CN117581023A - 包括辅助轴流风扇的转子以及轴流通风机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于工业用大直径轴流通风机(22)的转子(20)。根据本发明的转子包括轮毂(24)和n个叶片(26)，其中每个转子叶片包括空气动力学部分(30)和用于在结构上连接到轮毂的根部(28)；根据本发明的转子进一步包括同轴的辅助轴流风扇(32)，该辅助轴流风扇包括n个径向延伸的扇叶(34)，在轴向视图中该风扇基本上包括在由转子叶片的空气动力学部分的n个径向内端限定的区域P内。本发明进一步涉及包括该转子的工业用大直径轴流通风机(22)。

Description

包括辅助轴流风扇的转子以及轴流通风机

技术领域

本发明涉及轴流通风机的领域，尤其是工业用大直径轴流通风机。

背景技术

众所周知，在工业领域，轴流通风机用于在需要散发大量热量的车间中确保在特殊辐射面周围有足够的气流。

轴流通风机(例如，工业用轴流通风机)包括其上安装有多个叶片的中心轮毂。轮毂限定了一个轴线，使叶片围绕该轴线旋转。每个叶片通常包括根部和所谓的空气动力学部分(即，根据翼型成形的部分)。根部具有将叶片约束到轮毂上的纯结构功能，而空气动力学部分具有与空气相互作用的功能。本领域技术人员可以很好理解的是，对于不同的叶片截面，切向速度是不同的。事实上，每个叶片部分的切向速度是角速度(对于所有部分都是相同的)和相对于旋转轴线的径向距离(随着远离旋转轴线而增加)的乘积。

因此，如本领域技术人员所知，轴流通风机叶片在其整个径向孔径上不能以同样有效的方式运行。叶片的径向最内侧部分的切向速度通常被认为太低，不能实现相对于气流的有效相对运动。因此，通风机的实际运行主要依赖于径向外侧部分，其确保了由轴流通风机产生的几乎全部气流。

撞击单个叶片的流线在理论上是圆周弧段，这些圆周弧段的中心与旋转轴线重合。然而，这种理论流线走向实际上只反映在叶片的中心部分。相比之下，在叶片的径向内端和径向外端，流线由于所谓的端部效应而发生变化，下文将对此进行简要描述。

沿着叶片的中间部分，高压空气区和低压空气区由于叶片本身的存在而在物理上彼此分离。在叶片的端部，这种分离不再存在，因此很自然地产生了气流，该气流倾向于从高压区移动到低压区。从而，这产生了会显著限制通风机效率的端部涡流。此外，吸入周围空气的端部涡流会使流线发生变化。这些变化从外端和内端向叶片的中心部分延伸，从而影响了叶片的整个径向延伸的很大一部分。为此，在许多已知的轴流通风机中，叶片的大部分远离理论流线所代表的最佳工作点工作。

通常针对径向外端来解决端部效应问题，因为其邻近如上所述对叶片的整体空气动力学工作的作用最大的叶片区域。

最初提出的抵消外端涡流影响的解决方案是将通风机插入管道中，从而将其限制在直径略大于通风机本身外径的管道内。在下文中将这种管道称为涵道。

由于增加了涵道，在外端涡流的尺寸显著减小，因此减少由这些涡流移动的空气量以及由此引起的阻力。然而，不仅不可能消除叶片外端和涵道内径之间的距离，而且甚至不能将该距离减小到超过一定限度。

借鉴于航空学的另一个解决方案是在每个叶片的外端设置一个称为小翼的辅助面。小翼的主要功能是形成一个阻止空气运动的壁部，从而阻止端部涡流的形成。此外，根据所采用的形状，小翼还会影响残余端部涡流，即：对残余端部涡流进行优化，从而限制噪音的形成。

在同一申请人的国际专利申请WO 2020/245674中描述了另一种解决方案。在下文中将对该解决方案(在下文中简称为“环形底座”)进行简要描述，同时读者可以参考同一公开WO 2020/245674以获得更详细的描述。根据该解决方案，环形底座设置在涵道的内壁上，该环形底座围绕通风机转子周向延伸且部分容纳叶片外端。尤其是，环形底座在轴向方向上是敞开的，并且由安装在每个叶片端部的小翼限定的轴向挡板在其中延伸。这种特殊的构造形成了一种迷宫，该迷宫有效地阻止了叶片外端周围的空气运动。因此，环形底座在整体通风机效率方面具有相当大的优势。

关于叶片的径向内端，提出了采用扁平圆盘设置在轮毂区域中，以便插入在物理上阻止空气再循环的障碍物。

专利文献WO 2014/117288描述了一种用于包括辅助离心式风扇的轴流通风机的转子。辅助离心式风扇同轴安装在转子的中心。在该解决方案中，辅助离心式风扇产生径向向外的气流，该气流冲击转子叶片的径向内端，以便抵消由于端部效应引起的再循环。

虽然被广泛认可，但是上述已知的解决方案并非没有缺点。事实上，与上述用于解决叶片径向外端涡旋问题的各种解决方案相比，迄今为止还没有用于解决径向内端涡旋的已知方案。可能叶片的径向内部区域的空气动力学作用的认识较低，这使得设计者始终认为在该区域内的任何干预都不能对通风机的整体性能产生任何显著的效果。

