CN113039366B - 叶轮以及轴流送风机 - Google Patents

Abstract

叶轮(11)具备能够绕旋转轴(6)旋转的轮毂部(2)和从轮毂部(2)呈放射状延伸的叶片(1)。在使叶片(1)投影于与旋转轴(6)垂直的面的情况下的叶片(1)的平面形状中，叶片(1)的外缘中的朝向通过轮毂部(2)的旋转而行进的叶片(1)的行进方向的叶片前缘部(13)具有：向与行进方向相反的方向弯曲的第一弯曲部(17)；设置在比第一弯曲部(17)靠旋转轴(6)侧的位置且向行进方向弯曲的第二弯曲部(18)；以及设置在比第一弯曲部(17)靠与旋转轴(6)相反的一侧的位置且向行进方向弯曲的第三弯曲部(19)。

Description

叶轮以及轴流送风机

技术领域

本发明涉及产生向旋转轴的方向流动的气流的叶轮以及轴流送风机。

背景技术

轴流送风机为了降低通过叶轮的旋转而产生的噪音，提出了针对构成叶轮的叶片的形状的各种提案。在专利文献1中公开了如下的叶轮：使叶片投影于与旋转轴垂直的面的情况下的叶片的平面形状为使叶片弦中心线向通过叶轮的旋转而行进的叶片的行进方向前进的形状。叶片弦中心线是将叶片弦的中心连结的线。使叶片弦中心线向行进方向前进是指叶片弦中心线随着远离旋转轴而向行进方向的前方弯曲。在专利文献1的叶轮中，促进从叶片中的朝向行进方向的叶片前缘部进入的气流的流出，使在叶片前缘部产生的剥离涡流成为稳定的纵向涡流，从而实现由剥离涡流引起的噪音的降低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特公平2-2000号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，叶轮越使叶片弦中心线前进，则叶片前缘部附近的应力集中越显著。根据上述专利文献1中公开的现有技术，存在难以兼顾噪音的降低和应力集中的降低的问题。

本发明是鉴于上述状况而作出的，其目的在于得到一种能够降低噪音和降低应力集中的叶轮。

用于解决课题的方案

为了解决上述问题并实现上述目的，本发明的叶轮具备能够绕旋转轴旋转的轮毂部和从轮毂部呈放射状延伸的叶片。在使叶片投影于与旋转轴垂直的面的情况下的叶片的平面形状中，叶片的外缘中的朝向通过轮毂部的旋转而行进的叶片的行进方向的叶片前缘部具有：向与行进方向相反的方向弯曲的第一弯曲部；设置在比第一弯曲部靠旋转轴侧的位置且向行进方向弯曲的第二弯曲部；以及设置在比第一弯曲部靠与旋转轴相反的一侧的位置且向行进方向弯曲的第三弯曲部。

发明的效果

本发明的叶轮能够起到降低噪音和降低应力集中的效果。

附图说明

图1是表示具有本发明的实施方式1的叶轮的轴流送风机的概略结构的图。

图2是表示图1所示的叶轮的平面形状的图。

图3是表示图2所示的叶轮中的叶片与轮毂部的平面形状的图。

图4是对图3所示的叶片的周围的气流的状态进行说明的图。

图5是对图3所示的叶片的形状与叶片的强度之间的关系进行说明的图。

图6是表示图2所示的叶轮中的负压面侧的俯视图。

图7是表示图2所示的叶轮中的压力面侧的俯视图。

图8是对实施方式1的叶轮的噪音特性进行说明的图。

图9是对实施方式1的叶轮的风量-静压特性进行说明的图。

图10是针对实施方式1的叶轮，表示图2所示的角度θ1和角度θ2的例子的图。

图11是表示实施方式1的叶轮的角度θ1与风量Q之间的关系的例子的图。

图12是表示实施方式1的叶轮的角度θ1与最小比噪音K_Tmin之间的关系的例子的图。

图13是表示实施方式1的叶轮的角度θ1与最大应力σmax之间的关系的例子的图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式的叶轮以及轴流送风机进行详细说明。需要说明的是，并非通过该实施方式来限定本发明。

实施方式1.

