CN117345686B - 一种三元扭曲叶片的风扇叶轮及风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三元扭曲叶片的风扇叶轮及风机，属于风机技术领域，风扇叶轮包括一体成型的顶板、底板以及围绕叶轮旋转轴线布设的多个叶片，叶片处于顶部与底板之间，顶板中间设置进风口，顶板与底板之间形成出风口，叶片一面朝向叶轮旋转轴线，叶片另一面背离叶轮旋转轴线；叶片包括靠近叶轮旋转轴线的前半区域和远离叶轮旋转轴线的后半区域，前半区域包括靠近顶板的前上半区域和靠近底板的前下半区域，前上半区域以朝向叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面，前下半区域以远离叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面，后半区域以远离叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面。本发明对叶片结构进行改进，实现风机高效率、宽工况、低噪音的目的。

Description

一种三元扭曲叶片的风扇叶轮及风机

技术领域

本发明属于风机技术领域，具体涉及一种三元扭曲叶片的风扇叶轮及风机。

背景技术

后向离心风机内部的气体流动是复杂的三维粘性流动，充斥着各种二次流动和分离流动，使得后向离心风机内部流动控制变得困难。通过三元设计如果能最大程度满足风机内部三维流动与风机结构匹配的要求，就能够有效降低损失，提升风机效率。

现有的产品类型中，已知有各种材料能够制成离心叶轮，比如等厚金属片制成离心叶轮，空心型材制成离心叶轮，以及添加玻纤增强制成的塑料叶轮。其中，塑料叶轮的工艺可以在保证较低的叶轮成本的同时，实现各种复杂的叶片形状，在叶片的扭曲程度、叶片厚度分布方面均有优势。随着风机设计技术的发展、材料性能的提升、以及注塑工艺的提升，塑料叶轮的弯曲程度高，复杂三元扭曲叶片能够凭借优良的气体流动控制技术，提升风机的静压效率，同时降低运行的噪声。

添加玻纤能够明显增加塑料叶轮的强度，但实际生产中由于产品品控的难度，叶轮产品的结构强度往往会在一定范围内波动，需要保证叶轮设计在安全性上有足够的余量。因此有必要提出一种新型的三元扭曲叶片结构，以提高结构强度及提升风机性能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种三元扭曲叶片的风扇叶轮及风机，对叶片结构进行改进，实现风机高效率、宽工况、低噪音的目的。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

在本发明的第一方面，本发明提出了一种三元扭曲叶片的风扇叶轮，包括一体成型的顶板、底板以及围绕叶轮旋转轴线布设的多个叶片，所述叶片处于顶部与底板之间，所述顶板中间设置进风口，所述顶板与所述底板之间形成出风口，所述叶片的底端与底板连接，所述叶片的顶端与顶板连接，所述叶片的一面朝向叶轮旋转轴线，且所述叶片的另一面背离叶轮旋转轴线。

所述叶片包括一体成型的靠近叶轮旋转轴线的前半区域和远离叶轮旋转轴线的后半区域，所述前半区域包括靠近顶板的前上半区域和靠近底板的前下半区域，其中，所述前上半区域以朝向叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面，所述前下半区域以远离叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面，所述前半区域的前缘呈现类S型弯曲，所述后半区域以远离叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面，所述后半区域的尾缘呈现类C型弯曲。这种特殊的叶片形状能够起到优化进口速度分布和提升叶轮通流能力的作用，增加叶轮的气动效率，实现风机高效率、宽工况、低噪音的目的。

优选的，所述前上半区域的凸出弯曲程度小于所述后半区域的凸出弯曲程度，所述前下半区域的凸出弯曲程度小于所述后半区域的凸出弯曲程度。

优选的，沿叶长方向，所述前上半区域的长度占叶片长度的20～70%，更优选的，所述前上半区域的长度占叶片长度的40～60%；沿叶长方向，所述前下半区域的长度占叶片长度的20～70%，更优选的，所述前下半区域的长度占叶片长度的40～60%。

