CN101668678B - 轴流式风扇装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种包括具有形成于其中的前向台阶的壳体壁的轴流式风扇组件。台阶的表面上形成于多个周向地隔开的楔块，这些楔块形成为且布置成以便减小风扇转子和壳体之间的隙距内的漩涡流。楔块形成为以便使旋动的回流首先遇到沿周向渐缩的面，然后遇到陡的轴向地定向的面，从而基本去除涡流成分。楔块对风扇的流动稳定性具有有利的作用，从而扩大其运行范围。变型包括具有带有与台阶交迭的向外延伸的部分的旋转护罩的风扇转子，以及壳体入口处的钟形口件。

Description

轴流式风扇装置及其制造方法
发明背景
本发明大体涉及轴流式风扇，且更具体地，涉及用于减小其隙流损失并改进其操作稳定性的方法和装置。
轴流式风扇用于多种应用中，包括HVAC(供热通风与空调工程)、制冷、汽车制造业、电力系统和航天。在这些应用的其中各种应用中，性能、噪声等级、运行范围和紧凑性是重要的考虑因素。
由于风扇转子和壳体之间的间隙区中的回流，在轴流式风扇中产生了重大的损失。转子可使用向外延伸而使得叶梢接近壳体的传统叶片，或可使用包括附连到叶梢上的旋转护罩的叶片。在任何一种情况下，回流都从转子的高压侧穿过隙距被推到吸入侧，导致性能降低、噪声等级增大及稳定性与失速边界降低。
已经提出了多种设计，以通过减小或控制隙流来提高风扇效率。这些设计大体包括阻断或减小间隔的大小。一种方法是使用梢部密封结构，其中壳体中的沿周向延伸的凹槽围绕叶片的梢部，如美国专利4,238,170中所显示和描述。在另一种方法中，轴流式风扇设有具有钟形口的壳体，而且护罩形成为以便在钟形口和护罩之间产生隔离气泡，以便限制循环流动，如转让给本发明的受让人的美国专利7,086,825中所显示。
风扇稳定性受隙距内的旋转流的影响。这些流倾向于发展成可导致强烈的通流振动和过量噪声的有组织的旋转单元。
已经提出了多种设计，以通过控制这些旋转流来提高风扇稳定性。这些设计大体被归类为壳体处理，且通常包括延伸到壳体壁中的凹槽或其它特征。
发明概述
简要地讲，根据本发明的一个方面，提供一种制造轴流风扇组件以便减小间隙回流和相关联的涡流的量的方法，所述轴流式风扇组件具有风扇转子和紧密地包围的壳体，所述方法包括：在所述壳体中形成前向台阶；轴向地定位所述台阶以便包围所述风扇的叶梢；在所述台阶的表面上形成多个周向地隔开的楔块；以及定位所述楔块成使其较大的尺寸面向叶片旋转的方向，以便减小所述组件中的回流涡流成分。
根据本发明的另一个方面，提供一种轴流式风扇装置，包括：具有毂的风扇，所述毂带有从其延伸的多个叶片；紧密地包围所述多个叶片且在其径向内表面中形成了前向台阶结构的壳体，所述前向台阶结构轴向地设置在所述多个叶片的梢部周围；以及形成于所述台阶结构的表面上的多个周向地隔开的楔块，其中所述楔块定位成使其较大的尺寸面向风扇旋转的切向方向并且沿旋转的方向渐缩，以便减小回流涡流。
根据本发明的又一个方面，可以具有或不具有旋转护罩的方式来使用这种设计。在提供了护罩的情况下，护罩环绕楔块，以迫使隙流通过楔块，且从而减小隙流。在无护罩的风扇中，叶梢前缘部分地越过也用来减小涡流和隙流的楔块而延伸。在任何一种情况下，目的都是要延迟旋转失速的开始。
根据本发明的另一个方面，提供了入口钟形口件来进一步控制隙流。
在如以下所述的附图中描绘了一个优选实施例；然而，可对其做出各种其它修改和备选构造，而不偏离本发明的精神和范围。
附图简述
图1A是根据本发明的一个实施例的轴流式风扇壳体的透视图。
图1B是其一部分的放大图。
图1C是沿着图1A的线1C-1C观察到的截面图。
图1D是沿着图1A的线1D-1D观察到的截面图。
图1E是沿着图1A的线1E-1E观察到的截面图
图2A是本发明被结合在其中的风扇与定子组合的轴向剖面图。
图2B和2C分别是楔块和它们影响气流的方式的局部正面端视图和顶视图。
图3A是其在其中结合了有护罩的风扇的备选实施例。
图3B和3C分别是楔块以及它们影响气流的方式的局部前视图和顶视图。
图3D是叶片护罩以及在其附近的气流模式的局部剖视图。
图4是其在其中结合了钟形口件的备选实施例。
图5是其在其中结合了有护罩的风扇和入口钟形口件两者的备选实施例。
图6是受本发明影响的风扇稳定性性状的一个图形表示。
优选实施例的详细描述
现参看图1A至1E和图2A，本发明大体在11处显示为应用于以串联气流关系包括轴流式风扇13和定子14的轴流式风扇组件。轴流式风扇13包括可旋转的毂16和多个风扇叶片17。定子14包括固定的毂18和使其径向外端整体地连接到圆柱形外壳21上的多个径向地延伸的固定机叶19。在运行时，风扇13以相对较高的速度旋转，以促使空气流通过壳体21，且在该过程中，其沿风扇旋转的方向产生涡流。定子机叶19设置成且成形为以便从主空气流中基本去除涡流，从而使得下游端处的流动的方向基本为轴向。
如本领域已知的，风扇叶片17的尺寸使得风扇叶片17的端部和壳体21的内径之间的径向间隙尽可能地小，但这两个元件之间没有接合。由于这个必要的径向间隙，存在壳体21内的空气通过径向间隙回流到风扇13的向前侧的趋势。这直接导致减小的压力升高和效率。此外，回流间隙中的旋涡流倾向于使风扇不稳定，导致进一步的性能降级和运行范围的缩小。当风扇从高流率逐渐地节流到低流率运行时，就会发现这种稳定性限制，且其大体被称为失速界限。在某些情况下，风扇失速可产生强烈的主通流冲击，造成猛烈的压力波动和噪声。本发明的一个目的是要大大地减小回流间隙中的涡流并改进风扇稳定性。
将观察到，壳体21的内表面包括三个互连的表面22、23和24。表面22轴向地对准且包围轴流式风扇13。表面23基本径向地对准且包括径向地向外延伸的台阶。表面24是曲线的，且随着其向上游延伸到接近的空气流中而向外扩张。
表面23上形成了多个周向地隔开的楔块26，其在面向风扇叶梢的切向方向的一侧27上具有较大的尺寸。随着楔块26沿风扇叶片运动的方向沿周向延伸，楔块26渐缩缩小到点28。
楔块通过将间隙区中的漩涡流重新导入轴向方向中来起作用。图2B和2C显示了隙距、楔块和间隙流性状的展开表示。接近的回流的一小部分涌入远端楔块特征之间的间隙中，且然后由基本轴向的面27沿切向方向阻挡。楔块的数量可从少至10个变化到超过100，而其周向长度相应地变化。楔块布置成以便可以通过利用使用注射模制或模铸的轴向直拉工具而生产出来。楔块高度可从将最佳地满足特定设计要求的0.05倍径向隙距到5倍径向隙距进行变化。
参看图3A，在另一个实施例中示出了轴流式风扇组件，其中风扇转子13包括整体地连接到风扇叶片17的梢部上且以已知的方式包围风扇的护罩29。护罩29包括朝向其下游端的基本圆柱形部分31，以及其上游端附近的径向地向外延伸的部分32。如将看到，径向地延伸的部分32与表面23和楔块26交迭，以便对通过间隙的空气回流提供进一步的阻挡。无论风扇是否包括旋转护罩，楔块对漩涡流的作用都基本类似，如将在图3A和3B中所看到的。然而，旋转护罩为流限制提供了进一步的机会，且减小了隙流与风扇叶片的交互作用，如将在图3D中所看到。后一点导致了众所周知的减小相关噪声的潜力。当使用旋转护罩时，径向地延伸的部分32应当随着楔块高度的选择一起改变，如上所述。
在图4的实施例中，轴流式风扇17不包括护罩，但却以与表面24紧密配合的关系的方式包括入口钟形口件33。钟形口件33用以改进进入组件中的空气的流入，且用以通过进一步限制隙距区来减小回流损失。
在图5的实施例中包括了风扇护罩29和钟形口件33两者，以提供如上所述的改进。
在图6中显示了气流率和静压力之间的关系的图形表示，因为其影响风扇稳定性性状。实线表示没有本发明时的性状，且虚线表示具有本发明时的性状。相对于实线曲线，节流线1上的操作是稳定操作，而节流线2上的操作是不稳定的。在线2和3之间，操作不稳定，且具有滞后和波动。由于使用了所描述的楔块，操作曲线向上移到虚线所示的位置，以便由此增大稳定操作的范围。

