CN111577655A - 叶片及使用其的轴流叶轮 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种叶片及使用其的轴流叶轮。所述叶片包括叶顶、叶根、前缘和尾缘，其中所述前缘和所述尾缘分别从所述叶顶延伸至所述叶根，所述叶片能够绕一旋转轴线旋转，所述旋转轴线与一法向平面相垂直。在所述叶片的任一周向截面上，连接所述前缘和所述尾缘的弦与所述法向平面的锐夹角形成攻角，所述攻角沿所述叶根向所述叶顶方向逐渐减小。在所述叶片的任一周向截面上，所述前缘和所述尾缘之间的周向锐夹角形成包角，在所述叶片的从所述叶顶开始的至少一部分上，所述包角从所述叶顶向所述叶根方向逐渐减小。本申请的叶片的静压高、功耗低、噪声小、并且效率高。

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

传统的叶片的前缘和尾缘通常为单调光滑的曲线，由于叶片表面流动分离严重，形成涡流，因此叶片气动性能较低，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，所述叶片包括叶顶、叶根、前缘和尾缘，其中所述前缘和所述尾缘分别从所述叶顶延伸至所述叶根，所述叶片能够绕一旋转轴线旋转，所述旋转轴线与一法向平面相垂直。在所述叶片的任一周向截面上，连接所述前缘和所述尾缘的弦与所述法向平面的锐夹角形成攻角，所述攻角沿所述叶根向所述叶顶方向逐渐减小。在所述叶片的任一周向截面上，所述前缘和所述尾缘之间的周向锐夹角形成包角，在所述叶片的从所述叶顶开始的至少一部分上，所述包角从所述叶顶向所述叶根方向逐渐减小。

根据上述第一方面的叶片，在整个所述叶片上，所述包角从所述叶顶向所述叶根方向逐渐减小。

根据上述第一方面的叶片，所述叶片包括上表面和下表面。所述叶片还包括弯折部，所述弯折部向上拱起。所述弯折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的方向延伸。

根据上述第一方面的叶片，所述叶顶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，所述最高点的所述连线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。圆弧形投影一的半径r1，圆弧形投影二的半径r2，圆弧形投影三的半径r3满足：

r3＝I×(r1+r2)；

其中，I∈[0.25,0.75]。

根据上述第一方面的叶片，所述前缘沿所述旋转轴线方向在所述法向平面上的投影为第一曲线，所述第一曲线具有偶数个拐点。

根据上述第一方面的叶片，所述旋转轴线与所述法向平面垂直相交于垂足。所述第一曲线上任意一点与所述垂足的连线为第一连线。所述叶根与所述前缘的交点沿所述旋转轴线方向在所述法向平面上的投影点与所述垂足的连线为第二连线。所述第一连线与所述第二连线的夹角称为前缘角。所述第一曲线上的任意一点的前缘角θ满足θ∈[0°,20°]。

根据上述第一方面的叶片，所述尾缘具有数个槽，所述尾缘沿所述旋转轴线方向在所述法向平面上的投影为第二曲线，其中每一个槽的槽壁之间的夹角为α、槽深为H，第二曲线的长度为L；

所述夹角与所述槽深满足:

α∈[10°,110°]；

H＝W×L，W∈[1.2％,15％]；并且

所述叶顶与所述尾缘的交点沿所述旋转轴线方向在所述法向平面上的投影点位于所述槽壁上。

根据上述第一方面的叶片，所述数个槽中最靠近所述叶顶的槽的槽壁之间的夹角α满足：α∈[80°,110°]。

根据上述第一方面的叶片，在所述叶片的尾缘上，所述叶片的上表面比下表面沿周向延展的更远，并且所述尾缘在所述前缘至所述尾缘的截面上为圆弧形。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种轴流叶轮，包括轮毂和至少两片根据上述第一方面的叶片。所述轮毂具有旋转轴线，所述轮毂能够绕所述旋转轴线转动。所述至少两片叶片布置在所述轮毂的外圆周面上。

