TW202020314A - 葉輪及軸流風扇 - Google Patents

Abstract

葉輪（11）係包括：輪轂部（2），可繞旋轉軸（6）旋轉；以及葉片（1），自輪轂部（2）呈放射狀地延伸。由垂直投影葉片（1）到旋轉軸（6）時之葉片（1）之俯視形狀，係葉片（1）的外緣中之朝向輪轂部（2）之由旋轉所做之葉片（1）之行進方向之葉片前緣部（13）具有：第1彎曲部（17），往行進方向之反方向彎曲；第2彎曲部（18），被設成比第1彎曲部（17）還要靠近旋轉軸（6）之側，往行進方向彎曲；以及第3彎曲部（19），被設成比第1彎曲部（17）還要靠近旋轉軸（6）的相反側，往行進方向彎曲。

Description

葉輪及軸流風扇

本發明係關於一種產生往旋轉軸方向流動之氣流之葉輪及軸流風扇。

軸流風扇係為了謀求減少由葉輪旋轉所產生之噪音，提案有種種構成葉輪之葉片之形狀。在專利文獻1中，開示有一種將垂直投影葉片到旋轉軸時之葉片之俯視形狀，當作前進葉片弦中心線往由葉輪旋轉所做之葉片之行進方向之形狀之葉輪。葉片弦中心線係連結葉片弦線之中心之線。所謂前進葉片弦中心線往行進方向，係指隨著自旋轉軸離開，葉片弦中心線係往行進方向之前方彎曲。在專利文獻1之葉輪中，係促進自葉片中之往行進方向之葉片前緣部進入之氣流之流出，以使在葉片前緣部所產生之剝離渦成為穩定之縱渦，藉此，可謀求減少由剝離渦所造成之噪音。 [先行技術文獻] [專利文獻]

［專利文獻1］日本特公平2-2000號公報

[發明所欲解決的課題]

但是，葉輪係愈前進葉片弦中心線，則葉片前緣部附近中之應力集中就愈顯著。當依據上述專利文獻1所開示之先前技術時，有很難兩全減少噪音與減少應力集中之問題。

本發明係鑑於上述問題所研發出者，其目的係在於獲得一種可減少噪音與減少應力集中之葉輪。 [用以解決課題的手段]

為了解決上述課題並達成目的，本發明之葉輪係包括：輪轂部，可繞旋轉軸旋轉；以及葉片，自輪轂部呈放射狀地延伸。由垂直投影葉片到旋轉軸時之葉片之俯視形狀，係葉片的外緣中之朝向輪轂部之由旋轉所做之葉片之行進方向之葉片前緣部具有：第1彎曲部，往行進方向之反方向彎曲；第2彎曲部，被設成比第1彎曲部還要靠近前述旋轉軸之側，往行進方向彎曲；以及第3彎曲部，被設成比第1彎曲部還要靠近旋轉軸的相反側，往行進方向彎曲。 [發明效果]

本發明之葉輪，係可發揮可減少噪音與減少應力集中之效果。

以下，依據圖面，詳細說明本發明實施形態之葉輪及軸流風扇。而且，本發明並不侷限於此實施形態。

實施形態1. 第1圖係表示具有本發明實施形態1之葉輪11之軸流風扇10之概略構造之圖。軸流風扇10係被使用於風扇、換氣扇、空調機或機器之冷卻等。

軸流風扇10係具有：葉輪11，藉旋轉可產生氣流；以及馬達12，旋轉驅動葉輪11。又，軸流風扇10係具有可旋轉地收容葉輪11之框體。馬達12係被框體所保持。框體具有由葉輪11之旋轉所產生之氣流通過之開口。在開口的緣，係設有愈往氣流的上游側則直徑愈擴大之喇叭口。在第1圖中，係省略框體與喇叭口之圖示。