此外，实验活动表明，在轮毂区域增加扁平圆盘并不意味着在通风机效率方面会有任何真正的益处。

因此，需要一种工业轴流通风机，其中转子的径向内部区域在涡旋方面的性能得到改善。

发明内容及目的

因此，本发明的目的是克服现有技术的上述缺点。

尤其是，本发明的一个任务是提供一种效率更高的轴流通风机。

此外，本发明的一个任务是提供一种轴流通风机，相对于已知类型的通风机，该轴流通风机能够在相同的速度下产生更高的压力。

此外，本发明的一个任务是提供一种轴流通风机，相对于已知类型的通风机，该轴流通风机能更好地限制端部涡流的形成。

此外，本发明的一个任务是提供一种轴流通风机，该轴流通风机通过使流线尽可能地类似于理论预测的流线来实现对流线的调整。

最后，本发明的一个任务是提供一种涵道式轴流通风机，该涵道式轴流通风机不仅引入了更多的优点，而且保留了已知类型的通风机已经实现的优点。

本发明的这些及其他目的和任务是通过根据权利要求1所述的转子和根据权利要求10所述的通风机来实现的。在从属权利要求中确定了其他特征。所有所附权利要求形成了本说明书不可或缺的部分。

根据第一方面，本发明涉及一种用于工业用大直径轴流通风机的转子。该转子包括轮毂和n个叶片，每个转子叶片包括空气动力学部分和用于在结构上连接到轮毂的根部。该转子进一步包括辅助轴流风扇，该辅助轴流风扇包括n个径向延伸的扇叶，并且在轴向视图中该辅助轴流风扇基本上包括在由该转子的叶片的空气动力学部分的n个径向内端限定的区域P内。

辅助轴流风扇的存在稳定了该转子的径向内部区域内的速度和压力范围，使得该转子能更好地工作，从而增加了该通风机的整体效率。

优选地，在轴向视图中，辅助轴流风扇32内切于区域P内。该特征实现了对区域P的范围的最好利用，而又不会在辅助轴流风扇和主转子之间引入干扰。

在一些实施方式中，辅助轴流风扇包括中心部分，n个扇叶从该中心部分径向突出。在其他实施方式中，辅助轴流风扇是通过将n个扇叶直接附接到转子轮毂上来获得的。

在一些实施方式中，辅助轴流风扇被制成单个整体件。在一些实施方式中，辅助轴流风扇的扇叶包括用于在结构上连接到轮毂的根部、和空气动力学部分。

辅助轴流风扇和相应扇叶的这些不同实施方式允许辅助轴流风扇能以最佳的方式适应不同的要求。

优选地，辅助轴流风扇的扇叶的径向延伸包括在辅助轴流风扇的半径的60％至75％之间，甚至更优选地在辅助轴流风扇的半径的65％至70％之间。

优选地，辅助轴流风扇的扇叶的轴向延伸包括在辅助轴流风扇直径的20％内，甚至更优选地在辅助轴流风扇直径的5％至15％之间。

优选地，每个辅助轴流风扇扇叶的厚度在扇叶的整个延伸内基本上是一致的。优选地，辅助轴流风扇的扇叶的厚度包括在辅助轴流风扇的扇叶的轴向延伸的10％至20％之间。

根据所进行的实验，辅助轴流风扇的这些比例在提高该转子的整体效率方面实现了特别积极的结果。

在该转子的一些实施方式中，至少一个叶片包括位于径向外端的小翼，其中该小翼包括沿轴向方向和周向方向延伸的挡板。

根据第二方面，本发明涉及一种工业通风机，包括根据上述的转子和马达。

在一些实施方式中，该通风机还包括围绕转子的涵道。优选地，涵道包括环形底座，该环形底座围绕转子周向延伸且部分地容纳转子叶片的外端。优选地，环形底座至少部分地沿轴向方向延伸，并且部分地容纳由叶片小翼限定的挡板。

这种通风机构造由于辅助轴流风扇而稳定了径向内部转子区域中的速度和压力范围，并且由于容纳挡板的环形底座而稳定了径向外部转子区域中的速度和压力范围。从而，该通风机能以最佳状态工作，提高了其整体效率。

本发明的其他特征和优点从对附图的描述中将变得更加明显。

附图说明

下文结合通过非限制性实例提供的且在附图中示出的某些实例描述了本发明。这些附图示出了本发明的不同方面和实施方式，并且在适当的情况下由类似的附图标记来表示在不同附图中示出结构、部件、材料和/或类似元件的附图标记。此外，为了说明清楚，某些附图标记可能不会在所有附图中重复。

