CN108506247B - 叶片及使用其的轴流叶轮 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种叶片，包括：上表面和下表面，所述上表面为压力面，所述下表面为吸力面；叶尖和叶根；前缘和尾缘，其中所述压力面和所述吸力面分别从所述叶尖延伸至所述叶根，并且分别从所述前缘延伸至所述尾缘；前部和后部，所述前部靠近所述叶尖，所述后部靠近所述叶根；以及弯折部，所述弯折部从所述压力面向所述吸力面拱起；其中，所述弯折部在所述叶片的径向截面上具有最低点，所述最低点的连线沿所述前缘到所述尾缘的方向延伸。本申请的叶片能够抑制叶片表面的流动分离，改善表面的脱离涡，减少叶尖泄漏，从而提高叶片性能，降低运行噪声。

Description

叶片及使用其的轴流叶轮

技术领域

本申请涉及风机、泵和压缩机等旋转机械领域，更确切的说是一种叶片及使用其的轴流叶轮。

背景技术

传统的叶片通常为扭曲的光滑流线型叶片，由于叶片表面流动分离严重，形成涡流，叶尖泄漏很难避免，因此叶片性能较低，噪声较大。

发明内容

本申请的示例性实施例可以解决至少一些上述问题。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种叶片，包括：上表面和下表面，所述上表面为压力面，所述下表面为吸力面；叶尖和叶根；前缘和尾缘，其中所述压力面和所述吸力面分别从所述叶尖延伸至所述叶根，并且分别从所述前缘延伸至所述尾缘；以及弯折部，所述弯折部从所述压力面向所述吸力面拱起；其中，所述弯折部在所述叶片的径向截面上具有最低点，所述最低点的连线沿所述前缘到所述尾缘的方向延伸。

根据上述第一方面的叶片，所述叶尖沿轴向的投影为圆弧形投影一；所述叶根沿轴向的投影为圆弧形投影二；所述最低点的所述连线沿轴向的投影为圆弧形投影三；所述圆弧形投影一、所述圆弧形投影二以及所述圆弧形投影三是同心的。

根据上述第一方面的叶片，所述弯折部沿所述叶片的径向截面的曲线满足：

拱宽w＝a×θ^m，其中a的取值范围为大于等于0.2且小于等于2；m的取值范围为大于等于1且小于等于3；θ为周向角度，且取值范围为大于等于0°且小于等于180°；拱高h＝b×θⁿ，其中b的取值范围为大于等于0.05且小于等于1；n的取值范围为大于等于1且小于等于3；θ为周向角度，且取值范围为大于等于0°且小于等于180°。

根据上述第一方面的叶片，m等于n，并且w/h的取值范围为大于等于0.05且小于等于0.4。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种轴流叶轮，其特征在于包括：轮毂，所述轮毂具有中心轴线，所述轮毂能够绕所述中心轴线转动，所述轮毂沿轴向的截面为圆形；和至少两片叶片，所述至少两片叶片布置在所述轮毂的外圆周面上，所述至少两片叶片中的每一片包括：上表面和下表面，所述上表面为压力面，所述下表面为吸力面；叶尖和叶根；前缘和尾缘，其中所述压力面和所述吸力面分别从所述叶尖延伸至所述叶根，并且分别从所述前缘延伸至所述尾缘；以及弯折部，所述弯折部从所述压力面向所述吸力面拱起；其中，所述弯折部在所述叶片的径向截面上具有最低点，所述最低点的连线沿所述前缘到所述尾缘的方向延伸。

根据本申请的第三方面，本申请提供一种叶片，包括：上表面和下表面，所述上表面为压力面，所述下表面为吸力面；叶尖和叶根；前缘和尾缘，其中所述压力面和所述吸力面分别从所述叶尖延伸至所述叶根，并且分别从所述前缘延伸至所述尾缘；前部和后部，所述前部靠近所述叶尖，所述后部靠近所述叶根；以及前部拱起部，所述前部拱起部位于所述前部，所述前部拱起部从所述吸力面向所述压力面拱起；其中，所述前部拱起部在所述叶片的径向截面上具有最高点，所述最高点的连线沿所述前缘到所述尾缘方向延伸。