本申请的叶片的静压高、功率小、噪声低、并且效率高。

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是使用本申请的一个实施例的叶片的轴流叶轮的立体图；

图2是图1中的轴流叶轮所使用的叶片的立体图；

图3是图1中叶片沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图；

图4是叶片的沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图；

图5A是图2所示的槽的沿旋转轴线X方向在法向平面上的放大的投影图；

图5B是本申请的另一个实施例的槽的具体结构示意图；

图6A是图1中的一片叶片和轮毂的俯视图；

图6B是图6A中叶片和轮毂沿O-Q线的剖视图；

图6C是图6A中叶片和轮毂沿O-R线的剖视图；

图6D是图6A中叶2和轮毂沿O-S线的剖视图；

图7A是图1中的一片叶片和轮毂的立体图；

图7B是图7A中i-j截面的攻角示意图

图8A为图1中的一片叶片和轮毂的俯视图；

图8B为图8A中所示半径分别为u、v、x和y处的周向截面的弦的攻角示意图；

图9为叶片的尾缘在周向方向的剖面图；

图10是本申请的叶片与传统叶片的静压-风量关系图；

图11是本申请的叶片与传统叶片的功率-风量关系图；

图12是本申请的叶片与传统叶片的效率-风量关系图；

图13是本申请的叶片与传统叶片的噪声-风量关系图。

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。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。

图1是使用本申请的一个实施例的叶片的轴流叶轮100的立体图。如图1所示，轴流叶轮100包括轮毂110和四个叶片112。轮毂110具有旋转轴线X，轮毂110垂直于旋转轴线X的截面为圆形。四个叶片112均匀地布置在轮毂110的外圆周面上，并与轮毂110连接成一体。轮毂110和叶片112能够一同绕旋转轴线X进行旋转。作为一个示例，本申请的轴流叶轮100按顺时针方向(即图1中箭头所示旋转方向)绕旋转轴线X进行旋转。本领域的技术人员可以理解，轮毂110也可以是其他形状，叶片112的个数为至少两个即可。轮毂110的形状可以与叶片112的个数配合设置。例如，当叶片112的个数为三个时，轮毂110垂直于旋转轴线X的截面为三角形。

图2是图1中的轴流叶轮100所使用的叶片112的立体图。如图2所示，叶片112包括上表面242、下表面244、叶顶216、叶根218、前缘222和尾缘220。上表面242和下表面244相对设置。其中，“前缘222”表示沿叶片旋转方向的前端边缘。“尾缘220”表示沿叶片旋转方向的后端边缘。“叶根218”表示叶片与轮毂相交的边缘。“叶顶216”表示与叶根相对的另一个边缘。叶顶216、叶根218、前缘222和尾缘220围绕在上表面242和下表面244的四周。也就是说，上表面242和下表面244分别从叶顶216延伸至叶根218，并且也分别从前缘222延伸至尾缘220。本申请的叶片112的尾缘220具有数个槽232，数个槽232中的每一个槽都朝向前缘222延伸。

轴流叶轮100具有一个法向平面(未示出)，该法向平面垂直于旋转轴线X设置，并且该旋转轴线X与该法向平面的垂直的交点为垂足O(参见图3)。本领域的技术人员可以理解，所述法向平面为一虚拟平面，用于更好地示出叶片112的具体结构。

图3是图1中叶片112沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图。叶片112的前缘222沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影为第一曲线，其中第一曲线具有两个拐点。所述拐点为凹弧与凸弧的分界点。

如图3所示，第一曲线具有两个拐点，分别为拐点a和拐点b。叶根218与前缘222的交点沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影点为点A，叶顶216与前缘222的交点沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影点为点B。从点A至拐点a的曲线以及从拐点b至点B的曲线为凹弧；拐点a至拐点b的曲线为凸弧。点P为第一曲线上任意一点，点P与垂足O的连线为第一连线。点A与垂足O的连线为第二连线。第一连线与第二连线的夹角为前缘角θ。在本申请的实施例中，第一曲线上的任意一点P的前缘角θ满足θ∈[0°,20°]，并且所述第一曲线上的任意一点P与垂足O的连线都在第二连线的同一侧。

