CN1135304C - 斜流式空气循环器的制作方法及用其方法制作的该循环器 - Google Patents

Abstract

一种风机，即斜流式空气循环器的方法及用其方法制作的斜流式空气循环器，该斜流式空气循环器适用于大型抽风系统和小型风扇，其主要包括电机支撑板、轮毂、风叶、马达及机毂，风机的各主要部件尺寸利用最先进的风机三元流动设计计算系统计算和确定，包括轮毂的倾角α_h和机毂倾角α_t，以及风叶的几何参数即弦长b、安装角β_b、曲率半径R₀和流面倾角α，风叶叶尖处设置叶冠。

Description

斜流式空气循环器的制作方法 及用其方法制作的该循环器

本发明涉及一种风机的制作方法，尤指一种适用于多种场合的斜流式空气循环器。

目前的风机主要是离心式风机及轴流式风机，它们被广泛地用于通风系统、空调器中等等，风扇也单独地被在家庭中应用，或在其它家电产品中例如冷风机、加湿器中被应用。离心式风机可以提供较高的风压，但供风方向单一；轴流式风机可以提供较大的风量，供风方向也是限于单向或单一平面。即以往的风机不能实现用户对较复杂的气流方向的要求，不能实现气流沿室内空间任意预定方向流动的气动性能，而且噪声高。因此，能够提供沿室内空间任意预定方向流动的气流，且噪声低的风机仍是十分需要的。

本发明的目的在于提供一种风机，即斜流式空气循环器，它能够使气流沿室内空间任意预定方向流动，且噪声低。

本发明的目的是这样实现的，即提供一种风机，即斜流式空气循环器的制作方法，适用于大型抽风系统和/或小型风扇，其主要包括电机支撑板、轮毂、风叶、马达及机毂，所述风机的各部件尺寸采用叶轮机械三元流动理论与内部绕流控制的气动理论及风机三元流动设计计算系统确定，即根据所述理论和算法，算出风叶子午流线分布，确定轮毂的倾角α_h与机毂的倾角α_t，确定风叶各叶型截面所在的锥面位置，由风叶子午分速度C算出轴向速度Cz，由Cz和切向速度Cu取得速度分布组合优化，再得出叶型几何参数的弦长b、安装角β_b、叶片曲率半径R₀和流面倾角α。

本发明还提供一种采用上述方法制作的所述斜流式空气循环器，其包括电机支撑板、轮毂、风叶、马达及机毂，所述风叶的形状为空间三元扭曲形状，当所述风叶(4)的出口直径d₂为0.2-0.8米时，所述轮毂(3)的倾角α_h为8-45°，所述风叶(4)的弦长b的变化范围按相对弦长b/b_h确定，即b/b_h＝0.6-2.5，所述风叶(4)的安装角β_b的变化范围从轮毂的54°到叶尖的25°，所述风叶(4)的曲率半径R₀的变化范围按相对曲率半径R₀/R_0h确定，即R₀/R_0h＝0.6-2.8。

本发明的优点在于，使用新的风机设计，即采用最先进的叶轮机械三元流动理论与内部绕流控制的气动理论及风机三元流动设计计算系统进行设计和计算，由此确定风机的各关键部件的关键尺寸，据此制出的风机可实现噪声低和实现气流沿室内空间任意预定方向流动的目的。由于本发明的产品所提供的风是斜流的(相对于主轴方向)，而且能使空气在室内循环，所以可以更科学地称本发明产品为斜流式空气循环器。

