CN1193377A - 叶轮 - Google Patents

Abstract

一种用于液流发生器或响应器的叶轮,该叶轮被设计成绕一中心轴线旋转,并具有一构成供液流通过的环绕该中心轴线的弧形流体通道的表面,其中表面具有对数曲线形状,该曲线基本符合被称为黄金分割或费班纳赛级数的数学级数。

Description

叶轮

本发明涉及一种叶轮，该叶轮设计用于导引液流，并且/或者受液流作用，尤其涉及可与用于导引液流的泵及对液流产生响应的涡轮等扭矩发生器相连。

通常，在扭矩形成中受液流作用或可以导引液流的装置采用一可旋转地支承于一壳体中的叶轮，以响应或产生液流。最简单的此类叶轮包括一系列安装在底板上的径向叶片或一系列支承在转轴上的桨叶或涡轮叶片。然而以前结构的主要缺点在于液流中产生的紊流降低了效率并在极端的情况下，如在流体中，产生气穴，不仅减低了泵的运行效率，而且导致叶轮与支承外壳的结构失效且对两者产生破坏性影响，因此也将产生显著的磨损和噪音。

本发明的目的在于提供一种叶轮，该叶轮可响应或导引液流，以减少由液体流经叶轮时产生的能量损失而引起的附加紊流的程度。为了达到此目的，叶轮的表面提供一流体通道，其被设计成基本符合黄金分割的对数构形曲线。

所有的流体在自然力的作用下流动时，均倾向于螺旋或涡旋流动。此螺旋或涡旋一般遵从于被称为黄金分割或费班纳赛级数的数学对数级数。本发明使得流体以其自然优选方式流过叶轮的表面，因而减少了通常用于流体流动的装置及对液流产生响应的扭矩发生器中因紊流而产生的失效与摩擦，最终降低了磨损的可能性。

本发明在于提供一种用于液流发生器或响应器的叶轮，所述叶轮绕一中心轴线旋转，并有一构成供液流通过的环绕该中心轴线的弧形流体通道的表面，其中表面具有基本符合黄金分割的对数曲线形状。

根据本发明的优选特征，表面曲线横贯中心轴线。

根据本发明的另一优选特征，表面曲线方向可与中心轴线平行。

根据本发明的又一优选特征，表面曲线既横贯中心轴线又与中心轴线平行，以形成符合黄金分割的三维表面。

根据本发明的又一优选特征，流体通道具有螺线形状，特别是此形状具螺旋或涡旋形式。

根据本发明的又一优选特征，流体通道包括一管道。根据本发明的又一优选特征，管道的截面积在基本符合黄金分割的基础上按对数变化。

根据本发明的又一优选特征，流体通道具有与软体动物门、腹足纲或头足纲软体动物的外壳的内部形状相一致的形状。根据本发明的一具体形式，表面符合涡螺科、船蛸属、鹦鹉螺科、芋螺科或蝾螺科等动物外壳的内部形状。

根据本发明的又一优选特征，流体通道具有与软体动物门、腹足纲或头足纲软体动物的外壳的外部形状相一致的形状。根据本发明的特别形式，表面符合涡螺科、船蛸属、鹦鹉螺科、芋螺科或蝾螺科等动物外壳的外部形状。

根据本发明的又一优选特征，叶轮适于承受流过所述表面的流体以使该叶轮绕中心轴线旋转。根据本发明的另一优选特征，叶轮包括一涡轮，该涡轮可被驱动沿中心轴旋转，以导引液流流过表面。

本发明的一实施例包括一具有一叶轮的液流响应器，该叶轮可旋转地安装并适于承受液流，其中叶轮具有如上所述的形状。流体可包括液体或气体，气体可以是空气。

本发明的另一实施例包括一具有一叶轮的液流发生器，该叶轮可被驱动装置驱动旋转，以产生所述液流，其中叶轮具有如上所述叶轮的形状。流体可包括液体或气体，气体可以是空气。