优选的，沿叶高方向，所述前上半区域的高度占叶片高度的30～70%，所述前下半区域的高度占叶片高度的30～70%。

优选的，叶片的前缘顶端距离叶轮旋转轴线的径向长度与叶片的前缘底端距离叶轮旋转轴线的径向长度之比为1.5～1.9，更优选的，叶片的前缘顶端距离叶轮旋转轴线的径向长度与叶片的前缘底端距离叶轮旋转轴线的径向长度之比为1.6～1.7，更优选的，叶片的前缘顶端距离叶轮旋转轴线的径向长度与叶片的前缘底端距离叶轮旋转轴线的径向长度之比为1.66。

优选的，所述顶板包括形成叶轮进风口的平直部分以及靠近叶轮外缘的弧线部分，所述平直部分与叶轮旋转轴线平行，所述弧线部分为弧面，其中，所述弧线部分的内壁型线的切线与叶轮旋转轴线之间的夹角为β1，β1的范围是90°～150°，更优选的，120°≤β1≤150°。

优选的，所述底板向顶板的方向凸出，在所述底板远离顶板的侧面形成安装槽。

更优选的，沿底板的径向，所述底板外缘的内壁型线往叶轮旋转轴线方向弯曲并靠近，所述底板外缘的内壁型线的切线与叶轮旋转轴线的夹角为β2，β2≤90°。

优选的，叶片的尾缘在底板径向与底板的最大外圆之间存在空隙R，R与底板外圆直径D_2hub的比值大于或等于0.05，更优选的，R与底板（2）外圆直径D_2hub的比值为0.10～0.16。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种风机，包括上述的风扇叶轮。

有益效果：

本发明在叶片整体呈现特殊的双S型弯曲结构，结构强度得以提高，使得叶轮设计在安全性上有足够的余量，而且，本发明的特殊的双S型弯曲结构的叶片对于风机性能、效率也有提升的效果，叶片的前半区域的S型弯曲设计，能够控制并减小风机进口处的气流分离，让风扇叶轮内流道内部气流速度分布更加均匀，与常规前缘设计的风机相比，本发明的叶片能优化进口速度分布，在提升叶轮通流能力的同时，增加叶轮的气动效率，结合后半区域特殊的C型设计，及整个叶片表面的曲面优化，实现风机高效率、宽工况、低噪音的目的。

附图说明

图1所示为本发明的整体示意图；

图2所示为本发明风扇叶轮的部分示意图；

图3所示为叶片的示意图；

图4所示为叶片另一角度的示意图；

图5所示为风扇叶轮的截面示意图；

图6所示为风扇叶轮与电机的连接示意图；

图7所示为风扇叶轮与电机的连接示意图；

图8所示为叶片由五个流面叶型按照积叠线积叠而成的示意图；

图9所示为五个流面叶型的前缘顶点在圆周方向上与起始位置形成多个夹角的示意图；

图10所示为五个流面叶型的尾缘顶点在圆周方向上与起始位置形成多个夹角的示意图；

图11所示为常规叶轮的示意图；

图12所示为实施例与对比例的性能特性曲线图。

附图标记：1-顶板，2-底板，3-叶片，4-加强结构，5-电机，6-常规叶轮；

11-平直部分，12-弧线部分，21-安装槽；31-前缘，32-尾缘，33-前上半区域，34-前下半区域，35-后半区域。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

如图1-12所示，本发明提供了一种三元扭曲叶片3的风扇叶轮，包括一体成型的顶板1、底板2以及围绕叶轮旋转轴线布设的多个叶片3，叶片3处于顶部与底板2之间，顶板1整体呈类似圆环的结构，顶板1中间为进风口，顶板1与底板2之间形成出风口，叶片3的底端与底板2连接，叶片3的顶端与顶板1连接，叶片3的一面朝向叶轮旋转轴线，且叶片3的另一面背离叶轮旋转轴线；

