CN114962288A - 用于离心风机的叶轮和离心风机 - Google Patents

用于离心风机的叶轮和离心风机 Download PDF

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CN114962288A CN202110197735.8A CN202110197735A CN114962288A CN 114962288 A CN114962288 A CN 114962288A CN 202110197735 A CN202110197735 A CN 202110197735A CN 114962288 A CN114962288 A CN 114962288A
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冯世峰
马小魁
王利
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Johnson Controls Technology Co
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York Guangzhou Air Conditioning and Refrigeration Co Ltd
Johnson Controls Technology Co
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Abstract

本申请公开一种用于离心风机的叶轮和离心风机。叶轮包括支撑件和数个叶片。支撑件具有限定中空部的内壁。数个叶片设置在中空部中，数个叶片中的每一个与内壁连接，并沿支撑件的轴向方向延伸。数个叶片沿支撑件的圆周方向布置。数个叶片中的每一个为弯曲的，并包括前缘、尾缘、凸起的吸力面和凹陷的压力面，吸力面和压力面相对设置，前缘和尾缘相对设置，尾缘与支撑件的内壁相连接。吸力面上设有数个突出部，其靠近前缘设置。突出部能够在流体刚接触叶片时就对流体进行整流。在整流过程中，流体中的大漩涡会被分离为若干个小漩涡，小漩涡的摩擦阻力更小，能够部分抵消小漩涡本身运动所耗散的动能，从而达到降低叶轮的噪音，并提高离心风机的性能。

Description

用于离心风机的叶轮和离心风机
技术领域
本申请涉及叶轮领域，尤其涉及用于离心风机的叶轮。
背景技术
现有技术中，叶轮中的叶片为弧形，并且叶片表面为光滑的曲面。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，本申请提供一种用于离心风机的叶轮，所述叶轮包括支撑件和数个叶片。所述支撑件为筒状，并具有限定中空部的内壁。所述数个叶片设置在所述中空部中，所述数个叶片中的每一个与所述内壁相连接，并沿所述支撑件的轴向方向延伸，并且所述数个叶片沿所述支撑件的圆周方向布置。其中，所述数个叶片中的每一个为弯曲的，并且包括前缘、尾缘、凸起的吸力面和凹陷的压力面，所述吸力面和压力面相对设置，所述前缘和所述尾缘相对设置，其中，所述尾缘与所述支撑件的内壁相连接。其中，所述吸力面上设有数个突出部，所述数个突出部靠近所述前缘设置。
根据上述第一方面的叶轮，所述数个叶片中的每一个具有沿支撑件的轴向方向限定的长度方向和从所述前缘到所述尾缘的宽度方向。所述数个突出部沿所述宽度方向布置为数排，并且每排中的突出部沿所述长度方向布置。其中，在所述宽度方向上，位于不同排的突出部相互错开布置。
根据上述第一方面的叶轮，所述数个突出部在垂直于所述支撑件的径向的平面上的投影不重叠。
根据上述第一方面的叶轮，每排中的各个突出部具有相同的形状和尺寸。
根据上述第一方面的叶轮，每个所述突出部具有突出部高度，所述突出部高度为在所述支撑件的轴向截面上，所述突出部的顶部的最高点与所述吸力面的距离。所述数个突出部中的每一个的形状被设置为具有顶部的最高点，并且每排中的各个突出部的顶部的最高点沿平行于所述支撑件的轴向的直线布置；距离所述前缘最远的一排突出部的顶部的最高点所在的直线与所述前缘的末端所在的直线的距离S与叶片宽度W满足：
S＝A×W；
其中，A的取值范围为大于等于1/3并且小于等于2/5。
根据上述第一方面的叶轮，在每排的突出部中，相邻的两个突出部的顶部的最高点具有相同的间距。
根据上述第一方面的叶轮，数个突出部被配置为：在相邻两排突出部中，靠近前缘的一排突出部的突出部高度不小于靠近尾缘的一排突出部的突出部高度。
根据上述第一方面的叶轮，所述数个突出部的顶部具有位于所述最高点周围的较低部分。