根据特别实施例，本发明在于提供一包括构成一内腔的主体的泵；所述内腔有一中心轴线，一位于内腔壁上的出口及一位于腔壁上的与该中心轴线同心的开口；一叶轮可旋转地支承于内腔中，以绕所述中心轴线旋转；一与该中心轴线同轴的主动轴，该主动轴适于被一主动轴所驱动；所述叶轮包括一子腔，该子腔有一与中心轴线同心并纳入内腔开口的入口及一朝向切向或周向的出口；由该子腔内面所定的表面在入口和出口之间形成螺线形状，其中表面曲线具有基本符合黄金分割的对数曲线的特征。

根据本发明的一优选特征，开口的方向与旋转方向相反。

根据本发明的一优选特征，开口的方向与旋转方向一致。

根据优选特征，表面包括一管道。

根据前述特征的又一优选特征，该管道的横截面由入口向出口处增大，其截面在基本符合黄金分割的基础上呈对数性变化。

根据本实施的一优选特征，叶轮的子腔具有软体动物门、腹足纲或头足纲软体动物的外壳的内部形状。在该实施例的具体范例中表面具有涡螺科、船蛸属、鹦鹉螺科、芋螺科或蝾螺科动物外壳的内部形状。

根据另一优选特征，内腔具有圆形或椭圆形状，该内腔在开口和出口之间的内表面曲线呈基本符合黄金分割特征的对数性曲线。

通过对以下几则具体实施例的描述，将会更加清晰完全地明了本发明，描述中参考附图如下：

图1示出黄金分割的形成；

图2为根据第一实施例中泵的轴测图；

图3为第一实施例中安装了叶轮的泵上部的反转俯视图；及

图4为沿图3中线4-4的剖视图；

图5为第二实施例的剖视示意图；

图6为一第二实施例变形的剖视示意图；

图7为第二实施例中叶轮的侧视图；

图8为图7中叶轮的侧视图；

图9为图7与图8中叶轮的侧剖视图；

图10为根据第三实施例的叶轮的示意图；

图11为根据第四实施例的叶轮的俯视图；

图12为根据第五实施例的泵的示意图；

图13为示于图12中的第五实施例的剖视图；

图14为示于图12及图13中的第五实施例的叶轮的侧视图；

图15为根据第六实施例的叶轮的示意图；

图16为根据第六实施例的叶轮的示意图；及

图17为本发明第七实施例的剖视示意图。

每一实施例都是针对一叶轮，该叶轮用于泵的情况下可用来产生液流，或用于涡轮或马达的情况下可响应液流以产生扭矩。

如前所述，所有流体在自然力的作用下流动时，倾向于螺旋或涡旋流动。此螺旋或涡旋一般遵从于被称为黄金分割或费班纳赛级数的数学级数。

每一实施例均用于使流体以其自然优选方式流动，因而减少了通常用于导引液流的装置及对液流产生响应的扭矩发生器中因紊流而产生的失效与摩擦。此前发展的技术中较少考虑液流的自然倾向。

这里描述的每一实施例中的叶轮均被从各个方面按黄金分割设计，因此每一实施例的特点均是由叶轮提供一具有螺线外形并至少遵从黄金分割特征的流体通道。黄金分割的特征示于图1中，该图为按照黄金分割的螺线的展开。当螺线展开时，按等角半径方向(如E、F、G、H、I及J)测量的半径的增长量级不变。此意义可由每一符合公式a∶b＝b∶a+b的序列之间的各半径的三角映射关系示出，该公式的比例关系为5∶8并在整个曲线上保持一致。

每一实施例的特点一方面是叶轮的表面曲线具有二维或三维形状并基本符合黄金分割的特点，另一方面是流体管道横截面的任何变化均基本符合黄金分割的特点。并且已知黄金分割的特点体现于自然界中软体动物门、腹足纲及头足纲软体动物外壳的外部及内部形状中，而且至少有几个实施例具有如下共同特点：叶轮的流体通道一般与软体动物门、腹足纲及头足纲软体动物的一种或几种的外壳的外部或内部形状一致。