本领域的技术人员可以理解，本申请中的第一曲线可以具有偶数个拐点，而不限于本申请中所示出的两个拐点。

本申请的发明人发现，当前缘角θ满足θ∈[0°,20°]时，具有凹弧和凸弧的前缘222的做功长度能够被有效地增加，从而减轻叶片112的前缘222的载荷。当叶片112旋转时，前缘222上的凹弧和凸弧能够将原本聚集在叶片112的上表面的靠近前缘222部分的较大的剥离涡强制分裂成多个较小的涡，并且使多个较小的涡位于叶片112的中部并靠近尾缘220的位置。这样，位于叶片112的中部并靠近尾缘220的位置的多个较小的剥离涡能够有效降低湍流强度和因湍流而引起的耗散损失，提高气动性能。作为一个示例，常规叶片的效率值大约为40％，而本申请的叶片112的效率值能够达到42％。其能够有效提高13％的气动性能。此外，分裂成多个较小的涡在朝着尾缘220流动时，不容易在叶片112的径向上相互窜动引起二次流，叶片112表面空气的相对速度流线尽量少地出现交叉，从而在提高气动性能的同时还能够降低噪声。作为一个示例，本申请的叶片112相比于常规叶片能够减少近35％的噪声值。

图4是叶片112的沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影图，以示出槽232的数个分布点K。如图5所示，尾缘220具有轮廓线402。尾缘220具有数个槽232，每一个槽具有一个分布点K，每一个槽的分布点K都位于轮廓线402上。

图5A是图2所示的槽232的沿旋转轴线X方向在法向平面上的放大的投影图，以示出槽232的具体结构。如图5A所示，尾缘220沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影为第二曲线，第二曲线的长度为L。作为一个示例，在分布点K处作垂直于轮廓线402的直线，根据槽深H来确定底点G的位置。其中，槽深H满足：

H＝W×L，W∈[1.2％,15％]。

槽壁线NG和槽壁线MG形成夹角α，夹角α满足α∈[10°,110°]。

MN为槽232的开口宽度。槽底EF为圆弧形，其半径为r。槽底EF与槽壁线NG和槽壁线MG分别相切于点E和点F，从而形成槽壁NE和槽壁MF。其中，半径r满足

图5B是本申请的另一个实施例的槽232的具体结构示意图。图5B所示的槽232与图5A所示的槽232大致相同，此处不再赘述。与图5A所示的槽232不同的是，在分布点K附近的点C处作垂直于轮廓线402的直线，根据槽深H来确定底点G的位置。其中，槽深H满足：

H＝W×L，W∈[1.2％,15％]。

并且，直线KG与直线CG之间形成偏移角Ω，偏移角Ω满足Ω∈[0°,15°]。其中，点C可以在点K的左侧，也可以在点K的右侧。

作为一个示例，相邻的槽232的槽壁之间的尾缘220的长度相同。

作为另一个示例，多个槽232被配置为从叶根218向叶顶216的槽深H呈等差递增。

继续参考图3，在本申请中最邻近叶顶216的槽232被配置为夹角α满足α∈[80°,110°]。

本申请的尾缘220处的槽232能够降低叶片112的耗功。

图6A是图1中的一片叶片112和轮毂110的俯视图。图6B是图6A中叶片112和轮毂110沿O-Q线的剖视图。图6C是图6A中叶片112和轮毂110沿O-R线的剖视图。图6D是图6A中叶片112和轮毂110沿O-S线的剖视图。如图6A-6D所示，叶片112还包括弯折部610。弯折部610从下表面244向上表面242拱起。在叶片112的径向截面上，叶片112的弯折部610具有最高点。将弯折部610的径向截面上的最高点连起来的连线620是沿前缘222到尾缘220的方向延伸的。

