CN1141497C - 设计斜流式自由风扇的方法及由此获得的斜流式自由风扇 - Google Patents

Abstract

一种斜流式自由风扇，适用于各类通风，空调与空气循环场合，主要包括电机支撑板1，轮毂3，风叶4，马达10，网罩11等，各主要部件尺寸是利用最先进的风机三元流动设计计算系统用电脑加以计算和确定，包括轮毂3的倾角α_h，风叶顶部机毂倾角α_t，以及风叶的几何参数即弦长b，安装角β_b，曲率半径R_o和流面倾角α。风叶叶尖处设置叶冠。

Description

设计斜流式自由风扇的方法及 由此获得的斜流式自由风扇

技术领域

本发明涉及风机领域，特别是适用于多种场合的风扇。

背景技术

目前的风机领域，主要是离心式风机，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的较复杂的气流方向要求，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。

发明内容

本发明的目的，在于能够提供一种斜流式自由风扇(Inclined FlowFreedom Fan)，它能产生比普通风扇在风量风速上大得多的气流，沿空间任意预定方向流动，且噪声低。它适用于各类通风，空调与空气循环之用。

本发明的解决方案是提供一种设计斜流式自由风扇的方法，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，由此确定风机各关键部件的关键尺寸，确定出轮毂倾角α_h，风叶顶部倾角α_t，确定风叶各截面所在锥面位置，由风叶子午分速度C_l，算出轴向速度C_z，再由空间流型确定切向速度C_u取得速度分布优化组合，从而得出叶型几何参数即弦长b，安装角β_b，叶片曲率半径R_o和流面倾角α。本发明还一种根据该方法设计出的斜流式自由风扇。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产品为斜流式自由风扇。

本发明的优点在于，将叶轮机械三元流动理论与内部绕流控制的气动理论及最佳空间流型理论相结合，应用于斜流式自由风扇设计，从而获得了高于普通风扇的优异气动性能。

斜流式自由风扇的主要特征在于按上述理论设计的空间三元扭曲风叶能最大限度地将机械能传递给气流，获得比普通轴流风扇高25-40％以上的流动效率，且噪声低。由于任意流面为倾斜流面，不仅由于子午加速使出口绝对速度加大，而且由于这种风叶进出口各截面的圆周速度、相对速度的变化，使气流在叶道内获得高的静压能量头，在无机壳自由风扇的条件下，使出口获得更强的风速与更大的风量。当风叶的剖面采用机翼型时，能量的转换与风叶的流动效率将达到最佳值，而噪声则更低。参考文献是，吕文灿，“用于车辆隧道的斜流式风机最佳控制旋涡设计”，1988年9月27-29日英国达尔姆举办的第六届车辆隧道通风与空气动力学国际学术会议(Lu Wencan，Optimum Control Vortex Design of Inclined Flow Fan for Vehicle Tunnels，6thInternational Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of VehicleTunnels，Durham，UK，27-29 September，1988)。

下面对本发明所应用的理论和计算方法及实施例作详细说明。

本发明的风机，即斜流式自由风扇，是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(Internal 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所研制开发而成。采用上述理论与研究方法开发本产品，在国内外尚属首次。

本发明的风机，即斜流式自由风扇采用的风叶是一种三元扭曲风叶，其气流方向可以根据用户的性能要求沿空间任意方向。通过这种三元风叶(3-DBlades)所形成的三元气流流场，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。

本发明的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的潜流与二次流，从而明显地降低噪声与改善风叶气动性能。本发明的风机，在不设置风叶叶冠的情况下，也达到相当的效率，也属于本发明的范围。

采用本发明的风机即斜流式自由风扇，于典型的5×5×3m³空调室内的热对流作过模拟估算。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以舒适感。

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空调室进行采用本发明时的热交换模拟计算，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，与冷热源的射流特性有关，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0.033m/s。

本发明的风机，即斜流式自由风扇，主要用于家庭室内空气循环之用，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，采用本发明的风机，只要30-45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。

本发明的该种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之用外，还可以用于屋顶，厂房，矿井，现场工地，住宅等通风换气之用。

开发本发明的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，可以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。

