。对于这样的直径，最大的空气容量是400公升/秒，相当于8.8m/s的平均入口速度。如图1所示，壳体4的叶轮入口侧的区域包括中心低速和低湍流区8，其被高速区域12环绕。对于上述规格的尺寸和入口速度，低速区8的速度为6.5m/s，而高速区12的速度为11m/s。
如图2所示，叶轮2由发动机6驱动，该发动机位于叶轮2的旋转轴线上。弯曲内壁14位于壳体4内并限定一螺旋形通道16，叶轮2设置在该螺旋形通道16内进行旋转。弯曲内壁14在其一个末端处形成关闭喉板(close throat plate)。
箭头A1和A2示意性地示出空气排出方式。如箭头A1和A2所示，由于漩涡的原因，空气排出方式是曲线形的，其中所述漩涡是由叶轮叶片施加到流体流上的。排出空气具有高的惯性，对于上述尺寸的风扇而言为15-20m/s量级。
具有高的长宽比(aspect ratio)和组合流模式的风扇的一种可选择的设计如图3到图7所示。
如图3所示，叶轮20包括多个叶片22、24、26、28、30、32、34，围绕轮毂部分36等角度的间隔设置。轮毂36具有弯曲的圆周表面35，其终止于外周边缘37。叶轮的旋转方向如箭头38所示。每个叶片22、24、26、28、30、32、34包括前缘40，该前缘40沿着翼形部分39和横向空气加速部分42延伸。
最外侧边缘41基本上垂直于前缘40和后缘40’。
由图可以看到，叶片是扭曲的，使得每一个叶片的最外侧部分趋向于朝向基本上平行于叶轮的旋转轴线的方向。叶片的曲率角度也沿着叶片长度方向随着与旋转轴线的距离的增大而减小。因而前缘的最内侧部分定义翼形部分39，同时空气加速部分42从该翼形部分沿径向延伸。
图4示出的是从上方观察到的图3的叶轮20。从图可以看到，在圆周方向上每个叶片的深度在接近轮毂位置处最大，而朝向最外侧边缘41是减小的。这也就是说，从上面向下看，叶片的厚度随着与轮毂36的距离的增大而减小。叶片的这种逐渐减小是因为叶片的扭曲，使得相对于外围的叶片，使得叶片在朝向叶轮轮毂的位置具有更大的表面积提供给气流，而外围位置处的叶片向远离气流方向倾斜。
同样由图4可以看到，每个叶片的前缘40形成一个直线，沿切线方向从轮毂延伸。而在加速部分中的叶片后缘40’与旋转轴线45的方向对齐。
再看图5，叶轮叶片从弯曲外圆周表面35沿径向向外延伸。由于轮毂表面35的曲线形状，在轴向上叶片的深度在叶片的最内侧点处最小，而随着距离旋转轴线的距离增大而增大。从这点上看，每个叶片都是跟随轮毂的曲率。
然而，不同于常规的风扇，叶片是由轮毂部分的最外侧边缘向外的。叶片的轴向深度在加速部分42处，也就是在轮毂的外缘和叶片最外侧边缘41之间，是基本上不变的，虽然每个叶片的轴向深度在朝向旋转轴线方向优选是轻微的逐渐减小。
翼形内部叶片部分和从该部分径向向外延伸的加速部分的结合可以达到使空气在通过风扇时改变90度的效果。
在图6，叶轮20具有直径D3，并位于具有入口环47的壳体44内。叶轮20由发动机46驱动。叶轮20的入口直径D4比叶轮20的直径D3小。典型的D3值为300mm，D4值为280mm。对于这些直径，最大的入口容积为400公升/秒，相当于6.49m/s。入口速度在通过叶轮的入口侧的D4整个区域上基本上相等。
如图中给出的例子，叶轮的高度H1接近50mm，风扇的高度H2，包括入口环，接近80mm，而风扇所在的腔或通风管道的整个高度H3接近150mm。而风扇在间隙只有70mm时能有效的运行，以提供接近500l/s的空气流速。这是与常规风扇不相同的，常规的风扇需要高度为250mm的腔，以便获得相近的流速。
通过叶轮叶片22、24、26、28、30、32和34的翼形元件40，空气被拉入到叶轮的中心。这防止了产生如图1所示的流动形状，而使空气在整个入口直径D2范围内保持均匀地被拉入。然而可以理解的是，可以改变叶片的精确曲率和翼形部分的几何形貌以获得想要的能够实现最佳性能的空气流动形状。
