CN1155447A - 轴流式叶轮 - Google Patents

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Abstract

一种轴流式叶轮，其最大叶片宽度小于叶轮直径的20％，径向位置0.6处的倾斜角是12～22°，叶片顶端部分处的宽度是径向位置0.6处宽度的12～75％，叶片顶端部分处的倾斜角比径向位置0.6处的倾斜角小5～10°，叶片根部处的宽度是径向位置0.6处宽度的40％或更多，叶片根部处的倾斜角是25～50°。该叶轮具有结构紧凑等特点。

Description

轴流式叶轮
本发明涉及一种造成轴流的搅拌叶轮，更特别的是涉及一种在贮液罐中使用的一搅拌叶轮，此叶轮用于低或中粘度液体的混合，还用于在低或中粘度液体中的液滴或颗粒分散。
在叶轮轴的方向上能排出流体的搅拌叶轮(以下称作“轴流式叶轮”)通常用来搅拌流体，如低或中粘度液体的混合及在低或中粘度液体中的液滴或颗粒分散。
这种叶轮能以较小的扭矩提供较大的排放流量，并且其能量消耗比其它叶轮少，因此在设备成本和操作成本方面是有经济优势的。
对于这种叶轮，通常使用倾斜的桨翼叶轮和螺旋桨。倾斜的桨翼叶轮能够以最低的成本最容易地制造出来，但与螺旋桨相比，它们需要较大的扭矩和更多的能量来获得流量，即它们的排出率低。还已知倾斜的桨翼叶轮根据倾斜角在轴向流和径向流之间产生中间流态。
如果以这样一种方式制造叶轮叶片，即改变一翼型剖面从前缘至后缘的厚度，像船舶螺旋桨叶片那样，可以获得高排出率。但随之而来的是制造成本变得相当高。另一方面，已使用的制造方法是用一模具把均匀厚度的叶轮叶片弯曲成一曲面，而该曲面在径向上具有不变的倾斜高度。已提出了提高升阻比的方法，其中将叶片扭转以使相连的流动角度在这些叶片的每个径向位置处保持不变。为了进一步提高升阻比，使叶轮叶片截面在从它们的前缘至后缘的部分内具有适当的曲率。由于这些螺旋桨基本上是用模具进行制造的，所以对于不同尺寸的叶轮必须制作不同的模具。在叶轮小且能批量生产时，它们能用此方法经济地制造出来，但制作用于各种大尺寸的叶轮的模具是相当昂贵的。
如下描述的各种轴流式叶轮是公知的。
美国专利NO.5052892公开了一种用于传递曲率效果的技术，它是通过把此倾斜的桨翼叶轮的叶片21沿径向中心线弯曲，如在图19中所示，来提高排出率和叶片的机械强度。在所述专利中，描述的这些叶片最好应是均匀宽度的板，且最好应有25～30°的平均倾斜角，并且其折痕最好应是在此叶片顶端相交的两个折痕，而且整个折痕角最好应是20～30°(以下称作“传统叶轮A”)。
在美国专利NO.4468130中，如图20所示，公开了通过调节从叶片22的顶端至根部的曲率和倾斜角，能使最大排出率达到将发生分流的临界值，并且描述了具体例子，此曲率的变化从顶端叶片宽度的8％至根的0％不等，并且倾斜角的变化从顶端的22°至根部的38°。此叶片宽度将是叶轮直径的1/8，并且在顶端侧稍窄在根部侧稍宽。根据该专利，所描述的叶轮比螺旋桨价廉，但需要同步形成曲率连续变化的弯曲和扭转，并且认为为了获得精确的制造对于叶轮的每个尺寸均需要不同的模具(以下称作“传统叶轮B”)。
另外，德国专利申请NO.373042中，如图21所示，设法通过把副叶片24在轴向上与一主叶片23相连来提高排出率。由于用这种方法附加副叶片同样增加了扭矩和能量的消耗，所以认为使扭矩和能量消耗增加的过多的流量增量是由图21的叶轮产生的。但因为主叶片是一简单倾斜的桨翼，如图21所示，所以即使提高它的排出率也很难获得与螺旋桨等同的效率，(以下称作“传统叶轮C”)。