葉輪11係具有：支撐葉片5，自一張板材被取模；以及三張彎曲板3，接合在支撐葉片5。支撐葉片5係具有：輪轂部2，其係位於支撐葉片5中心之主板部；以及三個安裝部4，被設於輪轂部2之周圍。輪轂部2係連接在馬達12，藉馬達12之驅動，輪轂部2係以旋轉軸6為中心而往旋轉方向C旋轉。

各彎曲板3係構成葉片1。彎曲板3係藉對板金施加衝壓加工而被形成。彎曲板3係被安裝在各安裝部4，其被接合在安裝部4中之旋轉軸6之相反側的端部。安裝部4係相當於葉片1中之輪轂部2之側的根部。彎曲板3係藉熔接或鉚接，被接合在安裝部4。

如此一來，葉輪11係具有：輪轂部2，可繞旋轉軸6旋轉；以及三張葉片1，自輪轂部2呈放射狀地延伸。各葉片1係由彎曲板3與安裝部4所構成。葉片1係成旋轉軸6的相反側的部分，往氣流上游側傾斜之曲面形狀。軸流風扇10係藉葉輪11往旋轉方向C旋轉，產生往平行於旋轉軸6之方向之箭頭A方向流動之氣流。

葉輪11並不侷限於由支撐葉片5與彎曲板3所構成者，其也可以係具有圓柱狀輪轂部2、及被安裝於輪轂部2之葉片1者。被設於葉輪11之葉片1之數量並不侷限於三個，其可為任意個。被設於葉輪11之各葉片1，皆具有同樣之三維立體形狀。針對以下所述之葉片1之說明，係當作共通於被設於葉輪11之各葉片1。

第2圖係表示第1圖所示葉輪11之俯視形狀之圖。在第2圖係表示垂直投影葉輪11到旋轉軸6時，葉輪11之俯視形狀。第3圖係表示第2圖所示葉輪11之中，葉片1與輪轂部2之俯視形狀之圖。在第2圖及第3圖中，X軸與Y軸係彼此垂直之軸。X軸與Y軸之原點O係旋轉軸6之位置。

葉片1之俯視形狀中之外緣係具有：葉片前緣部13，其係朝向由輪轂部2旋轉所做之葉片1之行進方向之部分；葉片後緣部14，其係朝向葉片1之行進方向的相反側之部分；葉片外周部15，其係朝向旋轉軸6的相反側之部分；以及葉片內周部16，朝向旋轉軸6之部分。在俯視形狀中，葉片內周部16係成沿著輪轂部2外緣之圓弧。葉片1係具有往葉片1行進方向突出之尖端部20。

在俯視形狀中，葉片外周部15係成將旋轉軸6當作中心之圓弧。葉片外周部15也可以係圓弧以外之曲線。在葉片1之三維立體形狀中，葉片外周部15係往氣流上游側彎曲。葉輪11係藉彎曲葉片外周部15，可抑制由自葉片外周部15中之葉片1壓力面側，往葉片1負壓面側之氣流洩漏所造成之葉片端渦之產生。藉此，葉輪11係可減少由葉片1所產生之葉片端渦，干涉到壓力面、其他葉片1或上述喇叭口所造成之噪音。

在俯視形狀中，葉片前緣部13係具有：第1彎曲部17，往葉片1行進方向之相反方向彎曲；第2彎曲部18，被設於比第1彎曲部17還要靠近旋轉軸6之側，往行進方向彎曲；以及第3彎曲部19，被設於比第1彎曲部17還要靠近旋轉軸6之相反側，往行進方向彎曲。如此一來，葉片前緣部13係藉第1彎曲部17與第2彎曲部18之間、及第1彎曲部17與第3彎曲部19之間，構成彎曲之方向改變之曲線。第3彎曲部19係構成葉片外周部15與尖端部20。藉以下之說明，有時稱葉片1之行進方向為前方，稱葉片1之行進方向之相反方向為後方。又，組合第1彎曲部17與第2彎曲部18與第3彎曲部19者，有時稱作凹凸。