根据上述第一方面的叶轮，所述数个突出部中的每一个为部分球状、橄榄状或水滴状。
根据本申请的第二方面，本申请提供一种离心风机，其包括上述叶轮。
本申请的叶轮上的突出部能够在流体刚接触叶片时就对流体进行整流，并且在整流之后不再有其他突出部接触整流后的流体，从而避免了流体再次受到扰动。在整流过程中，流体中的大漩涡会被分离为若干个小漩涡，该漩涡的上部方向与流体运动方向一致，其底部方向与流体运动方向相反。这种小漩涡的摩擦阻力更小，能够部分抵消小漩涡本身运动所耗散的动能，从而达到降低叶轮的噪音，并提高离心风机的性能。
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是本申请的离心风机的立体图；
图2是图1所示的叶轮的立体图；
图3是图2所示的叶片的立体图；
图4是图3所示的叶片的俯视图，其中突出部为部分球状；
图5A-5B是图4所示的叶片的径向截面图；
图6是图3所示的叶片的第二实施例的俯视图；
图7是橄榄状的突出部的放大图；
图8是图3所示的叶片的第三实施例的俯视图；
图9是水滴状的突出部的放大图；
图10A是不设有突出部的叶轮的湍动能仿真图；
图10B-10D分别是突出部为部分球状、突出部为橄榄状和突出部为水滴状的叶轮的湍动能仿真图。
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发明的各种具体实施方式进行描述。应该理解的是，虽然在本发明中使用表示方向的术语，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、等方向或方位性的描述本发明的各种示例结构部分和元件，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，基于附图中显示的示例方位而确定的。由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制。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是本申请的离心风机100的立体图。如图1所示，离心风机100包括蜗壳101、叶轮102和驱动装置103。具体来说，蜗壳101大致为圆筒状，并具有蜗壳中空部。蜗壳101的左右两侧设有进风通道，并且在蜗壳101的周向的后部设有出风通道。叶轮102容纳在蜗壳101的蜗壳中空部中。叶轮102大致为圆筒状，其具有转动轴线X。驱动装置103设置在蜗壳101的左侧，并且驱动装置103的驱动轴与叶轮102的转动轴线X共轴设置。驱动装置103的驱动轴与叶轮102相连接，以驱动叶轮102转动。当驱动装置103启动时，叶轮102沿转动轴线X转动，流体(例如，风)能够从左右两侧的进风通道进入蜗壳101后，从蜗壳101后部的出风通道排出。
图2是图1所示的叶轮102的立体图。如图2所示，叶轮102包括支撑件201。支撑件201为筒状，并具有限定支撑件中空部的内壁212。具体来说，支撑件201包括第一环221、第二环222、第三环223、数个第一支撑杆224和数个第二支撑杆225。数个第一支撑杆224设置在第一环221和第二环222之间，并且数个第一支撑杆224中每一个的左端与第一环221相连接，数个第一支撑杆224中每一个的右端与第二环222相连接。数个第一支撑杆224沿支撑件201的圆周方向均匀布置。数个第一支撑杆224之间具有间距。类似地，数个第二支撑杆225设置在第二环222和第三环223之间，并且数个第二支撑杆225中每一个的左端与第二环222相连接，数个第二支撑杆225中每一个的右端与第三环223相连接。数个第二支撑杆225沿支撑件201的圆周方向均匀布置。数个第二支撑杆225之间具有间距。数个第一支撑杆224和数个第二支撑杆225的数量相同，并且数个第一支撑杆224和数个第二支撑杆225相应设置。换句话说，数个第一支撑杆224中的每一个第一支撑杆224和相应的第二支撑杆225布置在同一直线上，该直线平行于叶轮102的转动轴线X。需要说明的是，虽然本申请中数个第一支撑杆224中的每一个第一支撑杆224和相应的第二支撑杆225布置在同一直线上，但本领域的技术人员可以理解，数个第一支撑杆224中的每一个第一支撑杆224和相应的第二支撑杆225也可以呈一定角度布置。
如图2所示，叶轮102还包括数个叶片202。数个叶片202中的每一个与内壁212相连接。数个叶片202沿支撑件201的周向方向延伸形成。数个叶片202的数量与数个第一支撑杆224和数个第二支撑杆225的数量对应设置。也就是说，叶片202设置在第一支撑杆224和第二支撑杆225的内壁212上。