再者，英国专利NO.1454277公开了适当切割圆柱表面能产生一具有曲率为叶片宽度的5～15％和在径向上几乎不变的倾斜高度的叶片(以下称作“传统叶轮D”)。
总之，对于轴流式叶轮搅拌器而言，所需要的是降低设备成本和操作成本并且能获得专门的搅拌目的。尤其是，在一低粘性液体的混合或固体颗粒的分散中，搅拌器的性能经常是由排出流量或流动速度和排出流量的乘积来决定的，并且需要能以低成本制作和具有高排出率的轴流式叶轮。
根据Nagase和Winardi的研究(日本化学工程期刊，Vol.24 NO.2，PP.243-249(1991))，当在搅拌罐中使用船舶螺旋桨时，在涡轮或倾斜的翼桨叶轮的情况下流量是不稳定的，并且已经得知：在叶轮附近的排出流，其圆周流速脉动竟达其量值的两倍。涡流量大到20～50％。因此，叶轮的进流和出流周期性的变化这一事实不仅提出了问题，即保持此流动倾斜角不变的这样一种螺旋桨设计方法是否真能提高搅拌叶轮的排出率，而且还在轴流式叶轮的设计方法上持同样观点，这里采用机翼或水翼理论提高它们的性能。这是因为翼型(翼形物)理论研究的流动是流线型均匀流动，并且这与在搅动罐中的流动有很大不同。
轴流式叶轮包括螺旋桨的性能设计中的重点在于怎样在径向上分配叶片宽度，倾斜角和曲率，以便获得最大排出率。最可靠的技术是改变这些特征的每一个，并且测量排出率来优选特征。但在此类研究方面几乎没有报告。
因此，本发明者用相同的搅拌罐并且安装上述每个搅拌叶轮(传统叶轮A～D，倾斜的桨翼叶轮，和一螺旋桨)至相同位置，并且在相同水量，相同旋转速度，相同扭矩和相同能量消耗的情况下测量排出流量。叶轮扭矩，旋转速度和排出流量分别用一应变仪扭矩计，一电磁流速计和一激光多普勒速度计测量。使用两种类型的倾斜桨翼叶轮，一种是45°-倾斜四叶片桨翼叶轮，另一种是30°-倾斜三叶片桨翼叶轮。使用的螺旋桨有等同于此叶轮直径的倾斜高度，而此叶轮直径具有均匀叶片厚度并在叶片上无曲率。在上述测量状态下，除去搅拌器的叶轮外，在基本上同样的操作成本和同样的设备成本情况下比较叶轮是可能的。两种类型的叶轮的比较状态是在同样的能量消耗但在不同的扭矩和旋转速度的情况下，这在文献中是可以看到的，但这样的比较不适于评价经济性。例如，当在同样类型的叶轮中叶轮直径增加时，同样的能量消耗能获得较大的排出流量。但是，增大的直径使叶轮扭矩更大，并且搅拌器的设备成本增加了，这样仅使能量消耗达到同一水平是不能从经济观点出发来进行公平比较的。
通过上述发明人的方法比较每个搅拌叶轮的排出流量的结果表明，排出流量的减少是按照这样的次序，即螺旋桨，传统叶轮A，传统叶轮B，30°-倾斜的桨翼叶轮，传统的叶轮D，传统的叶轮C，和45°-倾斜的桨翼叶轮，而且当从排列中除去传统叶轮A和D时，在排列中相临两个叶轮之间的排出流量之差是此螺旋桨的排出流量的8～11％。也就是说，公知的传统轴流式叶轮有比上述螺旋桨低的排出流量，而上述螺旋桨在现有螺旋桨中能较容易地设计和制作。当需要再多的流量时，叶轮直径或旋转速度必须增加，以使其在大扭矩和大能量消耗的情况下运行。结果，即使叶轮的制作成本能比传统叶轮的低，但搅拌器的设备成本和操作成本有所增加，因此抵消了经济优势。
另一方面，具有均匀厚度叶片和无曲率的螺旋桨需要用高精度制作的模具。再有，如果叶轮的尺寸变化了，必须制作不同的模具，这样成本就提高了。不仅螺旋桨而且叶轮均需扭转叶片，如传统叶轮B，对每个尺寸的叶轮均需不同的模具。