图1是表示具有本发明的实施方式1的叶轮11的轴流送风机10的概略结构的图。轴流送风机10用于风扇、换气扇、空气调节机或设备的冷却等。

轴流送风机10具有：能够通过旋转而产生气流的叶轮11；以及对叶轮11进行旋转驱动的电机12。另外，轴流送风机10具有将叶轮11收容为能够旋转的框体。电机12保持于框体。框体具有供通过叶轮11的旋转而产生的气流流过的开口。在开口的边缘设置有直径朝向气流的上游侧扩大的喇叭口。在图1中，省略了框体和喇叭口的图示。

叶轮11具有由一张板材进行模制而成的星形轮(spider)5和与星形轮5接合的三张弯曲板3。星形轮5具有位于星形轮5的中心的主板部即轮毂部2和设置在轮毂部2的周围的三个安装部4。轮毂部2与电机12连接，通过由电机12进行驱动，轮毂部2以旋转轴6为中心向旋转方向C旋转。

弯曲板3分别构成叶片1。弯曲板3通过对金属板的冲压加工而形成。弯曲板3分别安装于安装部4，接合于安装部4中的与旋转轴6相反的一侧的端部。安装部4相当于叶片1中的轮毂部2侧的根部分。弯曲板3通过焊接或使用铆钉与安装部4接合。

这样，叶轮11具有能够绕旋转轴6旋转的轮毂部2和从轮毂部2呈放射状延伸的三张叶片1。各叶片1由弯曲板3和安装部4构成。叶片1呈与旋转轴6相反的一侧的部分向气流的上游侧倾斜的曲面形状。轴流送风机10通过叶轮11向旋转方向C的旋转，产生向与旋转轴6平行的方向即箭头A的方向流动的气流。

叶轮11不限于由星形轮5和弯曲板3构成，也可以是具有圆柱状的轮毂部2和安装于轮毂部2的叶片1的叶轮。设置于叶轮11的叶片1的数量不限于三个，可以是任意数量。设置于叶轮11的各叶片1都具有同样的三维立体形状。以下所述的对叶片1的说明对于设置于叶轮11的叶片1的每一个是共通的。

图2是表示图1所示的叶轮11的平面形状的图。图2表示使叶轮11投影于与旋转轴6垂直的面的情况下的叶轮11的平面形状。图3是表示图2所示的叶轮11中的叶片1和轮毂部2的平面形状的图。在图2和图3中，X轴和Y轴是相互垂直的轴。X轴与Y轴的原点O是旋转轴6的位置。

叶片1的平面形状中的外缘具有：叶片前缘部13，该叶片前缘部13是朝向通过轮毂部2的旋转而行进的叶片1的行进方向的部分；叶片后缘部14，该叶片后缘部14是朝向与叶片1的行进方向相反的一侧的部分；叶片外周部15，该叶片外周部15是朝向与旋转轴6相反的一侧的部分；以及叶片内周部16，该叶片内周部16是朝向旋转轴6的部分。在平面形状中，叶片内周部16呈沿着轮毂部2的外缘的圆弧。叶片1具有朝向叶片1的行进方向突出的末端部20。

在平面形状中，叶片外周部15呈以旋转轴6为中心的圆弧。叶片外周部15也可以是圆弧以外的曲线。在叶片1的三维立体形状中，叶片外周部15向气流的上游侧弯曲。叶轮11通过使叶片外周部15弯曲，来抑制由叶片外周部15处的从叶片1的压力面侧向叶片1的负压面侧的气流泄漏引起的叶片端涡流的产生。由此，叶轮11能够降低在叶片1产生的叶片端涡流与压力面、其他叶片1或上述喇叭口干涉而引起的噪音。

在平面形状中，叶片前缘部13具有：向与叶片1的行进方向相反的方向弯曲的第一弯曲部17；设置于比第一弯曲部17靠旋转轴6侧的位置且向行进方向弯曲的第二弯曲部18；以及设置于比第一弯曲部17靠与旋转轴6相反的一侧的位置且向行进方向弯曲的第三弯曲部19。这样，叶片前缘部13在第一弯曲部17和第二弯曲部18之间、以及第一弯曲部17和第三弯曲部19之间分别形成弯曲的方向变化的曲线。第三弯曲部19与叶片外周部15一起构成末端部20。在以下的说明中，有时将叶片1的行进方向称为前方，将与叶片1的行进方向相反的方向称为后方。另外，有时将第一弯曲部17、第二弯曲部18以及第三弯曲部19合起来的部分称为凹凸。

线段21表示叶片外周部15中的包含于末端部20的位置25处的切线即第一切线。位置25是比叶片外周部15与叶片前缘部13之间的顶点24靠后方的位置。线段22表示第三弯曲部19中的包含于末端部20的位置26处的切线即第二切线。位置26是比顶点24靠旋转轴6侧的位置。线段23表示第一弯曲部17中的位于第二弯曲部18侧的端部的位置27处的切线即第三切线。