根据上述第三方面的叶片，所述叶尖沿轴向的投影为圆弧形投影一；所述叶根沿轴向的投影为圆弧形投影二；所述最高点的连线沿轴向的投影为圆弧形投影四；所述圆弧形投影一、所述圆弧形投影二以及所述圆弧形投影四是同心的。

根据上述第三方面的叶片，所述前部拱起部在所述叶片的径向截面上的最高点的径向位置沿所述前缘到所述尾缘方向逐渐从所述叶尖向所述叶根偏移。

根据上述第三方面的叶片，所述最高点的连线沿轴向的投影为渐开线。

根据上述第三方面的叶片，所述尾缘的拱宽w占所述尾缘长度的比例范围为大于等于0.05且小于等于0.3。

根据上述第三方面的叶片，所述前部拱起部沿所述叶片的径向截面的曲线满足：

拱宽w＝a×θ^m，其中a的取值范围为大于等于0.2且小于等于2；m的取值范围为大于等于1且小于等于3；θ为周向角度，且取值范围为大于等于0°且小于等于180°；拱高h＝b×θⁿ，其中b的取值范围为大于等于0.05且小于等于1；n的取值的取值范围为大于等于1且小于等于3；θ为周向角度，且取值范围为大于等于0°且小于等于180°。

根据上述第三方面的叶片，m等于n，并且w/h的取值范围为大于等于0.05且小于等于0.4。

根据上述第三方面的叶片，所述叶片还包括弯折部，所述弯折部从所述压力面向所述吸力面拱起；其中，所述弯折部在所述叶片的径向截面上具有最低点，所述最低点的连线沿所述前缘到所述尾缘的方向延伸，并且所述最低点的所述连线在所述后部内。

根据本申请的第四方面，本申请提供一种轴流叶轮，其特征在于包括：轮毂，所述轮毂具有轴线，所述轮毂能够绕所述轴线转动，所述轮毂沿轴向的截面为圆形；和至少两片叶片，所述至少两片叶片布置在所述轮毂的外圆周面上，所述至少两片叶片中的每一片包括：上表面和下表面，所述上表面为压力面，所述下表面为吸力面；叶尖和叶根；前缘和尾缘，其中所述压力面和所述吸力面分别从所述叶尖延伸至所述叶根，并且分别从所述前缘延伸至所述尾缘；前部和后部，所述前部靠近所述叶尖，所述后部靠近所述叶根；以及前部拱起部，所述前部拱起部位于所述前部，所述前部拱起部从所述吸力面向所述压力面拱起；其中，所述前部拱起部在所述叶片的径向截面上具有最高点，所述最高点的连线沿所述前缘到所述尾缘方向延伸。

本申请的叶片能够抑制叶片表面的流动分离，改善表面的脱离涡，从而提高叶片性能，降低运行噪声。

附图说明

本申请特征和优点可通过参照附图阅读以下详细说明得到更好地理解，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中：

图1示出了使用本申请的一个实施例的叶片的叶轮的立体图；

图2A示出了图1中的叶轮所使用的叶片的立体图；

图2B示出了图2A中的叶片的沿径向的截面图；

图3示出了图2A中的叶片与现有技术中叶片的立体对比图；

图4示出了图2A中的叶片与现有技术中叶片的沿径向的截面的对比图；

图5示出了图1中的叶轮所使用的叶片沿轴向的投影图；

图6示出了根据本申请的一个示例的叶片沿轴向的投影图；

图7示出了图6中的叶片的弯折部的拱宽w与拱高h的关系图；

图8示出了图6中的叶片的立体图；

图9示出了图8中的叶片的前部拱起部的拱宽w与拱高h的关系图；

图10示出了根据本申请的另一个示例的叶片的立体图；

图11示出了图10中的叶片沿轴向的投影图。

具体实施方式

下面将参考构成本说明书一部分的附图对本申请的各种具体实施方式进行描述。应该理解的是，虽然在本申请中使用表示方向的术语，诸如“前”表示靠近叶尖、“后”表示靠近叶根、“前缘”表示沿叶片转向的前端边缘、“尾缘”表示沿叶片转向的后端边缘、“上”表示上表面(即压力面)、“下”表示下表面(即吸力面)等方向或方位性的描述本申请的各种示例结构部分和元件，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，基于附图中显示的示例方位而确定的。由于本申请所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制。在以下的附图中，同样的零部件使用同样的附图号，相似的零部件使用相似的附图号，以避免重复描述。