以下结合附图，描述本发明的实施例，其中：

图1是本发明风机即斜流式空气循环器的一个实施例的剖视图。

图2是本发明风机即斜流式空气循环器的风叶、叶冠和轮毂部分形状的外观图。

图3是本发明的部分风叶及其叶冠形状的剖面图。

图4是本发明风机即斜流式空气循环器的一个实施例的结构详图。

图5是本发明风机即斜流式空气循环器的一实施例的外观图。

图6是说明实验空调工程用的空调房间结构参数的示意图。

图7是图6所示房间在X断面上取点测温度的一种布置位置图。

图8是对图7所示各位置进行测温的热电藕测温线路方框图。

图9是图7中Z＝1.44米纵断面开机45分钟时的温度分布曲面图。

图10是图7中Z＝1.44米纵断面开机45分钟时的温度分布平面图。

图11是关于轴向、径向、准正交方向和子午方向的说明图。

图12是设计本发明产品时得出的沿风叶子午面的流线分布图。

图13是设计本发明产品时风叶进口、出口的子午分速度C₁₁(进口)、C₁₂(出口)随平均相对半径r_m的变化图。

图14是流型优化计算结果中最佳的Cz与Cu的变化图。

图15是叶片弦长b与叶型曲率半径R₀的变化说明图。

图16是流面倾角α与叶片安装角β_b的变化说明图。

图17是本发明产品的锥形外毂的半锥角α_t的定义和风叶轮毂倾角α_h的定义的说明图。

图18是风叶相对弦长b/b_h的变化范围图，b_h是轮毂弦长。

图19是风叶叶片安装角β_b的变化范围图。

图20是风叶相对曲率半径R₀/R_0h的变化范围图。

首先对本发明所应用的理论和计算方法及实施例作详细说明。

本发明风机即斜流式空气循环器采用叶轮机械三元流动理论(Three-Demensional Flow Theory of the Turbomachinery)与内部绕流控制的气动理论(Intemal Encircling Control Aerodynamic Theory)及风机三元流动设计计算软件系统和叶轮内部流动的实验研究结果研制开发而成。采用上述理论与研究方法开发本产品，在国内外尚属首次。

本发明风机即斜流式空气循环器采用的风叶是一种三元扭曲风叶，其使气流可以根据用户的性能要求沿空间任意方向流动。通过这种三元风叶(3-D Blades)所形成的沿锥体扩张方向的三元气流流场，可以获得空调室内气流最有效的热交换与流通，达到改善气流组织与降温或升温目的，与同类轴流式或离心式风叶相比，它具有效率高、噪声低、风量大、体积小等特点。

本发明风机的另一个特征是在风叶叶尖设置有辅助导叶的叶冠装置，这种叶冠能有效控制气流通过叶尖间隙的潜流与二次流，从而明显地降低噪声及改善风叶气动性能。

采用本发明风机即斜流式空气循环器，于典型的5×5×3m³空调室内的热对流作过模拟估算。

由对流作用引起的热量(或冷量)转移是和流体的移动结合在一起的。因此对流换热是一种复杂的过程，它主要取决于外部受迫运动的动力装置性能及换热面的形状位置，当采用本发明于5×5×3m³空调室内时，可以迅速有效地进行对流换热，同时由于本发明风机的机头可以在0-180度范围任意转向，便可在运行过程中始终处于最佳的对流换热的状态。室内的平均流速可以给人获得舒适感。

根据对2.88×3×2.9m³模型空调室内温度场测定数据，应用对流换热原理，对5×5×3m³空调室在采用本发明时进行热交换模拟计算，计算结果如下：当风机风量为0.5m³/s时，提供热源的室内最边缘平均温升可以升高4.310℃。此温升与热源或冷源提供的负荷有关，也与空调室的体积大小有关。如果是冷源，对5×5×3m³空调室，则可以降低4.310℃，室内平均流速约为0.033m/s。

本发明风机即斜流式空气循环器，主要用于家庭室内空气循环，它确保空调室内冷、热气流在很短时间内趋于较均匀状态，合乎人体需要，达到节能目的。以5×5×3m³空调室为例，采用本发明风机，只要10-15分钟，就可以平均降温或升温4-5℃，室内气流的平均流速符合人体舒适感。

本发明产品根据用户的不同要求，形成不同规格的系列产品。除应用于空调室内空气循环外，还可以用于屋顶、厂房、矿井、现场工地、住宅等通风换气。

开发本发明产品的设计理论是发明人多年来关于风机三元流动理论与风机内部绕流控制气动理论研究与应用的结果，风机三元流动理论也是发明人根据叶轮机械三元流动理论发展与应用的结果。这一理论从数学模型上准确地反映了气流的空间流动规律。在根据三元流动理论设计各类风机或风扇叶轮时，可不再受轴向或径向的限制，而采用沿空间任意方向的三元流动设计方法，同时充分考虑实际气流特性，满足叶道内部流动不分离准则与优化设计准则等。本发明就是在这种设计理论指导下，在国内外首次开发成功的。

本发明产品的设计方法主要包括如下内容；

(a)确定本发明产品的最佳子午面形状，该子午面形状包括进口、旋转的风叶流道和出口圆锥扩散通道。其计算与确定方法见如下文献，即吕文灿的“任意倾斜流面叶轮子午形状分析与研究”(第四届亚洲流体机械国际会议，中国苏州，10月，1993)，

(b)进行该产品的子午面三元流场计算，采用流线迭代法进行6-8次迭代，获得所需计算精度的收敛解。计算结果为子午面实际流线分布、子午速度分布等，其结果可参阅图12和图13所示。

