CN111577656A - 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、尾缘、上表面和下表面。所述上表面和下表面相对设置，所述叶顶、所述叶根、所述前缘和所述尾缘设置在所述上表面和所述下表面的四周，并连接所述上表面和所述下表面。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。所述叶顶包括叶顶基部和叶顶尾部，所述叶顶基部靠近所述前缘，所述叶顶尾部靠近所述尾缘，并且相对于所述叶顶基部朝上翘起。所述叶顶尾部的弦的攻角比所述叶顶基部的弦的攻角大，其中攻角是指弦与所述法向平面的锐夹角。本申请的叶片能够提供较大的风量，其静压更高，并且效率也更高。

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，包括叶顶、叶根、前缘、尾缘、上表面和下表面。所述上表面和下表面相对设置，所述叶顶、所述叶根、所述前缘和所述尾缘设置在所述上表面和所述下表面的四周，并连接所述上表面和所述下表面。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。所述叶顶包括叶顶基部和叶顶尾部，所述叶顶基部靠近所述前缘，所述叶顶尾部靠近所述尾缘，并且相对于所述叶顶基部朝上翘起。所述叶顶尾部的弦的攻角比所述叶顶基部的弦的攻角大，其中攻角是指弦与所述法向平面的锐夹角。

根据上述第一方面的叶片，所述上表面从所述叶顶至所述叶根平滑延伸。

根据上述第一方面的叶片，所述叶顶尾部的弦的攻角的取值范围为大于等于20°并且小于等于30°。

根据上述第一方面的叶片，所述叶顶尾部占所述叶顶的长度比例为大于等于1/8并且小于等于1/12。

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θ。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∈[1.5％,20％]。

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，相邻两个所述槽的槽壁之间的所述尾缘的长度相同。

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叶片的周向方向上的截面为圆弧形。

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。

本申请的叶片能够提供较大的风量，其静压更高，并且效率也更高。

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6是图1中的一片叶片和轮毂的侧视图；

图7是图6所示的叶顶尾部相对于叶顶基部的关系简图；

图8A是图1中的一片叶片和轮毂的俯视图；

图8B是图8A中线A-A的剖面图；

图9为叶片的尾缘在周向方向上的剖面图；

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效率-风量关系图；

图12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和三个叶片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。三个叶片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；当叶片112的个数为四个时，轮毂110垂直于旋转轴线X的截面为四边形。

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，常规叶片的静压效率值大约为40％，而本申请的叶片112的静压效率值能够达到50％。其能够有效提高25％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4dB的噪声值(降低了13％)。

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∈[1.5％,20％]。

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∈[1.5％,20％]。

槽壁线NG和槽壁线MG形成夹角α，夹角α满足α∈[10°,110°]。

此外，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6是图1中的一片叶片112和轮毂110的侧视图，以示出叶顶216的具体结构。图7是图6所示的叶顶尾部610相对于叶顶基部612的关系简图。如图6-7所示，叶顶216包括叶顶基部612和叶顶尾部610。叶顶基部612和叶顶尾部610光滑连接，从而使得叶片112从前缘222至尾缘220平滑延伸，并且从叶顶216至叶根218平滑延伸。也就是说，叶顶基部612和叶顶尾部610之间不具有拐点。叶顶尾部610相对于叶顶基部612向上翘起。具体来说，叶顶基部612的两端的直线连线为弦L1。叶顶尾部610的两端的直线连线为弦L2。弦与垂直于旋转轴线X的法向平面的锐夹角为攻角§。其中，叶顶尾部610的弦L2的攻角§₂大于叶顶基部612的弦L1的攻角§₁。

本申请中叶片112的叶顶尾部610向上翘起的结构具有降低叶片噪声的同时提升叶片风量的优点。具体来说，本申请的发明人发现，在传统叶片中，当叶片旋转时，叶片上的涡会从尾缘处脱落。这种涡的快速脱落会使涡的强度增强，从而使得噪声增加。在本申请的叶片112中，叶顶尾部610向上翘起的结构设置在靠近尾缘220处，其不会造成前缘222载荷大而尾缘220载荷小的不利影响。靠近尾缘220处的叶顶尾部610的切向速度(与径向垂直方向的速度)最大，其能够分裂尾缘220处的涡，从而延迟下表面244上涡的脱落。分裂成小涡能够有效降低噪声并改善声音品质。

