CN100458178C - 离心式风机轮、风机单元和离心式风机装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含叶片(2)的离心式风机轮，所述叶片逆着旋转方向(8)倾斜(向后倾斜的径向叶轮)，顶盘和底盘(3、4)的外边缘区域(14、7)超出叶轮的有效直径(DAs)。因此在底盘和顶盘(1、3)以及叶片有效直径处和外径处(Das、DN)之间形成的扩散空间使得流体的动能有效地转变为压力势能(动压转变为静压)。这样扩散空间的截面以一个矩形或梯形方式沿径向往外扩展而构成。

Description

离心式风机轮、风机单元和离心式风机装置
技术领域
本发明涉及带有向后倾斜的叶片的一种离心式风机轮、一种风机单元和一种离心式风机装置。
背景技术
这种离心式风机轮或者径向叶轮例如在气候控制和通风技术中使用。
在通风技术中，向前倾斜的径向叶轮与流线型螺旋机壳一起使用，该径向叶轮具有30～40个直径为160-400mm且沿旋转方向从内侧到外侧走向的叶片。它们的静态效率大约是30-35％。这样一种径向叶轮可由JP 06299993公知。US 1,447,915揭示了一种具有渐缩环形出口的设计，其中，已被离心加速的空气由径向朝外渐缩的出口喷嘴进一步加速。
对于较大体积的气流，主要使用向后倾斜的径向叶轮，其中，叶片的倾斜方向与旋转方向相反。通常直径在200～1500mm之间；公知超过2500mm的直径有特殊应用。这种转轮的静态效率处在70～74％之间。例如它们和螺旋机壳一起使用或者不使用螺旋机壳而在例如所谓的鼓风机外壳内空转。这种情况下，通过进气口沿轴向从外面吸入的空气在叶片之间沿径向排向外面。为了减小在径向叶轮运行时出现的不希望的噪声产生，需要对径向叶轮本身采取使排出的空气流产生降低噪声效果的隔音(吸音)措施或者结构措施。
EP 0 848 788示出了一种径向叶轮，其中，叶片外缘包括一倾斜的边缘，该边缘朝向转动轴线倾斜并且端板的周边部分弯曲，以将声压降低在50～300Hz的频率范围内。
在空气流从径向叶轮排出时，由于气流截面突然扩大，就产生了将储存在气流介质内的动能转变为期望的增大静压的效率下降的效应。例如从EP 1 039 142公知，为了提高该效率，与径向叶轮结合设置了具有一叶轮罩的固定扩散环。然而，这种扩散环难以设计，减少了可用空间并且成本高。
发明内容
根据第一方面，本发明提供了一种离心式风机装置，其包括如下部件：一个具有一包含进气口的顶盘和一底盘的离心式风机轮，所述两盘通过叶片彼此连接，所述叶片沿轴向延伸并且从内侧到外侧逆着风机轮的旋转方向倾斜，其中所述叶片具有外边缘，所述顶盘和底盘具有相同的直径，其中延伸出叶片外边缘的外围区域在顶盘和底盘上形成，并且形成环状扩散空间的侧壁，所述环状扩散空间没有叶片并且具有超出由所述叶片的所述外边缘形成的有效直径8％至25％的外径，使得所述环状扩散空间在其第一侧通过顶盘界定且在其另一侧通过底盘界定并且在之间具有自由空间，其中所述环状扩散空间的侧壁在截面上是均一的并互相平行并且径向向外使得所述扩散空间具有矩形的横截面形状，以及一个沿径向与扩散空间邻近的区带，所述区带不包含直接影响流经所述区带的流体压力和/或速度分布的导流构件，离心式风机轮空转，这意味着它没有封入一个螺旋机壳内，而是设于呈长方体的鼓风机外壳中。