图1是根据现有技术的工业用轴流通风机的轴测图；

图2是沿着图1的线II-II操作的横截面的示意图；

图3是根据本发明的一个实施方式的工业用轴流通风机的轴测图；

图4是沿着图3的线IV-IV操作的横截面的示意图；

图5是根据本发明的一个实施方式的三叶片通风机转子的轴测图；

图6是根据本发明的一个实施方式的三叶片通风机转子的轴测图；

图7是根据本发明的一个实施方式的四叶片通风机转子的轴测图；

图8是根据本发明的一个实施方式的用于转子的三扇叶辅助轴流风扇的平面图；

图9是图8的辅助轴流风扇的轴测图；

图10是根据本发明的一个实施方式的用于转子的四扇叶辅助轴流风扇的平面图；

图11是图10的辅助轴流风扇的轴测图；

图12是与图5中的转子类似的转子的中心细节的平面图；

图13是组件的分解轴测图，该组件由与图7中的转子的轮毂和辅助轴流风扇类似的轮毂和辅助轴流风扇组成；

图14是图13中的组件的平面图；

图15是根据本发明的一个实施方式的五叶片通风机转子的平面图；

图16是图15中用XVI表示的细节的放大图；

图17是根据本发明的另一个实施方式的五叶片通风机转子的平面图；

图18是图17中用XVIII表示的细节的放大图；

图19是根据本发明的一个实施方式的用于转子的四扇叶辅助轴流风扇的轴测图；

图20是根据本发明的一个实施方式的用于转子的另一种四扇叶辅助轴流风扇的轴测图；

图21是与图7中的转子类似的转子的中心细节的平面图；

图22.a和图22.b分别是根据本发明的一个实施方式的单独的和安装在转子叶片上的辅助轴流风扇扇叶的一个实施方式的平面图；

图23是根据本发明的一个实施方式的转子的中心细节的平面图，其中示意性地突出显示了理论流线和实际流线；

图24示出了流量-压力平面图，在该平面上示意性地示出了根据现有技术的通风机的和根据本发明的通风机的特性曲线；以及

图25示出了流量-效率平面图，在该平面上示意性地示出了根据现有技术的两个通风机的和根据本发明的两个通风机的特性曲线。

具体实施方式

尽管本发明可以有各种修改和可替代构造，但是在附图中示出了某些优选实施方式，并且下文将对这些优选实施方式进行详细描述。在任何情况下都必须理解的是，本发明并非旨在限于所示的特定实施方式，而是旨在涵盖属于权利要求书所限定的本发明范围的所有修改以及可替代和等效结构。

本说明书详细阐述了本发明特有的技术方面和特征，而已知的方面和技术特征本身只能被顺带提及。在这些方面，以上结合现有技术所述的内容是有效的。

除非另有说明，否则“例如”、“等”、“或者”的使用表示但不限于非排他性的替代方案。除非另有说明，否则“包括”和“包含”的使用意味着“包含或包括但不限于”。

本发明的轴流通风机限定了旋转轴线，相对于该旋转轴线明确地定义了术语“轴向”、“径向”、“周向”和“切向”。此外，本发明的轴流通风机构造成产生气流，相对于该气流唯一性地定义了术语“上游”、“之前”等以及相对的术语“下游”、“之后”等。

本发明的一个方面涉及一种小型辅助轴流风扇，该小型辅助轴流风扇旨在安装在大型通风机的转子上，这本身是众所周知的。为了避免任何歧义，本发明的风扇在下文中将被称为风扇，而已知的大型通风机在下文中将被称为通风机。

根据第一方面，本发明涉及一种用于工业用大直径轴流通风机22的转子20。根据本发明的转子20包括轮毂24和n个叶片26，其中转子20的每个叶片26包括用于在结构上连接到轮毂24的根部28和空气动力学部分30；根据本发明的转子20进一步包括同轴辅助轴流风扇32，该辅助轴流风扇包括n个径向延伸的扇叶34，在轴向视图中该扇叶基本上包括在由转子20的叶片26的空气动力学部分30的n个径向内端限定的区域P内。

根据附图中的实施方式，在轴向或平面视图中，叶片26的空气动力学部分30的径向内端是直的且切向定向。因此，在这些实施方式中，由空气动力学部分30的n个径向内端限定的区域P是具有n条边的多边形区域，其中每条边由弦C、其一部分或其延伸部限定。因此，在这些实施方式中，区域P采取了具有n条边的正多边形的形式。在这方面参见图12、图15至图18和图21。根据本发明的其他实施方式，其中叶片26的空气动力学部分30的径向内端呈现不同的形状，区域P进而呈现不同的形状。一般来说，区域P呈现中心对称的规则形状，并且可以内切于圆。

在此处和下文中，大直径通风机22意味着直径大于80cm(优选地大于150cm)的通风机22。关于将在后面描述的某些技术特征，将提及在本发明所涉及的大直径通风机22的情况下所谓的小风扇(即，直径约小于5m)和所谓的大通风机(即，直径约大于5m)之间的区别。

转子20的叶片26具有本身已知的结构，并且包括执行纯结构功能的根部28和执行与气流相互作用的空气动力学功能的空气动力学部分30。根部28用于将叶片26连接到轮毂24上，并且其尺寸设置成使得其能够有效地将应力从轮毂24传递到空气动力学部分30，反之亦然。叶片26的空气动力学功能仅由空气动力学部分30来执行，该空气动力学部分根据翼型成形。空气动力学部分30包括径向内端和径向外端，优选地包括小翼36，这将在下面进一步描述。

叶片26的空气动力学部分30可以由金属材料(通常为铝)或复合材料(通常为环氧树脂基体中的玻璃纤维)制成，这取决于具体要求。优选地，空气动力学部分30是由一个或多个具有恒定截面的半成品例如通过挤压成型(在空气动力学部分由金属材料制成的情况下)或拉挤成型(在空气动力学部分由复合材料制成的情况下)获得的。

