CN111315997B - 扇 - Google Patents

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Abstract

一种径向扇，该径向扇包括：多个叶片，该叶片能够围绕旋转轴线旋转且从旋转轴线径向延伸；其特征在于，叶片中的每个具有横向轮廓，该横向轮廓关于延伸通过叶片的径向对称线对称，每个叶片的轮廓的至少一部分是弯曲的。

Description

扇
技术领域
该发明涉及一种扇，且特别地但非排他地涉及分别供单向和双向机器使用的单向和双向径向扇。
背景技术
如编号为JP 2003088045的日本专利申请公开案中公开的，已知径向冷却扇可适于减小用于车辆的马达中的噪声。径向扇(诸如JP 2003088045中描述的那些)包括多个叶片，该叶片从中心毂径向向外延伸且沿单个方向旋转。
然而，在其中电功率由水流生成的水电系统中，噪声减小不大紧要。在编号为WO2009/138636 A1的国际专利申请公开案中公开水电系统的示例。
冷却扇用来冷却机器，诸如水电系统中的发电机。为了使径向扇冷却发电机，扇适于安装在发电机的轴或转子上。扇围绕发电机的旋转中心轴线旋转。
在涡轮泵水电系统中，生成电，或通过使用人工湖或储器(水从该处引导到泵、涡轮或涡轮泵)来将电转换为势能。泵、涡轮或涡轮泵典型地连接到电动马达、发电机或马达-发电机，其可生成电和/或将水泵送到人工湖或储器中以将能量存储为势能。
连接到涡轮泵的电动马达-发电机需要在涡轮模式下生成电，或它们在泵模式下消耗电。这意指，取决于用途，电动马达-发电机需要沿任意方向旋转。在任意模式下，电动马达-发电机生成热量。
现有技术不能提供可冷却在泵或涡轮模式下的机器的用于水电机的冷却系统或径向扇。因此，需要在涡轮泵在泵模式或涡轮模式下工作时冷却涡轮泵，这未由现有技术实现。
发明内容
本发明通过提供根据本发明的第一方面的径向扇来克服现有技术的缺点，该径向扇优选地适于水电机。水电机可包括电动马达-发电机，其可连接到涡轮泵。径向扇可包括多个叶片，该叶片能够围绕旋转轴线旋转。多个叶片可从旋转轴线径向延伸。叶片中的每个可具有横向轮廓，该横向轮廓可关于延伸通过叶片的径向对称线对称，其中每个叶片的轮廓的至少一部分可为弯曲的。
用语“横向轮廓”意指叶片的位于垂直于旋转轴线的平面中的面的形状。
用于水电机的现有技术的径向扇的叶片具有多种不同的形状。然而，在已知的径向扇中，每个叶片具有沿径向方向延伸的基本直的边缘，该边缘彼此基本平行。
本发明有利地允许径向扇用来冷却在泵模式或涡轮模式下的马达-发电机。根据现有技术的径向扇由它们仅沿一个方向旋转且由此沿单个旋转方向有效冷却的能力所限制。本发明优选地提供可逆或双向扇，该扇冷却在泵模式或涡轮模式下的马达-发电机。用根据本发明的扇，生成不依赖于旋转方向的相同压力和速率的空气流。空气流的方向保持不变。扇优选地安装在水电机的旋转轴上。优选地，扇安装在马达-发电机的转子的轴上，使得扇与轴沿任意方向旋转以冷却马达-发电机。
由于每个叶片的对称轮廓，已发现，根据本发明的适于水电机的扇与具有直叶片的扇相比关于静压生成和效率具有显著较好的性能。通过提供有效的冷却系统，本发明允许当生成电或将电转换成势能时功率效率上的大增加。
优选地，根据本发明的扇具有等于或大于三米的直径。根据本发明的具有适于供水电机使用以用于工业规模上能量生产和存储的尺寸的扇不受现有技术的缺点。
还已发现，与具有类似尺寸的直叶片的用于水电机的已知径向扇相比，根据本发明的扇可生成更高的静压且因此促进更高的流率。
另外，与用于水电机的已知径向扇相比，根据本发明的扇可具有更加小的尺寸，例如更小的直径，而仍促进与具有直叶片的那些较大的已知扇相同的流率。
此外，根据本发明的扇由于叶片的对称轮廓具有较高的效率。这显著地减小轴(扇安装在该轴上)上的功率消耗。
如上文提到的，在此类扇中，生成不依赖于旋转方向的相同压力。空气流的方向保持不变。这可有用所处的情况可例如在水电系统内。
在本发明的一些实施例中，每个叶片的横向轮廓可限定泪滴形状。
其它横向形状也是可能的。例如，每个叶片的横向轮廓可限定具有圆形相反端的基本矩形的形状。在此类实施例中，每个叶片可具有包括相反的基本平行直边(其限定每个叶片的较长尺寸)以及(优选)圆形的相反较短端的形状。该形状有时称为体育场。
在本发明的一些实施例中，每个叶片的轴向厚度可沿着叶片径向地变化。
在本发明的一些实施例中，每个叶片的轴向厚度可随着离旋转轴线的距离增加来减小。已发现，这减小扇叶上的层离(delamination)，其导致扇中效率增进。
在本发明的一些实施例中，径向扇可包括上密封构件和/或下密封构件。
在本发明的实施例中，上密封构件可包括上凸缘。上凸缘可至少部分地限定空气入口，或上密封构件可包括空气入口。空气入口的存在减小空气在进入径向扇中时的压力损失。在本发明的一些实施例中，上凸缘可为圆形的，例如，空气入口的截面积随着通过入口吸入的空气减小，以进一步减小此类压力损失。
类似地，下密封构件可包括下凸缘。下凸缘可至少部分地限定空气入口，或下密封构件可包括空气入口。下凸缘可为圆形的。
在该说明书的上下文中，用语“圆形的”意指构件以减小尖锐边缘且由此确保低压力损失的方式定形。
在本发明的实施例中，下密封构件可直接连接到机器的转子。
机器可为单向的或双向的，且可例如包括电动马达。上密封构件的目的在于防止或减小空气流的泄漏，且在该方面，上密封构件可形成整个密封系统的部分。密封系统可适于使扇的旋转部分相对于静止的空气引导件密封。
上密封构件和下密封构件可用来将扇叶安装在它们之间且由此将扇叶固定在上密封构件和下密封构件之间适当位置。
根据本发明的第二方面，可提供一种机器，该机器包括：带有旋转轴线的转子，双向机器可能够围绕该旋转轴线旋转；以及优选的根据本发明的第一方面的径向扇，该扇可安装在机器的转子上。
机器可为单向的或双向的，且可例如包括电动马达。
