CN115559934A - 风扇和风扇叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有前流入边缘(2)和后流出边缘(3)的风扇叶片(1)，其中所述风扇叶片(1)具有至少部分波纹状的流入边缘(4)，其中这形成具有特定三维波形的波纹(W)。

Description

风扇和风扇叶片
本申请是申请日为2021.3.4、申请号为202180016925.3(PCT/EP2021/055473)、发明名称为“风扇和风扇叶片”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种风扇和风扇叶片，确切来说涉及一种径流式风扇。
背景技术
风扇用于例如热量交换器中以经由交换器组件进行抽吸。然而，因此去向风扇的进入流是强烈的湍流。去向风扇的湍急进入流导致发出的声音明显增大，这意味着产生恼人的噪声。湍急程度Tu和所谓的湍流长度尺寸Λ可通过度量方式来确定以对进入流进行表征。湍急程度是速度的波动值对平均值的比率。湍流长度尺寸是湍流结构的平均尺寸。所述湍流长度尺寸对应于速度波动彼此相关的路径长度。热量交换器本质上是由具有翅片的管道构造而成。
在目前的风扇或风扇轮中，有利于形成流体的通风风扇实现了高性能，特别是在所实现的通过流量或压力增强方面。原则上，需要即使在入射流湍急的情况下噪声仍然低且同时具有良好的空气动力特性的风扇。然而，在风扇的运作中强烈的噪声产生目前仍然是一个问题。当湍急的进入流冲击通风风扇时，产生噪声。
现有技术中采取了各种设计措施来减少这些问题。文档DE 19948075 A使用一种具有多个叶片的轴流式风扇，所述叶片具有双镰刀形前风扇边缘，所述双镰刀形前风扇边缘具有突出的外隅角以减小运行噪声。US 3416725 A公开一种具有双镰刀形流入边缘和轻微单镰刀形流出边缘的叶片形状。
DE 10326637 B3描述了另一解决方案，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形镰刀形叶片具有向外急剧退却的流入边缘。WO 1998005868 A1公开了一种对轴流式风扇或其叶片几何形状进行气动声学优化的数值方法，并且US2649921提供了一种具有非常短且宽的叶片以及三重弯曲的流入边缘和流出边缘的风扇。此外，US 5533865 A公开了一种用于风车的转子，所述风车的叶片具有锯齿形流出边缘。交错或波纹状的流出边缘用于减小流出边缘的声音(例如，GB 2497739或EP 1801422 A2)。DE102009044824 A1在流出边缘的区域中使用孔形式的孔隙来减小在流出边缘处出现的声音。
然而，在进入流湍急的情形下，在流出边缘处出现的声音相对于在流入边缘处出现的声音来说不那么重要。
在进入流湍急的情况下，波纹状或交错的流入边缘也被看作减小噪声的手段。US6431498 B1描述由于在翼展方向上进行各种切割而得到的波纹状流入边缘。前区域在弦向方向上延伸到厚度最大值。US 9249 666 B2描述了流入边缘上的波纹的替代设计，其中轮廓不在弦向方向上延伸，而是脱离参考轮廓而去向压力侧或抽吸侧。EP 3121 376 B1中描述了呈双正弦形式的特殊流入边缘波纹。WO2013/180296使用具有三角形形状的交错流入边缘。文档DE 102017212231 A1描述了波纹状流入边缘与波纹状流出边缘的组合。流入边缘上的波纹与流出边缘相比具有更大的波长。
在波纹状流入边缘或交错流入边缘中，波谷是出现声音的重要位置。其他文档涉及在谷区域中对叶片进行修改。JP6409666B2在叶片上在谷区域中使用额外引导元件。JP5978886B2中描述了交错流入边缘中呈谷形式的凹部。
发明内容