線段21係表示做為葉片外周部15中之包含於尖端部20之位置25中之切線之第1切線。位置25係比葉片外周部15與葉片前緣部13間之頂點24還要後方之位置。線段22係表示做為第3彎曲部19中之包含於尖端部20之位置26中之切線之第2切線。位置26係比頂點24還要靠近旋轉軸6之側之位置。線段23係表示做為第1彎曲部17中之位於第2彎曲部18之側的端之位置27中之切線之第3切線。

葉片1的葉片弦中心線30，係愈自旋轉軸6離開，則愈往前方彎曲。尖端部20係愈往前方，則尖端愈細，成往前方突出之形狀。做為第1角度之角度θ1，係當作線段21與線段22之夾角，而且包含尖端部20之範圍中之角度。做為第2角度之角度θ2，係當作線段22與線段23之夾角，而且包含第1彎曲部17之範圍中之角度。角度θ1係小於角度θ2。

第4圖係說明第3圖所示葉片1周圍中之氣流狀態之圖。在第4圖中，係表示第3圖所示IV-IV線中之剖面。如第3圖所示，在葉片1中之葉片外周部15附近，係產生葉片端渦28。葉片端渦28係當葉輪11旋轉時，藉葉片1中之壓力面31與負壓面32之壓力差以被形成。在葉片前緣部13，因為流入來自前方之氣流、及自設有喇叭口之側邊以被吸入之氣流，所以，在葉片前緣部13附近形成有剝離渦29。軸流風扇10係由葉片1所產生之葉片端渦28與剝離渦29，係藉衝撞與該葉片1鄰接之其他葉片1、喇叭口或框體，而產生噪音。

在葉片1的負壓面32側，產生亂流邊界層中之氣流33。在葉片前緣部13附近所發生之剝離渦29愈大，則氣流33愈紊亂地往葉片後緣部14流動，藉此，產生於葉片後緣部14後方之後流渦34變得愈大。軸流風扇10係剝離渦29與後流渦34變得愈大，或者，氣流33之紊亂變得愈大，則噪音特性惡化。

在實施形態1中，係設有往前方則變得愈尖銳之尖端部20，藉此，自葉片前緣部13繞回負壓面32側之縱渦係附著在負壓面32，成為由葉片前緣部13所產生之剝離渦29較穩定之縱渦。藉剝離渦29較安定，可抑制氣流33之紊亂，可使後流渦34較小。藉此，軸流風扇10係可抑制噪音特性之惡化。

接著，說明尖端部20之形狀與葉片1之強度之關係。第5圖係說明第3圖所示葉片1之形狀與葉片1之強度之關係之圖。在第5圖中，係表示使葉片1之形狀不同，使得葉片弦中心線30之彎曲變大時，葉片1之俯視形狀。隨著第5圖中之自左之狀態往右之狀態，葉片弦中心線30之彎曲變大，往尖端部20中之前方之突出變得愈大。而且，在第5圖中，係簡略化表示葉片1之形狀，同時對於說明中不需要之構造，省略其圖示。

線段35係連結葉片前緣部13中之任意之半徑R上之位置36，與葉片外周部15上之位置37之直線。線段35係垂直於位置37中之葉片外周部15的切線者。隨著往前方之尖端部20之突出變得愈大，角度θ1則變得愈小。角度θ1愈小，則線段35變得愈短。線段35愈短，則葉片前緣部13附近中之應力集中變得愈顯著，因此，變得葉片1較容易產生變形。

假設在葉片前緣部13未設有上述凹凸時，當藉加大葉片弦中心線30之往前方之彎曲，減少角度θ1時，如上所示，可謀求由剝離渦29穩定所致之噪音特性改善，另外，因為應力集中，葉片1變得較容易產生變形。在實施形態1中，藉在葉片前緣部13設有凹凸，可緩和葉片1中之應力集中。

第6圖係表示第2圖所示葉輪11中之負壓面32側之俯視圖。第7圖係表示第2圖所示葉輪11中之壓力面31側之俯視圖。在由各葉片1中之虛線所包圍之部分40中，由葉輪11旋轉所產生之應力係集中。部分40係葉片前緣部13之附近，且接近在安裝部4接合有彎曲板3之位置之部位。彎曲板3中之被接合在安裝部4之位置係成為支點而葉片1變形，所以，藉各葉片1的部分40，應力係集中。