已知流体流动的特点是当其流过一具有基本符合黄金分割的曲线的管道时，经过表面的液流基本是非紊态的，并最终减弱产生气穴现象的趋势。因此，液流流过这样的表面比以前的范例中管道不符合黄金分割的情况效率更高。由于流体流过这样的管道减少了紊流的程度，根据不同实施例的叶轮可比以前具有相当的尺寸特征的叶轮具有更少的磨损并能更有效地用于导引液流。

示于图2、图3及图4中的第一实施例包括一泵，该泵可用于从出口处输送高压流体，可以看到，一个具体的用途是用于水上飞机推进装置的喷射泵。

根据第一实施例的泵有一主体11，该主体由两个基本等同的半体12和13组成，这两半体均有一可在其贴合边缘用任何方法夹紧的突缘14及15。主体作为主要部分形成一封闭内腔16，该腔从平面图上看是圆形的，但其径向为椭圆形，并具有横向延伸的出口管道17。内腔容纳有支承于主动轴19上的叶轮18，该主动轴与腔16的中心轴线重合并由主体11上的一半体12提供的轴承箱(未示出)支承。叶轮18具有软体动物门、头足纲软体动物、鹦鹉螺类软体动物外壳的内部及外部形状，但无它们自然存在的内部隔板或隔膜。叶轮上与主动轴19相反方向的轴向面上有一进入开口21，其由沿开口21的环形凸缘22限定。环形凸缘22同心地放入开口23中，开口23位于主体11上与主动轴方向相反的另一半体13的壁上。位于箱体壁上的开口23与内腔中心轴线同心并与入口管道24相连，叶轮上的环形凸缘22紧紧地放入该管道。

叶轮上的出口25指向中心轴线的切线方向并且开口面与内腔16的径向轴线平行。叶轮内部的子腔含一管道，该管道具有螺线形状，其横截面自入口向出口处不断增大，并且横截面的变化与管道的表面曲线一样基本符合黄金分割的公式。

应用中叶轮被驱动旋转，由出口限定的开口方向与旋转方向相反，且开口24的边缘限定叶轮的出口边。

经过预先的测试和检验，已知根据第一实施例的泵能够在相对低的旋转速度下非常有效地从出口17产生高流速的液体，并且出现的气穴最少。因此可以确定叶轮导引液流时可比传统的等容量泵形成更少的紊流和气穴而产生更大的速度。因为所产生的气穴少于以同等速度运行的等量传统泵所产生的气穴，故将减少泵元件特别是叶轮的腐蚀与磨损。并且叶轮子腔的横截面自入口向出口处的扩展特点将减少常发生于传统泵中的外部杂质对叶轮管道的堵塞和淤积的可能性。

根据第一实施例的变形，叶轮以出口25与旋转方向一致的方式旋转。

根据第一实施例的另一变形，除了以前提到的隔膜以外，软体动物门、头足纲软体动物、鹦鹉螺的壳中自然存在的内部隔板或螺圈也不必存在，因此叶轮表面的内部形状基本与软体动物门、头足纲软体动物、鹦鹉螺的壳外形一致。

示于图5中的第二实施例也包括一泵。该泵具有一可旋转地安装着叶轮118的筒状主体111，叶轮118具有示于图7、8、9中的软体动物门、腹足纲软体动物、涡螺科动物外壳的形状，此壳的内端被切除，如图7所示，以提供一进入壳内部的入口121。壳嘴作为叶轮118的出口125。入口121与由主体111内设置的适宜的轴承座126相连，因此叶轮可由该轴承座支承在主体111上，使叶轮在主体内绕其中心轴线旋转，叶轮中心轴线与主体的中心轴线同轴。轴承座包括一横向延伸过主体并带有一中心开口123的第一隔板127，中心开口123与叶轮入口121对中并且被叶轮轴承座126包围。另外，叶轮的另一端由一转轴119支承，该转轴可旋转地支承于在主体内设置并与第一隔板127有一定间隔的第二隔板128上。一适宜的驱动机构(未示出)与叶轮118上的轴承座126相连并引起叶轮的旋转，此时出口的方向与旋转方向相反。第二隔板128上设置一系列孔129可使流体流过。