另一方面涉及一种具有一包含进气口的顶盘和一底盘的离心式风机轮，所述两盘通过叶片彼此连接，所述叶片沿轴向延伸并且从内侧到外侧逆着风机轮的旋转方向倾斜，其中所述叶片具有内缘和外边缘，其中延伸出叶片外边缘的外围区域在顶盘和底盘上形成，并且形成环状扩散空间的侧壁，所述环状扩散空间没有叶片并且具有超出由叶片的外边缘形成的有效直径8％至25％的外径，使得环状扩散空间在其第一侧通过顶盘界定且在另一侧通过底盘界定并且在之间具有自由空间，其中所述扩散空间的侧壁在截面上是均一的并互相平行并且径向向外使得所述扩散空间具有矩形的横截面形状，其中所述叶片的接触角为22°，并且所述叶片的出口角为31°，其中所述接触角即为在所述叶片在其内缘上的切线和在其内缘的同心圆的切线之间的角度，所述出口角即为在所述叶片在其外边缘上的切线和在其外边缘的同心圆的切线之间的角度。
其他特征包含在公开的装置和方法中，或者对于本领域的普通技术人员可从下面实施例的详细描述和附图中明显得知。
附图说明
本发明的实施例将通过示例并参考附图描述，其中：
图1示出了风机轮的一个三维视图；
图2表示图1中所示的风机轮沿着转动轴线的视图；
图3示出风机轮在底盘上朝转轴方向的视图；
图4示出风机轮的外围区域的一个结构变体；
图5示出外围区域的一个可选结构变体；
图6a和6b以轴向截面和横截面示出了位于鼓风机外壳内的一个空转风机轮装置；以及
图7a和7b以轴截面和横截面示出了位于螺旋机壳内的一个风机轮装置(非空转)。
具体实施方式
图1示出了一个风机轮的三维视图。在详细描述图1之前将对实施例进行多方面的说明。
对于这里所示的风机轮，在顶盘和底盘的外围区域之间形成了一个环状扩散空间，在此处排出的流动气流平静下来，并且动能转变为静压。就设计和制造技术而言，通过增加顶盘和底盘的外径而适当地超出叶片的有效直径，该“扩散环”的截面形状特别容易形成矩形。可选择地，它可以向外扩展成一个梯形，籍此扩散效应通过附加的截面扩展得以放大，并且因此可以提高效率和减小轮径。
在一些实施例中，扩散空间的外径(DN)(例如图2、4、5中的16)超出叶片有效直径(DAs)8～20％，优选地为10～15％，且更优选地为12％。这些是上述效应最明显的直径范围。
在一些实施例中，外围区域(例如图4和5中的7)和垂直于转动轴线的一个平面例如形成了一个小于35°甚至小于25°的角α。例如角度α可以为12°。这些是特别有效地进行期望的空气引流和实现特别有效的扩散作用的孔径角。
在风机轮的进气区具有特别有效结构的实施例中，顶盘的进气口呈一个喇叭状向内扩展。在其中一些实施例中，叶片内缘在连接到顶盘的区域具有凸形弯曲。
在一些实施例中，顶盘(例如图1～6中的1)安装有一个轮毂装置(例如9)。
在一些实施例中，风机轮的叶片数处于6～10个叶片范围内。
例如叶片接触角处于19°～25°范围内，叶片出口角处于例如28°～34°范围内(标明的值包含每一个情况)。
实施例也示出了具有抽吸板(例如7)的风机单元，所述的抽吸板包括一个成一体的进气嘴(例如18)并且经由一支架(例如19)借助于支撑件(例如20)而与一个支撑一驱动单元(例如22)的支架(例如21)连接，而根据一个实施例，风机轮设置在驱动单元和进气嘴之间的驱动轴杆(例如23)上。