值得注意的是在上述搅拌叶轮中，传统的叶轮A有近于螺旋桨的排出流量，它具有在两个位置弯曲的简单的矩形。与此相比，传统叶轮B和D采用了翼型理论构思，传统叶轮C使用了叶栅的干涉效果，尽管它们有比传统叶轮A复杂的形状但获得了比传统叶轮A小的排出流量。这可能是因为两种尺寸的翼型(翼形物)理论对于三种尺寸的旋转体的运用结果，还可能是因为条件的不同，即在此搅拌罐中的流动是在闭密空间中的循环流动并且涡流很强，此流进叶片的一流束与由此翼型(翼状物)理论讨论的统一定义的流束有极大的不同。
概述上述调查结果，经济的轴流式叶轮应是这样的，即包括均匀厚度的叶片，此叶片具有一自由扭转的简单曲面或一在几个位置弯曲的平面，并且提供了等同于或大于螺旋桨的排出率。
本发明的目的是提供这样一种轴流式叶轮，即具有紧凑的形状和等同于或大于螺旋桨的排出率的经济的轴流式叶轮。
为了解决上述问题和获得具有满意的排出率的轴流式叶轮，它每部分的叶片形状和尺寸均通过实验优选，这里一系列叶轮模型是通过逐步变化叶片形状和每个叶片尺寸制造出来的，然后实际测量叶轮扭矩、能量消耗和排出流量，以决定在搅拌罐中叶片形状和尺寸的最佳组合。在初步的实验中，制造种类繁多的轴流式叶轮；它们在倾斜角，叶片宽度，有和设有扭转和/或曲率方面是不相同的；然后每一个均设置在一搅拌罐的给定位置处，此搅拌罐的直径为D＝400mm，高度为H＝500mm，并且具有在此圆形罐壁上等距的40mm宽的四个挡板，如图1所示，以便在同样条件下测量和比较其排出流量，而此同样条件下水量为58.6升，转速为300rpm，叶轮扭矩为0.43Nm，和能量消耗为0.013KW。该初步实验的结果表明“倾斜角的影响最大”，“扭转的影响也是重要的，它相应于径向方向倾斜角的变化”，“曲率的影响不清楚”，“太宽的叶轮明显减少了排出流量，但在某些范围内，排出流量的变化是小的”，并且“在径方向改变叶片宽度能变化排出流量。”对于排出流量的测量方法，所有的叶轮在向下的排出方向旋转，通过激光多普勒速度计在径向间隔10mm的叶片下边缘下方5mm处测量叶片下表面的向下流速，并且把所测量的速度归并以得到排出流量。通过平均20,000个数据来获得在每个测量点处的数值。
然后，就(1)最大叶片宽度；(2)最大宽度部分的径向位置和倾斜角；(3)在叶片的顶端部分处的宽度和倾斜角；和(4)在叶片的根处的宽度和倾斜角而论，由这些逐渐变化的技术规格制作出轴流式叶轮，并且用如在上述初步实验中同样的方法测量排出流量。结果，能够确认制作下述形状和尺寸的轴流式叶轮能够获得等同于和大于螺旋桨的排出率。确定在该技术规格中使用的术语的意义，“径向位置”的意思是叶轮轴心标为0并且叶片顶端标为1，在径向上的位置按指数标明；“叶片宽度”的意思是在同样的径向位置处从旋转方向的前缘至后缘的线性距离；“倾斜角”的意思是由限定此宽度的直线和垂直于轴的平面形成的角。
图1显示了一搅拌罐的横剖面图；
图2显示了排出流量和最大叶片宽度与叶轮直径的比例之间的关系；
图3显示了排出流量和最大叶片宽度的径向位置之间的关系；
图4显示了在径向位置0.7处具有最大叶片宽度时，排出流量和倾斜角之间的关系；
图5显示了排出流量和在叶片的顶端部分的宽度与最大叶片宽度的比率之间的关系；
图6显示了排出流量和在径向位置0.2处叶片宽度(叶片根部处宽度)与最大叶片宽度的比率之间的关系；
图7显示了排出流量和在径向位置0.2处的叶片倾斜角(叶片根部处的倾斜角)之间的关系；
图8显示了第一具体实施例的轴流式叶轮的平面图；
图9(a)显示了图8的轴流式叶轮的叶片的放大侧视图；图9(b)显示了图9(a)中T部分的放大视图；
图10显示了图8所示的轴流式叶轮的叶片的另一例子的放大侧视图；
图11显示了图8所示的轴流式叶轮的再一叶片例子的放大侧视图；