叶片1的叶片弦中心线30随着远离旋转轴6而向前方弯曲。末端部20呈随着朝向前方而末端变细且向前方突出的形状。第一角度即角度θ1是线段21与线段22所成的角度，即包括末端部20在内的范围内的角度。第二角度即角度θ2是线段22与线段23所成的角度，即包括第一弯曲部17在内的范围内的角度。角度θ1小于角度θ2。

图4是对图3所示的叶片1的周围的气流的状态进行说明的图。图4表示图3所示的IV-IV线处的截面。如图3所示，在叶片1中的叶片外周部15附近产生叶片端涡流28。叶片端涡流28在叶轮11旋转时，由叶片1中的压力面31与负压面32的压力差形成。来自前方的气流和从设置有喇叭口的侧方吸入的气流流入叶片前缘部13，因此，在叶片前缘部13的附近形成剥离涡流29。在轴流送风机10中，在叶片1产生的叶片端涡流28和剥离涡流29碰到与该叶片1相邻的其他叶片1、喇叭口或框体，从而有可能产生噪音。

在叶片1的负压面32侧产生紊流边界层中的气流33。在叶片前缘部13的附近产生的剥离涡流29越大，则气流33一边紊乱一边向叶片后缘部14流动，由此在叶片后缘部14的后方产生的后方涡流(trailing vortex)34越大。在轴流送风机10中，剥离涡流29和后方涡流34越大，另外，气流33的紊乱越大，则噪音特性越差。

在实施方式1中，通过设置朝向前方而末端变细的末端部20，从叶片前缘部13绕到负压面32侧的纵向涡流附着于负压面32，在叶片前缘部13产生的剥离涡流29成为稳定的纵向涡流。通过使剥离涡流29稳定，能够抑制气流33的紊乱，减小后方涡流34。由此，轴流送风机10能够抑制噪音特性变差。

接着，对末端部20的形状与叶片1的强度之间的关系进行说明。图5是对图3所示的叶片1的形状与叶片1的强度之间的关系进行说明的图。在图5中，示出以叶片弦中心线30的弯曲变大的方式使叶片1的形状不同的情况下的叶片1的平面形状。随着叶片弦中心线30的弯曲从图5中的左侧的状态向右侧的状态变大，末端部20处的向前方的突出变大。需要说明的是，在图5中，简化表示叶片1的形状，并且省略了说明中不需要的结构的图示。

线段35是将叶片前缘部13中的任意的半径R上的位置36与叶片外周部15上的位置37连结的直线。线段35与位置37处的叶片外周部15的切线垂直。随着末端部20向前方的突出变大，角度θ1变小。角度θ1越小，则线段35越短。线段35越短，则叶片前缘部13附近的应力集中越显著，因此，容易产生叶片1的变形。

假设在叶片前缘部13没有设置上述凹凸的情况下，在通过增大叶片弦中心线30向前方的弯曲而减小了角度θ1的情况下，如上所述，能够实现由剥离涡流29的稳定带来的噪音特性的改善，另一方面，因应力集中而容易产生叶片1的变形。在实施方式1中，通过在叶片前缘部13设置凹凸，从而缓和叶片1中的应力集中。

图6是表示图2所示的叶轮11中的负压面32侧的俯视图。图7是表示图2所示的叶轮11中的压力面31侧的俯视图。在各叶片1中的由虚线包围的部分40处，通过叶轮11的旋转而产生的应力集中。部分40是叶片前缘部13的附近，是靠近弯曲板3与安装部4接合的位置的部位。弯曲板3中的与安装部4接合的位置成为支点，叶片1变形，因此，应力在各叶片1的部分40集中。

在此，对在叶片1具有相同角度θ1的末端部20且在叶片前缘部13不设置凹凸的情况和在叶片前缘部13设置有凹凸的实施方式1的情况下测定了应力的例子进行说明。在此说明的应力的例子是如下情况下的应力：叶轮11的转速为1800min^-1，弯曲板3的厚度为1mm，星形轮5的厚度为3mm，弯曲板3以及星形轮5的材料为一般的钢材。在叶片前缘部13不设置凹凸的情况下，叶片1受到的最大应力为57.2MPa。另一方面，在叶片前缘部13设置有凹凸的实施方式1的情况下，叶片1受到的最大应力为48.2MPa。叶片1受到的最大应力通过在叶片前缘部13设置凹凸，与没有设置凹凸的情况相比，降低大约15.7％。这样，叶轮11通过在叶片前缘部13设置第一弯曲部17、第二弯曲部18以及第三弯曲部19，能够缓和叶片1中的应力集中。