第二实施例的一变形示于图6中，主体111的侧壁是曲线型的，在此主体111的横截面沿主体出口129的方向减小并且横截面的变化基本符合黄金分割。

根据第二实施例两种形式的一个变形，叶轮被驱动旋转时其出口125与旋转方向一致。

作为第二实施例两种形式的另一支承结构，叶轮可支承在一可旋转地支承于箱体上的轴上。

根据第二实施例两种形式的又一变形，自然地存在于软体动物门、腹足纲软体动物、涡螺科动物的壳中的内隔板或圈不需存在，因此叶轮表面的内部形状基本与软体动物门、腹足纲软体动物、涡螺科动物壳的外形一致。

示于图10的本发明第三实施例包括一具有单叶片230的叶轮218，该叶片具符合黄金分割的螺线外形并且支承于中轴219上。根据该实施例的叶轮218可位于入口和出口之间的流体通道(未示出)中并且承受入口和出口之间的液流，因此流体流过叶轮时将导致叶轮旋转以在中轴上产生一扭矩。同样地，如果有一转矩作用在支承轴219上使叶轮旋转将会产生一液流。叶轮表面曲线与黄金分割的一致性最终提高了叶轮的效率。

示于图11的本发明第四实施例与第一实施例类似，但其叶轮318包括多个与第一实施例的叶片相似的叶片330，这些叶片安装于轴319上，并相对该轴的中心轴线呈等角分布。

示于图12、13及14中的第五实施例是第二实施例的变形，其叶轮418支承于一圆柱形箱体411内并可旋转地支承于一流体通道内。叶轮418的内部形状与软体动物门、腹足纲软体动物、锥(Conus)属或芋螺属的外壳的内部形状相似，并具有一螺旋叶片430，其呈如图6、图7及图8的锥形螺线形状，该锥形螺线限定了一表面及横截面的增长均符合黄金分割的管道。一方面叶轮可被驱动以出口与旋转方向相反的方式旋转，另一方面叶轮可被驱动以出口与旋转方向一致的方式旋转。

图15示出了本发明的第六实施例，该例来体现软体动物门外壳的内部形状。例中叶轮包括一设置了一收敛入口的锥形入口521，该收敛入口在其内端与一设置了扩散出口的锥形出口525相连。入口521与出口525的内表面均设置了一个或多个符合黄金分割特征的螺旋叶片530，入口521的收缩率与出口525的扩散率也符合黄金分割特征。

图16示出了第七实施例，该例是前一实施例的变形，在此叶轮的入口621与出口625由一圆柱带632相互连接，该带包括一套三只同轴、互成等角度的螺旋叶片634，每只螺旋叶片均符合黄金分割的特点，并对入口与出口之间的液流产生进一步的影响。为进一步加速由入口621进入并由出口625流出的液流，入口621与出口625的内面均设置了多个曲线符合黄金分割的螺旋叶片630。

示于图17中的第七实施例是第一实施例的一个变形，该例也包括一泵，该泵具有一支承于箱体713内的叶轮718。叶轮718的内部形状与软体动物门、腹足纲软体动物、蝾螺科动物的外壳形状一致，该叶轮设置了一包括开口721的入口，开口721设置于壳的内端或顶端，在此位置，于壳内形成的管道具最小直径。叶轮的出口725为壳嘴部。叶轮被驱动绕其中心轴线旋转，其出口725与旋转方向一致。箱体713具有一连接叶轮入口721的入口723和一连接叶轮出口725的出口717。已知出口725限定了出口边，由于叶轮718的旋转，液流被导引从入口721至出口725流过，并且流过叶轮的液流即使是在高转速下也基本呈非紊态。为加速从叶轮出口725通过箱体的液流，在箱体713内面出口717的区域可设置多个具有符合黄金分割曲线的螺旋叶片。