叶片112的叶顶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610的径向的最高点的连线620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。

圆弧形投影一的半径r1，圆弧形投影二的半径r2，圆弧形投影三的半径r3满足：

r3＝I×(r1+r2)；

其中，I∈[0.25,0.75]。

本申请的发明人发现，传统叶片一般为扭曲的光滑流线型叶片，其表面流动分离严重，形成涡流，叶顶泄漏很难避免。而本申请的叶片112的弯折部610在下表面244上沿前缘222到尾缘220的方向形成凹槽，从而在叶片112的径向方向上破坏泄漏的主流流体路径，使下表面244流经叶顶216的泄漏流吸入此凹槽内，抑制泄漏流动的继续发展，从而达到提升气动性能、提高风机效率的效果。此外，弯折部610还能够在叶片112的周向方向上延缓从前缘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。

如图6所示，在任一周向截面上，前缘222和尾缘220之间的周向锐夹角形成包角φ。在本申请所示的叶片112中，从叶顶216开始的至少一部分上，包角φ从叶顶216向叶根218方向逐渐减小。

在另一个示例中，在整个叶片112中，包角φ从叶顶216向叶根218方向逐渐减小。

图7A是图1中的一片叶片112和轮毂110的立体图。图7B是图7A中i-j截面的攻角示意图。如图7A-7B所示，在叶片112的任一周向截面上，具有叶片的i-j截面。其中点i位于前缘222上，点j位于尾缘220上。前缘222上的点i与尾缘220上的点j之间的直线连线成为弦。弦与法向平面的锐夹角为攻角w。在本申请的实施例中，攻角沿叶根218向叶顶216方向逐渐减小。

图8A为图1中的一片叶片112和轮毂110的俯视图。图8B为图8A中所示半径分别为u、v、x和y处的周向截面的弦的攻角示意图。如图8A-8B所示，叶片112的攻角沿叶根218向叶顶216方向逐渐减小。

本申请的叶片112被配置为：在从叶顶216开始的至少一部分上，包角φ从叶顶216向叶根218方向逐渐减小，并且叶片112的攻角沿叶根218向叶顶216方向逐渐减小。这种配置能够使得叶顶216处的载荷减小，从而使得噪声减小的同时风量与效率提升。

图9为叶片112的尾缘220在周向方向的剖面图。如图9所示，尾缘220与下表面244形成倒角。具体地说，上表面242比下表面244延伸的更远。尾缘220连接上表面242与下表面244，并且尾缘220与下表面244光滑连接。作为一个示例，尾缘220的周向截面为圆弧形。

本申请的发明人发现，相比于具有不形成倒角的尾缘和下表面的传统叶片，具有与下表面244形成倒角的尾缘220的叶片112的效率能够提高约5％，并且噪声能够降低约14％。

图10是本申请的叶片112与传统叶片的静压-风量关系图。从图10中可以看出，在相同风量下，本申请中的叶片112的静压高于传统叶片的静压，大约高出20pa。当风量较大时，传统叶片的静压下降较快，而本申请中的叶片112的静压下降较慢，适用于风量大并需要较高静压的应用场景。

图11是本申请的叶片112与传统叶片的功率-风量关系图。从图11中可以看出，在相同风量下，本申请中的叶片112的功率低于传统叶片的功率。尤其当风量在20000m³/h-24000m³/h的大风量情况下，传统叶片的功率都居于高位。而本申请中的叶片112随着风量的增加功率也逐渐减小。

图12是本申请的叶片112与传统叶片的效率-风量关系图。从图12中可以看出，在相同风量下，本申请中的叶片112的效率至少高于传统叶片的效率超过5％。当风量在24000m³/h-30000m³/h时，传统叶片的效率下降得较快，而本申请中的叶片112的效率基本不变，可以维持在52％左右。尤其当风量在25500m³/h-27000m³/h时，本申请中的叶片112可以实现最大效率54％，而传统叶片的效率仅为43％。