如图1所示，叶片3包括一体成型的靠近叶轮旋转轴线的前半区域和远离叶轮旋转轴线的后半区域35，前半区域又包括靠近顶板1的前上半区域33和靠近底板2的前下半区域34，容易理解，前上半区域33、前下半区域34及后半区域35组成一个完整的叶轮，其中，前上半区域33以朝向叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面，前下半区域34以远离叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面，后半区域35以远离叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面，结合附图1-4可知，后半区域35的外侧边即尾缘32呈现C型弯曲，而前半区域整体的内侧边即前缘31呈现S型弯曲，另外，从不同角度观察叶片3的前半区域，其前缘31能够呈现两种不同形状的S型弯曲，这种特殊的双S型弯曲结构，有利于提高叶片3的结构强度，使叶轮设计在安全性上有足够的余量。而且，本发明的特殊的双S型弯曲结构的叶片3对于风机性能、效率也有提升的效果，叶片3的前半区域的S型弯曲设计，能够控制并减小风机进口处的气流分离，让风扇叶轮内流道内部气流速度分布更加均匀，与常规设计的风机相比，本发明的叶片3能优化进口速度分布，在提升叶轮通流能力的同时，增加叶轮的气动效率，结合后半区域35特殊的C型设计，及整个叶片3表面的曲面优化，实现风机高效率、宽工况、低噪音的目的。

为便于描述，在本发明中，前半区域靠近叶轮旋转轴线的一侧边为前缘31，后半区域35远离叶轮旋转轴线的一侧边为尾缘32，容易理解，前上半区域33靠近叶轮旋转轴线的一侧边与前下半区域34靠近叶轮旋转轴线的一侧边自然过渡，形成前缘31，自前缘31至尾缘32的方向为叶片3的长度方向，即叶长方向，如图2中的L方向，自叶片3顶端至叶片3底端的方向为叶片3的高度方向，即叶高方向，如图2中的H方向。

在本发明中，叶片3沿叶高方向由多个流面叶型按照积叠线积叠而成，其中，流面叶型是在M-Theta空间上的二维叶型，在笛卡尔坐标系下表现为三维空间曲线。

在本发明中，前上半区域33的凸出弯曲程度小于后半区域35的凸出弯曲程度，前下半区域34的凸出弯曲程度小于后半区域35的凸出弯曲程度。本发明叶片3的进风一边采用异形弯曲的结构，减小风机进口处的气流分离，优化进口速度分布且提升叶轮通流能力，而叶片3的出风一边采用弯曲程度更大的曲面，提高风机效率。

如图8-10所示，叶片3的前缘31顶端距离叶轮旋转轴线的径向长度与叶片3的前缘31底端距离叶轮旋转轴线的径向长度之比为1.5～1.9，更优选的，比值为1.6～1.7，更优选的，比值为1.66，叶轮内气体速度分布与叶片3几何面更加匹配，流动控制会变得更好。结合附图1-2可知，叶片3整体也是自底板2至顶板1向外倾斜。

更具体的，沿叶长方向，前上半区域33的长度占叶片3长度的20～70%，优选的，前上半区域33的长度占叶片3长度的40～60%。

更具体的，沿叶长方向，前下半区域34的长度占叶片3长度的20～70%，优选的，前下半区域34的长度占叶片3长度的40～60%。

容易理解的是，沿叶长方向，后半区域35的长度与叶片3长度的占比则根据前上半区域33和前下半区域34与叶片3长度的占比来调整，此处不作限制。

更具体的，沿叶高方向，前上半区域33的高度占叶片3高度的30～70%，前下半区域34的高度占叶片3高度的30～70%，也即前上半区域33和/或前下半区域34需要有足够的面积，前上半区域33和前下半区域34存在明显的曲面。更优选的，沿叶高方向，前上半区域33的高度占叶片3高度的40%，前下半区域34的高度占叶片3高度的60%。