图1示出了使用本申请的一个实施例的叶片的叶轮100的立体图。如图1所示，叶轮100包括轮毂110和三个叶片112。轮毂110具有中心轴线，轮毂110能够绕中心轴线转动，轮毂110沿轴向的截面为圆形，三个叶片112均匀地布置在轮毂110的外圆周面上。轮毂110可以与叶片112连接成一体。轮毂110和叶片112能够一同绕轮毂110的中心轴线进行旋转。作为一个示例，本申请的叶轮100按顺时针方向(即图1中箭头所示旋转方向)进行旋转。

图2A示出了图1中的叶轮100所使用的叶片112的立体图；图2B示出了图2A中的叶片的沿径向的截面图。图3示出了图2A中的叶片112与现有技术中的叶片310的立体对比图；

图4示出了图2A中的叶片与现有技术中的叶片的沿径向的截面的对比图，以更好地示出本申请的叶片112与现有技术中叶片310的区别。其中，图2B中的实线表示本申请的叶片112；图2B中的虚线表示某一截面上叶尖216到叶根218的直线连线；图4中的实线表示本申请的叶片112；图4中的虚线表示现有技术中叶片310。

如图2A‐4所示，叶片112包括上表面、下表面、叶尖216、叶根218、前缘222和尾缘220。其中，上表面为压力面212，下表面为吸力面214。叶尖216为叶片112上叶片直径最大的位置，叶根218为叶片112用于与轮毂110连接的位置。压力面212与吸力面214分别从叶尖216延伸至叶根218。前缘222为叶片112的迎着旋转方向并使得流体流入的一侧，尾缘220为叶片112的、与前缘222相反的另一侧。压力面212与吸力面214分别从前缘222延伸至尾缘220。叶片112包括中分线255，中分线255在叶片112的径向截面上具有一个中分点M。所述中分点M在该径向截面上的叶尖216与叶根218的直线连线上的垂直投影点为所述直线连线的中点Q。叶片112还包括前部242和后部244。其中，前部242为叶片112的从叶尖216到中分线255的区域(即靠近叶尖216的区域)，后部244为叶片112的从中分线255到叶根218的区域(即靠近叶根218的区域)。

本申请的叶片112还包括弯折部262。弯折部262从压力面212向吸力面214拱起。如图2B所示，在叶片112的径向截面上，叶片112的弯折部262具有最低点E。将弯折部262的径向截面上的最低点连起来的连线252(例如，图2A所示)是沿前缘222到尾缘220的方向延伸的。参考图4，与现有技术中叶片310不同的是，本申请的叶片112的弯折部262在吸力面214沿前缘222到尾缘220的方向形成凸起，从径向方向上破坏剥离涡，以使得位于吸力面214的大体积高强度的剥离涡分裂成小体积低强度的涡，从而降低湍流耗散损失。此外，弯折部262在叶片112的压力面212形成凹槽，以使得一部分从压力面212泄漏到吸力面214的流体引导进入此凹槽中。由此，弯折部262的设置能够减少湍流耗散损失和泄漏损失，以在改善气流和提高风机气动性能的同时降低噪声。