在本申请的示例中，叶轮102为左右两侧进风的叶轮。本领域的技术人员可以理解，对于单侧(即，左侧或右侧)进风的叶轮来说，只需两个支撑环以及布置在两个支撑环中间的数个叶片202即可。因此，下文中所描述的数个叶片202中的每一个叶片202是指布置在第一环221和第二环222之间的叶片202或者布置在第二环222和第三环223之间的叶片202。
图3是图2所示的叶片202的立体图，以示出叶片202的具体结构。如图3所示，叶片202为弯曲的。其包括前缘301、尾缘302、吸力面305和压力面306。其中前缘301和尾缘302相对设置。尾缘302与支撑件201的内壁212(例如，第一支撑杆224和/或第二支撑杆225)相连接。吸力面305和压力面306相对设置。吸力面305是凸起的，而压力面306是凹陷的。叶片202具有沿支撑件201的轴向方向限定的叶片长度L和从前缘301到尾缘302的叶片宽度W。吸力面305上设有数个突出部311，并且数个突出部311靠近前缘301设置。突出部311可以为多种形状，例如部分球状、橄榄状或水滴状。
图4是图3所示的叶片202的俯视图，图5A-5B是图4所示的叶片202的径向截面图，以进一步示出叶片202以及数个突出部311的具体结构。如图4-5B所示，数个突出部311沿叶片202的宽度方向布置为三排，并且每排中的突出部311沿叶片202的长度方向布置。在叶片202的宽度方向上，位于不同排的突出部311相互错开布置。如图4中的放大图所示，点划线表示各个突出部311在长度方向(即，在垂直于支撑件201的径向的平面)上的投影。从该放大图中可以看出，各个突出部311在长度方向上的投影是不重叠的。当流体从进风通道进入叶轮102后，流体会先接触叶片202的前缘301，并朝向尾缘302流动。靠近前缘301设置的数个突出部311能够对流体起到整流的作用，将旋转产生的大漩涡分离为若干个小漩涡，并且在更靠近前缘301布置的突出部311接触流体后，靠近尾缘302(即，后排)的突出部311不会再次接触已经经过突出部311整流的流体。这能够使得叶轮102中的流体速度分布更均匀。
如图4-5B所示，设置在吸力面305上的突出部311的形状是相同的，但是位于不同排的突出部311可以具有不同的尺寸。具体来说，突出部311具有顶部。该顶部包括最高点和位于最高点周围的较低部分。换句话说，突出部311的顶部的最高点位于突出部311的中部，以使得最高点至吸力面305具有较为平滑的过渡。在支撑件201的轴向截面上，该顶部的最高点与吸力面305的距离比突出部311上其他任一点距离与吸力面305的距离更远。由于突出部311为对称图形，因此顶部的最高点位于突出部311的几何中心轴线上。突出部311的几何中心轴线垂直于吸力面305布置。如图5A所示，每排中的各个突出部311的顶部的最高点沿平行于支撑件201的轴向的直线布置。距离前缘301最远的一排突出部311的顶部的最高点所在的直线与前缘301的末端所在的直线的距离S与叶片宽度W满足：
S＝A×W；
其中，A的取值范围为大于等于1/3并且小于等于2/5。
第一排中的每个突出部311的顶部的最高点所在的直线与第二排中的每个突出部311的顶部的最高点所在的直线之间的距离为距离S1，第二排中的每个突出部311的顶部的最高点所在的直线与第三排中的每个突出部311的顶部的最高点所在的直线之间的距离为距离S2。其中，距离S、距离S1和距离S2满足：
S1＝B×S，
Figure BDA0002946417900000051
其中，B的取值范围为大于等于1/4并且小于等于1/3。
每个突出部311的顶部的最高点与吸力面305的距离为突出部高度H。每一排中的各个突出部311的突出部高度H相同。其中，最靠近前缘301的突出部311为第一排，第一排中的每个突出部311的突出部高度为H1。第二排中的每个突出部311的突出部高度为H2。第三排中的每个突出部311的突出部高度为H3。数个突出部311被配置为：在相邻的两排突出部311中，靠近前缘301的一排突出部311的突出部高度不小于靠近尾缘302的一排突出部311的突出部高度。也就是说，在相邻的两排突出部311中，靠近前缘301的一排突出部311的突出部高度大于或等于靠近尾缘302的一排突出部311的突出部高度。靠近尾缘302布置的突出部311的突出部高度不宜超过靠近前缘301的一排突出部311的突出部高度，这能够避免突出部311产生附加涡流。
作为一个示例，突出部高度H1、突出部高度H2和突出部高度H3满足：