本发明的产品即斜流式自由风扇主要包括支撑板，轮毂，风叶，马达等，其设计方法主要包括如下内容：

斜流式风叶叶轮的尺寸与几何形状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最优设计软件系统确定，即根据上述理论与算法，算出子午流线分布，确定轮毂倾角α_h与风叶顶部倾角α_t，确定风叶叶型截面所在的流面位置。由风叶子午分速度C_l算出轴向速度C_z，再由空间流型确定切向速度C_u，获得速度分布的优化组合，从而得出相应截面上的叶型几何参数，即弦长b、安装角β_b、叶片曲率半径R_o和流面倾角α。这里风叶子午速度分布的计算，除了根据子午面三元流场数值计算外，还根据斜流式自由风扇最佳空间流型理论所确定。参考文献有：(1)吕文灿：“低压轴流风机最佳流型的理论与实验”，1987年10月中国西安举办的中日流体机械学术会议；(2)吕文灿：“轴流式风机空间流型的分析与研究”，中国工程热物理学报，Vol.14，No.2，1993。

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。

附图说明

本发明用如下附图加以说明。

图1是本发明的风机即斜流式自由风扇的一个实施例的剖视图；

图2是本发明的风机即斜流式自由风扇的风叶，叶冠和轮毂部分形状的外观图；

图3是表示部分风叶及其叶冠形状的剖面图；

图4是本发明的风机即斜流式自由风扇的一实施例外观图；

图5是关于轴向，径向，准正交方向和子午方向的说明图；

图6是关于叶型弦长b的说明图；

图7是关于叶型安装角β_b的说明图；

图8是设计本发明的产品时得出的沿风叶子午面的流线分布；

图9是设计本发明的产品时，某实施例风叶进口、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10是一实施例的流型优化计算结果，最佳的(C_z)_opt与(C_u)_opt的变化图；

图11是一实施例中叶片弦长b与叶型曲率半径R_o的变化说明图；

图12是流面倾角α的变化说明图；

图13是本发明产品的风叶顶部倾角即叶尖流面倾角α_t的定义和风叶轮毂倾角α_h的定义的说明图；

图14示出风叶相对弦长b/b_h的变化范围，b_h是轮毂弦长；

图15示出风叶叶片安装角β_b的变化范围；

图16示出风叶相对曲率半径R_o/R_oh的变化范围。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的风机的一个实施例，该风机可称为斜流式自由风扇(Inclined Folow Freedom Fan)，可适用于各类通风，空调与空气循环之用，该实施例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、网罩11，网罩11与电机支撑板1相连接构成本实施例风机的框架，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3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片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。本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。

本发明的风机的主要特征首先是叶片4的形状。与以往的风机的叶片的形状不同，本发明的风机的每一叶片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在3至10片范围内。轮毂3外表面成圆锥形，叶片4置于此圆锥面上，与轮毂3以一定的角度相连接。轮毂3也可以不是圆锥面，也属于本发明范围。

图上还指出在风叶4叶尖处设置有叶冠结构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的潜流与二次流，从而明显地降低噪声并改善风叶4的气动功能。

参阅图2，图2是本发明的风机的风叶4及其叶冠12，以及轮毂3部分的一实施例外形图。图中可以看出，风叶4是倾斜地安装在轮毂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，图3给出了部分风叶及其叶冠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的厚度也是根据产品不同规格在0.5-6毫米范围内确定

参阅图4，图4是本发明的风机即斜流式自由风扇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的产品还有很多，但只要按本发明的设计方法所设计的风机或风扇都称为斜流式自由风扇，不受外观的限制，都属本发明的范围。

图中，空气从右下方被吸入，然后，经风叶的转动，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°内变化。

参阅图5，图5示出为了说明风叶等的设计参数必须引入的子午方向，图中子午方向用l表示，轴向用Z表示，径向用r表示，子午方向l轴与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Ψ表示。流面倾角α是气流子午面流线方向l与轴向Z的夹角，在轮毂与叶尖截面处，分别以α_h、α_t表示。本发明中，0＜α＜-5°。

参阅图6，图6是叶型弦长b，弦长是叶型中弧线前、后线端点距离b沿叶高是变的，在轮毂与叶尖处分别以bh、bt表示。

参阅图7，图7是叶型安装角β_b，它是叶型弦长与叶型旋转方向(u)的夹角，在轮毂与叶尖处以β_bh、β_bt表示。

叶型曲率半径R_o是指叶型中弧线的半径，也是变量值，轮毂与叶尖处以R_oh，R_ot表示。

此外，平均相对半径r_m，其定义为r_m＝(r/r_t)_m，任意截面r₁≠r₂(流面倾斜)。因而轮毂处(r_m)_h＝r_mh＝((r_1h+r_2h)/2)/((r_1t+r_2t)/2)，对自由风扇本实施例中r_mh＝0.2，(r_mh)_min＝0.1。

