具有周向地隔開的楔塊的軸流式風扇殼體設計的製作方法

2023-05-10 12:18:16 1

專利名稱：具有周向地隔開的楔塊的軸流式風扇殼體設計的製作方法
具有周向地隔開的楔塊的軸流式風扇殼體設計
背景技術：
本發明大體涉及軸流式風扇，且更具體地，涉及用於減小
其隙流損失並改進其操作穩定性的方法和裝置。軸流式風扇用於多種應用中，包括HVAC(供熱通風與空調 工程)、製冷、汽車製造業、電力系統和航天。在這些應用的其中各種 應用中，性能、噪聲等級、運行範圍和緊湊性是重要的考慮因素。由於風扇轉子和殼體之間的間隙區中的回流，在軸流式風 扇中產生了重大的損失。轉子可使用向外延伸而使得葉梢接近殼體的 傳統葉片，或可使用包括附連到葉梢上的旋轉護罩的葉片。在任何一 種情況下，回流都從轉子的高壓側穿過隙距糹皮推到吸入側，導致性能 降低、噪聲等級增大及穩定性與失速邊界降低。已經提出了多種設計，以通過減小或控制隙流來提高風扇 效率。這些設計大體包括阻斷或減小間隔的大小。 一種方法是使用梢 部密封結構，其中殼體中的沿周向延伸的凹槽圍繞葉片的梢部，如美 國專利4,238,170中所顯示和描述。在另一種方法中，軸流式風扇設 有具有鐘形口的殼體，而且護罩形成為以便在鐘形口和護罩之間產生 隔離氣泡，以便限制循環流動，如轉讓給本發明的受讓人的美國專利 7,086,825中所顯示。風扇穩定性受隙距內的旋轉流的影響。這些流傾向於發展 成可導致強烈的通流振動和過量噪聲的有組織的旋轉單元。已經提出了多種設計，以通過控制這些旋轉流來提高風扇 穩定性。這些設計大體被歸類為殼體處理，且通常包括延伸到殼體壁 中的凹槽或其它特徵。發明概述簡要地講，根據本發明的一個方面，風扇殼體中提供了銳 利的前向臺階，且多個周向地隔開的楔塊包括在殼體壁的臺階上，以 獲得對隙流損失的限制和增強的穩定性兩者。根據本發明的另 一個方面，楔塊設置成以便使其較大的尺 寸面向接近的渦流，且其沿風扇梢部旋轉的方向逐漸縮小。根據本發明的又一個方面，可以具有或不具有旋轉護罩的 方式來使用這種設計。在提供了護罩的情況下，護罩環繞楔塊，以迫 使隙流通過楔塊，且從而減小隙流。在無護罩的風扇中，葉梢前緣部 分地越過也用來減小渦流和隙流的楔塊而延伸。在任何一種情況下， 目的都是要延遲旋轉失速的開始。根據本發明的另一個方面，提供了入口鐘形口件來進一步 控制隙流。在如以下所述的附圖中描繪了一個優選實施例；然而，可 對其做出各種其它修改和備選構造，而不偏離本發明的精神和範圍。
附圖簡述