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况下以低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。随附权利要求含有有利实施方案。
在更详细地描述本发明之前，将阐释所使用的几个概念和术语以更好地理解本发明。出于此目的，介绍典型的轴流式风扇和斜流式风扇，轴流式风扇和斜流式风扇通常具有呈星状排列在中心叶毂上的多个风扇叶片以用于对风扇周围的空气或将由风扇输送的气体进行流体抽吸和/或压缩。风扇叶片可通过圆环在径向最外轮廓表面处彼此连接。
此外，每个风扇叶片具有：前流入边缘，所述前流入边缘在既定旋转方向上引导运作；以及后流出边缘，所述后流出边缘在所述既定旋转方向上跟随风扇的运作。此外，根据旋转方向和风扇叶片轮廓，存在抽吸侧和压力侧，其中所述压力侧通常位于风扇叶片的凸形侧上并且所述压力侧通常位于风扇叶片的凹形侧上。因此，风扇叶片具有在运作中吸入流入的空气的抽吸侧和与所述抽吸侧相对的压力侧，在所述压力侧上排出空气的压力增强。
根据本发明的风扇相对于同类传统风扇的差异在于在进入流湍急的情况下的降噪运作。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，其中此风扇叶片相对于同类传统风扇来说通过特殊设计实现了噪声产生的减小。
出现的声音增大的机制是基于湍急进入流与风扇的进入流的时间改变相关。湍流导致作用在叶片上的力随时间变化，因此触发对应的波动性声音发出。所述波动的强度特别重要。进入流的湍急程度越高且因此风扇的进入流的相关流动变量的波动越大，则所产生的声音发出越强烈，换言之，感到所述风扇运作的声音越大。
对在进入流湍急时叶片轮廓的前侧流入边缘的各种修改的研究显示，当流入边缘体现为波纹状或具有波纹状锯齿形式时，会产生正面的声学效果。根据本发明可认识到，使得发出的声音发出减小的本质机制在于，叶片上进行声源的去相关。湍急进入流看起来是混乱的，但并不是完全混乱的，而是与一些几何因素相关。上述长度尺寸Λ是可确立湍流波动的特定相关性的路径长度。
然而，研究已表明，有声学效果的波纹状流入边缘具有更差的空气动力学性质，因此人们最初不愿设计此种形式。本发明涉及一种在声学上和空气动力学上皆有利的流入边缘波纹的特定设计。此乃是由于根据本发明已表明形成非常独特的波形是特别有利的。
本发明的一个基本概念是，进入流至少部分地具有特定三维波纹状形式或变为三维波纹状。波纹的特殊形式明显不同于现有技术。如果波纹状流入边缘进一步体现为具有孔隙，则更有利。根据本发明，提供具有流入边缘和流出边缘的风扇叶片，其中所述风扇叶片在至少一个区段中具有波纹状流入边缘，所述波纹状流入边缘具有周期长度为λ的周期性重复波形，所述周期性重复波形不同于正弦曲线或近乎正弦曲线波形，确切来说不同于具有相等周期长度λ的正弦曲线或近乎正弦曲线波形。
在规律重复的物理事件中，周期(周期长度)是事件重复的最小位置距离。
如果波纹状流入边缘具有用于达到此目的的两个或更多个周期性重复波形，则更有利。当在多个周期内形成所期望的波形时，出现根据本发明的效果。
因此波谷和波峰可交替地形成在前边缘上，即沿着流入边缘，所述波谷和波峰是按照特定周期性设置。
同时提供空气动力学改进和声学改进的波长和振幅的最优范围是依据实验研究确定。波纹的所谓峰谷值H是从最高点到最低点的距离。为了聚焦于减小声功率，往往使用具有更大高度(大峰谷值H)和更小波长的波纹(小的λ/H)。为了减小输入功率，小的峰谷值H和大的波长是有利的(更大的λ/H)。就叶轮直径D来说，优选峰谷值H在范围0.01≤H/D≤0.1内是有利的。
在本发明的对应有利实施方案中，规定波谷的峰谷值H被界定为从波纹状流入边缘的此区域中的前边缘到相应的波谷(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，其中所述值可沿着所述流入边缘变化。