在此，說明具有相同角度θ1之尖端部20之葉片1，在葉片前緣部13未設有凹凸之情形，與在葉片前緣部13設有凹凸之實施形態1之情形時，量測應力之例。在此說明之應力之例，係當作葉輪11之轉速為1800min^-1 ,彎曲板3之厚度為1mm，支撐葉片5之厚度為3mm，彎曲板3與支撐葉片5之材料為一般鋼材時之應力。當在葉片前緣部13未設有凹凸時，葉片1所承受之最大應力係57.2MPa。另外，當在葉片前緣部13設有凹凸之實施形態1之情形下，葉片1所承受之最大應力係48.2MPa。葉片1所承受之最大應力，係藉在葉片前緣部13設有凹凸，其與未設有凹凸之情形相比較下，約減少15.7%。如此一來，葉輪11係藉在葉片前緣部13設有第1彎曲部17與第2彎曲部18與第3彎曲部19，可緩和葉片1中之應力集中。

葉輪11係藉緩和葉片1中之應力集中，可抑制葉片1之變形。其與葉輪11為了提高葉片1之強度，而增加葉片1厚度之情形相比較下，可以減少重量，而且，可減少材料之使用量，藉此，可減少製造成本。又，葉輪11係與為了提高葉片1之強度，而使用高強度且高價之材料做為葉片1材料之情形相比較下，可抑制材料之成本。

接著，說明上述角度θ1及角度θ2與葉輪11特性之關係。第8圖係說明實施形態1之葉輪11之噪音特性之圖。第9圖係說明實施形態1之葉輪11之風量-靜壓特性之圖。第10圖係針對實施形態1之葉輪11，表示第2圖所示角度θ1與角度θ2之例之圖。第8圖所示之圖表，係表示風量與比噪音之水平之關係之例。第9圖所示之圖表，係表示風量與靜壓之關係之例。

「葉輪A1」係實施形態1之葉輪11，其中，角度θ1係42.1度，而且，角度θ2係130.0度。「葉輪A2」係實施形態1之葉輪11，其中，角度θ1係29.4度，而且，角度θ2係111.6度。「葉輪A3」係實施形態1之葉輪11，其中，角度θ1係20.2度，而且，角度θ2係90.0度。「葉輪B1」係比較例之葉輪，其中，其係不具有上述凹凸者。在「葉輪B1」中，角度θ1係67.6度。「葉輪A1」、「葉輪A2」、「葉輪A3」及「葉輪B1」係具有260mm之直徑者。在實施形態1之葉輪11中，角度θ1係包含在20.2度～42.1度之範圍內。

葉片1係藉角度θ2大於90度，第1彎曲部17、第2彎曲部18及第3彎曲部19係滑順地連接。藉此，葉輪11可減少對於在葉片前緣部13設有凹凸所致之葉片前緣部13中之氣流流入之影響。

在第8圖中，縱軸係表示全壓基準之比噪音K_T （dB），橫軸係表示風量Q（m³ /min）。在第9圖中，縱軸係表示靜壓P_s （Pa），橫軸係表示風量Q（m³ /min）。比噪音K_T 與風量Q之關係，係以公式（1）表示。在公式（1）中，SPL_A 係表示施加有由A特性所致之修正之噪音水平。P_T 係表示全壓。 K_T = SPL_A - 10・1og（Q・P_T ^2.5 ）・・・（1）

當依據第9圖時，「葉輪A1」與「葉輪A2」與「葉輪A3」之風量-靜壓特性，係被視為與「葉輪B1」之風量-靜壓特性相同。當依據第8圖時，「葉輪A1」與「葉輪A2」與「葉輪A3」之噪音特性關係，係與「葉輪B1」之情形相比較下，其被改善為減少最多2dB左右之噪音。