参阅图8，图8是子午流线计算结果，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5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叶尖倾角，中间各流线所形成的锥面就是所在的叶型截面。

参阅图9，图9是风叶进口、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5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C_z，再与切向速度C_u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。

参阅图10，图10所示为流型优化计算结果，即得到了最优的轴向速度C_z分布和切向速度C_u分布，据此，可以获得最优的风叶扭曲(三元)规律，这是由不同锥面与叶型优化计算最终确定的。

参阅图11、图12和图15，图11给出了叶片弦长b与曲率半径R_o的变化关系说明图，图12和图15给出了流面倾角α与叶片安装角β_b的变化关系说明图。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R_o，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，R_o，，β_b，α的分布规律所确定。它们是由电脑三维数值计算的结果，是任何人为的手算所无法代替的。

图8至图12是风叶的计算步骤，首先在图10中确定了风叶轮毂与叶尖锥面位置与倾角α，中间的诸流线确定了风叶各叶型截面所在的锥面位置，由图9中的C₁计算出轴向速度C_z，由C_z与C_u达到了速度分布组合优化，否则要重算C_z分布，由优化的(C_z)_opt，(C_u)_opt分布进行优化叶型的几何参数计算，从而最终获得优化叶型的几何参数b，β_b，R_o，α。

参阅图13，图13是本发明的风机即斜流式自由风扇在风叶出口直径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，它们的风叶顶部倾角即叶尖流面倾角α_t＝0～30°，风叶轮毂倾角α_h在-5～40°内。

参阅图14，图14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15，图15说明的是风叶叶片安装角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65度到叶尖截面的15度为其保护范围。

参阅图16，图16说明的是风叶曲率半径R_o的变化范围，横坐标和纵坐标都用的是相对值表示，即R_o/R_oR表示横坐标，(R_oR是轮毂叶片的曲率半径)，(r/rt)_m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(R_o/R_oh)＝0.4～4.0。

本说明书的以上论述和附图清楚地说明了本发明的斜流式自由风扇的特征，优点，设计方法和实施例，本领域的普通技术人员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 (10)

1.一种设计斜流式自由风扇的方法，斜流式自由风扇适用于各类通风、空调与空气循环场合，主要包括电机支撑板(1)，轮毂(3)，风叶(4)，马达(10)，网罩(11)，所述方法的特征在于，

其各部件尺寸是用叶轮机械三元流动理论与内部绕流控制气动理论及最佳空间流型理论确定斜流式风叶的流道形状与尺寸，即根据此理论和算法，先算出子午流线分布，确定轮毂(3)倾角α_h与风叶顶部倾角α_t，确定风叶(4)叶型截面所在的流面位置，由风叶子午分速度C_l算出轴向速度C_z，再由空间流型确定切向速度C_u获得速度分布优化组合，从而得出相应截面上的叶型几何参数，即弦长b，安装角β_b，叶片曲率半径R_o和流面倾角α。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其风叶(4)形状为空间三元扭曲形状。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其风叶出口直径d₂为0.2～0.8米，其风叶(4)的数目为3～10片。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其风叶出口直径0.2～0.8米，其风叶(4)轮毂倾角α_h在-5～40度内，其叶尖流面倾角α_t在0-30度范围内。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其风叶(4)叶尖设有叶冠(12)，所述的叶冠(12)宽度Δh在2-12毫米范围，其厚度δ在0.5-6毫米范围内。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其风叶弦长b的变化范围是按相对弦长b/b_h确定的，即b/b_h＝0.6～2.5。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其风叶安装角β_b的变化范围是从轮毂截面的65°到叶尖截面的15度，亦即15°≤β_b≤65°。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其风叶曲率半径R_o的变化范围是按相对曲率半径R_o/R_oh确定的，即R_o/R_oh＝0.4～4.0。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其轮毂的平均相对半径r_mh的变化范围是r_mh＝0.1～0.45。

10.一种如权利要求1所述的方法设计出的斜流式自由风扇。

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