容易理解的是，前上半区域33、前下半区域34及后半区域35三者自然平滑过渡。

在本发明中，顶板1包括形成叶轮进风口的平直部分11以及靠近叶轮外缘的弧线部分12，如图5所示，平直部分11与叶轮旋转轴线平行，弧线部分12为弧面，其中，弧线部分12的内壁型线的切线与叶轮旋转轴线之间的夹角为β1，β1的范围是90°～150°，优选的，120°≤β1≤150°，此时，弧线部分12弯曲形成回勾状，弧线部分12的出口往叶轮出风口处弯曲。叶片3顶端与顶板1的弧线部分12连接，为了便于加工和制造方便，叶片3与顶板1的连接处可以靠近顶板1的平直部分11。

在本发明中，底板2呈类圆锥形的结构，如图5和6所示，底板2向顶板1的方向凸出，在底板2远离顶板1的侧面形成安装槽21，与电机5连接，底板2与电机5连接形成叶轮轮毂的结构。

沿底板2的径向，底板2外缘的内壁型线往叶轮旋转轴线即图中的RA方向弯曲并靠近，底板2外缘的内壁型线的切线与叶轮旋转轴线的夹角为β2，β2为直角或锐角，即β2≤90°，优选的，30°≤β2≤60°，更优选的，β2=38°。

进一步的，叶片3的尾缘32在底板2径向与底板2的最大外圆之间存在空隙R，R与底板2外圆直径D_2hub的比值大于或等于0.05，优选的，R与D_2hub的比值为0.05～0.25，更优选的，R与D_2hub的比值为0.10～0.15，也即，R/D_2hub＞0.05，特别是0.05≤R/D_2hub≤0.25，更优的方案是0.10≤R/D_2hub≤0.16，更优选的，R/D_2hub=0.151。

当β1和β2均为锐角时，顶板1和底板2在叶轮出风口形成喇叭状，这种设计对顶板1和叶片3吸力面附近的分离旋涡控制有好处，能够提升风机气动效率，降低噪声。同时在塑料一体成型叶轮工艺制造中，该喇叭状的设计也有好处，尤其有利于注塑模具脱模。

叶片3与顶板1、底板2的连接处均设计有加强结构4，为倒圆设计，此设计能够大大增强顶板1、底板2与叶片3连接处的结构强度，提升风机的安全性。容易理解的，本发明的叶轮适用塑料一体成型工艺，除此之外，本发明的叶轮也可以使用金属制成，特别是通过钣金做成的分体式加工后再组装形成叶轮。

需要说明的是，叶片3的前上半区域33以朝向叶轮旋转轴线的方向凸出形成曲面，而叶片3的前上半区域33的顶边与顶板1的弧线部分12连接，因此叶片3的顶边与顶板1之间形成夹角较大的连接区域，即图1中A处，该设计也能够有利于风扇叶轮的分体式加工，在该连接区域的连接强度也得以提高。

在本发明中，叶轮被设计成离心或者混流是叶轮，叶轮的顶板1和底板2均完全覆盖叶片3的轴向外缘部分，本发明的叶轮为闭式叶轮设计。

进一步的，叶轮中叶片3的数量为4～16，优选的，叶片3的数量为5～7。

以下结合附图8-10来辅助说明本发明更具体的设计，在本发明中，叶片3沿叶高方向由五个流面叶型按照积叠线积叠而成，沿叶高方向自下而上，容易理解，位于最上方的第五个流面叶型及最下方的第一个流面叶型相当于叶片3的顶面和底面，第三个流面叶型处于前上半区域33与前下半区域34的过渡处，第二个流面叶型处于前下半区域34凸出程度最大的位置，第四个流面叶型处于前上半区域33凸出程度最大的位置。

五个流面叶型的前缘顶点分别是Le1、Le2、Le3、Le4和Le5，尾缘顶点分别是Tra1、Tra2、Tra3、Tra4和Tra5，如图9-10所示，五个流面叶型的前缘顶点在圆周方向上与起始位置形成多个夹角α1、α2、α3、α4和α5，五个流面叶型的尾缘顶点在圆周方向上与起始位置形成多个夹角α6、α7、α8、α9和α10，流面叶型的前缘顶点与叶轮旋转轴线的距离为叶片3进口前缘直径，流面叶型的尾缘顶点与叶轮旋转轴线的距离为叶片3进口尾缘直径，五个流面叶型的叶片3进口前缘直径分别为D1、D2、D3、D4和D5，五个流面叶型的叶片3进口尾缘直径分别为D6、D7、D8、D9和D10，其中，D5＞D4＞D3＞D2＞D1，D10＞D9＞D8＞D7＞D6，α5＞α4＞α3＞α1＞α2，α10＞α9＞α6＞α8＞α7。