图12显示了图8所示的轴流式叶轮的又一叶片例子的放大侧视图；
图13(a)显示了一第二实施例的轴流式叶轮的平面图；图13(b)显示了在图13(a)的剖面S-S处的剖示图；
图14显示了图13(a)的轴流式叶轮的叶片放大侧视图；
图15显示了第三实施例的轴流式叶轮的平面图；
图16显示了图15中的轴流式叶轮的叶片放大侧视图；
图17显示了第四实施例的轴流式叶轮的平面图；
图18显示了图17中的轴流式叶轮的叶片放大侧视图；
图19显示了传统叶轮A的平面图；
图20显示了传统叶轮B的透视图；和
图21显示了传统叶轮C的透视图。
参考图2～7，描述了本发明用于确定轴流式叶轮的叶片形状的技术规格或特性的技术，但同样的图也显示了每个试验叶轮的排出流量，这是通过把传统叶轮B的排出流量标为100来说明的。
(1)最大叶片宽度
图2显示了排出流量和最大叶片宽度(W0：见图8)与叶轮直径(D：见图8)的比率之间关系。在这种情况下，叶片的最大宽度部分的径向位置是0.7，最大宽度部分的倾斜角是20°，在叶片的顶端部分的宽度大约是最大宽度的50％，在叶片的顶端部分的倾斜角是13～16°，叶片的根部处的宽度大约是最大宽度的60％，并且在叶片的根部处的斜倾角是40°。
如图2所示，当最大叶片宽度(W0)在叶轮直径(D)的10％至30％的范围内时，排出流量几乎没有变化，并指示为较大数值，但最大叶片宽度是影响排出流量的重要因素，并且，叶片形状的设计原则应适用于从具有较大最大宽度(最大宽度≥叶轮直径的20％)的叶片变化到具有较小最大宽度(最大宽度＜叶轮直径的20％)的细长叶片。这是因为对于具有细长形状的叶片，最大宽度不能形成较大流体阻力，并且最大宽度部分是处于叶片的顶端部分或是处于根部，都认为它对于排出流量没有任何大的影响，但当叶片的最大宽度变得较大(最大宽度≥叶轮直径的20％)时，最大宽度部分的径向位置将对于排出流量有大的影响，如以下将要描述的那样。
(2)叶轮最大宽度部分的径向位置
图3显示了叶片的最大宽度部分和排出流量之间的关系。在这种情况下，最大叶片宽度是叶轮直径的20％，最大宽度部分的倾斜角是17°，叶片顶端部分的宽度大约是最大宽度的50％(但是，当最大宽度部分的径向位置是1.0时，顶端部分处的宽度为最大宽度)，在叶片的顶端部分处的倾斜角是11～17°，叶片根部处的宽度大约是最大宽度的50％，而且叶片的根部处的倾斜角是40°。
当叶片的最大宽度增加(最大宽度≥此叶轮直径的20％)时，最大宽度部分的径向位置在与排出流量的关系方面是重要的。即，如果最大宽度部分是处于叶片的根部或顶端部分的话，那么它将产生防碍平稳搅拌的阻力，但如图3所示，如果最大宽度部分的径向位置设置在0.4～0.8(40～80％)的范围之内，那么排出流量增加。如果径向位置设置在0.5～0.7(50～70％)的范围之内时，排出流量还要增加，并且在0.6的径向位置处此排出流量最大。
但是，在叶轮的最大叶片宽度小于叶轮直径的20％的情况下，最大宽度部分的径向位置对排出流量的影响减少了，并且无论最大宽度位置是在顶端部分还是在根部处，排出流量都没有大的变化。
(3)叶片的最大宽度部分的倾斜角
图4显示了当叶片的最大宽度部分处于0.7的径向位置时，倾斜角和排出流量之间的关系。在这种情况下，最大叶片宽度定为20％，叶片的顶端部分处的宽度大约是最大宽度的50％，叶片的顶端部分处的倾斜角是0°～27°，叶片的根部处的宽度大约是最大宽度的50％，并且叶片根部处的倾斜角是40°。
如图4所示，当最大宽度部分的倾斜角(θ0：见图8)处于12°至22°的范围内时，排出流量增加。当所述倾斜角处于15°至20°范围内时，排出流量再次增加。