以下解决方案已被证明特别有效，即提供与正弦形式不同的在每个周期中具有深波谷(即，足够强烈明显的波谷)的波形。出于此目的，可规定振幅或峰谷值具有与风扇叶片的弦长相关的比值。事实已表明，稍微明显的波谷或仅正弦曲线波谷不够有效。而是，波纹状流入边缘的区域中的波谷的峰谷值优选地是弦长SL的大约10％至30％，更优选地是弦长SL的10％至20％。相对于具有相等数目个周期的虚正弦波来说，峰谷值因此更大，这使得在波谷中侧缘相对于流动方向来说更陡峭。
因此优选的是，重复波形每个周期形成具有两个“陡峭”波纹侧缘的至少一个波谷，所述两个“陡峭”波纹侧缘朝向彼此延伸并且各自相对于流动方向倾斜。在此特别有利的是，在流入边缘的此区域中(特别是在靠近进入的侧缘的区段中)倾斜地延伸到波谷的(侧向)波纹侧缘相对于流动方向以15°与35°之间的切角β延伸，优选地以25°至30°的切角β延伸。
此也使得相对于正弦曲线波谷中的曲率演变来说，根据本发明的波形的波谷中的曲率演变明显更强烈。
在另一替代例示性实施方案中，重复波形(即周期性排列的波形)形成中间具有波峰的两个相邻波谷，所述波峰逆着流动方向在流入侧前边缘的方向上延伸。因此定界出此波形的两个侧向侧缘倾斜地延伸，如上文所阐释。
根据本发明，以下过程可用于波纹的设计，即波纹状流入边缘的区域中的波形至少部分地或完全地延伸穿过与正弦波的多个(确切来说，六个)交叉点(支撑点)，但所述波形在其形状上不同于正弦波。
在波峰位于两个波谷之间的替代例示性实施方案中，所述波峰的峰谷值h2的绝对值是直接相邻的波峰的峰谷值H的大约10％至80％。
另外，有利的是，大约在周期的中间(即在半波长处)，使波纹状流入边缘局部地适应气流。出于此目的，垂直于叶片的压力侧与抽吸侧之间的中心线为流入边缘引入偏移。此偏移改进流入边缘的进入流并且有助于避免此区域中发生分流。此偏移优选地体现在压力侧方向上。如果叶片轮廓除了波纹状流入边缘之外还在特定区段中具有特定(确切来说，波纹状)的结构，则是有利的。出于此目的，叶片轮廓(在剖面中在波峰区域中观察)可分别形成在抽吸侧(SS)上突出的隆起和在压力侧(DS)的对应相对位置处的凹部，所述抽吸侧和所述压力侧的表面轮廓被界定成在每一种情形下使得在流动方向上观察表面曲率改变两次。如果上侧(抽吸侧)上的表面轮廓大约对应于下侧(压力侧)上的相对表面轮廓，则叶片轮廓具有大致均匀的厚度，但略微在抽吸侧上存在凸起。
另一改进可以是，在前面在所述流入边缘的所述区域中(在剖面中观察)，叶片轮廓朝向压力侧弯曲得较远，此和与所述流入边缘的所述区域相邻的朝向压力侧弯曲得较少的区域形成对比。因此实现了叶片的特定额外波纹状结构，所述额外波纹状结构优选地具有一个周期的间隔，更优选地从周期中心到周期中心。
可通过以下方式实现噪声特点的额外改进：将风扇叶片形成为在流入边缘的区域中具有穿过风扇叶片而从压力侧到抽吸侧的多个连续通道(具有孔隙的区域)。由于在与湍流相互作用的叶片边缘的区域中使用孔隙，因此可实现声音发出的进一步减小，其中这些孔隙可通过孔或通过狭槽来形成。这些孔隙是贯穿开口，所述贯穿开口使得风扇叶片的抽吸侧与压力侧之间能够压力均衡。在一个优选实施方案中，孔直径或狭槽宽度具有在高达大约2mm范围内的值。多孔区域优选地仅包括流入边缘的一个区段，其中所述区段小于叶片长度的大约20％。
根据本发明的多个几何设计元素的组合是特别有利的，其中在每一种情形下将本发明特有的特殊特征考虑在内。因此，举例来说，可在流入边缘区域中将孔隙与三维形波纹组合。
本发明特定来说涉及具有一个或多个上述风扇叶片的轴流式风扇或斜流式风扇。
附图说明
本发明的其他有利改善在随附权利要求中表征，或在后文中与基于图对本发明的优选实施方案的描述一起加以更详细描述。
在图中：
图1示出在一些区段中具有波纹状流入边缘的风扇叶片；
图2示出在流入边缘的波峰中穿过风扇叶片的剖面B的细节视图以阐释特定“S波纹”；
