CN104903589A - 利用机匣处理的有罩轴流风扇 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风扇组件(10)，所述风扇组件包括有罩风扇转子(24)，所述风扇转子(24)包括：多个风扇叶片(28)，所述多个风扇叶片(28)从转子轮毂(30)延伸并可围绕所述风扇组件的中心轴线(26)旋转；以及风扇护罩(32)，所述风扇护罩(32)围绕所述风扇转子(24)周向延伸并固定到所述多个风扇叶片(28)。所述护罩(32)具有：第一轴向延伸环形部分(38)，所述第一轴向延伸环形部分(38)被固定到所述多个风扇叶片(28)；第二轴向延伸环形部分(40)，所述第二轴向延伸环形部分(40)与所述第一轴向延伸环形部分(38)径向向外间隔开；以及第三部分(44)，所述第三部分(44)将所述第一轴向延伸环形部分(38)与所述第二轴向延伸环形部分(40)连接起来。壳体(22)围绕所述风扇护罩(32)周向定位，从而限定所述壳体与所述风扇护罩之间径向余隙。所述壳体(22)包括多个壳体元件(48)，所述多个壳体元件(48)从所述壳体的径向内侧表面(46)朝所述护罩(32)延伸并限定了径向元件间隙和轴向元件间隙。

Description

利用机匣处理的有罩轴流风扇

背景

本文中公开的主题涉及有罩轴流风扇。更确切地，本文中公开的主题涉及用于减少气动噪声并且增加有罩轴流风扇的失速裕度的结构。

轴流风扇广泛用于从汽车到航空的许多工业的HVAC，但通常因操作范围限制和噪声问题而使它们的应用受限。虽然翼式轴流风扇能够实现高的静态效率，但是由在旋转风扇与静止定子轮叶之间的流体相互作用而产生的噪声通常大大限制了它们的使用。因叶片失速而造成的由受限操作范围所强加的另外限制通常使得翼式轴流风扇无法用于这样的系统中：所述系统要求可观静态压力而不依靠于高旋转速度，由此增大现有噪声问题。对轴流风扇的稳定性和操作范围尤其重要的是尖端间隙或护罩再循环流的性质。在这种情况下，考虑到了一种旋转有罩风扇，其中一个环带与叶片的外侧尖端一体连接。

发明内容

在一个实施方案中，一种风扇组件包括有罩风扇转子，所述风扇转子包括：多个风扇叶片，所述多个风扇叶片从转子轮毂延伸并可围绕所述风扇组件的中心轴线旋转；以及风扇护罩，所述风扇护罩围绕风扇转子周向延伸并固定到所述多个风扇叶片。所述护罩具有：第一轴向延伸环形部分，所述第一轴向延伸环形部分被固定到所述多个风扇叶片；第二轴向延伸环形部分，所述第二轴向延伸环形部分与第一轴向延伸环形部分径向向外间隔开；以及第三部分，所述第三部分将所述第一轴向延伸环形部分和所述第二轴向延伸环形部分连接起来。壳体围绕所述风扇护罩周向定位，从而限定所述壳体与所述风扇护罩之间的径向余隙。所述壳体包括多个壳体元件，所述壳体元件从所述壳体的径向内侧表面朝所述护罩延伸，并限定了第一元件表面与所述护罩的最大半径点之间的径向元件间隙以及第二元件表面与所述风扇护罩的上游端之间的轴向元件间隙。

在另一实施方案中，一种用于轴流风扇的壳体组件包括围绕风扇的中心轴线周向延伸的壳体内表面。多个壳体元件从壳体内表面径向向内延伸。每个壳体元件包括：第一元件表面，从而限定所述第一元件表面与风扇转子之间径向元件间隙；以及第二元件表面，从而限定所述第二元件表面与所述风扇转子的上游端之间的轴向元件间隙。

