CN1128327A - 螺旋桨风扇 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有锯齿形状叶片后缘的螺旋桨风扇，在这种风扇中，叶片负压面和正压面的流动逐渐连接，因此，靠近后缘的速度损失减少。结果，与通常的螺旋桨风扇相比，速度梯度下降，湍流的产生减小，从而噪声降低，风扇效率提高。

Description

螺旋桨风扇
本发明涉及用于空调器及类似装置的鼓风机的螺旋桨风扇。
图14是现今用于空调器及类似装置中的螺旋桨风扇上半部份的外形图。图14(a)是正视图，而图14(b)是侧视图。在图14中，螺旋桨风扇1’具有如图14(a)所示的若干片叶片它们按箭头A的方向旋转，并被如图14(b)所示的钟形口(或孔板)壳体2分隔成真空面和排放面。图14中的标号3a’指示叶片3’的后缘。
这种型式的螺旋桨风扇常常用于空调器的室外组件或用于排气通风机中。因此，要求螺旋桨风扇的噪声低，重量轻，结构紧凑。在通常情况下，螺旋桨风扇由塑料材料制成，并做成一薄层的形状。要求叶片通常为弓形形状，厚度基本均匀，要求相邻叶片不相互重叠，还要求螺旋桨风扇有高的生产率。
从螺旋桨风扇产生的噪声大致分为宽频带噪声和离散频率噪声。在空调器及类似装置中使用的低压风扇中，前一种噪声占优势。宽频带噪声是由上层气流的湍流，叶片表面的压力变化及由叶片后缘排出的旋涡所产生的。因此，为减小宽频带噪声，弦C(参见图10)的长度应尽可能的做得长以减少和扩散翼板负载，而叶片后缘的边界层积聚也会因向前的倾角而减少。
近年来，对低噪声要求的水平提高了。要满足这一要求，上述措施是不够的。为进一步减少螺旋桨风扇的噪声，需要其它措施。在上述由螺旋浆风扇产生宽频带噪声的主要原因：(a)上层气流的湍流，(b)后缘旋涡和(C)叶片表面的压力变化中，当(a)的上层气流的湍流是低的时，(b)的后缘旋涡对噪声起主要作用。因此，减少噪声的一个可能措施就是采取机翼形截面的叶片，消除叶片表面上的流动变化，减少后缘厚度，从而减少由叶片后缘排出的后缘旋涡。
然而，如果将叶片的截面成型成厚机翼形状，螺旋桨风扇的重量就要增加，价格也因而上升。此外，考虑到树脂模压中的下陷，在大量生产中存在着有限的膜压厚度，因此，在实际中很难应用机翼形的风扇，这导至噪声降低的极限。
鉴于上述现状，因此本发明的目的就是提出一种螺旋桨风扇，它具有低的噪声，并易于实际应用。
本发明解决上述问题的第一个方案的特征在于叶片后缘是锯齿形状的。
本发明解决上述问题的第二个方案的特征在于叶片后缘的锯齿形状是具有相同形状的连续齿。
本发明解决上述问题的第三个方案的特征在于叶片后缘的锯齿形状是具有齿的尺寸顺序由较大齿变至较小齿。
本发明解决上述问题的第四个方案的特征在于叶片后缘的锯齿形状是具有适当组合的不同角度的齿。
本发明解决上述问题的第五个方案的特征在于锯齿形状是上述第一、二、三或四方案中的三角形状的。
本发明解决上述问题的第六个方案的特征在于上述第五方案中的锯齿的齿顶部是圆的。
本发明解决上述问题的第七个方案的特征在于上述第六方案中齿顶部圆度的半径为齿距或齿高的50％或小于50％。
本发明解决上述问题的第八个方案的特征在于H/D大致等于0.02，而S/D大致等于0.02，这里，在上述第一、二、三或四方案的锯齿形状参数中，H是一个齿的高度，S是齿距，D是螺旋桨风扇的直径。
本发明解决上述问题的第九个方案的特征在于0.5≤S/H≤2，这里，在上述第一、二、三或四方案的锯齿形状参数中，H是齿高，S是齿距。