图3示出流入边缘处的波纹的正弦波形和相对于所述正弦波形而修改的延伸穿过正弦波的支撑点的波形的示意图，变形具有多个拐点和更深的波谷；
图4示出流入边缘处的波纹的正弦波形和相对于所述正弦波形而修改的延伸穿过正弦波的支撑点的波形的示意图，变形在两个波谷之间具有额外波峰；
图5示出在一些区段中具有波纹状流入边缘的风扇叶片，所述波纹状流入边缘具有额外波峰；
图6示出叶片的剖面的细节视图以阐释在半波长处的流动角度的调整；
图7示出具有5个风扇叶片的例示性轴流式风扇；
图8示出具有圆环的例示性斜流式风扇，所述圆环具有5个风扇叶片。
具体实施方式
后文中基于例示性实施方案参考图1到图8更详细地阐释本发明，其中相同的参考符号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，风扇叶片1具有在一些区段中呈波纹状的流入边缘。风扇叶片1具有流入边缘2、4和流出边缘3并且也在所述流入边缘上具有至少部分波纹状区域，具有至少部分波纹状区域的所述流入边缘被标识为流入边缘4，其中流入边缘4的此区域形成特定波形的波纹。不具有波纹状流入边缘的参考叶片的流入边缘被标识为2*。参考叶片表示不具有本发明的特征的非优化叶片。
另外，示出两条圆周向延伸的剖线A和B。剖面A的位置被选择为使得具有波纹状流入边缘4的风扇叶片1的弦长大约对应于具有非波纹状流入边缘2*的参考叶片的弦长。剖面B的位置被选择为使得其延伸穿过具有波纹状流入边缘4的风扇叶片1的波峰。
图2是风扇叶片1的流入边缘4的波纹状区域中的剖面B的细节视图以阐释S形波纹。具有波纹状流入边缘4的轮廓脱离具有非波纹状流入边缘2*的参考轮廓，而在压力侧DS方向上靠近流入边缘并且在抽吸侧SS方向进一步向下游。
下文中描述可如何从正弦波导出或优化流入边缘处的波形的措施。在正弦曲线的多个支撑点S内界定出所述波形，并且通过样条内插得到曲线轮廓。出于此目的，图3示出流入边缘处的虚正弦波形5和已修改波形6的示意图，已修改波形6延伸穿过正弦波5上的六个支撑点S和波纹中间的一个额外支撑点S1。波纹6的峰谷值H是从最高点到最低点的距离。通过长度h1和对支撑点S的选择来界定与正弦波的偏差。就峰谷值H来说，此波形6形成波形6的“更深”波谷7。
与正弦波形相比，朝向波谷7下降的两个侧缘更靠近定位地在一起并且相对于流入速度v的方向来说其迎角比正弦波更陡。在边缘轮廓更陡的情况下，乱流冲击风扇叶片的流入边缘的有效流入速度(即，流入速度v的垂直于流入边缘的分量)减小。此使得更有效地减小发出的声音。h1的优选值优选地处于范围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。波纹中间的支撑点逆着流入方向而定位在上游，以使得额外波峰8形成波纹的中间。通过长度h2和对支撑点S的选择来界定与正弦波的偏差。h2的优选值处于范围0<h2<2h内，其中h＝正弦波的振幅。
图5示出具有流入边缘4的具现化风扇叶片1，所述流入边缘4在一些区段中呈波纹状并具有额外波峰8。所示的具有剖线C的这些圆周向地延伸的剖面被选择成使得其延伸穿过具有波纹状输入边缘4的叶片1的额外波峰8。
图6是风扇叶片1的波纹状流入边缘的区域中的剖面C的细节视图，以阐释流入边缘的区域中的叶片轮廓对进入流的局部适应性。剖面在区域性流入边缘4的区域中与叶片的压力侧与抽吸侧之间的中心线本质上垂直地在压力侧DS的方向上移位达长度h3。因此，被调整为具有已修改的流入边缘9的剖面防止发生分流并防止与所述分流相关的噪声发出。对剖面的所述有利调整优选地是在波纹的中间，即其可既位于额外波峰8的区域中也位于谷7的区域中。
图7示出具有5个风扇叶片1的例示性轴流式风扇。
图8示出具有圆环10的例示性斜流式风扇，所述圆环10具有5个风扇叶片1。
本发明的实施方案并不仅限制于上述优选例示性实施方案。而是，可设想出多种变形，所述多种变形即使在有根本上不同设计的实施方案中仍能使用所述解决方案。