根据一些实施方式，空气动力学部分30沿着整个径向孔径从径向内端到径向外端具有固定弦。然而，根据其他实施方式，叶片26从预定位置开始向外逐渐变细(参见图1至图6)。在这种情况下，径向内端的轮廓弦大于径向外端的轮廓弦。在下文中，除非另有说明，否则涉及叶片26的术语“弦”应理解为径向内端的弦C(参见图12)。根据该实施方式，C可以在100mm至1000mm之间变化，优选地在150mm至800mm之间变化。

轮毂24(具体参见图13)通常包括优选为圆柱形的中心部分38，在该中心部分上设置有n个附件40，这些附件构造成允许连接叶片26的根部28。在一些实施方式中，附件40从轮毂24的中心部分38径向突出(例如参见图13和图14)，而在其他实施方式中，附件40集成在轮毂24中(例如参见图19和图20)。

优选地，每个附件40和相应的根部28之间的协作允许调节叶片26的桨距角θ(或迎角)，即：其允许围绕桨距变化的相应径向轴线改变每个叶片26的定向。然而，应当注意的是，在几乎所有情况下(尤其是在附图所示的情况下)，本发明的转子20在通风机22的运行期间不允许有效的桨距变化。在此处和下文中，桨距变化意味着叶片26的重新构造，该重新构造只能在通风机22停止时作为由技术人员执行的维护任务来进行。

转子20限定了旋转轴线R。在图1、图3和图5至图7中，旋转轴线R被定向为指示由通风机22产生的轴向气流的总体方向。如已经提到的，根据气流的方向唯一性地定义了术语“之前”、“上游”等以及相对的术语“之后”、“下游”等。

如上所述，根据本发明的转子20包括同轴辅助轴流风扇32(即：安装成与转子20的轮毂24的旋转轴线R共享其几何轴线)。

辅助轴流风扇32包括数量n等于转子20的叶片26的数量n的扇叶34。例如，如果转子20包括三个叶片26，则辅助轴流风扇32包括三个扇叶34(例如参见图3至图6)；如果转子20包括四个叶片26，则辅助轴流风扇32包括四个扇叶34(例如参见图7和图21)；如果转子20包括五个叶片26，则辅助轴流风扇32包括五个扇叶34(例如参见图15至图18)；诸如此类。

如上所述，在根据本发明的转子20的轴向或平面视图中，辅助轴流风扇32基本上包括在由转子20的叶片26的空气动力学部分30的n个径向内端限定的区域P内。优选地，在同一轴向或平面视图中，辅助轴流风扇32完全包括在区域P内。具体参见图12和图15至图18，辅助轴流风扇32内切于区域P内，这意味着辅助轴流风扇32的径向外端位于区域P的周边上。

然而，在本讨论的上下文中，术语“基本上包括”具有更广泛的含义，下文将尤其结合图21来对此进行更详细的说明。术语“基本上包括”意味着辅助轴流风扇32的径向外端可以从区域P中突出距离f，其中f小于辅助轴流风扇32本身的直径d的5％。

根据本发明的一些实施方式(其中通风机22是所谓的小型通风机(即，其直径约小于5米))，在轴向视图中，辅助轴流风扇32的扇叶34具有孔径角为β的扇形形状(例如参见图3至图14)。根据以下简单规则，辅助轴流风扇32的每个扇叶34的孔径角β和两个相邻扇叶34之间的角距离γ之和取决于扇叶34的数量：

β+γ＝360°/n。

根据一些实施方式，扇叶34的孔径角β等于两个相邻扇叶34之间的角距离γ：

β＝γ。

因此，根据以上的两个关系，每个风扇扇叶34的孔径角按照简单规则取决于扇叶34的数量：

β＝360°/2n。

例如，对于具有三个扇叶34的情况，孔径角β将为60°，从而确保接下来的两个扇叶34之间的角度γ相等。对于具有四个扇叶34的情况，孔径角β将为45°。

根据一些实施方式，辅助轴流风扇32包括优选地为圆柱形的中心部分42，n个扇叶34从该中心部分径向突出。优选地，在轴向视图中，辅助轴流风扇32的中心部分42的特征尺寸等于转子20的轮毂24的中心部分38的相应特征尺寸。在附图的实施方式(其中中心部分38、42都是圆柱形的)中，轴向视图中的特征尺寸可以是相应的半径或直径。尤其是，辅助轴流风扇32的中心部分42的直径等于转子20的轮毂24的中心部分38的直径(参见图13和图14)。

根据其他实施方式，通过将n个扇叶34直接应用于转子20来获得辅助轴流风扇32。例如(参见图19和图20)，可以通过将n个扇叶34直接附接到转子20的轮毂24上来获得辅助轴流风扇32。可替代地(参见图22.a和图22.b)，辅助轴流风扇32的每个扇叶34可以应用于叶片26的空气动力学部分30的径向内端。例如，每个扇叶34可以应用于封盖29，该封盖通常用于封闭空气动力学部分30的径向内端。根据这些实施方式，可以将扇叶34制造成独立的零件，然后对它们进行组装，以直接在转子20上形成辅助轴流风扇32。

如上所述，辅助轴流风扇32的扇叶34在径向方向上延伸；换句话说，扇叶34至少部分地在径向方向上从辅助轴流风扇32的中心部分42或从轮毂24的中心部分38向外延伸。