此外，叶顶尾部610向上翘起的结构能够在几乎不对叶片112产生额外的力的同时增加叶片112的做功角度，从而增加叶片112的做功，以增加叶片112的风量和提升静压。

需要说明的是，本申请的叶片112上设有叶顶尾部610向上翘起的结构的同时还可以在尾缘220处设有上述多个槽232。此时，槽232实现的技术效果会与叶顶尾部610实现的技术效果成倍叠加，从而在降低叶片112的做功的同时依然能够增加叶片112的风量。

作为一个示例，叶顶尾部610的长度占叶顶216的长度的比例为大于等于1/8并且小于等于1/12。

作为另一个示例，叶顶尾部610的弦L1的攻角§₁满足：§₁∈[20°,30°]。

图8A是图1中的一片叶片112和轮毂110的俯视图。图8B是图8A中线A-A的剖面图。从图8A-8B中可以看出，虽然叶片112的叶顶216上具有叶顶尾部610，但叶顶尾部610也是与尾缘220光滑连接的。也就是说，叶片112从叶根218至叶顶216为光滑延伸。

图9为叶片112的尾缘220在周向方向上的剖面图。作为一个示例，图9示出了图6中圆圈内的尾缘220在周向方向上的剖面图。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4％，并且噪声能够降低约12％。

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，本申请中的叶片的静压高于传统叶片的静压，并且大约高出60pa，其能够满足对静压有更高需求的应用场景。

图11是本申请的叶片112与传统叶片的效率-风量关系图。从图11中可以看出，在相同风量下，本申请中的叶片的效率高于传统叶片的效率。尤其当风量增大的情况下，本申请的叶片112的效率下降得不多，而传统叶片的效率下降得更快。

图12是本申请的叶片112与传统叶片的噪声-风量关系图。从图12中可以看出，在相同风量下，本申请中的叶片的噪声低于传统叶片的噪声。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。

此外，从图10-12中还可以看出，在输入功率相同的情况下，本申请的叶片112能够提供的风量范围更高，为17000m³/h-23000m³/h，能够满足对风量有更高需求的应用场景。

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)、尾缘(220)、上表面(242)和下表面(244)，所述上表面(242)和下表面(244)相对设置，所述叶顶(216)、所述叶根(218)、所述前缘(222)和所述尾缘(220)设置在所述上表面(242)和所述下表面(244)的四周，并连接所述上表面(242)和所述下表面(244)，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：

所述叶顶(216)包括叶顶基部(612)和叶顶尾部(610)，所述叶顶基部(612)靠近所述前缘(222)，所述叶顶尾部(610)靠近所述尾缘(220)并相对于所述叶顶基部(612)朝上翘起；

其中，所述叶顶尾部(610)的弦的攻角比所述叶顶基部(612)的弦的攻角大，其中攻角是指弦与所述法向平面的锐夹角。

2.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：

所述上表面(242)从所述叶顶(216)至所述叶根(218)平滑延伸。

3.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：

所述叶顶尾部(610)的弦的攻角的取值范围为大于等于20°并且小于等于30°。

4.如权利要求1所述的叶片(112)，其特征在于：

所述叶顶尾部(610)占所述叶顶(216)的长度比例为大于等于1/8并且小于等于1/12。

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；

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°]。

6.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分别满足：

α∈[10°,110°]；

H＝W×L，W∈[1.5％,20％]。

7.如权利要求6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°]。

8.如权利要求6所述的叶片(112)，其特征在于：

相邻两个所述槽(232)的槽壁之间的所述尾缘(220)的长度相同。

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)在所述叶片(112)的周向方向上的截面为圆弧形。

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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