CN101484707A - 离心叶轮 - Google Patents

Abstract

一种低噪声离心风机叶轮，其具有包括多个相对于转轴布置在周向或纵向阵列中的单独径流通道(5)的多单元形式构造。与常规叶轮相比这增加了“叶片通过频率”，由于在给定的输出流量下，较高的频率具有较低的能量，因此能降低产生的噪声总振幅。各个通道(5)从各自通道入口延伸到各自在叶轮的纵向上从各自入口偏移的通道出口，且平行于叶轮转轴方向上各个通道的内部尺寸增加，从而当输送的空气或其它介质流经通道时有助于对其进行减速和压缩。

Description

离心叶轮

本发明涉及一种旋转叶轮，其应用于诸如风机、鼓风机、推进器、泵和压缩机之类的用于移动和/或压缩气体、液体或其它流动物质的流体动力机械装置，且尤其涉及通过这类装置生产的低噪音级产品。大多数这类机械装置属于两种主要类型之一，即轴流风机，其中经过叶轮的液流总流向与其转轴大致平行，以及离心机，其中经过叶轮的液流总流向大致与其转轴成径向。本发明是针对后一类的。

叶轮是这类机械装置的主要噪声源，来自叶轮的噪声是由流体连续从单独叶片的液流重复流出(窄频噪声(tonal noise))以及流体在叶片上的涡流通道(宽频噪声)引起的。除了现行规定对低噪声机械装置的要求，市场也有对低噪声机械装置的明确需求。比如，对于其中的噪声主要来源于气动源的真空吸尘器、电吹风、抽油烟机、空调机以及其它家用电器来说，低噪声级被用作积极卖点。同样，紧凑电子设备，特别是电脑需要比较安静的冷却风扇，市场上已经存在低噪声级的替换风扇和噪声吸收套件。另外，市场上还存在用于水陆两栖车辆(air and water vehicles)的低噪声推进装置。根据本发明的叶轮在市场上可有各种应用，或者更普遍地应用在离心机中，其中都期望实现低噪声运转。

在传统叶片式叶轮中各单独叶片压缩大量流体，这促进了经过机械装置的总流。存在于叶轮附近的静态部件(static parts)，如离心构造中的机壳出口端口，引起了加压工作流体的紊乱，并且由于流体本身或者来自机体的噪声，产生的压力波很明显。由这种方式产生的噪声频率称为叶片通过频率(blade passing frequency)，其取决于叶轮中的叶片数目以及在叶轮出口处的主要静态部件的数目。

预计本发明使用多单元结构形式替换传统的叶片式叶轮，其中叶轮包括相对于叶轮转轴布置在周向及纵向阵列中的多个单独径流通道。这显著增加了相当于穿过静态部件的＂叶片＂数量，并且相应地增加了产生的窄频噪声的频率。在给定的输出流量下，更高频率具有更低能量，因此产生的噪声的总振幅将减小。

US2004/0184914中揭示并以示意性方式阐述了具有上述构造(以下称为＂所述类型的叶轮＂)的离心叶轮。然而，本发明试图为所述类型叶轮提供增强的流体动力性能。在这方面，动力有效传递到旋转叶轮中的流体需要增加沿流道长度的有效流通面积。在US2004/0184814中的离心叶轮中，通过通道的周向宽度随着转轴的径向距离的增加而增加，各通道的有效流通面积可以获得一定增加。然而，就本发明一方面而言，有效流通面积通过配置流道获得进一步地增加，从而提供与圆周方向正交的尺寸的增加。

就一方面而言，本发明相应地在于所述类型的叶轮，其中至少多个所述通道被配置为从各自通道入口延伸至各自在纵向上从各自入口偏移的通道出口，并且包括平行于叶轮的转轴方向上的各个通道内部尺寸的增加。流道同样被配置为它们的入口共同限定围绕转轴的盘状的入口阵列，其阵列的半径随着在叶轮的纵向上从主入口到叶轮在其一端的距离的增加而减小。

根据本发明，叶轮中的流道阵列优选为沿叶轮设置的这种通道的连续周向行的形式，在每个这种行中的通道在周向上从邻接的这种行中的通道偏移。此周向偏移减少了在任何情况下通过静态部件的通道数目，并进一步打乱流体流动，其减小了离散音的产生并将噪声分布在更宽的频率范围内。

在本发明的一个优选实施例中，流道以格状在一起，横截面形状都基于六边形(或对叶轮各末端的通道行而言为斜截六边形)。这就为流体流动提供了具有高面积效率的固有牢固结构形式，允许邻接行中的通道自然偏移，为工作流体提供＂平坦＂的径向面，并且比圆形或椭圆通道在结构重量和流通面积方面更有效率。然而，这并不是本发明的必要特征，如果需要，可以采用其它截面形式。例如，基于四边形的通道形式将凭借给定的管壁厚度的一定结构强度提供稍高的面积效率，并因此可以更适于低负载应用。