叶轮11通过缓和叶片1中的应力集中，能够抑制叶片1的变形。与为了提高叶片1的强度而增加叶片1的厚度的情况相比，叶轮11能够实现轻量化，且能够减少材料的量，从而能够降低制造成本。另外，与为了提高叶片1的强度而将高强度且高价的材料用于叶片1的材料的情况相比，叶轮11能够抑制材料的成本。

接着，对上述角度θ1以及角度θ2与叶轮11的特性之间的关系进行说明。图8是对实施方式1的叶轮11的噪音特性进行说明的图。图9是对实施方式1的叶轮11的风量-静压特性进行说明的图。图10是针对实施方式1的叶轮11，表示图2所示的角度θ1和角度θ2的例子的图。图8所示的图表表示风量与比噪音的等级之间的关系的例子。图9所示的图表表示风量与静压之间的关系的例子。

“叶轮A1”是实施方式1的叶轮11，角度θ1为42.1度且角度θ2为130.0度。“叶轮A2”是实施方式1的叶轮11，角度θ1为29.4度且角度θ2为111.6度。“叶轮A3”是实施方式1的叶轮11，角度θ1为20.2度且角度θ2为90.0度。“叶轮B1”是比较例的叶轮，不具有上述凹凸。在“叶轮B1”中，角度θ1为67.6度。“叶轮A1”、“叶轮A2”、“叶轮A3”以及“叶轮B1”具有260mm的直径。在实施方式1的叶轮11中，角度θ1包含在20.2度至42.1度的范围内。

叶片1通过使角度θ2为90度以上，从而第一弯曲部17、第二弯曲部18以及第三弯曲部19平滑地连接。由此，叶轮11可以减少由于在叶片前缘部13设置有凹凸而引起的对叶片前缘部13处的气流流入的影响。

在图8中，纵轴表示总压基准的比噪音K_T(dB)，横轴表示风量Q(m³/min)。在图9中，纵轴表示静压P_S(Pa)，横轴表示风量Q(m³/min)。比噪音K_T与风量Q之间的关系由以下的式(1)表示。在式(1)中，SPL_A表示实施了基于A特性的修正的噪音等级。P_T表示总压。

K_T＝SPL_A-10·log(Q·P_T ^2.5) (1)

根据图9，“叶轮A1”、“叶轮A2”以及“叶轮A3”的风量-静压特性可视为与“叶轮B1”的风量-静压特性相同。根据图8，“叶轮A1”、“叶轮A2”以及“叶轮A3”的噪音特性关系与“叶轮B1”的情况相比，以噪音最大降低2dB左右的方式得到改善。

图11是表示实施方式1的叶轮11的角度θ1与风量Q之间的关系的例子的图。图11所示的图表表示静压为零的开放点处的角度θ与风量比ΔQ之间的关系的例子。风量比ΔQ表示各叶轮11的风量Q相对于角度θ1为67.6度的“叶轮B1”的风量Q之比。在图11中，纵轴表示风量比ΔQ(％)，横轴表示角度θ1(度)。图11的图表中的标绘线(plot)表示针对“叶轮A1”、“叶轮A2”、“叶轮A3”以及“叶轮B1”的角度θ1与风量比ΔQ之间的关系。表示角度θ与风量比ΔQ之间的关系的曲线通过对标绘线间的角度θ与风量比ΔQ之间的关系进行插补而求得。

根据图11，随着角度θ1变小而风量比ΔQ变小的倾向被确认。但是，当在67.6度至20.2度的角度范围内使角度θ1变化的情况下，风量比ΔQ的减少幅度最大被抑制为0.6％。由此，可以说实施方式1的叶轮11通过减小角度θ1而引起的风量的减少是有限的。

图12是表示实施方式1的叶轮11的角度θ1与最小比噪音K_Tmin之间的关系的例子的图。在图12中，纵轴表示最小比噪音差ΔK_Tmin(dB)，横轴表示角度θ1(度)。最小比噪音差ΔK_Tmin表示角度θ1为67.6度的“叶轮B1”的最小比噪音K_Tmin与各叶轮11的最小比噪音K_Tmin之差。图12的图表中的标绘线表示针对“叶轮A1”、“叶轮A2”、“叶轮A3”以及“叶轮B1”的角度θ1与最小比噪音差ΔK_Tmin之间的关系。表示角度θ1与最小比噪音差ΔK_Tmin之间的关系的曲线通过对标绘线间的角度θ1与最小比噪音差ΔK_Tmin之间的关系进行插补而求得。

根据图12，在角度θ1为15度至55度的范围的情况下，叶轮11的噪音特性以最小比噪音差ΔK_Tmin降低0.5dB以上的方式得到改善。另外，在角度θ1为29.4度的情况下，叶轮11的噪音特性以最小比噪音差ΔK_Tmin降低2dB的方式得到改善。