优选地，辅助轴流风扇32的扇叶34的径向延伸B(即，辅助轴流风扇32的直径d和轮毂24的中心部分38的直径或辅助轴流风扇32的中心部分42的直径(如果存在的话)之间的差的一半；参见图12)包括在辅助轴流风扇32的半径d/2的60％至75％之间，甚至更优选地，B包括在辅助轴流风扇32的半径d/2的65％至70％之间。

根据一些实施方式(比如图8至图11中的实施方式)，辅助轴流风扇32可以制成单个整体件。该实施方式通常优选地针对相对于本发明的范围相对较小的转子20(例如，直径达5米的转子20)。在这些情况下，事实上，辅助轴流风扇32的直径d与已知类型的其他小型通风机(比如家用台式通风机，或者用于汽车领域或空调外机中的热机的冷却回路的通风机)的直径相当。换句话说，在这些情况下，利用本领域技术人员已经获得的知识，辅助轴流风扇32的直径d可以足够小，以使其能够制成单件；可以例如通过模制金属板、或者通过注塑成型或者通过3D打印合适的聚合物来制成整体式辅助轴流风扇32。

根据一些实施方式(比如图15至图18中的实施方式)，可以采用与用于主转子20的技术类似的技术来制造辅助轴流风扇32。换句话说，辅助轴流风扇32的扇叶34可以包括根部54和空气动力学部分56，该根部用于在结构上连接到轮毂24或中心部分42。该实施方式通常优选地针对用于相对较大的转子20(例如，用于直径超过5米的转子20)的辅助轴流风扇32。在这些情况下，辅助轴流风扇32的直径d足够大，从而能够利用用于主转子20本身的构造技术。

参考直径约在5米内的通风机22，在辅助轴流风扇32中，每个扇叶34的孔径角β优选等于相对于相邻扇叶34的角距离γ。这种特殊的结构意味着，在平面视图中，除去中心部分42，实体与空隙的比率约为1。换句话说，扇叶34所占据的面积等于扇叶34之间的空气所占据的面积，而与扇叶34的数量n无关。该特征在图8和图10中尤其明显。

在工业通风机的情况下，通常通过称为实度的参数来评估固体与空隙的比率。通常，通风机22的实度定义如下：

Θ＝n*c/D

其中n是叶片26或扇叶34的数量；

c是径向外端处的弦；以及

D是通风机22(包括轮毂24)的直径。

对于本发明的用于直径在5米内的通风机22的辅助轴流风扇32，采用以上经典公式，得到的实度优选地包括在1至2.5之间，即：

1≤Θ≤2.5。

更具体地，对于图8和图10中的辅助轴流风扇32，具有：

Θ＝1.4。

优选地，辅助轴流风扇32的扇叶34的轴向延伸a包括在辅助轴流风扇32本身的直径d的20％以内，甚至更优选地，轴向延伸a包括在直径d的5％至15％之间，参见图13和图20。轴向延伸a在下文中被理解为垂直于旋转轴线R的两个平面之间的距离，其中第一平面包括扇叶34的最上游点，而第二平面包括扇叶34的最下游点。在图13的实施方式中，扇叶34的轴向延伸a与辅助轴流风扇32的中心部分42的轴向延伸重合。

优选地，扇叶34的厚度t相对于扇叶34本身的其他尺寸更薄，如图9、图11和图13所示。优选地，辅助轴流风扇32的每个扇叶34的厚度t在扇叶34的整个范围内基本上是均匀的。在扇叶34的周边附近(即，在扇叶34的前缘和/或后缘和/或径向外端附近)，厚度t可以减小。尤其是，辅助轴流风扇32的扇叶34的厚度t优选地包括在辅助轴流风扇32的轴向延伸a的10％至20％之间。厚度t的这些特征可以避免在扇叶34的后缘形成涡流。这使得每个扇叶34在下一个扇叶34的优选方向上输送空气，并且不会由于涡流分离而产生干扰。

申请人进行的研究表明了辅助轴流风扇32相对于转子20的正确定位的重要性。图12中突出显示的数量之间的一些优先关系的简要描述如下：

C(θ)是叶片26的空气动力学部分30的弦(尤其是在径向内端处)在旋转平面上的投影；这取决于为空气动力部分30选择的翼型尺寸和桨距角θ。

B是辅助轴流风扇32的扇叶34的径向延伸，即：辅助轴流风扇32的半径d/2与轮毂24的中心部分38和辅助轴流风扇32的中心部分42(如果存在的话)之间的较大者的半径之间的差；

A是叶片26的空气动力学部分30和轮毂24的中心部分38之间的最小距离，或者是根部28和轮毂24的附件40的径向延伸之和；

α是沿其测量A的半径和紧随测量了A的叶片26的扇叶34的前缘之间的角度；

Z是沿着叶片26的前缘和测量了A的点之间的弦C的距离；

X是叶片26的后缘和扇叶34到达叶片26的空气动力学部分30的点之间沿着弦C的距离。

优选地，辅助轴流风扇32相对于转子20的位置由以下等式限定：

X＝C(θ)–B sin(α(θ))-Z(θ)

其中，相对于弦C将所有部件都缩小，其变成:

X/C＝1-(B/C)sin(α)-Z/C＝1-β(α)-δ

其中δ＝Z/C。

随着桨距角θ的增加，必须调整辅助轴流风扇32的位置，以便避免与叶片26的空气动力学部分30的径向内端重叠。因此，所涉及的几何关系可以定义如下：

B cos(β)-(c-x)sin(θ)＝0

其中B是扇叶34在径向方向上的长度，C是轮廓弦，并且X是距后缘的距离。

根据以上两个未知数的方程，可以发现X为α函数。因此，推导出α为arcos(((C-X)sin(θ))/B)，并且将其插入到以上等式中，可以为每个桨距角θ找到辅助轴流风扇32的位置。

相对于转子20定位辅助轴流风扇32的另一个自由度是轴向位置。事实上，辅助轴流风扇32可以设置在轮毂24的轴向面附近(紧下游(例如图5中)或紧上游(例如图6中))，或者其可以在距离h处沿着旋转轴线R在轴向方向上移动。

例如，可以限定距离h，使得辅助轴流风扇32的径向外端在轴向方向上到达叶片26的空气动力学部分30的径向内端附近。

例如，可以有：

h＝(C–Z)sin(θ)。

优选地，本发明的转子20的至少一个叶片26在其径向外端处包括小翼36。众所周知，小翼36是成形装置，应用于叶片26端部以提高其空气动力学效率，从而降低由端部涡流引起的诱导阻力。小翼36本身是已知的，优选地包括沿轴向方向和周向方向延伸的挡板44。

根据本发明的某些实施方式，本发明的转子20包括在平面视图中具有V形几何形状的n个叶片26。在申请人的专利文献WO 2017/085134中详细描述了该解决方案(附图中未示出)。尤其是，叶片26的这种V形几何形状(其中叶片26的前缘在平面视图中是凹入的)实现了显著降低通风机22产生的噪音。

根据第二方面，本发明涉及一种用于工业用轴流通风机22，包括如上所述的转子20和马达46。优选地，本发明的通风机22包括电动马达46。

根据本发明的一些实施方式，本发明的通风机22是涵道式通风机，即：其包括围绕转子20的本身已知的涵道48(参见图3和图4)。

优选地，涵道48包括如专利文献WO 2020/245674中描述的环形底座50。尤其是，根据该解决方案，涵道48的内壁包括环形底座50，该环形底座围绕通风机22的转子20周向延伸，并且部分地容纳转子20的叶片26的外端。优选地，环形底座50至少部分地沿轴向方向延伸，并且部分地容纳由小翼36限定的挡板44。

根据一些实施方式，本发明的通风机22包括框架52，该框架构造为在所有操作条件下支撑通风机22。尤其是，框架52构造为在瞬态和稳态下在所有转速下牢固地支撑通风机22，而不会经历不受控制的振动。

根据一些实施方式，本发明的通风机22的定向使得旋转轴线R是竖直的且指向上方。在这种情况下，框架52和马达46优选地安置在转子20的上游(即，在转子20的下方)，并且框架52牢固地锚定在车间内，因此通常锚定在地面上。

根据某些实施方式，本发明的通风机22是散热系统的一部分，该散热系统包括安置在通风机22的紧下游的冷却模块，冷却液在该冷却模块内循环。根据其他实施方式，本发明的通风机22是通风或空气流动系统的一部分。在这种情况下，在通风机的下游通常有一个歧管，从该歧管分出一个或多个导管，以向分配网络供给通风机22产生的气流。

申请人所进行的实验测试表明，在引入了辅助轴流风扇32之后，任何类型的通风机22的效率都得到了显著的提高。

在每个实验测试中，根据流量-压力的测量值(下游)和功率逆变器上游的马达46吸收的电力的测量值(上游)之间的比值，计算总效率。因此，除了本讨论最关注的转子20的空气动力学效率之外，这种总效率还包括逆变器的电气效率、马达46的机电效率以及联轴器和传动装置的机械效率的作用。因此，应当注意的是，以这种方式测量的总效率甚至会因为一个低效元件(比如性能不佳的皮带传动或逆变器)而大大降低。

申请人所进行的实验测试涉及通风机22的几种不同构造。通风机22的各种构造在以下方面不同：叶片26的数量、叶片26的平面形式、叶片26的桨距角θ、叶片26与轮毂24的附件40的类型、是否存在涵道48、是否存在小翼36、是否在部分容纳叶片26的径向外端的环形底座50的涵道48内。对于通风机22的每个特定构造，如上所述，总效率被计算两次：第一次是在没有辅助轴流风扇32的情况下计算的；第二次是在有辅助轴流风扇32的情况下计算的。在各种已知构造中，通风机22的效率在41％至46％之间，平均约为44％。在所考虑的所有构造中，增加辅助轴流风扇32使效率得到了显著的提高。在增加了辅助轴流风扇32之后，经测量，效率提高了1.9％至6.5％，平均提高了3.46％。尽管效率的提高是相当大的，但是本领域的技术人员可以很好理解的是，通过将辅助轴流风扇32单独与空气动力学部件联系起来(即，省去所有非空气动力学作用的总效率测量)，辅助轴流风扇32的作用将进一步提高。