从α1、α2、α3、α4和α5的大小关系，以及D1、D2、D3、D4和D5的大小关系可以侧面看出，叶片3前缘31靠近底板2的区域也即前下半区域34的内侧边以远离叶轮旋转轴线的方向凸出，而叶片3前缘31靠近顶板1的区域也即前上半区域33的内侧边则以朝向叶轮旋转轴线的方向凸出，叶片3的前缘31部分呈现S型。

从α6、α7、α8、α9和α10的大小关系以及D6、D7、D8、D9和D10的大小关系可以侧面看出，尾缘32在轴向位置的中间部分以远离叶轮旋转轴线的方向凸出，叶片3的后半区域35整体呈C型弯曲的形状。

当D5/ D1＝1.5～1.9时，叶轮内气体速度分布与叶片3几何面更加匹配，流动控制会变得更好，优选的，D5/D1=1.6～1.7，更优选的，D5/ D1＝1.66。

当α2≤α1＜α3且（α5-α4)＜(α4-α3）时，此时叶片3顶部的前缘顶点方位角增加的趋势得到缩减，叶片3前缘顶点会在圆周方向上呈现S型分布。

每个流面叶型的前缘31和尾缘32之间的夹角，称为包角，包角影响叶片3弦长。

Le1-Tra1流面叶型的包角为△αm，△αm=α6-α1，△αm的范围可以是60～80°，优选的，△αm的范围是65～75°，更优选的，△αm=71.5°。

Le2-Tra2流面叶型的包角△αn=α7-α2，其中△αn的范围可以是60～80°，优选的，△αn的范围是65～75°，更优选的，△αn=69.8°。

Le3-Tra3流面叶型的包角△αk=α8-α3，其中△αk的范围可以是60～80°，优选的，△αk的范围是60～65°，更优选的，△αk=64.5°。

Le4-Tra4流面叶型的包角△αl=α9-α4，其中△αl的范围可以是55～80°，优选的，△αl的范围是55～65°，更优选的，△αl=58°。

Le5-Tra5流面叶型的包角△αu=α10-α5，其中△αu的范围可以是60～80°，优选的，△αu的范围是60～65°，更优选的，△αu=63.9°。

下面以具体实施例详细介绍本发明的技术方案。

实施例：本实施例的风机采用本发明的风扇叶轮。

对比例：本对比例的风机采用常规叶轮6，其形状如图11所示，叶片整体以远离旋转轴线的方向凸出，且叶片的内侧边及外侧边均呈现C型弯曲。

实施例与对比例的性能特性曲线如图12所示。

根据图12显示可知，与常规的前沿设计的风机相比，本发明改进后的叶片3，在叶片3进口前半段呈现特殊的扭曲状，可以更好地平衡叶片3进口直径和叶片3进口角度的关系，优化进口速度分布，提升叶轮的通流能力，本发明增加叶轮的气动效率，再结合整个叶型的曲面优化，实现风机高效率，宽工况，低噪声的优化设计，尤其是风机设计目标，需要提升低静压，大流量工况区域性的性能，本发明的实施例在同样的体积下产生更大的风量，同时保持超高的效率。

以上对本发明所提供的实施例进行了详细阐述。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种三元扭曲叶片的风扇叶轮，其特征在于，包括一体成型的顶板（1）、底板（2）以及围绕叶轮旋转轴线布设的多个叶片（3），所述叶片（3）处于顶部与底板（2）之间，所述顶板（1）中间设置进风口，所述顶板（1）与所述底板（2）之间形成出风口，所述叶片（3）的底端与底板（2）连接，所述叶片（3）的顶端与顶板（1）连接，所述叶片（3）的一面朝向叶轮旋转轴线，且所述叶片（3）的另一面背离叶轮旋转轴线；