(c)进行空间流型优化计算，这是在子午面三元流场获得收敛解的基础上，按如下文献，即吕文灿的“任意倾流面叶轮最佳控制旋涡的研究与应用”(中国工程热物理学报(美国版)，Vol.2.1992)进行流型优化计算，结果如图14所示。

(d)进行三元叶型优化计算，根据子午三元流场计算结果，计算沿准正交q向各截面上风叶的气流参数与叶型的几何参数，并进行叶型优化迭代计算，计算结果如图15、图16所示。

本计算例(如图12-图20所示)的风叶轮由5个叶片组成。每个叶片都是空间三元扭曲叶片。叶型安装角从轮毂向轮缘递减，见图16，叶型弦长从轮毂向轮缘递增，见图15。

基元叶型是等厚度圆弧叶型。三元流动计算软件同时提供风叶叶道内部实际流动不分离准则与气动优化准则的校核，当该准则不满足时，则重新修改参数进行迭代计算，直到满足为止。

(e)根据下述文献，即吕文灿的“风机内部流动的一种控制方案和它的实验研究”(第一届能量转换与能源工程国际会议，中国武汉，10月，1990)，计算在叶尖截面上气流沿叶面的附面层厚度、动量厚度与通过叶尖间隙潜流与二次流强度，从而确定控制叶尖绕流的叶冠结构最佳尺寸。

根据本发明产品的性能试验结果表明，本发明产品的设计计算结果与其性能实测数据吻合。

参阅图1所示本发明风机的一个实施例，该风机可称为斜流式空气循环器，可适用于大型抽风系统或小型风扇，该风机的结构主要包括有电机支撑板1、轮毂3、风叶即叶片4、马达10及机毂11；机毂11与电机支撑板1相连接构成本发明风机的框架，马达10安装在电机支撑板1上，风叶4安装在轮毂3上，风叶4和轮毂3可分别制造或制成一体，例如用塑料材料将轮毂3和与其连在一起的几个风叶4一次压铸出来，轮毂3中间有孔，套在马达10的轴上，由马达10带动轮毂3和风叶4旋转工作。该风机各部分的结构采用前述叶轮机械三元流动理论与内部绕流控制的气动理论及风机三元流动设计计算软件系统和叶轮内部流动的实验结果所确定。

本发明风机的主要特征首先在于它的叶片4的形状，与以往的风机的叶片的形状不同，本发明风机的每一叶片4都是空间三元扭曲叶片形状，该形状由子午三元流场计算结果，沿准正交q向各截面上的风叶的气流参数与叶型的几何参数所确定。

叶片4的数目根据不同要求从3至10片范围确定。轮毂3的外表面成圆锥形，叶片4置于该圆锥面上，并与轮毂3以一定的角度相连接。

图上还示出在风叶4叶尖处设置有叶冠12，叶冠12的长度和风叶4的叶尖的上弦长度相同，叶冠12的其余特征在另外的图中进一步说明。叶冠12起辅助导叶的作用，能有效控制气流通过叶尖间隙的潜流与二次流，从而明显地降低噪声及改善风叶4的气动性能。

参阅图2所示本发明风机的风叶4、叶冠12以及轮毂3部分的一实施例的外形图。图中可以看出，风叶4倾斜地安装在轮毂3的外圆锥面上，风叶4下部较窄，上部较宽，在风叶4的叶尖部分沿弦长有与风叶叶片成一角度的窄条，该窄条就是叶冠12。风叶4是片状结构，呈扭曲形，本立体图清楚地反映了这几部分的形状，而尺寸和形状皆根据前述方法和步骤算出。

参阅图3所示部分风叶4及其叶冠12的剖面图。图中显示叶冠12与风叶4的叶尖成直角，叶冠12的宽度Δh根据产品规格在2-12毫米范围内确定，而叶冠12的厚度δ也是根据产品不同规格在0.5-4.5毫米范围内确定。

参阅图4所示本发明风机即斜流式空气循环器的一个实施例的剖面结构详图。图中虽然只画了一半的结构剖面，但不影响对整个结构的说明。图中所用来代表部件的数字的含义与图1至图3中的相同。