在各周向行的流道的数目优选为相同，并且优选为素数，从而减少在噪声频谱中的叶片通过频率的谐波形成。

现在参照附图，以举例的方式详细描述本发明的这些及其它特征，其中：

图1是根据本发明的离心风机叶轮的优选实施例的示意图；

图2是经过图1的叶轮的轴断面；

图3是示出了在图1和图2的叶轮中的流道的＂轴向厚度＂增大的简化示意图；以及

图4示出了常规真空吸尘器在装配其原来的叶轮和装配根据本发明的叶轮时所测量的对比噪声频谱。

参照图1和图2，所示的叶轮用于离心风扇或离心鼓风机，比如，可以装入真空吸尘器、电吹风或者其它类似应用。该叶轮包括大致为环形的结构，其由具有中心孔2的圆盘1限定于轴向末端处，该中心孔构成至装置的主进气口，并且该环形结构由圆盘3封闭在另一端，该圆盘以流线体4的形式向内延伸，该流线体适用于安装在相关马达(未示出)的心轴上，用以旋转使用中的叶轮。许多径向气流通道5延伸通过叶轮，当叶轮转动时，这些气流通道引导气流通过孔2流入并沿通道5进入相联的传统蜗形机壳(未示出)中，气流根据需要从那里导出。

更具体来说，在列举的实施例中，共有44条通道5设置在4个周向行的阵列中，各行包括11个沿叶轮设置的通道。单独通道具有大致六边形的横截面，末端行被斜截成由圆盘2和圆盘3限定的5面，并且如图所示结合成格状，以便各行中的通道中心在周向上从(多个)邻接行偏移半个通道宽度。

此外，通道5的中心线不是每个都处于单个径向平面中，而是，尤其如图2所示，通道在叶轮远离入口端的纵向上凹入，因此它们各自的出口中心在该方向上从各自入口中心偏移。通过这种方法，可用于流过各通道的横截面积的有效增大能沿通道长度方向实现，其大于并超过随着通道从叶轮轴向外延伸的通道周向增宽而自然出现的增大值，从而有助于当空气流经通道时对其进行减速和压缩。这种通道几何特征可以通过图3的简化表征更好地理解，可以看出，各通道5在平行于叶轮转轴的方向上的尺寸，即图3中典型的通道入口和出口处以尺寸a和b为例的＂轴向厚度＂沿各通道长度方向增加。

同样如图1和2所示，通道5的入口端凹入主入口2，在各周向行中通道入口环的半径沿远离主入口2方向逐行减小，因此通道入口共同限定围绕主体4的盘状阵列。结合轮廓中心体4，这种几何结构有助于使得气流从进入入口2的轴向方向到穿过通道5的径向方向的过渡变得流畅，而保持期望的流通面积比不变。在极限情况下，各通道可以凹陷使得它们各自的入口位于孔2的平面内，从而形成在入口端充当轴流式叶轮并进一步沿通道过渡到离心叶轮的混合式装置。

通道5在圆周方向上还具有曲率分量，用以改进空气压缩。

图4是由实线表示从传统的真空吸尘器获得的噪声频谱曲线图，此时真空吸尘器安装有原来的离心叶轮(具有七个叶片和90mm直径的常规设计)，以及由虚线表示从同样的电器设备获得的噪声频谱曲线，而此时叶轮被替换为基本按照图1和图2所示的设计、具有相同直径的叶轮。在每种情况下，通过位于真空吸尘器上面1m、前面1m的声级计对运行中并位于地板上的真空吸尘器进行测量。通过比较结果可以发现，根据本发明的叶轮消除了常规频谱中的许多分立峰，实现了实际上囊括了人类耳朵最为敏感的所有频率范围的振幅的减小。

尽管旋转叶轮的优选实施例在上文中已经阐述，并通过附图加以阐明，但本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下可对所阐述的设计作出许多变动，例如流道的数量、尺寸和流体动力形式，以满足具体需求和应用。

Claims (11)

1.一种离心叶轮，包括相对于叶轮的转轴设置在周向和纵向阵列中的多个单独径流通道，其中至少多个所述通道被配置为从各自通道入口延伸到在叶轮的纵向上从各自入口偏移的各自通道出口，并且包括在平行于叶轮的转轴方向上各自通道的内部尺寸的增加。

2.根据权利要求1所述的叶轮，其中流道被配置为它们的入口共同限定围绕转轴的盘状入口阵列，其阵列的半径随着在叶轮的纵向上从主入口到叶轮在其一端的距离的增加而减小。

3.根据权利要求2所述的叶轮，还包括在所述盘状入口阵列内围绕转轴定位的轮廓体，该轮廓体的半径随着在叶轮的纵向上与所述主入口的距离的增加而增加。

4.根据权利要求1所述的叶轮，其中该流道被配置为它们的入口共同限定处于相对于转轴的一大致径向平面中的入口阵列。

5.根据前述权利要求任一项所述的叶轮，其中，至少多个所述流道具有大致六边形的横截面。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的叶轮，其中，至少多个所述流道具有大致四边形的横截面。

7.根据前述权利要求任一项所述的叶轮，其中流道阵列是为沿叶轮设置的这种通道的连续周向行的形式，在每个这种行中的通道在周向上从邻接的这种行中的通道偏移。

8.根据附加到权利要求5的权利要求7所述的叶轮，其中，存在至少三个这种行以及不在阵列的纵向末端处的至少那个或那些行中的流道具有大致六边形的横截面。

9.根据前述权利要求任一项所述的叶轮，其中流道阵列是为沿叶轮设置的这种通道的连续周向行的形式，在每个这种行中具有相同的通道数目。

10.根据权利要求9所述的叶轮，其中所述通道数目是素数。

11.一种流体动力装置，其结合有根据前述权利要求任一项所述的叶轮。

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