根据第七实施例的一个变形，叶轮可被驱动使出口725指向叶轮旋转方向。

本发明的另一实施例具有形式上的变化，其包括一外部表面曲线符合黄金分割的叶轮。该叶轮具有软体动物门、腹足纲或头足纲软体动物外壳的外部形状。叶轮的特例是其形状符合涡螺科、芋螺科及蝾螺科动物外壳的外形。已发现当这些叶轮安装于第一、第二、第五及第七实施例所示并描述的相应装置中但液流流过叶轮的外表面时，前述的优点均可得到。

本发明的又一实施例包括一与传统形式有些类似的离心泵，其中的叶轮进行了变形使其符合本发明的要求。叶轮的变形包括其叶片的形式具有符合黄金分割特征的曲线。此曲线可以是两维或三维的，以使叶轮符合传统泵的要求。因此通过用根据本实施例的叶轮代替现有泵里的传统叶轮，至少是本发明的部分优点可以被部分地或全部地实现。

以上所述每一实施例的共同特点是：用作为叶轮可在泵中机械地旋转以非紊态形式导引入口与出口之间的液流，或作为涡轮或类似动力装置的叶轮以产生一扭矩并使入口与出口之间的流体以基本呈非紊态且以比等容量的传统泵或涡轮更有效的方式流动。

本发明的一特点是如本发明各实施例所述的叶轮可在内腔中有效地运行，此内接叶轮的内腔可有小及大的容限或距离，并且已知应用于泵的情况下，叶轮不必容纳于一腔内。在此方面，如第一、第二、第四、第五及第七实施例形式的叶轮可在无内腔的情况下应用，此时叶轮支承于流体输入其中的流体主体内，该主体入口与流体源相接，叶轮在流体主体内的旋转将使流体从流体源泵出。

此外，本发明的一个特点是本发明及各实施例的叶轮可应用于气态、液态及浆状的流体介质中。

本发明的另一特点是流体流过叶轮表面时对叶轮及表面的摩擦与冲击力非常小。鉴于此并由于叶轮导致的紊流减少，叶轮运行所产生的热量较少、噪音也较小，并传给流体。此外叶轮产生同样流速时所需的能量比传统泵少，即应用于泵中的叶轮可由更小的驱动马达并/或以更低的速度驱动。但是由于叶轮表面的特点及减小的摩擦与气穴产生的可能性，该叶轮在高速下比传统叶轮更有效。

在第一、第二、第四及第七实施例中，入口为流体流入叶轮提供了最小间隙，因此任何能够流入入口的物质都能穿过叶轮中设置的管道，由此减少了叶轮被堵塞的可能性。

本发明的叶轮可应用于泵、涡轮及流体动力马达中并有益于以上任一可能的应用，至少是因为应用于泵中时加速的液流、减少的摩擦及热量以及应用为涡轮时的热量损失。

本发明的范围并不局限于以上所述的具体范围。

Claims (35)

1.一种用于液流发生器或响应器的叶轮，所述叶轮绕一中心轴线旋转，并有一构成供液流通过的环绕该中心轴线的弧形流体通道的表面，其中表面具有基本符合黄金分割的对数曲线形状。