如果此叶片的最大宽度小于叶轮直径的20％，那么倾斜角也是重要的，并且由于这个较大排出流量是通过使径向的叶片中心处的倾斜角为了降低流体阻力而保持在适当范围内而得到的，所以在径向位置0.6处的倾斜角最好是在12°至22°的范围内。
(4)叶片的顶端部分处的宽度和倾斜角
图5显示了排出流量和在顶端部分处的宽度(d2：见图8)与最大叶片宽度(W0)的比率之间的关系。在这种情况下，最大叶片宽度定为20％，最大宽度部分的径向位置大约是0.6，最大宽度部分的倾斜角是17°，在叶片顶端部分处的倾斜角大约是11°，叶片根部处的宽度大约是最大宽度的50％，并且叶片根部处的倾斜角是40°。
如图5所示，当叶片的顶端部分处的宽度在最大宽度的12％至75％的范围内时，排出流量几乎不变，并指示为一较大数值，但在特殊情况下，当宽度大约是最大宽度的50％时，排出流量成为最大。为了抑制在叶片顶端部分处太大的能量消耗，在此顶端部分处的倾斜角(θ2：见图9)希望比最大宽度部分的倾斜角(θ0)小5°～10°。
甚至当最大叶片宽度小于叶轮直径的20％时，叶片顶端部分处的宽度也是重要的，并且流体阻力和能量消耗能够通过把与径向叶片中心处的宽度相关的顶端部分处的宽度达到一适当范围来降低，所以顶端部分的宽度最好是径向位置0.6处宽度的12～75％。再有，该叶片顶端部分的倾斜角最好比径向位置0.6处的倾斜角小5～10°，这是因为上述同样的原因，即用于抑制在叶片的顶端部分处的太多的能量消耗。
(5)叶片根部的宽度
图6显示了排出流量和在径向位置0.2处叶片宽度(叶片根部处宽度)与最大叶片宽度(W0)的比率之间的关系。在这种情况下，最大叶片宽度定为20％，最大宽度部分的径向位置大约是0.7，最大宽度部分的倾斜角是17°，在叶片顶端部分处的宽度大约是最大宽度的50％，在叶片顶端部分处的倾斜角大约是11°，并且在叶片根部处的倾斜角是40°。
如图6所示，当叶片的宽度是在最大宽度的40～100％的范围内时，排出流量几乎不变化并且是一较大数值。
甚至在叶轮的最大叶片宽度小于叶轮直径的20％的情况下，叶片根部处的宽度是重要的，并且叶片根部处的宽度最好为径向位置0.6处宽度的40％或更大些，这是为了从叶片的径向的中心部分至根部获得平稳的排出流量。
(6)叶片根部处的倾斜角
图7显示了排出流量和在径向位置0.2处的倾斜角(在叶片根部处的倾斜角θ1：见图9)之间的关系。在这种情况下，最大叶片宽度指定为叶轮直径的20％，最大宽度部分的径向位置是0.7，最大宽度部分的倾斜角是17°，叶片的顶端部分处的宽度大约是最大宽度的60％，叶片的顶端部分处的倾斜角是11°，并且叶片的根部处的宽度大约是最大宽度的50％。
如图7所示，当叶片根部处的倾斜角超过50°时，排出流量减少，当所述倾斜角在25～50°的范围之内时，排出流量增加，并且排出流量在所述倾斜角为40～50°时变为最大。
甚至在叶轮的叶片最大宽度小于叶轮直径的20％的情况下，叶片根部处的倾斜角是重要的，当倾斜角太大时，排出流量降低，因此，最好使倾斜角处于25至50°的范围之内。
(7)构成叶片的表面
此表面可以是圆柱面，圆锥面，或平面，或在一至两个位置处弯曲的表面，另外，还带有扭转平面的曲面，或所有这些的组合。
(8)叶片的厚度
叶片厚度在叶片的整个长度上应该是均匀的，并且如果叶片足够厚的话，便能够确保所需的机械强度。当叶片厚度超过最大宽度的5％时，希望从最大宽度位置至顶端部分的叶片旋转方向上斜切此前端上两边缘中的上游侧边缘(见图9(a)和图9(b)，剖面T的放大图)。
(9)叶片的数量和安装方法