因此，按照本发明上述的第一、二、三、四、五、六、七、八或九方案，由于叶片后缘是锯齿形状的，在叶片负压面或正压面的流动就逐渐连接，且流动的连接(混合)是光滑地实现的。因此，由于流动连接而造成的旋涡很小，而由于流动连接而引起的速度损失就减少。结果，由于流动连接产生的噪声就降低，风扇效率提高。
更为特别的是，沿叶片表面的流动在具有较大叶片挠曲的上表面，其流动速率较高，构成负压流动，而在叶片表面为边界的具有较小叶片挠曲的下表面，流动构成正压流动。这两种流动在离开叶片后缘的流动过程中混合。这时，所产生的两维旋涡引起噪声或由于压力损失引起风扇效率降低。
相反，根据本发明上述第一至第九方案，由于叶片后缘的锯齿形状，在锯齿的切口部份产生从正压区域流向负压区域的渗漏流动。该渗漏流动形成纵向旋涡，它们相对通过切口底部的叶片截面是对称的。该纵向旋涡的速度分量与沿叶片表面主流动的速度分量合并。通过叶片端部的流动变成螺旋线流动，通过它加快了混合。由于在混合区域的流动湍流减少，与产生两维旋涡的通常螺旋桨风扇相比，产生的噪声就降低，风扇的效率提高。
这种解释的模型示于图6(a)和6(b)之中。在图6(a)中，箭头F表示流动方向。在图6(b)中，箭头K表示渗漏流动。标记字母P指示压力表面，N指示负压表面，SA指示锯齿顶部，而SB指示锯齿低谷。该解释的典型模拟示于图7(a)和7(b)。图7(a)表示在横切叶片锯齿截面上的模拟二次流动，而图7(b)表示在离开叶片锯齿一定距离的混合区域中的模拟二次流动。
如以上所述，及如下文中结合实施例更为详尺的解释，根据本发明，由于叶片后缘的锯齿形状，与通常的螺旋桨风扇相比，噪声能进一步降低，风扇效率能提高。此外，便于实际应用。
还有，由于锯齿的齿顶部倒圆，噪声能进一步降低，且在螺旋桨风扇的模压中，下陷，毛边及类似情况的发生也能减少。
图1是本发明提出的一个实施例的螺旋桨风扇上半部的外形图；
图2是另一种形状的锯齿图；
图3是叶片后缘为锯齿形状和不为锯齿形状(通常情况)情况下的速度图形比较图；
图4表示叶片后缘齿的尺寸对风扇性能(噪声降低特性和风扇效率特性)影响的特性曲线；
图5是叶片后缘为锯齿形状和不为锯齿形状(通常情况)情况下的噪声分析结果比较特性图表；
图6是展示流动的模型图；图6(a)是叶片后缘和叶片连接流动，特别是纵向旋涡的展示图，而图6(b)是在切口部份(低谷部份)流动由正压区域向负压区域进行的展示图；
图7是由模拟获得的在叶片后缘的二次流的流动图形；图7(a)表示在沿图6(a)A—A线所取截面上的二次流流动图形，而图7(b)表示在沿图6(a)B—B线所取截面上的二次流流动图形；
图8是速度相对锯齿形状变化的特性图表；
图9是湍流相对锯齿形状变化的特性图表；
图10表示沿图6(a)C—C线所截取的截面；
图11表示叶片后缘齿的尺寸对风扇性能(噪声降低特性和风扇效率特性)影响的特性曲线；
图12(a)是本发明提出的另一实施例的螺旋桨风扇上半部的外形图，而图12(b)是部份D的放大图；
图13是锯齿顶部的圆度对风扇噪声影响的特性图表；
图14是现今用于空调器及类似装置中的螺旋桨风扇上半部的外形图。
本发明提出的实施例方案将在下面结合附图加以详尽说明。与图14中相似的元件将应用相同的标号重复的解释将加以取消。
图1是本发明提出的一个实施例的螺旋桨风扇上半部的外形图。如此图所示，该实施例提出的螺旋桨风扇具有若干沿周边方向按一定间隔排列的叶片3。每一叶片3的后缘3a都成型成锯齿形状。图1中的虚线表示通常的后缘形状(参见图14)。图1表示的例子中，齿距S等于齿宽(齿距＝齿宽)。但是，齿距S往往如图2所示的大于齿宽W(齿距＞齿宽)。