第11圖係表示實施形態1葉輪11之角度θ1與風量Q之關係之例之圖。第11圖所示圖表，係表示靜壓為零之開放點中之角度θ1與風量比ΔQ之關係之例。風量比ΔQ係表示角度θ1為67.6度之「葉輪B1」之風量Q與各葉輪11之風量Q之比。在第11圖中，縱軸係表示風量比ΔQ（%），橫軸係表示角度θ1（度）。第11圖之圖表中之曲線，係表示針對「葉輪A1」、「葉輪A2」、「葉輪A3」及「葉輪B1」之角度θ1與風量比ΔQ之關係。表示角度θ1與風量比ΔQ之關係之圖表，係藉內插曲線間之角度θ1與風量比ΔQ之關係以求出。

當依據第11圖時，可確認有角度θ1愈小，則風量比ΔQ變得愈小之傾向。但是，當自67.6度至20.2度為止地變化角度θ1之角度範圍時，風量比ΔQ之減少幅度最大係被抑制0.6%。藉此，實施形態1之葉輪11，可說是由減少角度θ1所致之風量減少係被侷限。

第12圖係表示實施形態1葉輪11之角度θ1與最小比噪音K_Tmin 之關係之例之圖。在第12圖中，縱軸係表示最小比噪音差ΔK_Tmin （dB），橫軸係表示角度θ1（度）。最小比噪音差ΔK_Tmin 係表示角度θ1為67.6度之「葉輪B1」之最小比噪音K_Tmin 與各葉輪11之最小比噪音K_Tmin 之差值。第12圖的圖表中之曲線，係表示針對「葉輪A1」、「葉輪A2」、「葉輪A3」及「葉輪B1」之角度θ1與最小比噪音差ΔK_Tmin 之關係。表示角度θ1與最小比噪音差ΔK_Tmin 之關係之圖表，係藉內插曲線間之角度θ1與最小比噪音差ΔK_Tmin 之關係以求出。

當依據第12圖時，於角度θ1係在15度～55度之範圍內時，葉輪11之噪音特性，係被改善為最小比噪音差ΔK_Tmin 降低0.5dB以上。又，當角度θ1為29.4度時，葉輪11之噪音特性，係被改善為最小比噪音差ΔK_Tmin 降低2dB。

第13圖係表示實施形態1葉輪11之角度θ1與最大應力σmax之關係之例之圖。在第13圖中，縱軸係表示最大應力比Δσmax（%），橫軸係表示角度θ1（度）。最大應力比Δσmax係表示角度θ1為67.6度之「葉輪B1」之最大應力σmax與各葉輪11之最大應力σmax之比。第13圖之圖表中之曲線，係表示針對「葉輪A1」、「葉輪A2」、「葉輪A3」及「葉輪B1」之角度θ1與最大應力比Δσmax之關係。表示角度θ1與最大應力比Δσmax之關係之圖表，係藉內插曲線間之角度θ1與最大應力比Δσmax之關係以求出。

當依據第13圖時，當角度θ1係包含在20.2度～55度之範圍時，最大應力σmax係降低4%～9%。葉輪11係藉角度θ1被設定為包含在20.2度～42.1度之範圍內，可減少噪音與緩和應力集中。而且，如上所述，因為角度θ2大於90度，θ2＞θ1之關係係成立。因此，葉輪11係當角度θ1小於角度θ2時，可減少噪音與緩和應力集中。

當依據實施形態1時，葉輪11係在各葉片1的葉片前緣部13，設有第1彎曲部17與第2彎曲部18與第3彎曲部19。葉輪11係藉使葉片1之俯視形狀為具有小於角度θ2之角度θ1之形狀，可減少噪音與減少應力集中。藉此，葉輪11係可發揮減少噪音與減少應力集中之效果。