所述叶片（3）包括一体成型的靠近叶轮旋转轴线的前半区域和远离叶轮旋转轴线的后半区域（35），所述前半区域包括靠近顶板（1）的前上半区域（33）和靠近底板（2）的前下半区域（34），其中，所述前上半区域（33）以朝向叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面，所述前下半区域（34）以远离叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面，所述前半区域的前缘呈现类S型弯曲，所述后半区域（35）以远离叶轮旋转轴线的方向凸出弯曲形成曲面，所述后半区域（35）的尾缘呈现类C型弯曲；

叶片（3）沿叶高方向由五个流面叶型按照积叠线积叠而成，沿叶高方向自下而上，五个流面叶型的前缘顶点在圆周方向上与起始位置形成夹角α1、α2、α3、α4和α5，五个流面叶型的尾缘顶点在圆周方向上与起始位置形成夹角α6、α7、α8、α9和α10，流面叶型的前缘顶点与叶轮旋转轴线的距离为叶片进口前缘直径，流面叶型的尾缘顶点与叶轮旋转轴线的距离为叶片进口尾缘直径，五个流面叶型的叶片进口前缘直径分别为D1、D2、D3、D4和D5，五个流面叶型的叶片进口尾缘直径分别为D6、D7、D8、D9和D10，其中，D5＞D4＞D3＞D2＞D1，D10＞D9＞D8＞D7＞D6，α5＞α4＞α3＞α1＞α2，α10＞α9＞α6＞α8＞α7。

2.根据权利要求1所述的风扇叶轮，其特征在于，所述前上半区域（33）的凸出弯曲程度小于所述后半区域（35）的凸出弯曲程度，所述前下半区域（34）的凸出弯曲程度小于所述后半区域（35）的凸出弯曲程度。

3.根据权利要求1或2所述的风扇叶轮，其特征在于，沿叶长方向，所述前上半区域（33）的长度占叶片（3）长度的20～70%；沿叶长方向，所述前下半区域（34）的长度占叶片（3）长度的20～70%。

4.根据权利要求1或2所述的风扇叶轮，其特征在于，沿叶高方向，所述前上半区域（33）的高度占叶片（3）高度的30～70%，所述前下半区域（34）的高度占叶片（3）高度的30～70%。

5.根据权利要求1或2所述的风扇叶轮，其特征在于，叶片（3）的前缘（31）顶端距离叶轮旋转轴线的径向长度与叶片（3）的前缘（31）底端距离叶轮旋转轴线的径向长度之比为1.5～1.9。

6.根据权利要求1所述的风扇叶轮，其特征在于，所述顶板（1）包括形成叶轮进风口的平直部分（11）以及靠近叶轮外缘的弧线部分（12），所述平直部分（11）与叶轮旋转轴线平行，所述弧线部分（12）为弧面。

7.根据权利要求6所述的风扇叶轮，其特征在于，所述弧线部分（12）的外缘的内壁型线的切线与叶轮旋转轴线之间的夹角为β1，β1的范围是90°～150°。

8.根据权利要求1所述的风扇叶轮，其特征在于，所述底板（2）向顶板（1）的方向凸出，在所述底板（2）远离顶板（1）的侧面形成安装槽（21），沿底板（2）的径向，所述底板（2）外缘的内壁型线往叶轮旋转轴线方向弯曲并靠近，所述底板（2）外缘的内壁型线的切线与叶轮旋转轴线的夹角为β2，β2≤90°。

9.根据权利要求1或8所述的风扇叶轮，其特征在于，叶片（3）的尾缘（32）在底板（2）径向与底板（2）的最大外圆之间存在空隙R，R与底板（2）外圆直径D_2hub的比值大于或等于0.05。

10.根据权利要求9所述的风扇叶轮，其特征在于，R与底板（2）外圆直径D_2hub的比值为0.10～0.16。

11.一种风机，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的风扇叶轮。