最好用多个叶片并且旋转对称地安装它们。当叶片宽度的等分线定为中心线时，叶片应按与径向一致的中心线安装，但当叶片由圆柱面或圆锥面构成时，叶片中心线可以认为是沿旋转方向从根部至最大宽度位置的引线。
(10)摘要
基于上述调查研究的结果，发现具有能够达到本发明目的的满意的排出率的紧凑和经济的轴流式叶轮应具有下列搅拌叶轮的特性。
①当最大叶片宽度小于叶轮直径的20％时：
(a)径向位置0.6处的倾斜角是12～22°；
(b)叶片的顶端部分处的宽度是径向位置0.6处宽度的12～75％，在叶片的顶端部分处的倾斜角比径向位置0.6处的倾斜角小5～10°；和
(c)叶片根部处的宽度是径向位置0.6处宽度的40％或更多，同时叶片根部处的倾斜角是25～50°。
②当最大叶片宽度是叶轮直径的20％或更多时：
(a)最大宽度部分的径向位置是0.4～0.8，同时最大宽度部分的倾斜角是12～22°；
(b)叶片的顶端部分处的宽度是最大宽度的12～75％，叶片的顶端部分处的倾斜角比最大宽度部分的倾斜角小5～10°；和
(c)叶片根部处的宽度是最大宽度的40～100％，同时叶片根部处的倾斜角是25～50 °。
即，根据本发明，轴流式叶轮的特征在于包括下例要素(a)至(d)的叶片被指定为本发明的第一具体实施例。
(a)叶片的最大宽度小于叶轮直径的20％；
(b)径向位置0.6处的倾斜角是12～22°；
(c)叶片的顶端部分处的宽度是径向位置0.6处宽度的12～75％，叶片的顶端部分处的倾斜角比径向位置0.6处倾斜角小5～10°；和
(d)叶片根部处的宽度是径向位置0.6处宽度的40％或更多，叶片根部处的倾斜角是25～50°。
轴流式叶轮的特征在于包括下列要素(a)至(d)的叶片被指定为本发明的第二具体实施例。
(a)叶片的最大宽度是叶轮直径的20％或更多；
(b)叶片的最大宽度部分的径向位置是0.4～0.8，最大宽度部分的倾斜角是12～22°；
(c)叶片的顶端部分处的宽度是最大宽度的12～75％，叶片顶端部分处的倾斜角比最大宽度部分处的倾斜角小5～10°；和
(d)叶根部处的宽度是最大宽度的40～100％，叶片根部处的倾斜角是25～50°。
因此本发明的轴流式叶轮根据叶片的最大宽度分为两种类型的叶轮，而叶片的最大宽度对排出流量有显著的影响：细长形状的叶轮的最大叶片宽度小于叶轮直径的20％；并且叶轮的最大叶片宽度是叶轮直径的20％或更多，叶片每部分的宽度和倾斜角以这种方法来限定，即在每种情况下都得到最大排出流量，并且当流体阻力和能量消耗降低时，较大排出流量能够得到保证。
在搅拌操作中，流体搅拌速度与液体的环流速度；即排出流量；接近正比关系。结果，具有较佳排出率(高排出流量)的本发明的轴流式叶轮能够按极好的效率搅拌。
在某一种搅拌操作中，不仅排出流量而且叶轮传至液体的径向动量也变得重要了，其中的径向动量即是排出流量与排出流速的乘积。例如，为了浮起罐底沉积的固体颗粒，用于使颗粒运动的液体流速和相应于罐底面积的流量是必须的。在轴流式叶轮的情况下，轴向流量和流速之和正比于排出流量的平方，而反比于叶轮的旋转面积，结果，具有较佳排出率的本发明的轴流式叶轮还提供了用于在轴向上产生液体动量的极好性能，并且能高效地浮起固体颗粒。
参照附图，本发明的实施例将在下面详细地描述。