Claims (10)

1.一种用于径流式风扇的具有流入边缘(2、4)和流出边缘(3)的风扇叶片(1)，其中所述风扇叶片(1)至少在一个区段中具有波纹状流入边缘(4)，所述波纹状流入边缘(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不同于正弦曲线或近乎正弦曲线波形，确切来说不同于具有相等周期长度λ的正弦曲线或近乎正弦曲线波形，其特征在于所述重复波形每个周期形成在两个侧缘(K1、K2)之间的两个相邻波谷(7)，所述两个侧缘(K1、K2)相对于流动方向(V)倾斜地朝向彼此延伸，其中波峰(8)处于所述两个波谷(7)之间，所述峰逆着所述流动方向(V)在流入侧前边缘的方向(V)上延伸，并且直接处于两个相邻波谷(7)之间的波峰(8)的波纹的峰谷值的绝对值是所述直接相邻的波峰(7)的峰谷值的大约10％至80％。
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，所述波纹状流入边缘(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，从所述波纹状流入边缘(4)的区域中的所述前边缘(VK)到所述波谷(7)测量的波纹(6)的峰谷值H具有相对于所述周期长度λ在所述流动方向(V)上观察到的值，所述值处于范围0.2≤λ/H≤2内，其中所述值可沿着所述流入边缘(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，所述风扇叶片尤其在所述波纹状流入边缘(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的大约10％至30％，更优选地是所述弦长SL的10％至20％。
5.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，所述倾斜延伸的波纹侧缘(K1、K2)在其侧缘中间或靠近其侧缘中间相对于所述流动方向(V)以15°与35°之间的切角β延伸，优选地以25°至30°的切角β延伸。
6.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，只要所述风扇叶片(1)具有非波纹状区域，则相对于所述非波纹状区域中的所述流入边缘(2)来说，所述波纹状流入边缘(4)至少在所提供波峰(8)的区域中逆着所述流动方向(V)突出。
7.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峰(8)的所述区域中，所述叶片轮廓分别具有从抽吸侧(SS)突出的隆起和在压力侧(DS)的对应相对位置处的凹部，所述抽吸侧(SS)和所述压力侧(DS)的表面轮廓分别被界定成使得在所述流动方向(V)上观察时表面曲率改变两次。
8.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，在前面观察在剖面中在所述流入边缘(4)的所述区域中，所述叶片轮廓朝向所述压力侧(DS)弯曲得较远，此和与所述流入边缘(4)的所述区域相邻的朝向所述压力侧(DS)弯曲得较少的区域形成对比，优选地具有一个周期的间隔，更优选地从周期中心到周期中心。
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，所述风扇叶片被形成为至少在所述流入边缘(2)的所述区域中的多个区段中是多孔的，优选地具有从压力侧到抽吸侧的连接，例如具有延伸穿过所述风扇叶片的多个通道。
10.一种轴流式风扇或斜流式风扇，所述轴流式风扇或所述斜流式风扇具有一个或多个如权利要求1至9中任一项所述的风扇叶片(1)。
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