CN115190945A - 风扇和风扇叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有前部前缘(2)和后部后缘(3)的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)具有至少一些部分呈波状的前缘(4)，所述前缘形成具有独特三维波形的波纹(W)。

Description

风扇和风扇叶片
本发明涉及一种风扇和风扇叶片，确切来说涉及一种离心式风扇。
例如在经由交换器套组进行抽吸时在热交换器中使用风扇。然而，这使得去向风扇的进入流非常湍急。去向风扇的湍急进入流导致噪声发出显著地增大，而这会造成扰民的噪声。为了对进入流进行表征，可通过测量来确定湍流程度Tu和所谓湍流长度Λ。湍流程度是速度波动的量值对平均值的比率。湍流长度是湍流结构的平均尺寸。其对应于速度波动相互关联的路径长度。热交换器本质上由具有翅片的管道构成。
在当前的风扇或风扇轮下，在流体力学方面出色的风扇叶片实现高性能，尤其是在所实现的流量或压力增强方面。总而言之，需要即使流动湍急仍具有良好的空气动力性质的低噪声风扇。然而，在风扇运作期间强烈的噪声产生时常仍是一个问题。噪声是在湍急的进入流冲击风扇叶片时出现。
在现有技术中，有各种设计解决方案来减小这些问题。为了减小运作噪声，DE19948075 A使用一种叶片具有双镰刀形前导叶片边缘的轴流式风扇，所述前导叶片边缘具有突出的外隅角。US 3416725 A示出一种具有双镰刀形前缘和略微单镰刀形后缘的叶片形状。
DE 10326637 B3描述另一解决方案，即具有交替旋转方向的风扇，所述风扇具有S形镰刀形叶片，所述S形镰刀形叶片具有急剧向外后退的前缘。WO 1998005868 A1公开了对轴流式风扇或其叶片几何形状进行空气声学优化的数值方法，且美国专利第2,649,921号提供了一种具有非常短且宽的叶片和三重弯曲前缘和后缘的风扇。此外，美国专利第5,533,865 A号公开了一种风车的转子，所述风车的叶片具有锯齿形后缘。交错或波状的后缘用于减小后缘的噪声(例如GB 2497739或EP 1801422 A2)。DE 102009044824 A1在后缘的区域中使用呈孔形式的孔隙以减小后缘处噪声的产生。
然而，在进入流湍急的情况下，后缘处出现声音。然而，在湍急进入流中，后缘处产生的噪声与前缘处产生的噪声相比不那么重要。
波状或交错的前缘也作为减小湍流的噪声的手段而众所周知。美国专利第6,431,498 B1号描述了由在展向方向上的各种切口形成的波状前缘。前区域在弦向上延长直至最大厚度。美国专利第9,249,666 B2号描述了一种前缘上的波纹的替代设计，其中轮廓不在弦向上延长，而是脱离参考轮廓而朝向压力侧或抽吸侧。EP 3121 376 B1中描述了双正弦形式的特殊前缘波纹。WO2013/180296使用具有三角形形状的交错前缘。DE 102017212231A1描述了波状前缘与波状后缘的组合。前缘上的波纹具有比后缘大的波长。
在前缘是波状或交错的情形下，波谷是噪声产生的重要地方。其他公布案涉及在谷区域中对叶片的修改。JP6409666B2在叶片上的谷区域中使用额外前导元件。JP5978886B2中描述了交错前缘在谷中的凹槽。
基于此技术背景，本发明涉及提供一种特别是在进入流湍急的情形下以很小的噪声运作并且同时具有良好的空气动力性质的风扇或风扇叶片的问题。
本发明使用根据独立权利要求的风扇来解决此问题。从属权利要求含有有利的发展。
在更详细地描述本发明之前，阐释所使用的一些用语和术语以更好地理解本发明。为此探讨通常具有数个风扇叶片的典型离心式风扇，所述数个风扇叶片围绕圆周排列以靠空气动力来抽吸和/或排放风扇周围的空气或将由所述风扇输送的气体。风扇叶片可通过底部圆盘或顶盖圆盘或者这两者彼此连接。