图8是表示第一具体实施例的轴流式叶轮1的平面图，图9(a)显示了叶片2的放大侧视图。在此实施例中，叶片2的最大宽度W0是叶轮直径D的20％，最大宽度部分3的径向位置是0.6，最大宽度部分3的倾斜角θ0是17°，叶片的顶端部分4处的宽度d2是叶轮直径D的10％(最大宽度的50％)，叶片的顶端部分4处的倾斜角θ2是11°，径向位置0.2处叶片的宽度是叶轮直径D的10％(最大宽度的50％)并且该位置处的倾斜角θ1是40°，叶片由在两个位置进行弯曲具有叶轮直径D的1％(最大宽度的5％)的厚度的平板而形成，叶片具有两个平行的折痕5，6，两个弯曲角度θ3和θ4为14.5°。在该实施例中，叶片的中心线7是从根部沿旋转方向至最大宽度位置的引线。支架9用来把叶轮固定在型架(以下称作“轮毂”)8上并提高了叶片2的机械强度。
如第一实施例所提供的例子，可以采用从图9的叶片中除去根部处弯曲的叶片2的形状，如图10中所示，或包括圆柱表面的叶片2的形状，如图11所示，或者还有包括圆柱表面和平面的叶片2的形状，如图12所示。如图12和11所示的这些叶片的形状能够获得等同于第一实施例的排出率。图10中所示的叶片形状稍微降低了排出率，这是因为叶片根部处的倾斜角比优选值稍小。
图13(a)显示了第二实施例的轴流式叶轮的平面图，图14显示了叶片的放大侧视图。除去叶片顶端部分处的倾斜角为9.5°以外，该实施例的叶片10的最大宽度，叶片顶端部分处的宽度和径向位置0.2处的叶片的宽度和倾斜角均与第一实施例的相同。在此实施例中，叶片是由沿两条直线L，L弯曲平面而形成的表面构成的，并且此叶片没有曲率，且此叶片的中心线11恰好与轮毂8的径向一致。
图15显示了第三实施例的轴流式叶轮的平面图，图16显示了叶片的放大侧视图。该实施例的叶片12的最大宽度，最大宽度部分的径向位置和倾斜角，叶片顶端部分的宽度和倾斜角，径向位置0.2处叶片的宽度和倾斜角均与第一实施例的相同，并且对于构成此叶片的表面和厚度而言，此表面是具有叶轮直径D36％的曲率半径R的圆柱形表面，并且厚度是叶轮直径的1％(最大宽度的5％)。这样，因为采用了圆柱形叶片，所以便在圆周方向上形成了曲率，然而在这种方法中，有可能代替容易制造的具有圆柱形表面的叶片的扭转效果，并且是经济的。在此实施例中，叶片中心线13是从根部沿径向至最大宽度位置的，一支架9用来把叶轮固定在此轮毂8上，并且提高了叶片12的机械强度。
图17显示了第四实施例的轴流式叶轮的平面图，图18显示了叶片的放大侧视图。该实施例的叶片14的最大宽度，最大宽度部分的径向位置和倾斜角，叶片顶端部分的宽度和倾斜角，和径向位置0.2处叶片的宽度和倾斜角均与第三实施例的相同。在此实施例中，叶片由简单扭转平面而成的曲面构成，并且叶片没有曲率，叶片的中心线15恰好与轮毂8的径向一致。
为了把本发明的轴流式叶轮的排出流量与传统轴流式叶轮的排出流量相比较，在类似于上述的方法中，采用如图1所示的搅拌罐，叶轮安装在同样的位置，并且在同样水量(58.6L)，同样旋转速度(300rpm)，同样扭矩(0.43Nm)，和同样能量消耗(0.013KW)的情况下测量排出流量。
下面将描述用上述测量方法得出的排出流量的测量结果。
①第一实施例的轴流式叶轮的排出流量比螺旋桨的大24％。当第一实施例的轴流式叶轮的排出流量处于与螺旋桨的同一水平时，旋转速度能降低19％，扭矩降低35％，能量消耗降低48％。
②第一实施例的轴流式叶轮的排出流量比传统叶轮A的大29％。当第一实施例的轴流式叶轮的排出流量与传统叶轮A的处于同一水平时，旋转速度能够降低22％，扭矩降低40％，能量消耗降低53％。
③第二实施例的轴流式叶轮的排出流量比螺旋桨的大17％。当第二实施例的轴流式叶轮的排出流量与螺旋桨的处于同一水平时，旋转速度能降低15％，扭矩降低27％，能量消耗降低38％。
④第三实施例的轴流式叶轮的排出流量比传统叶轮B的大35％。当第三实施例的轴流式叶轮的排出流量与传统叶轮B的处于同一水平时，旋转速度能降低26％，扭矩降低45％，能量消耗降低59％。