继续参考图2A‐4，叶片112还包括前部拱起部264。前部拱起部264位于叶片112的前部242。前部拱起部264从吸力面214向压力面212拱起。如图2B所示，在叶片112的径向截面上，叶片112的前部拱起部264具有最高点F。将该径向截面上的最高点F连起来的连线254(如图2A所示)沿前缘222到尾缘220的方向延伸。与现有技术中叶片310不同的是，本申请的叶片112的前部拱起部264在叶片112的吸力面214沿前缘222到尾缘220的方向形成凹槽，从而破坏泄漏的主流流体路径，使得前部242的泄漏流吸入此凹槽内，抑制泄漏流动的继续发展并且在降低前部242附近的叶片载荷的同时主动转移载荷，从而达到提升气动性能、提高风机效率的效果。此外，前部拱起部264在叶片112的压力面212沿前缘222到尾缘220的方向形成凸起，以延缓从前缘222到尾缘220逐渐剥离的剥离涡发生的位置，并将大体积高强度的涡分裂成小体积低强度的涡，从而降低该剥离涡的湍流强度，达到降低噪音的效果。

需要说明的是，尽管在图2A‐4所示的实施例中，叶片112包括弯折部262和前部拱起部264。但是根据本申请的原则，本申请的叶片112也可以只包括弯折部262和前部拱起部264中的一者。此外需要说明的是，尽管在图2A‐4所示的实施例中，弯折部262和前部拱起部264都从前缘222一直延伸到尾缘220，但是根据本申请，弯折部262和前部拱起部264也可以只在从前缘222到尾缘220的一部分区域上延伸，使得叶片112的一些径向截面上不具有弯折部262和前部拱起部264。例如，弯折部262或前部拱起部264可以从前缘222开始延伸，在还未到达尾缘220时就结束。此外，前部拱起部264位于叶片112的前部242，而弯折部262能够位于叶片112上的任何位置。也就是说，弯折部262能够位于叶片112的前部242、叶片112的后部244或叶片112的前部242和后部244。以上对叶片112的设置方式都能够在提高风机效率的同时降低噪声。

图5示出了图1中的叶轮所使用的叶片沿轴向的投影图。图6示出了根据本申请的一个示例的叶片112沿轴向的投影图。图7示出了图6中叶片112的弯折部262的拱宽w与拱高h的关系图。图6中的虚线表示弯折部262的径向的最低点的连线252的位置。

如图5‐7所示，弯折部262沿叶片112的径向截面的曲线满足：

拱宽w＝a×θ^m；

拱高h＝b×θⁿ

其中，θ表示周向角度。具体而言，在叶尖216上任取一点P，点P到轮毂110中心O的连线与叶尖216与前缘222的交点L到轮毂110中心O的连线之间形成的夹角即为周向角度θ(参见图5)。

其中，a的取值范围为大于等于0.2且小于等于2；b的取值范围为大于等于0.05且小于等于1；m的取值范围为大于等于1且小于等于3；n的取值范围为大于等于1且小于等于3；θ的取值的取值范围为大于等于0°且小于等于180°。

拱宽w表示弯折部262在径向截面上的最大宽度，拱高h表示弯折部262在径向截面上的最高点距离最低点的高度。

作为一个示例，m等于n，并且w/h的取值范围为大于等于0.05且小于等于0.4。

作为另一个示例，当叶片112的外半径r1等于340mm时，a等于0.2，b等于1，并且m等于n等于1。

弯折部262的径向的最低点的半径满足：

rx＝c×(r1+r2)

其中，r1为叶片112的外半径；

r2为轮毂110的半径；

c的取值范围为大于等于0.1且小于等于0.95。

如图6所示，叶片112的叶尖216沿轴向的投影为圆弧形投影一(即圆弧形投影一的半径为r1)；叶片112的叶根218沿轴向的投影为圆弧形投影二(即圆弧形投影二的半径为r2)；弯折部262的径向的最低点的连线252沿轴向的投影为圆弧形投影三。圆弧形投影一、圆弧形投影二以及圆弧形投影三是同心的，其圆心都是轮毂110的轴线沿轴向的投影点O。

图8示出了图6中的叶片112的立体图。图9示出了图8中的叶片112的前部拱起部264的拱宽w与拱高h的关系图。图8中的虚线表示前部拱起部264的径向的最高点的连线254的位置。