在本发明的此类实施例中，多个叶片能够旋转围绕的旋转轴线可与机器能够旋转围绕的旋转轴线同轴。
在本发明的一些实施例中，机器可包括根据本发明的第一方面的两个径向扇，该径向扇可安装在转子的任意端处。
在本发明的一些实施例中，机器可包括电动马达-发电机。电动马达-发电机可以以多种不同的方式使用。在本发明的一些实施例中，电动马达-发电机可形成水电系统的部分。在此类实施例中，电动马达-发电机可为双向的，且径向扇也可为双向的。
根据本发明的第三方面，提供一种叶片，该叶片形成根据本发明的第一方面的径向扇的部分。
在本发明的一些实施例中，径向扇可为双向的。
附图说明
现在将参照附图通过仅示例来进一步描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的第二方面的实施例的机器的示意图，该机器结合根据本发明的第一方面的实施例的扇；
图2是图1的机器的一部分的示意图，其更详细地示出该机器的转子和扇；
图3是形成图2中示出的扇的叶片中的一个的详细图；
图4是图2的扇的一部分的详细示意图；
图5是包括图2的扇的叶片的截面形状的示意图，其带有来自常规扇的直叶片；
图6是更详细地示出根据本发明的实施例的扇的叶片的形状的示意图；
图7是更详细地示出已知叶片的形状的示意图；
图8是示出图2的扇的上密封部分和下密封部分的示意图；
图9是示出与根据本发明的实施例的径向扇的参数相比具有直叶片的常规径向扇的参数的表格；
图10是示出与具有直叶片的已知扇相比根据本发明的实施例的扇的静压生成和效率两者如何改进的图；
图11是示出与已知扇的功率消耗相比对于图2中示出的扇在给定流率下的功率消耗减小的图；以及
图12是示出可如何按照叶片周围的流动行为(其在图10中示出，流率为30m3/s)解释根据本发明的实施例的径向扇的改进性能的示意图。
具体实施方式
首先参照图1、图2、图3和图4，呈电动马达-发电机形式的机器的转子大体上由参考标号2来表示。转子2围绕轴4旋转。在该实施例中，马达是双向马达，且因此可围绕轴4沿两个方向旋转。在其它实施例中，马达可为单向的。
机器还包括大体上由参考标号6表示的扇。在本发明的该实施例中，扇包括多个叶片8，该叶片8从与轴4同轴的旋转轴线径向延伸。在本发明的该实施例中，扇6定位在转子2的构件内，以便在马达的使用期间冷却电动马达-发电机。
因为在该实施例中马达-发电机是双向马达-发电机，根据本发明的第一方面的实施例的扇6还必须能够双向操作。在本发明的其它实施例中，马达-发电机可为单向的，且因此扇6也可为单向的。
在本发明的一些实施例中，电动马达-发电机2将包括定位在转子2的相反端处的两个扇6。
扇6还包括在图8中更详细示出的上密封构件10和下密封构件12。如图8中示出的，上密封构件10的边缘设计成提供凸缘，该凸缘部分地限定空气入口14。空气入口14用来减小在进入径向扇6中时的压力损失。在本发明的备选实施例中，为了进一步促进压力损失上的该减小，上密封构件10和下密封构件12两者为圆形的。
在该实施例中，下密封构件12直接安装到电动马达-发电机的转子4上。
在该实施例中，下密封构件12直接连接到转子2上。
上密封构件10的目的在于减小或防止泄漏空气流。在该实施例中，在该方面，上密封构件10是使扇6的旋转部分相对于静止的空气引导件密封的密封系统(未示出)的部分。
扇叶8位于上密封构件10与下密封构件12之间。上密封构件10和/或下密封构件12可用来将扇叶8安装在两个构件10、12之间且从而将它们固定在两个密封构件10、12之间适当位置。
现在将更详细地论述叶片8的形状。
如可从图2、图3、图4、图5和图6看到的，叶片10中的每个具有圆形的对称横向轮廓。更特别地，每个叶片关于从轴4径向延伸的对称轴线S对称。这在图4中更详细地示出。
每个叶片的形状的另外特征是，轮廓在轮廓的部分中是至少圆形的，以及关于对称轴线S对称。
在示出的实施例中，每个叶片的形状是泪滴形的，但其它形状将是可能的。例如，每个叶片在形状上可为基本矩形的，其具有相反的圆形端。
根据本发明的方面的叶片8的形状与图5、图6和图7中示出的已知叶片50的形状对比。
可容易看到，已知的叶片基本是直的，具有彼此平行的两个边缘52、54。
往回转到形成本发明的部分的叶片8，每个叶片具有沿轴向方向延伸的厚度16。在本发明的该实施例中，厚度16随着离轴4的径向距离来减小。
换句话说，每个叶片8的圆形端部部分18处的厚度16比每个叶片的较窄端20处更大。
与带有径向直叶片的扇相比，叶片8的对称横向形状导致关于压力生成和效率的优异扇性能。
现在将参照具有直叶片的类似的已知扇来论述根据本发明的实施例的扇的性能。
图9陈述所测试的扇的参数。该表格中陈述的参数仅为示例性的，且不同的参数可为主要的(prevail)。
可看到，表格的第二栏中示出的现有技术扇的尺寸与根据本发明的实施例的扇6的参数相同。
两个扇的性能将用计算流体动力学(CFD)比较。两个扇可供双向空气冷却的电动马达-发电机使用。
对于两个扇，扇性能用CFD计算。该研究显示，扇6中的叶片8的对称轮廓在宽体积流量范围内具有显著较高的静压生成。如图10中示出的，对于30m3s-1的体积流量，根据本发明的实施例的双向径向扇生成约3.4倍高的静压。
与根据现有技术的扇相比，根据本发明的扇6促进更加高的冷却空气流。根据本发明的扇可用来减小电动马达-发电机的温度或增加马达-发电机的功率。除了静压生成上的改进之外，效率也显著较高。图11中示出，根据本发明的实施例，较高的静态效率导致扇的较低的功率消耗。
根据本发明的方面的扇6的优异性能可通过考虑叶片周围的流动行为来解释。这在图12中示出，其中流率为30m3s-1。
图12的左手部分示出已知扇的直叶片周围的流动行为，且图12的右手部分示出根据本发明的扇6的成对称轮廓的叶片8周围的流动行为。这示出，扇6与已知扇相比具有显著较少的层离。这解释根据本发明的扇的优异扇性能。