这种外形的螺旋桨风扇1的性能将结合图3，4和5加以说明。
图3是叶片后缘为锯齿形状和不为锯齿形状(通常情况)情况下的速度图形比较图。当叶片后缘不是锯齿形状时，如图3(a)所示，在叶片负压表面边和在叶片正压表面边的流动在叶片后缘连接，但由于存在叶片后缘厚度t，在流动连接之后立即产生高的速度损失。在此速度损失部份，相邻流体的速度差很大(速度梯度很大)，因此产生很大的湍流。该湍流引起整个叶片的升力变化，产生高的噪声。
在另一方面，当叶片后缘为锯齿形状时，如图3(b)所示，流动在锯齿部份就开始逐渐连接，且在靠近后缘处已连接了相当一部份，造成速度损失小。由于这一原因，与上一情况相比，速度梯度减小，由此，产生的湍流也减弱。同时，由于连接部份的速度损失部份减小，混合损失也减小，所以风扇效率提高。
图4表示叶片后缘齿的尺寸对风扇性能影响的特性曲线。在此图中，横坐标代表齿高H和齿距S(参见图1，此处H＝S)与螺旋桨风扇1的外径D之比，而纵坐标代表噪声的减低和风扇效率改善的百分数。由此图可见，在H，S/D＝1—4％的范围内，噪声降低1分贝(A)或更多，而风扇效率提高。顶峰位于H，S/D约为2％的点处。
图5是叶片后缘为锯齿形状和不为锯齿形状(通常情况)情况下的噪声分析结果比较特性图表。在此图中，横坐标代表频率f，而纵坐标代表声压水平分贝。图中虚线A表示叶片后缘为锯齿形状的情况，而实线B表示叶片后缘不为锯齿形状的情况。由此图可见，当叶片后缘为锯齿形状时，在很宽的范围内，噪声水平(声压水平)与叶片后缘不为锯齿形状的情况相比都有降低。
上述说明是在螺旋桨风扇速度Uα＝14.5米/秒，螺旋桨风扇尺寸为直径D＝394毫米，C＝0.25米，和S/S＝1.0的条件下进行实验所得结果的结论。
为更仔细地了解这一现象，进行了二次流流动图形的模拟，而锯齿形状参数变化特性是在上述条件下确定的。
图7(a)和7(b)表示叶片后缘二次流流动图形的模拟结果。图7(a)表示在沿图6(a)A—A线所取截面上的二次流流动图形，而图7(b)表示在沿图6(a)B—B线所取截面上的二次流流动图形。这些图形表示流动沿叶片在截面上的速度分量的大小分布和方向的确定结果。图6(a)是叶片后缘和叶片连接流动，特别是纵向旋涡的展示图，而图6(b)是在切口部份(低谷部份)流动由正压区域向负压区域进行的展示图。图10表示沿图6(a)C—C线所取截面上的正压面和负压面上的流动。
由图7(a)可发现，在锯齿低谷部份产生一个从正压区域(图的下部)进行至负压区域(图的上部)的流动，并产生相对通过低谷底部截面而对称的纵向旋涡。此外，由图7(b)可发现，在离开叶片后缘的流动中，相对通过锯齿低谷底部截面而对称的纵向旋涡发展得更为完全。
图8和9表示锯齿形状变化的特性。图8表示速度特性，而图9表示湍流特性。在这些图中，在叶片后缘峰顶和低谷的速度(米/秒)和湍流(％)相对离叶片表面的距离X而给出，其条件为S/H＝1，当S＝0，S＝2.5和S＝7.5(+号和-号分别对应正压区域和负压区域。参见图9)。
图8揭示了如下结果：在叶片后缘中央位置的速度下降按照基底，S＝2.5，S＝7.5的峰顶，和S＝7.5的低谷的次序增加。总起来说，该图表示，只要有某一尺寸S的低谷，也即有切口存在，则速度下降就减弱。
图9揭示了如下结果；在叶片后缘中央位置的流动湍流按照基底，S＝2.5，S＝7.5的峰顶，和S＝7.5的低谷的次序增加。总起来说，该图表示，只要有某一尺寸S的低谷，也即有切口存在，则流动湍流减少。