如图8‐9所示，前部拱起部264在径向截面上的曲线满足：

拱宽w＝a×θ^m；

拱高h＝b×θⁿ

其中，θ表示周向角度。具体而言，在叶尖216上任取一点P，点P到轮毂110中心O的连线与叶尖216与前缘222的交点到轮毂110中心O的连线之间形成的夹角即为周向角度θ(参见图5)。

其中，a的取值范围为大于等于0.2且小于等于2；b的取值范围为大于等于0.05且小于等于1；m的取值范围为大于等于1且小于等于3；n的取值的取值范围为大于等于1且小于等于3；θ的取值的取值范围为大于等于0°且小于等于180°。

拱宽w表示前部拱起部264在叶片112的径向截面上的最大宽度，拱高h表示前部拱起部264在叶片112的径向截面上的最高点距离最低点的高度。

作为一个示例，m等于n并且w/h的取值范围为大于等于0.05且小于等于0.4。

作为另一个示例，当叶片112的外半径r1等于340mm时，a等于0.2，b等于1，并且m等于n等于1。

继续参考图8，最高点的连线254沿轴向的投影是沿前缘222到尾缘220方向逐渐从叶尖216向叶根218偏移的。前部拱起部264的一端点K为叶尖216上的任意一点。当周向角度θ为0°时，拱宽w等于拱高h等于0，此时叶片112的拱宽和拱高都为0，端点K与叶尖216与前缘222的交点L重合。随着周向角度θ的增加，前部拱起部264的径向的最高点254慢慢远离叶尖216，从而形成大致如图8中虚线所示的位于叶片112的前部242的前部拱起部264的最高点的连线254。最高点的连线254沿轴向的投影为渐开线。

作为另一个示例，尾缘220的拱宽w占尾缘220长度的比例范围为大于等于0.05且小于等于0.3。

图10示出了根据本申请的另一个示例的叶片的立体图。图11示出了图10中的叶片沿轴向的投影图。图10‐11中的虚线表示前部拱起部264的径向的最高点的连线254的位置。如图10‐11所示，前部拱起部264的最高点的连线254沿轴向的投影为圆弧形投影四。圆弧形投影四与叶尖216的圆弧形投影一以及叶根218的圆弧形投影二是同心的，其圆心都是轮毂110的轴线沿轴向的投影点O。

需要说明的是，叶片112的从前缘到尾缘的叶型截面可以有多种，其可以为等厚度截面或者任何二维翼型。虽然本申请中列举了拱宽w与拱高h的关系式，但本申请中前部拱起部264和弯折部262的拱形特征也可以使用圆弧，抛物线等，同样能实现本申请中提高叶片性能和降低噪声的目的。

尽管本文中仅对本申请的一些特征进行了图示和描述，但是对本领域技术人员来说可以进行多种改进和变化。因此应该理解，所附的权利要求旨在覆盖所有落入本申请实质精神范围内的上述改进和变化。

Claims (12)

1.一种叶片(112)，包括：

上表面和下表面，所述上表面为压力面(212)，所述下表面为吸力面(214)；

叶尖(216)和叶根(218)；

前缘(222)和尾缘(220)，其中所述压力面(212)和所述吸力面(214)分别从所述叶尖(216)延伸至所述叶根(218)，并且分别从所述前缘(222)延伸至所述尾缘(220)；

其特征在于：所述叶片(112)还包括：

弯折部(262)，所述弯折部(262)从所述压力面(212)向所述吸力面(214)拱起；

其中，所述弯折部(262)在所述叶片(112)的径向截面上具有最低点，所述最低点的连线(252)沿所述前缘(222)到所述尾缘(220)的方向延伸；

所述弯折部(262)沿所述叶片(112)的径向截面的曲线满足：

拱宽w＝a×θ^m，其中a的取值范围为大于等于0.2且小于等于2；m的取值范围为大于等于1且小于等于3；θ为周向角度，且取值范围为大于等于0°且小于等于180°；

拱高h＝b×θⁿ，其中b的取值范围为大于等于0.05且小于等于1；n的取值范围为大于等于1且小于等于3；θ为周向角度，且取值范围为大于等于0°且小于等于180°。