图13是表示实施方式1的叶轮11的角度θ1与最大应力σmax之间的关系的例子的图。在图13中，纵轴表示最大应力比Δσmax(％)，横轴表示角度θ1(度)。最大应力比Δσmax表示各叶轮11的最大应力σmax相对于角度θ1为67.6度的“叶轮B1”的最大应力σmax之比。图13的图表中的标绘线表示针对“叶轮A1”、“叶轮A2”、“叶轮A3”以及“叶轮B1”的角度θ1与最大应力比Δσmax之间的关系。表示角度θ1与最大应力比Δσmax之间的关系的曲线通过对标绘线间的角度θ1与最大应力比Δσmax之间的关系进行插补而求得。

根据图13，在角度θ1包含在20.2度至55度的范围内的情况下，最大应力σmax降低4％到9％。通过设定包含在20.2度至42.1度的范围内的角度θ1，叶轮11能够降低噪音，缓和应力集中。并且，如上所述角度θ2为90度以上，因此，θ2<θ1的关系成立。由此，在角度θ1小于角度θ2的情况下，叶轮11能够降低噪音，缓和应力集中。

根据实施方式1，叶轮11在各叶片1的叶片前缘部13设置有第一弯曲部17、第二弯曲部18以及第三弯曲部19。叶轮11通过使叶片1的平面形状为具有比角度θ2小的角度θ1的形状，能够降低噪音，降低应力集中。由此，叶轮11能够起到降低噪音和降低应力集中的效果。

以上的实施方式所示的结构表示本发明的内容的一例，也可以与其他公知的技术组合，也可以在不脱离本发明的主旨的范围内省略、变更结构的一部分。

附图标记说明

1叶片、2轮毂部、3弯曲板、4安装部、5星形轮、6旋转轴、10轴流送风机、11叶轮、12电机、13叶片前缘部、14叶片后缘部、15叶片外周部、16叶片内周部、17第一弯曲部、18第二弯曲部、19第三弯曲部、20末端部、21、22、23线段、24顶点、25、26、27、36、37位置、28叶片端涡流、29剥离涡流、30叶片弦中心线、31压力面、32负压面、33气流、34后方涡流、40部分、C旋转方向。

Claims (4)

1.一种叶轮，所述叶轮具备：

能够绕旋转轴旋转的轮毂部；以及

从所述轮毂部呈放射状延伸的叶片，

所述叶轮的特征在于，

在使所述叶片投影于与所述旋转轴垂直的面的情况下的所述叶片的平面形状中，所述叶片的外缘具有：朝向通过所述轮毂部的旋转而行进的所述叶片的行进方向的部分即叶片前缘部；朝向与所述行进方向相反的一侧的部分即叶片后缘部；以及朝向与所述旋转轴相反的一侧的部分即叶片外周部，

所述叶片的叶片弦中心线随着远离所述旋转轴而向所述行进方向弯曲，

所述叶片中的末端部是随着朝向所述行进方向而末端变细且向所述行进方向突出的形状，

所述叶片前缘部具有：向与所述行进方向相反的方向弯曲的第一弯曲部；设置在比所述第一弯曲部靠所述旋转轴侧的位置且向所述行进方向弯曲的第二弯曲部；以及设置在比所述第一弯曲部靠与所述旋转轴相反的一侧的位置且向所述行进方向弯曲的第三弯曲部，

所述叶片的外缘中的朝向与所述旋转轴相反的一侧的部分即叶片外周部向通过所述叶轮的旋转而产生的气流的上游侧弯曲，

在所述叶片的平面形状中，将朝向与所述旋转轴相反的一侧的叶片外周部中的包含于所述末端部的位置处的切线设为第一切线，将所述第三弯曲部中的包含于所述末端部的位置处的切线设为第二切线，将所述第一弯曲部中的位于所述第二弯曲部侧的端部的位置处的切线设为第三切线，将所述第一切线与所述第二切线所成的角度即包括所述末端部在内的范围内的角度设为第一角度，将所述第二切线与所述第三切线所成的角度即包括所述第一弯曲部在内的范围内的角度设为第二角度，所述第一角度小于所述第二角度。

2.如权利要求1所述的叶轮，其特征在于，

所述第一角度包含在20.2度至42.1度的范围内。

3.如权利要求1或2所述的叶轮，其特征在于，

所述第二角度为90度以上。

4.一种轴流送风机，其特征在于，所述轴流送风机具备：

权利要求1～3中任一项所述的叶轮；以及

对所述叶轮进行旋转驱动的电机。

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