图4中，马达10固定在电机支撑板1上，电机支撑板1固定在机毂11上，风机带有面盖2，它是活动的，安装在机毂11左侧，使空气经面盖2进入风机内，轮毂3由螺母5固定在传动片6上，传动片6套在马达10的轴7上，由垫圈8和卡环9将传动部分连接起来，风叶4固定在轮毂3上，风叶4的叶尖部分有叶冠12，叶冠12与机毂11内壁之间有小的间隙即径向间隙Δr，Δr的范围为Δr＝1.5-16mm，机毂11的左边是进风口，右边是出风口，进风口小而出风口大，其内壁呈圆锥形，圆锥角在另外的附图中给出。本实施例是按本说明书中所述的方法设计和制造的。因此，风叶4在3至10片范围内，是按三元理论所设计和制造的空间扭曲形状，轮毂3的尺寸、风叶4的尺寸都由前述方法所确定。

参阅图5所示本发明风机即斜流式空气循环器的一实施例的外观图。本外观图仅是一种实施例，外观不相同的本发明产品还有很多，但只要按本发明的设计方法所设计的风机或风扇或称为斜流式室气循环器，不受外观的限制，都属本发明的范围。

图5中，空气从右下方被吸入，然后经圆锥状的轮毂的引导和风叶的转动，将空气以一定的压力、速度、流量等从图中左上方吹出。机头的方向可以在0-180°范围内变化。

参阅图6所示说明实验空调工程用的空调房间结构参数的示意图。本说明书中前面已论述到验证本发明的设计方法，采用了5×5×3立方米的空调房间。这里用的是一样的房间，只是尺寸不同而已。X-Z面是水平面，Y轴所示是垂直方向。由于这种房间常用来验证所发明的设计方法是否正确，本发明也采用同样的方式验证，所以引用此图对空调房间结构参数予以说明。

参阅图7，为了测量空调房间内各处在使用风机后的分别的温度变化，就要取点进行温度测量。图7给出了取测量点的一种取点方式。

参阅图8，显示有关图6和图7中所述要测温度所采用的热电藕温度计，为了测量的准确，采用了有关的电子电路，并放大、显示和打印出来。参阅图9和图10，显示了图6至图8的一次测量结果，即在开机后45分钟时，在X＝1.44米纵断面上测得的温度分布情形，图9是曲面图，图10是平面图，各有特色，图9直观，而图10因有等温线也很直观。本发明的设计方法和产品设计，在模型制出后，用图6至图8所示方法检验是否正确。本发明的设计方法已被验证是正确的。

参阅图11，为了说明风叶等的设计参数必须引入的子午方向，图中用1表示，轴向用Z表示，径向用r表示，子午方向1与Z轴的夹角用α表示，准正交方向用q表示，q与r的夹角用γ表示。

参阅图12所示子午流线计算结果，表现了沿风叶子午面的流线分布，根据数值计算结果，流线计算迭代公差小于0.002毫米，子午流线即沿子午面的流线，所谓子午面就是通过旋转中心轴线的任意一个平面都是子午面，亦即是r-z坐标所在的平面。图中绘出七条子午流线，轮毂与叶尖子午流线确定了风叶的轮毂倾角与机毂倾角，中间各流线所形成的锥面就是所在的叶型截面。

参阅图13所示风叶进口、出口的子午分速度C₁₁、C₁₂随平均相对半径r_m的变化图，C₁₁是进口子午分速度，C₁₂是出口子午分速度，也就是气流沿子午面的速度分布。下标1表示沿子午方向(图11已有说明)，α称为流线或流面倾角。在有了C₁值后，就可以计算出轴向速度Cz，再与切向速度Cu组合，便可计算出所在锥面上的叶型参数，包括安装角β_b与弦长b等，安装角β_b为弦长方向与圆周方向的夹角。

参阅图14所示流型优化计算结果，即得到了最优的轴向速度Cz分布和切向速度Cu分布，据此，可以获得最优的风叶扭曲(三元)规律，这是经不同锥面与叶型优化计算最终确定的。

参阅图15和图16，图15给出了叶片弦长b与曲率半径Ro的变化关系，图16给出了流面倾角α与叶片安装角β_b的变化关系。它们都是风叶叶型优化计算的最终结果，即风叶叶片弦长b、叶型圆弧半径R₀，叶型安装角β_b、叶型所在锥面的倾角即子午流线倾角α，整个三元叶片的形状被上述4个参数b、R₀、β_b、α的分布规律所确定。它们是由电脑三锥数值计算的结果，任何人为的手算都是无法代替的。

图13-图16中的纵坐标是平均相对半径，即r_m＝(r/r_t)_m，(下标m为平均值)，其中r_t为叶尖半径，在图13-图16中的虚线位置r_mh＝((r_1h+r_2h)/2)/(r_1t+r_2t)/2)，下标h-轮毂，t-叶尖，所以r_mh所在位置即为风叶在轮毂起点的相对平均半径，本实施例中r_mh＝0.347，要求专利保护范围r_mh＝0.3-0.4。