直线L1和L2平行于叶轮的旋转轴线。叶片24和直线L1和L2之间的夹角分别为图示的α和β。
角α表示翼形部分39的前缘和旋转轴线之间的夹角，而角β表示加速部分的前缘和旋转轴线之间的夹角。角α可以在45度和90度之间，而角β可以在0度和30度之间。
攻角定义为叶片和它的运动方向之间的锐角。直线L1和L2都垂直于叶片的旋转方向。因而叶片在翼形部分处的攻角可以限定为90°-α，而叶片在加速部分处的攻角可定义为90°-β。因此叶片在翼形部分处的攻角可以为0度到45度之间，而叶片在加速部分处的攻角可为60度到90度之间。
因而攻角随着沿前缘离轮毂的距离的变化而变化。由于叶片围绕前缘扭曲的，攻角沿着叶片的长度恒定地变化。因而攻角在叶片的最内侧点处最小，而在最外侧边缘处41处最大。攻角的值在叶片的长度方向上从0度变化到90度。
另外，可以看到叶片的扭曲是沿着其长度方向变化的。叶片的曲率在翼形部分内前缘附近最大，而朝向后缘方向减小。然而，在加速部分内的叶片曲率在前缘和后缘之间是基本上保持一致的。在最外侧边缘，叶片基本上是关于叶片的中点对称的，虽然由图4可以看到叶片是轻微向前弯曲的。相反地，叶片翼形部分是高度不对称的。
由图7可以看到，叶轮20由发动机46驱动，该发动机位于叶轮20的旋转轴线45处。发动机是外转子类型的，并设置在轮毂部分内，以便提供一种紧凑设计。弯曲的内壁48位于壳体44内，并限定一螺旋形通道50，叶轮20安装在该螺旋形通道内进行旋转。可以看到，喉部(throat)49与图1中的喉板18相比被缩进，这样就可以限定一个开放的通道以使空气离开壳体44。
箭头B1和B2示意性地显示了空气的排放方式。从箭头B1和B2可以看到，空气排放方式是直线形的。排出的空气具有低的惯性，对上述尺寸的风扇来说最大值为11m/s量级。
图3到图7中的风扇的运行原理如下所述。传统的离心风扇的入口特性使外侧边缘处产生高速状态，而在中心位置处产生高湍流，如图1所示。图3到图5中的叶轮20的设计具有一翼形螺旋中心部分横向伸入离心加速部分，使得在整个入口区域上空气速度是均匀的，提供低惯性的空气进入。这样，相对于图1和图2中的常规的叶轮来说，可以提供更大的入口/叶轮直径比率，并因此可以基本上减小入口损失和噪音，以及实现比通常更接近的入口间隙。
由于叶轮的设计，相对于常规的风扇的螺旋形通道，本发明的螺旋形通道的设计也是可以变更的，以便相对于常规风扇实现更低的空气排出速度。叶轮利用长路径加速装置，将动能施加给空气，这增加横向流动同时消除在排出部分设置关闭喉板的需求。前面所述内容可以获得比通常所预期的要窄很多的风扇，以实现获得的空气流动、静压和噪音水平窄得多的风扇。尤其是，根据本发明，以减小的漩涡离开叶片的空气的低速使得风扇的深度减小，以匹配或超过传统风扇的流速，因为能够在更宽的空气通道上获得进入风扇和排出风扇的更均匀的气流。尽管减小了空气通道的深度，也能够实现以上效果。
如以上所述，图3到图7中所示的风扇具有一翼形部分以将空气带到叶轮的中心部分，有效地产生一轴向部分。因为风扇具有结合的流动，长路径加速装置加速了空气的流动。
风扇的发动机最好是四极电动机，运行频率为50赫兹，这样风扇的转速接近1500转/分。也可以用两极电动机带动更小直径的叶轮。
根据本发明的风扇的优点还在于，常规风扇需要在出口管道中设置“矫直装置”或挡板以防止形成内部漩涡，或者在其他装置中的卸出损失(dump loss)，而本发明的风扇并不需要矫直装置或挡板。
相对常规风扇，根据本发明的风扇必须设置奇数个叶片，例如5个或7个。偶数个叶片将会导致噪音问题，因为会产生叶片通道频率(passagefrequencies)。