此外，每个风扇叶片具有径向内前缘和径向外后缘。此外，根据旋转方向和风扇叶片轮廓，存在抽吸侧和压力侧，其中在风扇正在运作时所述压力侧在既定的旋转方向上引导所述抽吸侧。就此来说，风扇叶片具有在运作期间吸入流入的空气的抽吸侧和与所述抽吸侧相对的压力侧，在所述压力侧上用于排出空气的压力增强。
根据本发明的风扇与同类传统风扇的差别在于在进入流湍急的情况下仍能降噪运作。如上文已提及，根据本发明的风扇使用至少一个根据本发明的风扇叶片，根据本发明的风扇与同类传统风扇相比由于其形状特殊而在运作期间减小噪声产生。
噪声产生增大的机制是基于如下事实：湍流与风扇的气流随时间的改变相关。湍流导致作用于叶片上的力随时间而波动，因此触发对应的类似振动的声音发出。所述波动的强度特别重要。进入流的湍流程度越高且因此风扇的进入流的相关流动变量的波动越高，则发出的声音越大，或换言之，人感知到的所述风扇的运作越响。
在进入流湍急的情况下对叶片轮廓的前部前缘的各种修改的调查显示，如果前缘被设计成具有波状或波状交错的形状，则会达到积极的声学效果。根据本发明，可评定使得发出的声音减小的本质机制是将叶片上的声源去相关。湍急的进入流看起来是混乱的，但并非完全混乱，而是与几何因素相关。先前提及的长度Λ是可确定湍流波动的具体相关性的路径长度。
然而，研究显示，有声学效果的波状前缘具有不良的空气动力性质，因此人们最初不愿形成所述形状。本发明的目标是在声学和空气动力学上均有利的前缘波纹的独特设计。根据本发明已表明，形成非常独特的波形是特别有利的。
本发明的基本概念是前缘至少部分地具有独特的三维波形形式或是三维波状的。波纹的特殊设计显著不同于现有技术。如果波状前缘也被设计成具有孔隙，则也是有利的。根据本发明，风扇叶片具备前缘和后缘，其中所述风扇叶片至少在一个区域中具备波状前缘，所述前缘具有周期长度为λ的周期性重复波形，所述周期性重复波形偏离正弦曲线或近乎正弦曲线波形，确切来说偏离具有相同周期长度λ的正弦曲线或近乎正弦曲线波形。
在物理事件有规律地反复出现的情形下，周期(周期长度)是现象重复出现的最小局部距离。
如果波状前缘具有两种或更多种周期性重复波形，则也是有利的。当在数个周期内形成所需的波形时，出现根据本发明的效果。
因此，前缘或流入边缘处可形成有交替的谷与突峰，所述交替的谷与突峰具备特定的周期性。
波长和振幅的最优范围是依据实验测试确定，这带来了空气动力学和声学上的改进。波纹的所谓峰谷值H是从最高点到最低点的距离。为了专注于减小声音功率，使用具有大的高度(大的峰谷值H)和较小的波长(小λ/H)的波纹。小峰谷值H和较大波长(较大λ/H)有利于减小接收功率。就叶轮直径D来说，在范围0.01≦H/D≦0.1内的优选峰/谷值H是有利的。
在本发明的对应有利实施方案中，规定波谷的峰谷值H被界定为从波状前缘的此区域中的前缘直至相应的波谷(在流动方向上观察)，并且周期长度λ与峰谷值H之间的比率的值处于范围0.2≤λ/H≤2内，其中所述值可沿着前缘变化。
已证明特别有效的一个解决方案是，提供在每个周期内具有深切波谷(即足够大的明显谷)的偏离正弦曲线形状的波形。出于此目的，可规定振幅或峰谷值应具有与风扇叶片的弦长相较而言的特定值。已证明，略微明显波谷或仅正弦曲线波谷不够有效。确切来说，波状前缘的区域中的波谷的峰谷值应优选地是弦长SL的大约10％到30％，更优选地是弦长SL的10％至20％。与具有相同数目个周期的虚正弦波相比，峰谷值因此应更大，这使得在波谷中侧缘与流动方向相比更陡峭。