Claims (10)

1.一种制造轴流风扇组件以便减小间隙回流和相关联的涡流的量的方法，所述轴流式风扇组件具有风扇转子和紧密地包围的壳体，所述方法包括：
在所述壳体中形成前向台阶；
轴向地定位所述台阶以便包围所述风扇的叶梢；
在所述台阶的表面上形成多个周向地隔开的楔块；以及
定位所述楔块成使其较大的尺寸面向叶片旋转的方向，以便减小所述组件中的回流涡流成分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括形成所述前向台阶为基本径向地延伸的表面的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括附连旋转护罩到所述风扇转子的叶梢上。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，包括在所述护罩的前端上形成向外延伸的部分，所述向外延伸的部分与所述前向台阶部分地交迭。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述壳体的入口处提供钟形口件。
6.一种轴流式风扇装置，包括：
具有毂的风扇，所述毂带有从其延伸的多个叶片；
紧密地包围所述多个叶片且在其径向内表面中形成了前向台阶结构的壳体，所述前向台阶结构轴向地设置在所述多个叶片的梢部周围；以及
形成于所述台阶结构的表面上的多个周向地隔开的楔块，其中所述楔块定位成使其较大的尺寸面向风扇旋转的切向方向并且沿旋转的方向渐缩，以便减小回流涡流。
7.根据权利要求6所述的轴流式风扇装置，其特征在于，所述前向台阶结构定向在基本径向地延伸的方向上。
8.根据权利要求6所述的轴流式风扇装置，其特征在于，所述装置包括互连且包围所述多个叶片的护罩。
9.根据权利要求8所述的轴流式风扇装置，其特征在于，所述护罩包括与所述前向台阶结构的一部分交迭的径向地向外延伸的部分。
10.根据权利要求6所述的轴流式风扇装置，其特征在于，所述装置包括附连到所述壳体的上游端处的钟形口件。
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