申请人还进行了实验测试，以确定根据本发明的通风机22(即，包括辅助轴流通风机32)的流量-压力平面中的特性曲线。然后，针对这类通风机22中的每一个通风机，将特性曲线与完全相同的通风机22(但是没有辅助轴流风扇32)的特性曲线进行比较。图24以定性的方式示出了这些特性曲线的平均趋势。尤其是，已知类型的通风机22包括公共涵道48，相应的辅助轴流风扇32被添加到该公共涵道来得到本发明的相应通风机22。在图24中，可以看出，根据本发明的辅助轴流风扇32的布置可以实现两个显著的优点。首先，本发明的辅助轴流风扇32允许特性曲线上移，这是在已知类型的通风机22中通过增加桨距角而实现的结果。其次，由于其允许在相同流量下减小桨距，本发明的辅助轴流风扇32允许减小或者在某些情况下消除在现有技术的特性曲线的左侧部分中出现的失速区。通过减少或消除失速，包括本发明的辅助轴流风扇32的通风机22能够以更高的效率运行。

根据申请人自己的研究和所进行的测试，申请人认为辅助轴流风扇32的作用不在于轮毂24区域中的空气运动，即：除了主转子20产生的气流量之外，增加额外的气流量。相反，申请人认为辅助轴流风扇32的作用是稳定主转子20的径向内部区域(即，叶片26的根部28的区域)中的速度和压力场，从而使转子20更好地工作，提高整体效率。换句话说，辅助轴流风扇32的存在显著地限制了由于(内)端部效应引起的扰动的径向延伸，从而使叶片26在理论流线所代表的最佳点附近工作的部分在径向方向上延伸。图23中示意性地示出了辅助轴流风扇32对转子20的径向内部区域中的气流的影响，其中虚线表示以旋转轴线R为中心的圆周弧，而箭头表示流线。从图23的示意图中可以看出，辅助轴流风扇32并不旨在阻碍转子20的径向内部区域中的空气再循环，而是构造为利用这种再循环的趋势来稳定气流。

通过专利WO 2020/245674中描述的环形底座50也实现了类似于由本发明的转子20中的辅助轴流风扇32实现的效果。事实上，注意到，至少部分容纳转子20的叶片26的端部的环形底座50显著地限制了由于(外)端部效应引起的扰动，从而使叶片26在理论流线所代表的最佳点附近工作的部分在径向方向上延伸。

具体参见本发明的辅助轴流风扇32和专利文献WO 2020/245674中描述的环形底座50之间的相互作用，申请人进行了各种实验测试来确定在通风机22的构造发生改变时基于流量的效率趋势。在图25中，以定性的方式示出了重要的曲线，这些曲线以示意性且易懂的方式总结了整个实验活动的结果，下文将对此进行简要描述。

在实验活动的初始阶段，确定了多个已知类型的通风机22，这些通风机在一个或多个设计参数(比如叶片数量、直径、轮廓类型、桨距角等)方面彼此不同。实验活动中考虑的所有通风机22共同采用了小翼36和涵道48，两者都是传统类型。随后，针对每种类型的通风机22，准备并保持以下部件：

-根据本发明的辅助轴流风扇32；以及

-WO 2020/245674中描述的环形底座50，即：在轴向方向上敞开且适于部分容纳小翼36的挡板44。

在实验活动的操作步骤中，针对同一通风机22的四种不同构造中的每种类型通风机22，通过实验绘制了示出基于流量的效率变化的曲线：

-根据现有技术的基本构造；在该基本构造中，通风机22仅包括小翼36和涵道48。

-根据现有技术的第一改进构造；该构造是从基本构造获得的，增加了WO 2020/245674中描述的环形底座50。

-根据本发明的第二改进构造；该构造是从基本构造获得的，增加了本发明的辅助轴流风扇32。

-根据本发明的第三改进构造；该构造是从基本构造获得的，增加了WO 2020/245674中描述的环形底座50和本发明的辅助轴流风扇32。

图25示出了四条不同的曲线，示意性地描绘了针对上述每种构造获得的曲线，其中：

-与基本构造(现有技术的一部分)相关的曲线是长划线的虚曲线；

-与第一种改进构造(现有技术的一部分)相关的曲线是短划线的虚曲线；

-与第二种改进构造(本发明的一部分)相关的曲线是连续的单划曲线；

-与第三种改进构造(本发明的一部分)相关的曲线是连续的双划曲线。

可以注意到的是，所有的改进构造都具有相对于基本构造上移的曲线。这意味着，对于所形成的相同空气流量，每个改进的引入通常都使得通风机22的效率增加。可以观察到的不同现象是最大效率点的迁移，尽管这种现象在本讨论中并不受关注。

一个更有趣的观察涉及不同曲线的上移幅度。尤其是，可以注意到，仅增加环形底座50(第一种改进构造)可以实现与通过仅增加辅助轴流风扇32(第二种改进构造)实现的改进相当的明显改进。

真正出人意料的是这两项改进的综合效果。从图25中可以清楚地看到，应用两种改进(第三种改进构造)所实现的效率提高明显大于分别应用这两种改进(即，首先只有环形底座50，然后只有辅助轴流风扇32)所实现的效率提高之和。申请人基于所进行的研究的结果认为，在第三种改进构造中同时存在环形底座50和辅助轴流风扇32可以稳定转子20的径向内部区域(得益于辅助轴流风扇32)和转子20的径向外部区域(得益于容纳小翼36的挡板44的环形底座50)中的速度和压力范围。从而，整个通风机22能以最佳状态工作，提高了其整体效率。