因此如果重复波形每个周期形成至少一个具有两个“陡峭”波纹侧缘的波谷，所述波纹侧缘朝向彼此并且各自相对于流动方向以一定角度伸展，则是优选的。在此，如果在前缘的此区域中(特别是在侧缘的中间附近的部分中)倾斜地伸展到波谷的(侧向)波纹侧缘相对于流动方向形成15°与35°之间的切角β，优选地形成25°到30°的切角β，则特别有利。
这也需要与正弦曲线波谷的曲率的走向相比，根据本发明的波形的谷的曲率显著更强。
在另一替代实施方案中，重复波形(即，周期性排列的波形)形成具有中间突峰的两个相邻波谷，所述中间突峰朝向流入前缘向上游延伸。定界出此波形的两个侧向侧缘对应地偏斜，如先前所阐释。
根据本发明，波纹的设计可如下，即波状前缘的区域中的波形至少部分地或完全地伸展穿过与虚正弦波的数个(确切来说，6个)共同交叉点(支撑点)，但其形式偏离正弦波。
在两个波谷之间存在一个波纹突峰的替代示例性实施方案中，所述波纹突峰的峰谷值h2是紧邻的一个或多个波纹突峰的峰谷值H的大约10％到80％。
另外，大约在周期的中间(即在半波长处)相对于气流局部地调适波状前缘是有利的。出于此目的，引入前缘的与叶片的压力侧与抽吸侧之间的中心线垂直的偏移。此偏移改进了朝向前缘的流动且有助于避免此区域中发生分流。此偏移优选地在抽吸侧方向上实施。就此来说，如果叶片轮廓在除波状前缘之外的某些部分中也具有独特(确切来说，波状)结构，则是有利的。出于此目的，叶片轮廓(在剖面中观察，在波纹突峰的区域中)可形成在压力侧(DS)上突出的隆起和在抽吸侧(SS)的对应相对位置上的凹部，所述压力侧(DS)和所述抽吸侧(SS)的表面轮廓被界定为使得在流动方向(V)上观察时表面曲率改变两次。如果上侧(压力侧)上的表面轮廓大致对应于下侧(抽吸侧)上的相对表面轮廓，则叶片轮廓具有大致恒定的厚度，但在压力侧上略微隆起。
另一改进可在于以下事实：在前面在前缘的区域中(在剖面中观察)，与朝向抽吸侧弯曲得较少的一个区域或邻近区域相比，叶片轮廓朝向抽吸侧弯曲得较远。因此，实现叶片的独特额外波状结构，优选地具有一个周期的间隔，更优选地从一个周期中心到下一个周期中心。
噪声特性的又一项改进可通过在前缘的区域中为风扇叶片配备从压力侧到抽吸侧(具有孔隙的区域)伸展穿过风扇叶片的大数目个通道来实现。噪声的进一步减小可通过在与湍流相互作用的叶片边缘的区域中使用孔隙来实现，并且这些孔隙可由孔或狭槽形成。这些孔隙是实现风扇叶片的抽吸侧与压力侧之间的压力均衡的贯穿开口。在优选实施方案中，孔直径或狭槽宽度具有在达大约2mm的范围内的值。多孔区域优选地仅构成流入边缘的部分区域，所述部分区域小于叶片长度的约20％。
根据本发明的多个几何设计元素的组合特别有利，其中在每一种情形下均必须将本发明的特定特性考虑在内。例如，在前缘的区域中可组合有孔隙与三维波动。
本发明确切来说涉及一种具有一个或多个上文所述的风扇叶片的离心式风扇。
本发明的其他有利发展在从属权利要求中加以表征或在下文与参考图对本发明的优选实施方案的说明一起更详细地呈现。
确切来说：
图1示出在一些部分中具有波状前缘的风扇叶片；
图2示出在前缘波纹的突峰中穿过风扇叶片的剖面B的详细视图以阐释S形状；
图3示出前缘处的波纹的正弦波形和相对于所述正弦波形修改的波形的示意图，所述修改的波形伸展穿过正弦波的支撑点，所述修改的波形呈具有多个转折点和更深切波谷的变形；
图4示出前缘处的波纹的正弦波形和伸展穿过正弦波的支撑点的修改波形的示意图，所述修改波形呈在波纹的中心具有额外突峰的变形；
图5示出穿过根据图1的风扇叶片的剖面C的详细视图；
图6示出具有7个风扇叶片的示例性离心式风扇。
以下使用示例性实施方案参考图1到图6更详细地阐释本发明，其中相同的附图标记在图中指示相同的结构和/或功能特征。