H1≤0.25mm；H2＝C×H1；H3＝D×H2；
其中，C的取值范围为大于等于0.9并且小于等于1，并且D的取值范围为大于等于0.9并且小于等于1。
如上所述，突出部311可以为多种形状，例如部分球状、橄榄状或水滴状。作为第一实施例，图4-5B中示出了的突出部311为部分球状。具体来说，部分球状的突出部311具有球直径D，并且每一排中的各个突出部311的球直径D相同。其中，最靠近前缘301的突出部311为第一排，第一排中的每个突出部311的球直径为D1。第二排中的每个突出部311的球直径为D2。第三排中的每个突出部311的球直径为D3。球直径D1、球直径D2和球直径D3满足：
D1＝E×W；D2＝F×D1；D3＝G×D2；
其中，E的取值范围为大于等于0.06并且小于等于0.08，F的取值范围为大于等于0.9并且小于等于1，并且G的取值范围为大于等于0.9并且小于等于1。
此外，对于同一排中的突出部311来说，突出部311沿叶片202的长度方向间隔均匀布置。相邻两个的突出部311的顶部的最高点之间的间距为M。间距M满足：
M＝4×D1。
图6是图3所示的叶片202的第二实施例的俯视图，其中突出部311为橄榄状。图7是橄榄状的突出部311的放大图。具体来说，橄榄状的突出部311的边缘包括位于左部和右部的第一边缘701以及位于上部和下部的第二边缘702。第一边缘701和第二边缘702均为圆弧，并且第一边缘701的半径为R1，第二边缘702的半径为R2。橄榄状的突出部311的边缘相对于轴线X和轴线Y对称。轴线X和轴线Y的交汇点为O，其为突出部311的顶部的最高点。第一边缘701的半径R1的圆心O1位于轴线X上，并且其与交汇点O的距离为L1。第二边缘702的半径R2的圆心O2位于轴线Y上，并且其与交汇点O的距离为L2。第一边缘701的半径R1、圆心O1与交汇点O的距离L1、第二边缘702的半径R2、圆心O2与交汇点O的距离L2满足：
R1＝K1×W；L1＝K2×W；R2＝K3×W；L2＝K4×W；
其中，K1的取值范围为大于0.5等于并且小于等于1.2，K2的取值范围为大于等于0.07并且小于等于0.09，K3的取值范围为大于0并且小于等于0.04，K4的取值范围为大于0.05并且小于等于0.07。
此外，对于同一排中的突出部311来说，突出部311沿叶片202的长度方向间隔均匀布置。相邻两个的突出部311的顶部的最高点之间的间距为M。间距M满足：
M＝8×(R1-L1)。
图8是图3所示的叶片202的第三实施例的俯视图，其中突出部311为水滴状。图9是水滴状的突出部311的放大图。具体来说，水滴状的突出部311的边缘包括位于左部的第一边缘901、位于上部和下部的第二边缘902以及位于右部的第三边缘903。第一边缘901和第二边缘902均为圆弧，并且第一边缘901的半径为R1，第二边缘902的半径为R2。第三边缘903为直线。水滴状的突出部311的边缘相对于轴线X对称。第一边缘901的半径R1为O，其为突出部311的顶部的最高点，并且位于轴线X上。右部的第三边缘903与轴线X形成的角度为φ。角度φ的取值范围为大于等于8°并小于等于20°。第三边缘903的长度为L。第一边缘901的半径R1、第二边缘902的半径为R2、以及第三边缘903的长度L满足：
R1＝J1×W；R2＝J2×W；L＝J3×W；
其中，J1的取值范围为大于0.04等于并且小于等于0.05，J2的取值范围为大于等于0.3并且小于等于0.52，J3的取值范围为大于等于0.05并且小于等于0.07。
此外，对于同一排中的突出部311来说，突出部311沿叶片202的长度方向间隔均匀布置。相邻两个的突出部311的顶部的最高点之间的间距为M。间距M满足：
M＝8×R1。
图10A为不设有突出部的叶轮的湍动能仿真图。图10B-10D分别是突出部为部分球状、突出部为橄榄状和突出部为水滴状的叶轮的湍动能仿真图。从图中可以看出，图10A中的叶轮的湍动能最大。相比之下图10B-10D中示出的湍动能较小。经过计算和分析，在相同的风量和转速下，不设有突出部的叶轮的湍动能大致为1.2KJ，而突出部为部分球状、突出部为橄榄状和突出部为水滴状的叶轮的湍动能分别为1.11KJ、1.1KJ和1.12KJ。相比于不设有突出部的叶轮，其湍动能能够减少约10％。
此外，相比于将突出部设置在叶片的其他位置，靠近前缘301设置的突出部能够在流体刚接触叶片时就对流体进行整流，并且在整流之后不再有其他突出部接触整流后的流体，从而避免了流体再次受到扰动。在整流过程中，流体中的大漩涡会被分离为若干个小漩涡，该漩涡的上部方向(靠近前缘301)与流体运动方向一致，其底部方向(靠近尾缘302)与流体运动方向相反。这种小漩涡的摩擦阻力更小，能够部分抵消小漩涡本身运动所耗散的动能，从而达到降低叶轮的噪音，并提高离心风机的性能。