2.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：

所述叶尖(216)沿轴向的投影为圆弧形投影一；

所述叶根(218)沿轴向的投影为圆弧形投影二；

所述最低点的连线(252)沿轴向的投影为圆弧形投影三；

其中，所述圆弧形投影一、所述圆弧形投影二以及所述圆弧形投影三是同心的。

3.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：

m等于n，并且w/h的取值范围为大于等于0.05且小于等于0.4。

4.如权利要求2所述的叶片(112)，其特征在于：

所述圆弧形投影三的半径rx满足：

rx＝c×(r1+r2)

其中，r1为所述圆弧形投影一的半径；

r2为所述圆弧形投影二的半径；

c的取值范围为大于等于0.1且小于等于0.95。

5.一种轴流叶轮(100)，其特征在于包括：

轮毂(110)，所述轮毂(110)具有中心轴线，所述轮毂(110)能够绕所述中心轴线转动，所述轮毂(110)沿轴向的截面为圆形；和

至少两片根据权利要求1-4中任意一项所述的叶片(112)，所述至少两片叶片(112)布置在所述轮毂(110)的外圆周面上。

6.一种叶片(112)，包括：

上表面和下表面，所述上表面为压力面(212)，所述下表面为吸力面(214)；

叶尖(216)和叶根(218)；

前缘(222)和尾缘(220)，其中所述压力面(212)和所述吸力面(214)分别从所述叶尖(216)延伸至所述叶根(218)，并且分别从所述前缘(222)延伸至所述尾缘(220)；

前部(242)和后部(244)，所述前部(242)靠近所述叶尖(216)，所述后部(244)靠近所述叶根(218)；

其特征在于：所述叶片(112)还包括：

前部拱起部(264)，所述前部拱起部(264)位于所述前部(242)，所述前部拱起部(264)从所述吸力面(214)向所述压力面(212)拱起；

其中，所述前部拱起部(264)在所述叶片(112)的径向截面上具有最高点，所述最高点的连线(254)沿所述前缘(222)到所述尾缘(220)方向延伸；

所述前部拱起部(264)沿所述叶片(112)的径向截面的曲线满足：

拱宽w＝a×θ^m，其中a的取值范围为大于等于0.2且小于等于2；m的取值范围为大于等于1且小于等于3；θ为周向角度，且取值范围为大于等于0°且小于等于180°；

拱高h＝b×θⁿ，其中b的取值范围为大于等于0.05且小于等于1；n的取值范围为大于等于1且小于等于3；θ为周向角度，且取值范围为大于等于0°且小于等于180°。

7.如权利要求6所述的叶片(112)，其特征在于：

所述最高点的连线(254)沿轴向的投影是沿所述前缘(222)到所述尾缘(220)方向逐渐从所述叶尖(216)向所述叶根(218)偏移的。

8.如权利要求7所述的叶片(112)，其特征在于：

所述最高点的连线(254)沿轴向的投影为渐开线。

9.如权利要求6-8中任一项所述的叶片(112)，其特征在于：

所述尾缘(220)处的拱宽w占所述尾缘(220)长度的比例范围为大于等于0.05且小于等于0.3。

10.如权利要求9所述的叶片(112)，其特征在于：

m等于n，并且w/h的取值范围为大于等于0.05且小于等于0.4。

11.如权利要求6所述的叶片(112)，其特征在于还包括：

弯折部(262)，所述弯折部(262)从所述压力面(212)向所述吸力面(214)拱起；

其中，所述弯折部(262)在所述叶片(112)的径向截面上具有最低点，所述最低点的连线(252)沿所述前缘(222)到所述尾缘(220)的方向延伸，并且所述最低点的所述连线(252)位于所述后部(244)。

12.一种轴流叶轮(100)，其特征在于包括：

轮毂(110)，所述轮毂(110)具有中心轴线，所述轮毂(110)能够绕所述中心轴线转动，所述轮毂(110)沿轴向的截面为圆形；和

至少两片根据权利要求6-11中任意一项所述的叶片(112)，所述至少两片叶片(112)均匀布置在所述轮毂(110)的外圆周面上。