图1示出风扇叶片1，所述风扇叶片1具有在一些部分中是波状的前缘。风扇叶片1具有前缘2、4和后缘3以及位于前缘上的至少部分波状区域，具有至少部分波状区域的前缘被称为前缘4，其中前缘4的此区域形成独特波形的波纹。参考叶片的理论非波状前缘被标示为2*，其特征在于具有将形成不存在波纹的前缘形状的轮廓。另外，绘示三个经向剖面线A、B和C。
剖面A的位置被选择为使得具有波状前缘4的风扇叶片1的弦长大致对应于具有非波状前缘2*的参考叶片的弦长。剖面B的位置被选择为使得其伸展穿过具有波状前缘4的风扇叶片1的波纹突峰。剖面C的位置被选择为使得其伸展穿过风扇叶片1的前缘的波状区域(4)的谷。
图2是风扇叶片1的前缘4的波状区域中的剖面B的详细视图以阐释S形波纹图案。波状前缘4的轮廓脱离具有非波状前缘2*的参考轮廓，而在抽吸侧SS的方向上靠近前缘且在压力侧DS的方向上进一步向下游去。出于此目的，叶片轮廓具有从压力侧DS突出的隆起和在抽吸侧SS上凹进的凹部(与虚线参考轮廓相较来说)。
下文描述如何可基于正弦波导出或优化前缘处的波形的措施。波形由正弦曲线的数个点S界定并且曲线的走向来自于样条内插。图3示出前缘处的虚正弦波形5和伸展穿过正弦波5上的六个支撑点S和波纹中心处的额外支撑点S1的修改的波形6的示意图。波纹6的峰谷H是从最高点到最低点的距离。与正弦波的偏差是通过长度h1和对支撑点S的选择来界定。此波形6提供波形6的相对于峰谷值H来说“更深切”的谷7。
与正弦波形状相比，朝向谷7下降的两个侧缘K1、K2在一起靠得更近并且其迎角与正弦波相比相对于流入速度v的方向更陡峭。如果侧缘K1、K2更陡峭，则乱流冲击风扇叶片的前缘的有效流入速度(即流入速度v的垂直于前缘的分量)减小。这使得更有效减小发出的声音。h1的优选值处于范围0<h1<h内，其中h＝正弦波的振幅。
图4示出支撑点的位置的另一替代变化。波纹中心处的支撑点逆着流动方向而定位在上游，使得额外波纹突峰8形成在波纹中心处。与正弦波的偏差是通过长度h2和对支撑点S的选择来界定。h2的优选值处于范围0<h2<2h内，其中h＝正弦波的振幅。
图5是风扇叶片1的波状前缘的区域中的剖面C的详细视图以阐释在前缘的区域中相对于进入流而对叶片轮廓的局部调整。剖面在原始前缘4的区域中基本上垂直于叶片的压力侧与抽吸侧之间的中心线而在压力侧DS的方向上移位达长度h3。以此方式被调适为具有修改的前缘9的剖面防止分流和相关联的噪声发出。对剖面的所述有利调适优选地在波纹中心处，即对剖面的所述有利调适可既在额外波纹突峰8的区域中也在谷7的区域中。
图6示出具有5个风扇叶片1的示例性轴流式风扇。
本发明的实施方式并不仅限于上文所规定的优选示例性实施方案。而是，可设想出数种变形，所述数种变形即使在设计有根本上不同的情形下仍能利用所示的解决方案。

Claims (13)

1.一种具有前缘(2、4)和后缘(3)的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)至少在部分区域中具有波状前缘(4)，所述波状前缘(4)具有周期长度为λ的周期性重复波形，所述周期性重复波形偏离正弦曲线或近乎正弦曲线波形，确切来说偏离具有相同周期长度λ的正弦曲线或近乎正弦曲线波形。
2.如权利要求1所述的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)的特征在于，所述波状前缘(4)具有两个或更多个周期性重复波形。
3.如权利要求1或2所述的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)的特征在于，在流动方向(V)上观察，从所述波状前缘(4)的区域中的前边缘(VK)到波谷(7)测量的波纹(6)的峰谷值H具有相对于所述周期长度λ的值，所述值处于范围0.2≤λ/H≤2内，其中所述值能够沿着所述前缘(2)变化。