以上之實施形態所示之構造，係表示本發明內容之一例者，其可與其他眾所周知之技術組合，或者，在不脫逸本發明要旨之範圍內，省略或變更構造的一部份。

1:葉片 2:輪轂部 3:彎曲板 4:安裝部 5:支撐葉片 6:旋轉軸 10:軸流風扇 11:葉輪 12:馬達 13:葉片前緣部 14:葉片後緣部 15:葉片外周部 16:葉片內周部 17:第1彎曲部 18:第2彎曲部 19:第3彎曲部 20:尖端部 21,22,23,35:線段 24:頂點 25,26,27,36,37:位置 28:葉片端渦 29:剝離渦 30:葉片弦中心線 31:壓力面 32:負壓面 33:氣流 34:後流渦 40:部分 C:旋轉方向

第1圖係表示具有本發明實施形態1之葉輪之軸流風扇之概略構造之圖。 第2圖係表示第1圖所示葉輪之俯視形狀之圖。 第3圖係表示第2圖所示葉輪中之葉片與輪轂部之俯視形狀之圖。 第4圖係說明第3圖所示葉片周圍之氣流狀態之圖。 第5圖係說明第3圖所示葉片形狀與葉片強度之關係之圖。 第6圖係表示第2圖所示葉輪中之負壓面側之俯視圖。 第7圖係表示第2圖所示葉輪中之壓力面側之俯視圖。 第8圖係說明實施形態1葉輪之噪音特性之圖。 第9圖係說明實施形態1葉輪之風量-靜壓特性之圖。 第10圖係針對實施形態1之葉輪，表示第2圖所示角度θ1與角度θ2之例之圖。 第11圖係表示實施形態1葉輪之角度θ1與風量Q之關係之例之圖。 第12圖係表示實施形態1葉輪之角度θ1與最小比噪音K_Tmin 之關係之例之圖。 第13圖係表示實施形態1葉輪之角度θ1與最大應力σmax之關係之例之圖。

1:葉片

2:輪轂部

3:彎曲板

4:安裝部

5:支撐葉片

6:旋轉軸

11:葉輪

13:葉片前緣部

14:葉片後緣部

15:葉片外周部

16:葉片內周部

17:第1彎曲部

18:第2彎曲部

19:第3彎曲部

20:尖端部

21:線段

22:線段

23:線段

24:頂點

25:位置

26:位置

27:位置

Claims (5)

1. 一種葉輪，其包括： 輪轂部，可繞旋轉軸旋轉；以及 葉片，自前述輪轂部呈放射狀地延伸， 由垂直投影前述葉片到前述旋轉軸時之前述葉片之俯視形狀，係前述葉片的外緣中之朝向前述輪轂部之由旋轉所做之前述葉片之行進方向之葉片前緣部具有：第1彎曲部，往前述行進方向之反方向彎曲；第2彎曲部，被設成比前述第1彎曲部還要靠近前述旋轉軸之側，往前述行進方向彎曲；以及第3彎曲部，被設成比前述第1彎曲部還要靠近前述旋轉軸的相反側，往前述行進方向彎曲。
2. 如申請專利範圍第1項所述之葉輪，其中，前述葉片係具有往前述行進方向突出之尖端部， 將包含在前述葉片之俯視形狀中之朝向前述旋轉軸的相反側之葉片外周部中之前述尖端部之位置中之切線當作第1切線，將包含在前述第3彎曲部中之前述尖端部之位置中之切線當作第2切線，將位於前述第1彎曲部中之前述第2彎曲部之側的端之位置中之切線當作第3切線，將前述第1切線與前述第2切線之夾角，且包含前述尖端部之範圍中之角度當作第1角度，將前述第2切線與前述第3切線之夾角，且包含前述第1彎曲部之範圍中之角度當作第2角度，前述第1角度係小於前述第2角度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之葉輪，其中，前述第1角度係包含在20.2度～42.1度之範圍內。
4. 如申請專利範圍第2項或第3項所述之葉輪，其中，前述第2角度係大於90度。
5. 一種軸流風扇，其包括申請專利範圍第1項～第4項所述之葉輪、及旋轉驅動前述葉輪之馬達。

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