上述说明是在螺旋桨风扇速度Uα＝14.5米/秒，螺旋桨风扇尺寸为直径D＝394毫米，C＝0.25米，和S/H＝1.0的条件下进行实验所得结果的结论。
其次，在螺旋桨风扇速度Uα＝40—50米/秒，螺旋桨风扇尺寸为直径D＝320毫米，C＝0.10米，和S/H＝1.0的条件下，测量了噪声下降特性。结果用记号X表示，并和上述结果一起示于图11。
图11揭示了如下结果：
(1)不管螺旋桨风扇1的外径D如何，当S/D约为2—3％和H/D约为2—3％时，噪声下降达到最低。
(2)不管锯齿的形状参数H和S如何，虽然上述讨论是在S/H＝1.0的条件下给出的，考虑在0.01＜S/D和H/D＜0.04，下降范围为1分贝(A)或更多，发现，假如0.5≤S/H≤2，可望下降为1分贝(A)或更多。
当螺旋桨风扇的叶片后缘是如图1所示的锯齿形状，锯齿的齿顶部变成尖的。因此，在顶部部位噪声可能产生，而在树脂模压过程中，下陷，毛边及类似现象也易于产生。
为解决这些问题，锯齿的齿顶部做成如图12(a)和12(b)所示的圆形(图12(a)表示螺旋桨风扇的上半部，图12(b)是图12(a)中D部份的放大图)。
这就是说，示于图12的螺旋桨风扇11具有若干叶片13，叶片中的每一片都有锯齿形状的后缘13a，并具有圆度半径为R的齿顶部。
当锯齿的齿顶部没有圆度时，流动在齿顶部有一奇点，因此，由于流动突然连接或局部二次流的产生，容易发生噪声。
在另一方面，当锯齿的齿顶部具有圆度时，流动的奇点消失，因此，所产生的噪声下降。还有，由于模压冷却的改善，齿顶部的圆度能限制树脂模压过程中下陷，毛边及类似物的产生。
图13是当S/D＝H/D＝0.02时，齿顶部圆度参数(R/S，H)对风扇噪声影响的特性图表，这里螺旋桨风扇11的噪声最低，风扇效率也有改进。由图13可发现，当R/S，H约为50％或更小时，噪声与齿顶部为尖的(R＝0)情况相比是下降了。
如上所述，根据该实施例提出的螺旋桨风扇1或11，与通常的螺旋桨风扇1’相比，噪声能进一步降低，风扇效率能进一步提高，此外，实际应用可以很容易。
其次，对于螺旋桨风扇11，与齿顶部是尖的情况相比，通过对锯齿齿顶部的倒圆，噪声能进一步下降，此外，在压模螺旋桨风扇时，下陷，毛边及类似物的产生能减少。
虽然在该实施例中，叶片后缘的锯齿形状是具形状相同的连续齿，但锯齿的形状并不限于这一形状。也可采用齿的尺寸为连续由大齿变为小齿的锯齿形状或采用将不同角度的齿加以适当组合的锯齿形状。此外，各种锯齿的齿顶部也可以是圆的。

Claims (9)

1.一种螺旋桨风扇，其叶片后缘为锯齿形状。
2.一种螺旋桨风扇，其叶片后缘为有形状相同的连续齿的锯齿形状。
3.一种螺旋桨风扇，其叶片后缘为具有齿形尺寸由较大齿依次变至较小齿的锯齿形状。
4.一种螺旋桨风扇，其叶片后缘有将不同角度加以适当组合的齿的锯齿形状。
5.按权利要求1至4中任一所述的螺旋桨风扇，其特征在于：锯齿为三角形状。
6.按权利要求5所述的螺旋桨风扇，其特征在于：锯齿的齿顶部是圆的。
7.按权利要求6所述的螺旋桨风扇，其特征在于：所述齿顶部的圆度半径R为齿距或齿高的50％或小于其的50％。
8.按权利要求1至4中任一要求所述的螺旋桨风扇，其特征在于：H/D大约等于0.02，S/D大约等于0.02，这里所述锯齿的形状参数H是齿高，S是齿距，D是螺旋桨风扇的直径。
9.按权利要求1至4中任一要求所述的螺旋桨风扇，其特征在于：0.5≤S/H≤2，这里所述锯齿的形状参数H是齿高，而S是齿距。
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