4.如前述权利要求中任一项所述的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)的特征在于，所述风扇叶片确切来说在所述波状前缘(4)的所述区域中具有弦长SL，并且所述波谷(7)的区域中的所述峰谷值H优选地是所述弦长SL的约10％到30％，更优选地是所述弦长SL的10％到20％。
5.如权利要求1至4中任一项所述的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)的特征在于，所述重复波形每个周期形成至少一个波谷(7)，所述至少一个波谷(7)具有朝向彼此且各自相对于所述流动方向(V)以一定角度伸展的两个波纹侧缘(K1、K2)。
6.如权利要求1至4中任一项所述的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)的特征在于，所述重复波形每个周期形成在两个波纹侧缘(K1、K2)之间的两个相邻波谷(7)，所述两个波纹侧缘(K1、K2)相对于所述流动方向(V)以一定角度朝向彼此伸展，其中波纹突峰(8)位于所述两个波谷(7)之间，所述波纹突峰(8)逆着所述流动方向(V)在流入侧前边缘(V)的方向上延伸。
7.如权利要求5或6中任一项所述的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)的特征在于，所述倾斜伸展的波纹侧缘(K1、K2)相对于所述流动方向(V)以15°与35°之间的切角β、优选地以25°与30°之间的切角β在其侧缘中心中或附近延伸。
8.如权利要求6或7中任一项所述的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)的特征在于，直接位于两个相邻波谷(7)之间的波纹突峰(8)的波纹的峰谷值是紧邻的波纹突峰(7)的所述峰谷值的大约10％到80％。
9.如前述权利要求中任一项所述的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)的特征在于，所述波状前缘(4)相对于在非波状区域中的所述前缘(2)来说至少在所存在的突峰(8)的区域中逆着所述流动方向(V)突出。
10.如前述权利要求中任一项所述的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)的特征在于，至少在剖面中观察在波纹突峰(8)的所述区域中，叶片轮廓具有从压力侧(DS)突出的隆起和在抽吸侧(SS)的对应相对位置上的凹部，所述压力侧(DS)和所述抽吸侧(SS)的表面轮廓被界定为使得当在所述流动方向(V)上观察时表面曲率改变两次。
11.如前述权利要求中任一项所述的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)的特征在于，在前面在剖面中观察在所述前缘(4)的所述区域中，与朝向所述抽吸侧(SS)弯曲得较少的一个区域或邻接的相邻区域相比，所述叶片轮廓朝向所述抽吸侧(SS)弯曲得较远，优选地具有一个周期的距离，更优选地从周期中心到周期中心。
12.如前述权利要求中任一项所述的风扇叶片(1)，所述风扇叶片(1)的特征在于，所述风扇叶片至少在所述前缘(2)的区域中的一些部分中是多孔的，优选地诸如通过穿过所述风扇叶片的多个通道从所述压力侧连接到所述抽吸侧。
13.一种离心式风扇，所述离心式风扇具有一个或多个如权利要求1至12中任一项所述的风扇叶片(1)。
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