鉴于以上所述，本领域的技术人员可以很好地理解在同一通风机22中两种解决方案的存在是如何实现特别优选的实施方式的，其中了叶片26靠近由理论流线表示的最佳点工作的部分的径向延伸最大化。应当注意的是，在一些情况下，上述性能的总体改善可以允许采用根据本发明的通风机22，该通风机相对于传统通风机22少一个叶片，而在传统通风机22中则不可缺少；例如，在一些情况下，根据本发明的三叶片通风机22可以确保根据现有技术的四叶片通风机22的性能。

此外，在一些情况下，总效率的提高可以允许在根据本发明的通风机22上使用比驱动具有相同性能的传统通风机22所需的马达功率更小的马达。

本领域的技术人员可以很好理解的是，这些结果可以限制通风机22的投资和管理成本。本领域的技术人员可以很好理解的是，本发明克服了与现有技术有关的上述突出缺点尤其是，本发明提供了一种效率更高的轴流通风机22。

此外，本发明提供了一种轴流通风机22，相对于已知类型的通风机，该轴流通风机能够以相同的速度产生更高的压力。

此外，本发明提供了一种轴流通风机22，相对于已知类型的通风机，该轴流通风机能更好地限制端部涡流的形成。

此外，本发明提供了一种轴流通风机22，该轴流通风机通过使流线尽可能地接近理论设想的流线来实现对流线的调整。

最后，本发明提供了一种涵道式轴流通风机22，该涵道式轴流通风机不仅引入了更多的优点，而且保留了通过已知类型的通风机已经实现的优点。

总之，所有的细节都可以用其他技术上等效的元素来代替；结合特定实施方式描述的特征也可以应用于其他实施方式；在不脱离以下权利要求书的保护范围的情况下，所采用的材料以及可能的形状和尺寸可以是根据具体实现要求的任何材料、形状和尺寸。

Claims (15)

1.一种转子(20)，用于工业用大直径轴流通风机(22)，所述转子包括轮毂(24)和n个叶片(26)，其中所述转子(20)的每个叶片(26)包括空气动力学部分(30)和用于在结构上连接到所述轮毂(24)的根部(28)，

其中所述转子(20)进一步包括辅助轴流风扇(32)，所述辅助轴流风扇(32)包括n个径向延伸的扇叶(34)，并且在轴向视图中所述辅助轴流风扇基本上包括在由所述转子(20)的叶片(26)的空气动力学部分(30)的n个径向内端限定的区域P内。

2.根据权利要求1所述的转子(20)，其中在轴向视图中，所述辅助轴流风扇(32)内切于所述区域P内。

3.根据权利要求1或2所述的转子(20)，其中所述辅助轴流风扇(32)包括中心部分(42)，所述n个扇叶(34)从所述中心部分(42)径向延伸。

4.根据权利要求1或2所述的转子(20)，其中所述辅助轴流风扇(32)是通过将n个独立扇叶(34)直接应用在所述转子(20)上获得的。

5.根据前述权利要求中一项或多项所述的转子(20)，其中所述辅助轴流风扇(32)的扇叶(34)的径向延伸B包括在所述辅助轴流风扇(32)的半径d/2的60％至75％之间，更优选地在所述辅助轴流风扇(32)的半径d/2的65％至70％之间。

6.根据前述权利要求中一项或多项所述的转子(20)，其中所述辅助轴流风扇(32)的扇叶(34)的轴向延伸a包括在所述辅助轴流风扇(32)的直径d的20％以内，优选地包括在所述辅助轴流风扇(32)的直径d的5％至15％之间。

7.根据前述权利要求中一项或多项所述的转子(20)，其中所述辅助轴流风扇(32)的扇叶(34)包括用于在结构上连接到所述轮毂(24)的根部(54)、和空气动力学部分(56)。

8.根据前述权利要求中一项或多项所述的转子(20)，其中所述辅助轴流风扇(32)制成一体的整体件。

9.根据前述权利要求中一项或多项所述的转子(20)，其中所述辅助轴流风扇(32)的每个扇叶(34)的厚度t在所述扇叶(34)的整个延伸内基本上是均匀的。

10.根据前述权利要求中一项或多项所述的转子(20)，其中所述辅助轴流风扇(32)的扇叶(34)的厚度t包括在所述辅助轴流风扇(32)的扇叶(34)的轴向延伸a的10％至20％之间。

11.根据前述权利要求中一项或多项所述的转子(20)，其中至少一个叶片(26)包括位于径向外端的小翼(36)，并且其中所述小翼(36)包括沿轴向方向和周向方向延伸的挡板(44)。

12.一种工业通风机(22)，包括马达(46)和根据前述权利要求中一项或多项所述的转子(20)。

13.根据前述权利要求所述的工业通风机(22)，进一步包括围绕所述转子(20)的涵道(48)。

14.根据前述权利要求所述的工业通风机(22)，其中所述涵道(48)包括环形底座(50)，所述环形底座(50)围绕所述转子(20)周向延伸，并且部分容纳所述转子(20)的叶片(26)的外端。

15.根据前述权利要求所述的工业通风机(22)，包括根据权利要求11所述的转子(20)，并且其中所述环形底座(50)至少部分地在轴向方向上延伸，并且部分容纳由所述小翼(36)限定的所述挡板(44)。