Claims (11)

1.一种水电机，包括电动马达-发电机，其具有转子(2)，所述转子(2)具有轴(4)，所述水电机能够围绕所述轴(4)旋转；以及径向扇(6)，所述扇安装在所述转子(2)上，
所述扇包括多个叶片(8)，所述多个叶片(8)能够围绕旋转轴线旋转且从所述旋转轴线径向延伸；
其中，所述叶片(8)中的每个具有横向轮廓，所述横向轮廓关于延伸通过所述叶片(8)的径向对称线(S)对称，每个叶片的所述轮廓的至少一部分是弯曲的，
所述扇还包括直接连接到所述电动马达-发电机的转子(2)上的下密封构件(12)；以及
上密封构件(10)，所述上密封构件(10)包括限定空气入口(14)的圆形上凸缘，所述叶片(8)位于所述上密封构件和下密封构件之间。
2.根据权利要求1所述的水电机，其特征在于，所述扇具有等于或超过三米的直径。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的水电机，其特征在于，每个叶片(8)的所述横向轮廓限定泪滴形、体育场形或具有圆形端的矩形。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的水电机，其特征在于，所述下密封构件(12)包括限定所述空气入口(14)的下凸缘。
5.根据权利要求4所述的水电机，其特征在于，所述下凸缘是圆形的。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的水电机，其特征在于，每个叶片(8)的轴向厚度(18)沿着所述叶片径向地变化。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的水电机，其特征在于，每个叶片(8)的轴向厚度(18)随着离所述旋转轴线的距离增加来减小。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的水电机，其特征在于，所述径向扇(6)能够安装在所述水电机的旋转轴上，以冷却在泵模式或涡轮模式下的所述水电机。
9.根据权利要求1所述的水电机，其特征在于，所述径向扇(6)布置成通过沿第一方向旋转来冷却在泵模式下的所述水电机且通过沿第二方向旋转来冷却在涡轮模式下的所述水电机。
10.根据权利要求9所述的水电机，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向相反。
11.根据权利要求1所述的水电机，其特征在于，包括安装在所述转子(2)的任意端处的两个所述径向扇(6)。
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