图12至图16是风叶的计算步骤，首先在图12中确定了风叶轮毂与叶尖锥面位置的倾角α，中间的各流线确定了风叶各叶型截面所在的锥面位置，在图13中由C₁计算出轴向速度Cz，由Cz与Cu达到了速度分布组合优化，否则要重算Cz分布，由优化的(Cz)_opt、(Cu)_opt才能进行优化叶型的几何参数计算，从而最终获得叶型的几何参数b、β_b、R₀、α。

参阅图17所示本发明风机即斜流式空气循环器，当风叶出口直径d₂分别为0.2米、0.3米、0.4米、0.5米、0.6米、0.7米、0.8米时，它们的锥形外毂的半锥角α_t＝4-18°，风叶轮毂的倾角α_h＝10-42°。

参阅图18，说明了风叶相对弦长b/b_h的变化范围，这里b_h是轮毂弦长，图中的参数以相对值表示，图中虚线区域是本发明所要求的保护范围，即相对弦长b/b_h＝0.6-2.5。

参阅图19，说明了风叶叶片安装角β_b的变化范围，纵坐标用r的相对值表示，图中虚线区域的数据范围为本发明所要求保护的范围，即β_b从轮毂的54°到叶尖截面的25°为其保护范围。

参阅图20，说明了风叶曲率半径R₀的变化范围，横坐标和纵坐标都用相对值表示，即R₀/R_0h表示横坐标，R_0h是轮毂叶片的曲率半径，r/r_t表示纵坐标，图中的虚线区域的数据范围为本发明所要求保护的范围，即相对曲率半径R₀/R_0h＝0.6-2.8。

以上论述和附图清楚地说明了本发明风机即斜流式空气循环器的特征、优点、设计方法和实施例，本说明书中所用的专业术语和符号都是本行业中通用的术语和符号，含义明确，本发明的产品是本领域的先进产品，本领域的人，在阅读过本说明书后，就会领略到本发明的先进和优势之处，本发明的实施给风机产品领域增添了更多的光彩，给使用者增加了更多的选择。

Claims (8)

1.一种风机，即斜流式空气循环器的制作方法，其斜流式空气循环器适用于大型抽风系统和/或小型风扇，并主要包括电机支撑板(1)、轮毂(3)、风叶(4)、马达(10)及机毂(11)，其特征在于，所述风机的各部件尺寸采用叶轮机械三元流动理论与内部绕流控制的气动理论及风机三元流动设计计算系统确定，即根据所述理论和算法，算出风叶子午流线分布，确定轮毂(3)的倾角α_h与机毂(11)的倾角α_t，确定风叶(4)各叶型截面所在的锥面位置，由风叶子午分速度C算出轴向速度Cz，由Cz和切向速度Cu取得速度分布组合优化，再得出叶型几何参数的弦长b、安装角β_b、叶片曲率半径R₀和流面倾角α。

2.一种采用权利要求1所述方法制作的所述斜流式空气循环器，其特征在于，包括电机支撑板(1)、轮毂(3)、风叶(4)、马达(10)及机毂(11)，所述风叶(4)的形状为空间三元扭曲形状，当所述风叶(4)的出口直径d₂为0.2-0.8米时，所述轮毂(3)的倾角α_h为8-45°，所述风叶(4)的弦长b的变化范围按相对弦长b/b_h确定，即b/b_h＝0.6-2.5，所述风叶(4)的安装角β_b的变化范围从轮毂的54°到叶尖的25°，所述风叶(4)的曲率半径R₀的变化范围按相对曲率半径R₀/R_0h确定，即R₀/R_0h＝0.6-2.8。

3.如权利要求2所述的斜流式空气循环器，其特征在于，风叶(4)的数目为3-10片。

4.如权利要求2所述的斜流式空气循环器，其特征在于，所述机毂(11)的倾角α_t为4-20°。

5.如权利要求2所述的斜流式空气循环器，其特征在于，所述风叶(4)的叶尖设有叶冠(12)。

6.如权利要求5所述的斜流式空气循环器，其特征在于，所述叶冠(12)的宽度Δh在2-12毫米范围内，厚度δ在0.5-4.5毫米范围内。

7.如权利要求2所述的斜流式空气循环器，其特征在于，所述轮毂(3)的相对半径r_mh的变化范围是r_mh＝0.3-0.4。

8.如权利要求2所述的斜流式空气循环器，其特征在于，所述机毂(11)与叶冠(12)之间的径向间隙Δr的变化范围是Δr＝1.5-16毫米。

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