一些实施例涉及离心送风机装置，其中径向叶轮大多不使用附加的导流构件，并且具体地，气流出口区没有这种构件。例如这样一种离心式风机装置包含以下部件：一个具有一包含进气口的顶盘和一底盘的径向叶轮，其通过一个叶片环彼此连接，所述的叶片环包括从内侧到外侧逆着旋转方向倾斜的沿轴向取向的叶片，其平行于转动轴线走向的叶片外缘界定叶片的有效直径(DAs)，其中在顶盘和底盘上形成、延伸超出叶片有效直径的外围区域界定了外径(DN)超过叶片有效直径(DAs)达25％的环状扩散空间，并且其截面轮廓为矩形或者以一个梯形向外扩展；以及一个沿径向与扩散空间邻近、沿轴向与至少一个外围区域邻近的区带，并且该区带不包含直接影响流过该区带的流体压力和/或速度分布的导流构件。
在一些实施例中，上述风机轮例如在基本上呈长方体的鼓风机外壳内用作空转风机轮。在其他实施例中所述风机轮在螺旋机壳内使用。
返回到图1，所示风机轮由一个扁平底盘1、一个包括多个叶片2的叶片环和一个顶盘3组成。底盘1和顶盘3相对于转动轴线4同轴且彼此相距一段距离B设置，并且通过叶片环连接起来。顶盘3包括一个直径为DE的进气口5，在运行时通过该进气口吸入空气。
顶盘3从限定了进气口5边界的上部边缘6呈一个向内开口的喇叭状沿径向抵达一个外围区域7。底盘1构造成圆盘，并且带有设置在中央的、具有开口10的一个轮毂装置9，该轮毂装置可以连接到驱动单元上以便对风机轮(图6)供应动力。在未图示的实施例中，底盘和驱动法兰也可以形成一个整体。
底盘和顶盘由其外缘8在径向上定界，并且通过叶片环而彼此相隔一段距离B连接(通过一个外部转子式马达驱动)。
在为了示例所描述的实施例中，叶片环包含7个相对于转动轴线4呈规则星形设置的叶片2。面向转动轴线4的内缘11界定了一个直径DSi，而外缘12界定了叶片外径DSa。叶片本身从内缘11沿径向并逆着旋转方向R倾斜而延伸到外面，此处其终止于叶片外缘12(图3)。此外，沿轴向取向的叶片相对于转动轴线4弯曲，其中凸起侧朝向外面。这样一种风机轮也称作向后弯曲的径向叶轮，在可选的实施例(未示出)中安装有例如6～14个叶片，其叶片2在形状上也可呈平面。其长边以合适的方式与底盘1和顶盘3连接，在连接区域内长边的轮廓循着底盘1或顶盘3的弯曲。外缘12和内缘11大致上平行于转动轴线4延伸，由于制造技术和流体技术的原因，在图示的实施例中，内缘11在连接到顶盘的区域内是弯曲的。
叶片接触角β1(图3)在这里指的是在叶片的内基点处相对于通过该基点的周边切线的切向角，叶片出口角β2相应地指的是在叶片的外基点相对于通过该基点的周边切线的切向角。对于具有适当的对数曲率的叶片，接触角和出口角相等；对于在图中示出的实施例，叶片弯曲较轻，所以叶片接触角β1小于叶片出口角β2。
底盘1和顶盘3具有大于叶片有效直径DSa的外径DN，所以外围区域14也限定在底盘1的外边缘8和叶片的有效直径Dsa处之间。在顶盘3和底盘1之间的距离或者叶片宽B最大为5(DN-DSa)/2。
在运行中离心式风机轮沿驱动方向R(图3)运动，并且叶片将处于离心式风机轮内部的气流向往传送，此时气流在叶片有效直径DSa处大致沿径向排出。通过在离心式风机轮内部产生的负压，通过进气口5从外部吸入空气。因此气流方向大致同轴地通过进气口5进入离心式风机轮内，并且沿径向导向外面，而流体截面连续地扩展。气流首先在直径Dsa处从叶片之间的空间15排出进入环状扩散空间16，该环状扩散空间由叶片2的外缘12、顶盘3和底盘1的相应外围区域7和14以及相应的外边缘8的外径DN处之间的区域所界定。该区域的设计影响风机轮的效率和噪音产生。由于径向气流在离开叶片之间的空间之后、离开风机轮之前，径向气流由外围区域7、14而沿轴向包含在两端处，避免了在气流沿轴向方向直接释放的情况下出现的卡诺扩散效应(Carnot diffusereffect)。由于根据本发明对气流进行引导，向扩散空间内进行了可控制的扩散，即在叶片之间的区域15内的空气的所被给予的动能以低损耗转变为压力势能。用流体力学的术语解释，这意指动压转变为静压。通过避免卡诺扩散，效率得到提高，并且在出口边缘8和12处的湍流的降低减少了噪声发生。