图13是本申请的叶片112与传统叶片的噪声-风量关系图。从图13中可以看出，在相同风量下，本申请中的叶片的噪声低于传统叶片的噪声，大约低5dB。此外，本申请的叶片112产生的噪声音质也优于传统叶片产生的噪声音质。

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。

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 (10)

1.一种叶片(112)，包括：

叶顶(216)、叶根(218)、前缘(222)和尾缘(220)，其中所述前缘(222)和所述尾缘(220)分别从所述叶顶(216)延伸至所述叶根(218)，所述叶片(112)能够绕一旋转轴线(X)旋转，所述旋转轴线(X)与一法向平面相垂直；

其特征在于：

在所述叶片(112)的任一周向截面上，连接所述前缘(222)和所述尾缘(220)的弦与所述法向平面的锐夹角形成攻角，所述攻角沿所述叶根(218)向所述叶顶(216)方向逐渐减小；并且

在所述叶片(112)的任一周向截面上，所述前缘(222)和所述尾缘(220)之间的周向锐夹角形成包角，在所述叶片(112)的从所述叶顶(216)开始的至少一部分上，所述包角从所述叶顶(216)向所述叶根(218)方向逐渐减小。

2.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：

在整个所述叶片(112)上，所述包角从所述叶顶(216)向所述叶根(218)方向逐渐减小。

3.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：

所述叶片(112)包括上表面(242)和下表面(244)；

所述叶片(112)还包括弯折部(610)，所述弯折部(610)向上拱起；

所述弯折部(610)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(620)沿所述前缘(222)到所述尾缘(220)的方向延伸。

4.如权利要求3所述的叶片(112)，其特征在于：

所述叶顶(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，所述最高点的所述连线(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；

圆弧形投影一的半径r1，圆弧形投影二的半径r2，圆弧形投影三的半径r3满足：

r3＝I×(r1+r2)；

其中，I∈[0.25,0.75]。

5.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：

所述前缘(222)沿所述旋转轴线(X)方向在所述法向平面上的投影为第一曲线，所述第一曲线具有偶数个拐点。

6.如权利要求5所述的叶片(112)，其特征在于：

所述旋转轴线(X)与所述法向平面垂直相交于垂足(O)；

所述第一曲线上任意一点与所述垂足(O)的连线为第一连线；

所述叶根(218)与所述前缘(222)的交点沿所述旋转轴线(X)方向在所述法向平面上的投影点(A)与所述垂足(O)的连线为第二连线；

所述第一连线与所述第二连线的夹角称为前缘角θ；

所述第一曲线上的任意一点的前缘角θ满足θ∈[0°,20°]。

7.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：

所述尾缘(220)具有数个槽(232)，所述尾缘(220)沿所述旋转轴线(X)方向在所述法向平面上的投影为第二曲线，其中每一个槽的槽壁之间的夹角为α、槽深为H，第二曲线的长度为L；

所述夹角与所述槽深满足:

α∈[10°,110°]；

H＝W×L，W∈[1.2％,15％]；并且

所述叶顶(216)与所述尾缘(220)的交点沿所述旋转轴线(X)方向在所述法向平面上的投影点(C)位于所述槽壁上。

8.如权利要求7所述的叶片(112)，其特征在于：

所述数个槽(232)中最靠近所述叶顶(216)的槽的槽壁之间的夹角α满足：α∈[80°,110°]。

9.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：

在所述叶片(112)的尾缘(220)上，所述叶片(112)的上表面比下表面沿周向延展的更远，并且所述尾缘(220)在所述前缘(222)至所述尾缘(220)的截面上为圆弧形。

10.一种轴流叶轮(100)，其特征在于包括：

轮毂(110)，所述轮毂(110)具有旋转轴线(X)，所述轮毂(110)能够绕所述旋转轴线(X)转动；和

至少两片根据权利要求1-9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。

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