圖1A是根據本發明的一個實施例的軸流式風扇殼體的透 視圖。圖1B是其一部分的放大圖。
圖1D是沿著圖1A的線1D-1D觀察到的截面圖。
圖3B和3C分別是楔塊以及它們影響氣流的方式的局部前^見圖和頂—見圖。圖3D是葉片護罩以及在其附近的氣流模式的局部剖視圖。
圖4是其在其中結合了鐘形口件的備選實施例。
圖5是其在其中結合了有護罩的風扇和入口鐘形口件兩者的備選實施例。圖6是受本發明影響的風扇穩定性性狀的一個圖形表示。
優選實施例的詳細描述現參看圖1A至1E和圖2A，本發明大體在11處顯示為應用於以串聯氣流關係包括軸流式風扇13和定子14的軸流式風扇組件。軸流式風扇13包括可旋轉的轂16和多個風扇葉片17。定子14包括固定的轂18和使其徑向外端整體地連接到圓柱形外殼21上的多個徑向地延伸的固定機葉19。在運行時，風扇13以相對較高的速度旋轉，以促使空氣流通過殼體21，且在該過程中，其沿風扇旋轉的方向產生渦流。定子機葉19設置成且成形為以便從主空氣流中基本去除渦流，從而使得下遊端處的流動的方向基本為軸向。如本領域已知的，風扇葉片17的尺寸使得風扇葉片17的端部和殼體21的內徑之間的徑向間隙儘可能地小，但這兩個元件之間沒有接合。由於這個必要的徑向間隙，存在殼體21內的空氣通過徑向間隙回流到風扇13的向前側的趨勢。這直接導致減小的壓力升高和效率。此外，回流間隙中的漩渦流傾向於使風扇不穩定，導致進一步的性能降級和運行範圍的縮小。當風扇從高流率逐漸地節流到低流率運行時，就會發現這種穩定性限制，且其大體被稱為失速界限。在某些情況下，風扇失速可產生強烈的主通流沖擊，造成猛烈的壓力波動和噪聲。本發明的 一個目的是_要大大地減d 、回流間隙中的渦流並改進風扇穩定性。將觀察到，殼體21的內表面包括三個互連的表面22、 23和24。表面22軸向地對準且包圍軸流式風扇13。表面23基本徑向地對準且包括徑向地向外延伸的臺階。表面24是曲線的，且隨著其向上遊延伸到接近的空氣流中而向外擴張。表面23上形成了多個周向地隔開的楔塊26，其在面向風扇葉梢的切向方向的一側27上具有較大的尺寸。隨著楔塊26沿風扇葉片運動的方向沿周向延伸，楔塊26漸縮縮小到點28。楔塊通過將間隙區中的漩渦流重新導入軸向方向中來起作用。圖2B和2C顯示了隙距、楔塊和間隙流性狀的展開表示。接近的回流的一小部分湧入遠端楔塊特徵之間的間隙中，且然後由基本軸向的面27沿切向方向阻擋。楔塊的數量可從少至10個變化到超過100,而其周向長度相應地變化。楔塊布置成以便可以通過利用使用注射鬥莫制或模鑄的軸向直拉工具而生產出來。楔塊高度可從將最佳地滿足特定設計要求的0.05倍徑向隙距到5倍徑向隙距進行變化。參看圖3A，在另一個實施例中示出了軸流式風扇組件，其中風扇轉子13包括整體地連接到風扇葉片17的梢部上且以已知的方式包圍風扇的護罩29。護罩29包括朝向其下遊端的基本圓柱形部分31,以及其上遊端附近的徑向地向外延伸的部分32。如將看到，徑向地延伸的部分32與表面23和楔塊26交迭，以便對通過間隙的空氣回流提供進一步的阻擋。無論風扇是否包括旋轉護罩，楔塊對漩渦流的作用都基本類似，如將在圖3A和3B中所看到的。然而，旋轉護罩為流限制提供了進一步的機會，且減小了隙流與風扇葉片的交互作用，如將在圖3D中所看到。後一點導致了眾所周知的減小相關噪聲的潛力。當使用旋轉護罩時，徑向地延伸的部分32應當隨著楔塊高度的選擇一起改變，如上所述。在圖4的實施例中，軸流式風扇17不包括護罩，但卻以與表面24緊密配合的關係的方式包括入口鐘形口件33 。鐘形口件33用以改進進入組件中的空氣的流入，且用以通過進一步限制隙距區來減小回流損失。
在圖5的實施例中包括了風扇護罩29和鐘形口件33兩者，以提供如上所述的改進。在圖6中顯示了氣流率和靜壓力之間的關係的圖形表示，因為其影響風扇穩定性性狀。實線表示沒有本發明時的性狀，且虛線表示具有本發明時的性狀。相對於實線曲線，節流線l上的操作是穩定操作，而節流線2上的操作是不穩定的。在線2和3之間，操作不穩定，且具有滯後和波動。由於使用了所描述的楔塊，操作曲線向上移到虛線所示的位置，以便由此增大穩定操作的範圍。
權利要求
1.一種減小軸流式風扇組件中的間隙回流和相關聯的渦流的量的方法，所述軸流式風扇組件具有風扇轉子和緊密地包圍的殼體，所述方法包括a)在所述殼體中提供前向臺階，所述臺階軸向地定位成以便包圍所述風扇的葉梢；以及b)在所述臺階的表面上提供多個周向地隔開的楔塊，所述楔塊定位成以便減小所述組件中的回流渦流成分。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述前向臺階包 括基本徑向地延伸的表面。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述楔塊定位成 使其較大的尺寸面向接近的渦流，且沿葉片旋轉的方向漸縮。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法包括提 供附連到所述風扇轉子的葉梢上的旋轉護罩。
5. 根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述護罩包括在 其前端上的向外延伸的部分，所述向外延伸的部分與所述前向臺階部 分地交迭。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法包括在 所述殼體的入口處提供鐘形口件
7. —種軸流式風扇裝置，包括 具有轂的風扇，所述轂帶有從其延伸的多個葉片； 緊密地包圍所述多個葉片且在其徑向內表面中形成了前向臺階結構的殼體，所述前向臺階結構軸向地設置在所述多個葉片的梢部周 圍；以及形成於所述臺階結構的表面上以便減小回流渦流的多個周向地 隔開的楔塊。
8. 根據權利要求7所述的軸流式風扇裝置，其特徵在於，所述前向臺階結構定向在基本徑向地延伸的方向上。
9. 根據權利要求7所述的軸流式風扇裝置，其特徵在於，所述多個周向地隔開的楔塊設置成使其較大的尺寸面向風扇旋轉的切向 方向，且沿^_轉的方向漸縮。
10. 根據權利要求7所述的軸流式風扇裝置，其特徵在於，所述 裝置包括互連且包圍所述多個葉片的護罩。
11. 根據權利要求10所述的軸流式風扇裝置，其特徵在於，所 述護罩包括與所述前向臺階結構的一部分交迭的徑向地向外延伸的部分。
12. 根據權利要求7所述的軸流式風扇裝置，其特徵在於，所述 裝置包括附連到所述殼體的上遊端處的鐘形口件。
全文摘要
一種包括具有形成於其中的前向臺階的殼體壁的軸流式風扇組件。臺階的表面上形成於多個周向地隔開的楔塊，這些楔塊形成為且布置成以便減小風扇轉子和殼體之間的隙距內的漩渦流。楔塊形成為以便使旋動的回流首先遇到沿周向漸縮的面，然後遇到陡的軸向地定向的面，從而基本去除渦流成分。楔塊對風扇的流動穩定性具有有利的作用，從而擴大其運行範圍。變型包括具有帶有與臺階交迭的向外延伸的部分的旋轉護罩的風扇轉子，以及殼體入口處的鐘形口件。
文檔編號B63H1/16GK101668678SQ200680056829
公開日2010年3月10日 申請日期2006年12月28日 優先權日2006年12月28日
發明者P·R·布希內爾 申請人:開利公司