图4和5的结构界定了一个扩散空间16，与图2所示的矩形不同，其截面以一个梯形向外扩展。根据图4，顶盘3的外围区域7以一个处于0～35°范围内的角度α朝外敞开。这个额外的扩展放大了扩散效应，并且可以将外围区域7、14设计得更狭窄，这样例如外径DN可以仅超出叶片有效直径DSa 20％或更少，然而，外径DN应当至少超出叶片有效直径Dsa 8％。
图5示出顶盘3和底盘1的两个外围区域7、14相应的朝外开口。然而，外围朝外开口也可以仅形成在底盘上(未图示)。
图6以一个轴截面(图6a)和一个横截面(图6b)示出了一完整单元；除了上述风机轮之外，其还包括一具有一体化的进气嘴18的抽吸板17，进气嘴18通过支架19和支撑件20与一个支撑马达22的马达支架21连接，马达的驱动轴杆23与风机轮的轮毂装置9相耦合。具有一空转风机轮的整个单元插入一个大致呈长方体的鼓风机外壳24内。在鼓风机外壳中，风机单元产生了一个压力使得通过一个或多个输出通道产生体积流。由于这种鼓风机外壳通常不是根据流体动力学设计，所以上述的扩散效是特别有效的，因为基本上可以无需附加的导流或隔音装置。更具体地，没有导流构件例如与扩散空间16横向邻近的固定扩散环。此外，一个或两个外围区域7、14的外向端面也没有导流构件。在鼓风机外壳24中的风机轮1没有封入一个螺旋机壳内；鼓风机外壳的壁沿径向相对远离风机轮的外围，即，扩散空间在径向上较宽(典型地超出风机轮半径——即扩散空间外径DN的一半15％)，并且风机轮在扩散空间的外径DN处在一个或两个轴向方向上不受一限定了扩散空间的机壳约束(也就是说，鼓风机外壳的壁在轴向上较转轮在转轮出口处的宽度更宽)。
在空转条件下，效率通过具有下述尺寸的风机轮而得以提高5％：
外径DN：457mm；
叶片有效直径Dsa：406.4mm；
叶片内径Dsi：252.4mm；
叶片出口处宽度B：110.5mm；
进气口直径DE：257.4mm；
叶片接触角β1：22°；
叶片出口角β2：31°。
风机轮的其他实施例的尺寸处于下述范围内：
外径DN：200～1800mm；
叶片有效直径Dsa：160～1400mm；
叶片内径Dsi：100～650mm；
叶片出口处宽度B：40～280mm；
进气口直径DE：98～660mm；
叶片接触角β1：19°～25°；
叶片出口角β2：28°～34°。
如图7a(轴截面)和7b(横截面)所示，上述风机轮1也可以与螺旋机壳25一起使用，因为在该情况下也可以用来提高效率。螺旋机壳25具有一个舌状体26，其由螺旋机壳上距风机轮的径向距离最小的那部分形成(例如该距离小于风机轮半径的15％)。从舌状体26开始，该间距增大(例如线性地或对数级地增大)直到出口27。如图7a所示，螺旋机壳在轴向上可以与形成扩散空间的转轮壁直接邻接，或者设置与这些转轮壁相隔一段间距X，例如，该距离可小于转轮在出口处(即扩散体处)的宽度。
在本说明书内在此结合提到的所有公开和现有的系统作为参考。
尽管一些依照本发明的说明所制造的产品已经在本说明书中进行了描述，然而本专利的保护范围并不限于此。相反，本专利涵盖所有照字面意义地或在等同原则下落入附属权利要求的保护范围内的本发明所示的实施例。