需要说明的是，虽然本申请中示出了排为三排的突出部，但任意排数的突出部均在本申请的保护范围内。
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 (12)

1.一种用于离心风机的叶轮，其特征在于：所述叶轮包括：
支撑件(201)，所述支撑件(201)为筒状，并具有限定中空部(211)的内壁(212)；以及
数个叶片(202)，所述数个叶片(202)设置在所述中空部(211)中，所述数个叶片(202)中的每一个与所述内壁(212)相连接，并沿所述支撑件(201)的轴向方向延伸，并且所述数个叶片(202)沿所述支撑件(201)的圆周方向布置；
其中，所述数个叶片(202)中的每一个为弯曲的，并且包括前缘(301)、尾缘(302)、凸起的吸力面(305)和凹陷的压力面(306)，所述吸力面(305)和压力面(306)相对设置，所述前缘(301)和所述尾缘(302)相对设置，其中，所述尾缘(302)与所述支撑件(201)的内壁相连接；
其中，所述吸力面(305)上设有数个突出部(311)，所述数个突出部(311)靠近所述前缘(301)设置。
2.如权利要求1所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：
所述数个叶片(202)中的每一个具有沿支撑件(201)的轴向方向限定的长度方向和从所述前缘(301)到所述尾缘(302)的宽度方向；
所述数个突出部(311)沿所述宽度方向布置为数排，并且每排中的突出部(311)沿所述长度方向布置；
其中，在所述宽度方向上，位于不同排的突出部(311)相互错开布置。
3.如权利要求2所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：
所述数个突出部(311)在垂直于所述支撑件(201)的径向的平面上的投影不重叠。
4.如权利要求2所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：
每排中的各个突出部(311)具有相同的形状和尺寸。
5.如权利要求2所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：
每个所述突出部(311)具有突出部高度，所述突出部高度为在所述支撑件(201)的轴向截面上，所述突出部(311)的顶部的最高点与所述吸力面(305)的距离；
所述数个突出部(311)中的每一个的形状被设置为具有顶部的最高点，并且每排中的各个突出部(311)的顶部的最高点沿平行于所述支撑件(201)的轴向的直线布置；距离所述前缘(301)最远的一排突出部(311)的顶部的最高点所在的直线与所述前缘(301)的末端所在的直线的距离S与叶片宽度W满足：
S＝A×W；
其中，A的取值范围为大于等于1/3并且小于等于2/5。
6.如权利要求5所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：
在每排的突出部(311)中，相邻的两个突出部(311)的顶部的最高点具有相同的间距。
7.如权利要求5所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：
数个突出部(311)被配置为：在相邻两排突出部(311)中，靠近前缘(301)的一排突出部(311)的突出部高度不小于靠近尾缘(302)的一排突出部(311)的突出部高度。
8.如权利要求5所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：
所述数个突出部(311)的顶部具有位于所述最高点周围的较低部分。
9.如权利要求4所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：
所述数个突出部(311)中的每一个为部分球状、橄榄状或水滴状。
10.一种离心风机，其特征在于：
所述离心风机包括如权利要求1-9中任一项所述的叶轮。
11.一种用于离心风机的叶轮，包括权利要求1-9中任一项技术特征或技术特征的任意组合。
12.一种离心风机，包括权利要求10中任一项技术特征或技术特征的任意组合。
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