2.一种如权利要求1所述的叶轮，其中所述表面的曲线横贯中心轴线。

3.一种如权利要求1或2所述的叶轮，其中所述表面的曲线与中心轴线的方向平行。

4.一种如权利要求1所述的叶轮，其中所述表面的曲线既横贯中心轴线又与中心轴线平行，以形成符合黄金分割的三维表面。

5.一种如以上任一权利要求所述的叶轮，其中流体通道具有螺线形状。

6.一种如权利要求5所述的叶轮，其中螺线形状为螺旋或涡旋形式。

7.一种如以上任一权利要求所述的叶轮，其中流体通道包括一管道。

8.一种如权利要求7所述的叶轮，其中管道的横截面在基本符合黄金分割的基础上呈对数性变化。

9.一种如以上任一权利要求所述的叶轮，其中流体通道的形状与软体动物门、腹足纲或头足纲软体动物外壳的内部形状一致。

10.一种如权利要求9所述的叶轮，其中表面形状与涡螺科、芋螺科或蝾螺科动物外壳的内部形状一致。

11.一种如权利要求9所述的叶轮，其中表面形状与除去内部隔板的船蛸属或鹦鹉螺科动物外壳的内部形状一致。

12.一种如权利要求8或9所述的叶轮，其中叶轮内部不存在自然存在于外壳中的内部隔板。

13.一种如权利要求1至6中任一项所述的叶轮，其中表面形状与软体动物门、腹足纲或头足纲软体动物外壳的外部形状一致。

14.一种如权利要求13所述的叶轮，其中表面形状与涡螺科、芋螺科或蝾螺科动物外壳的外部形状一致。

15.一种如以上任一权利要求所述的叶轮，其中叶轮承受液流流过所述表面以导引叶轮绕中心轴线旋转。

16.一种如以上任一权利要求所述的叶轮，其中叶轮包括一涡轮，该涡轮适于被驱动绕其中心轴线旋转以导引液流流过表面。

17.一种参考附图所描述的叶轮。

18.一种包括一叶轮的液流响应器，所述叶轮可旋转地安装并且适于承受液流，其中叶轮具有如权利要求1至15及17中的任一项所述的叶轮形状。

19.一种如权利要求18所述的液流响应器，其中流体包括液体。

20.一种如权利要求18所述的液流响应器，其中流体包括气体。

21.一种如权利要求20所述的液流响应器，其中流体包括空气。

22.一种包括一叶轮的液流发生器，所述叶轮被一驱动装置所驱动旋转以产生所述液流，其中流体包括液体并且所述叶轮具有如权利要求1至14、16及17中的任一项所述的叶轮形状。

23.一种包括一叶轮的液流发生器，所述叶轮被一驱动装置所驱动旋转以产生所述液流，其中流体包括气体并且所述叶轮具有如权利要求1至14、16及17中的任一项所述的叶轮形状。

24.一种如权利要求23所述的液流发生器，其中气体包括空气。

25.一包括一主体的泵，该主体构成一内腔；所述内腔有一中心轴线、一位于腔壁的出口及一位于腔壁并与中心轴线同心的开口；一旋转地支承于内腔、可绕所述中心轴线旋转的叶轮；一与中心轴线同轴的主动轴，其被一主动轴驱动；所述叶轮有一子腔，该子腔具有一与中心轴线同心并与装于开口中的入口及一指向切向或周向的出口；由子腔内表面限定的表面在入口与出口之间具螺线形状，其中表面曲线具有基本符合黄金分割的对数曲线特点。

26.一种如权利要求25所述的泵，其中出口指向与旋转方向相反的方向。

27.一种如权利要求25所述的泵，其中出口指向旋转的方向。

28.一种如权利要求25至27中任一项所述的泵，其中表面包括一管道。

29.一种如权利要求28所述的泵，其中管道的横截面由入口向出口处增大，其横截面在基于符合黄金分割的基础上呈对数性变化。

30.一种如权利要求25至29中任一项所述的泵，其中叶轮的子腔具有软体动物门、腹足纲或头足纲软体动物外壳的内部形状。

31.一种如权利要求30所述的泵，其中表面形状与涡螺科、芋螺科或蝾螺科动物外壳的内部形状一致。

32.一种如权利要求30所述的泵，其中表面形状与除去内部隔板的船蛸属或鹦鹉螺科动物外壳的内部形状一致。

33.一种如权利要求31或32所述的叶轮，其中叶轮内部不存在自然存在于壳中的内部隔板。

34.一种如权利要求27至32中任一项所述的泵，其中内腔具有圆形或椭圆形状，该腔内表面在开口与出口之间的曲线呈符合黄金分割特征的对数曲线。

35.一种参考附图所描述的泵。

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