Claims (9)

1、一种离心式风机装置，包括如下部件：
一个具有一包含进气口(5)的顶盘(3)和一底盘的离心式风机轮，所述两盘通过叶片(2)彼此连接，所述叶片沿轴向延伸并且从内侧到外侧逆着风机轮的旋转方向倾斜，其中所述叶片具有外边缘(8)，所述顶盘和底盘具有相同的直径，其中延伸出叶片外边缘的外围区域(7、14)在顶盘和底盘(3、1)上形成，并且形成环状扩散空间(16)的侧壁，所述环状扩散空间没有叶片并且具有超出由所述叶片的所述外边缘形成的有效直径(DSa)8％至25％的外径(DN)，使得所述环状扩散空间在其第一侧通过顶盘界定且在其另一侧通过底盘界定并且在之间具有自由空间，其中所述环状扩散空间的侧壁在截面上是均一的并互相平行并且径向向外使得所述扩散空间(16)具有矩形的横截面形状；
以及一个沿径向与扩散空间邻近的区带，所述区带不包含直接影响流经所述区带的流体压力和/或速度分布的导流构件；
离心式风机轮空转，这意味着它没有封入一个螺旋机壳内，而是设于呈长方体的鼓风机外壳中。
2、如权利要求1所述的离心式风机装置，其中所述叶片(2)的接触角(β1)为19°～25°，并且所述叶片的出口角(β2)为28°～34°，其中所述接触角即为在所述叶片在其内缘上的切线和在其内缘的同心圆的切线之间的角度，所述出口角即为在所述叶片在其外边缘上的切线和在其外边缘的同心圆的切线之间的角度。
3、如权利要求1所述的离心式风机装置，其中扩散空间(16)的外径(DN)超出所述叶片的有效直径(DSa)8～20％。
4、如权利要求1所述的离心式风机装置，其中所述顶盘的进气口(5)呈一个喇叭状向所述风机轮内侧扩展。
5、如权利要求4所述的离心式风机装置，其中叶片(2)的内缘(10)在与顶盘(3)相连接的区域具有一个凸形弯曲。
6、如权利要求5所述的离心式风机装置，其中底盘(1)安装有一个轮毂装置(9)。
7、如权利要求1所述的离心式风机装置，还包括一具有一个一体化的进气嘴(18)的抽吸板(17)，所述抽吸板经由一抽吸板支架(19)借助于支撑件(20)而与一个支撑一驱动单元(22)的驱动单元支架(21)连接，其中所述风机轮设置在所述驱动单元(22)和进气嘴(18)之间的一个驱动轴杆(23)上。
8.如权利要求1所述的离心式风机装置，其中所述叶片(2)的内缘(10)在与顶盘(3)相连接的区域具有一个凸形弯曲。
9.一种具有一包含进气口的顶盘和一底盘的离心式风机轮，所述两盘通过叶片彼此连接，所述叶片沿轴向延伸并且从内侧到外侧逆着风机轮的旋转方向倾斜，其中所述叶片具有内缘和外边缘，其中延伸出叶片外边缘的外围区域在顶盘和底盘上形成，并且形成环状扩散空间的侧壁，所述环状扩散空间没有叶片并且具有超出由所述叶片的所述外边缘形成的有效直径8％至25％的外径，使得所述环状扩散空间在其第一侧通过顶盘界定且在另一侧通过底盘界定并且在之间具有自由空间，其中所述扩散空间的侧壁在截面上是均一的并互相平行并且径向向外使得所述扩散空间具有矩形的横截面形状，其中所述叶片的接触角(β1)为22°，并且所述叶片的出口角(β2)为31°，其中所述接触角即为在所述叶片在其内缘上的切线和在其内缘的同心圆的切线之间的角度，所述出口角即为在所述叶片在其外边缘上的切线和在其外边缘的同心圆的切线之间的角度。
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