⑤第三具体实施例的轴流式叶轮的排出流量比传统叶轮D的大63％。当第三实施例的轴流式叶轮的排出流量与传统叶轮D的处于同一水平时，旋转速度能降低39％，扭矩降低62％，能量消耗降低77％。
下面将对本发明第一实施例的轴流式叶轮的搅拌性能与传统轴流式叶轮的进行比较。即，用上述同样的方法，使用图1所示的搅拌罐，叶轮安装在同样位置，并且用一种碘淀粉将搅拌罐中同样水量(50L)的水着色之后，加入适量的硫代硫酸钠，并且测量出10秒钟内消除水中颜色所需的转动数，能量消耗和扭矩的数值，此结果显示在下面的表1中。
加入直径为150μm的玻璃球使搅拌罐的重量增加10％，测量在搅拌罐中用于均匀漂浮玻璃球所需的旋转速度，能量消耗和扭矩，此结果显示在以下的表2中。“均匀漂浮玻璃球”意味着这样的状态，即在水面附近收集的适量水域中的玻璃球的含量大约是重量的10％。
表1
旋转速度(rpm) 每单位体积的能量消耗(W/m3) 每单位体积的扭矩(Nm/m3)
第一实施例的轴流式叶轮       122 8.1 0.63
比较例子 传统叶轮B          150 15.5 0.99
45°-倾斜桨翼叶轮  192 37.1 1.84
表2
旋转速度(rpm) 每单位体积的能量消耗(W/m3) 每单位体积的扭矩(Nm/m3)
第一实施例的轴流式叶轮        295 124 4.0
比较例子 带倾斜螺旋桨叶轮    370 273 7.0
45°-倾斜桨翼叶轮   510 765 14.3
从表1和表2中可以明白，本发明的轴流式叶轮的搅拌性能与传统叶轮比较是非常显著的。
因为本发明是如上所述构成的，所以其效果如下所述。
(1)因为注意力集中在对排出流量有较大影响的叶片的最大宽度上，且把叶轮分为两种类型：一种具有细长形状叶片的叶轮；和一种具有稍宽叶片的叶轮，而且其中叶片每部分的宽度和倾斜角在相应的情况下限制在一适当范围内，甚至当叶轮应用于强烈的涡流时，如在搅拌罐中流动时，叶轮也能提供非常突出的排出率并且能够实现充分的搅拌。
(2)因为叶轮能够由简单形状的叶片表面，如在一或两个位置处弯曲一平面构成，所以该叶轮不仅制作成本低，而且搅拌器的设备成本和操作成本都能降低。
(3)结果，在不使用模具的条件下，从试验室规模至大尺寸的任选尺寸的叶轮能够高精度且经济地制作出来。
参考号：
1轴流式叶轮
2叶片
3最大宽度部分
4顶端部分
5折痕
6折痕
7中心线
8轮毂
9支架
10叶片
11中心线
12叶片
13中心线
14叶片
15中心线

Claims (2)

1、一种轴流式叶轮，其特征在于其叶片包括：
(a)最大叶片宽度小于叶轮直径的20％；
(b)在径向位置0.6处的倾斜角是12～22°；
(c)叶片顶端部分处的宽度是径向位置0.6处宽度的12～75％，同时叶片顶端部分处的倾斜角比径向位置0.6处的倾斜角小5～10°；和
(d)叶片根部处的宽度是径向位置0.6处宽度的40％或更多，同时叶片根部处的倾斜角为25～50°。
2、一种轴流式叶轮，其特征在于叶片包括：
(a)最大叶片宽度是叶轮直径的20％或更多；
(b)叶片最大宽度部分的径向位置是0.4～0.8，同时最大宽度部分的倾斜角是12～22°；
(c)叶片顶端部分处的宽度是最大宽度的12～75％，同时叶片顶端部分处的倾斜角比最大宽度部分处的倾斜角小5～10°；和
(d)叶片根部处的宽度是最大宽度的40～100％，同时叶片根部处的倾斜角是25～50°。
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