这些及其它优点和特征将从以下结合附图进行的描述变得更为清楚。

附图简述

被视为是本发明的主题在本说明书的结论处的权利要求中具体指出并且明确要求。本发明的前述及其它特征和优点从以下结合附图进行的详述而清楚，在附图中：

图1是风扇组件的一个实施方案的透视图；

图2是风扇组件的一个实施方案的局部横截面图，该图示出风扇护罩与壳体的界面；

图2A是风扇组件的另一实施方案的局部横截面图，该图示出风扇护罩与壳体的界面；

图2B是风扇组件的另一实施方案的局部横截面图，该图示出风扇护罩与壳体的界面；

图3是用于风扇组件的壳体的一个实施方案的等距视图；

图3A是用于风扇组件的壳体的另一实施方案的局部横截面图；

图4是风扇组件的一个实施方案的另一局部横截面图，该图示出风扇护罩与壳体的界面；

图4a是风扇组件的另一实施方案的局部横截面图，该图示出风扇护罩与壳体的界面；

图5是转子壳体的一个实施方案的另一面向上游横截面图，该图示出形成在壳体楔块侧面与壳体的切面之间的角度；

图6是壳体的一个实施方案的内部的平面图；

图7是示出周向扫掠定子轮叶的一个实施方案的透视图；

图8是示出轴向扫掠定子轮叶的一个实施方案的横截面图；以及

图9是示出周向扫掠风扇叶片的一个实施方案的透视图。

详述参考附图借助实例来解释本发明的实施方案以及优点和特征。

发明详述

图1中示出了例如在暖通空调(HVAC)系统中用作空气调节风扇的轴流风扇10的一个实施方案。风扇10可由通过轴(未示出)或替代地皮带或其它配置连接到风扇10的电动机12驱动。在操作中，电动机12驱动风扇10的旋转将气流16从例如换热器(未示出)而穿过风扇10并沿流动路径18推动。风扇10包括具有风扇转子24、或可旋转地定位在壳体22中的叶轮的壳体22。电动机12的操作驱动风扇转子24围绕风扇轴线26旋转。风扇转子24包括从轮毂30延伸并终止于风扇护罩32的多个风扇叶片28。风扇护罩32被连接至多个风扇叶片28中的一个或多个风扇叶片28并且随其一起围绕风扇轴线26旋转。在一些实施方案中，风扇10还包括了定子组件72，所述定子组件72包括定位在风扇转子24的上游或下游的多个定子轮叶74。在一些实施方案中，风扇10具有在约0.45与0.65之间的轮毂30直径与风扇叶片28直径比。另外，风扇10以约1500RPM与约2500RPM之间的旋转速度标称运行，其中风扇叶片28尖端速度约0.1马赫或更小。

参考图2，风扇护罩32限定风扇转子24的径向延度，并且限定风扇转子24(具体地是风扇护罩32)与壳体22之间的运转余隙。在风扇10的运行期间，形成从风扇护罩32的下游端34朝风扇护罩32的上游端36的再循环流70，其中再循环流70中的至少一些与气流16一起被再吸入到风扇10之中。此再吸入可能处于能够导致风扇不稳定或失速的不期望角度或质量流。为了缓解这个情况，风扇护罩32沿第一部分38从风扇护罩32的下游端34朝风扇护罩32的上游端36基本轴向延伸长度L₁，长度L₁可为护罩总长L_总的主要部分(例如，80％至90％)。风扇护罩32的第一部分38被连接至风扇叶片28。风扇护罩32的第二部分40也可在一个轴向方向上延伸但从第一部分38径向向外偏移，并且限定风扇护罩32的最大半径42。第三部分44将第一部分38和第二部分40连接起来。在一些实施方案中，如图2所示，这产生了风扇护罩32的基本s形横截面。在其它实施方案中，例如，如图2a-2b所示，所产生的横截面分别为T形和J形。运行期间，风扇护罩32在上游端36与壳体22之间形成流的分离泡76。这种分离泡76是小型再循环区，其在上游端36与壳体22之间形成实际上更小的运转余隙78，由此限制穿过运转余隙78的再循环流70的量。

壳体22包括围绕风扇护罩32周向延伸的壳体内表面46，在一些实施方案中，所述壳体内表面46是基本圆柱形的、或替代地截锥形的。另外，壳体22包括多个壳体元件、或壳体楔块48，所述多个壳体元件、或壳体楔块48从壳体内表面46朝风扇护罩32径向向内延伸并且至少部分沿风扇护罩32的长度轴向延伸。壳体楔块48可与壳体22分离、可固定到内表面46，或者在一些实施方案中，可与壳体22整体成形(例如，通过注射模塑(injection molding))。虽然本文中的描述主要涉及壳体楔块48，但是在其它实施方案中可利用其它壳体元件如图3a中示出的壳体翅片148。

参考图3，壳体楔块48围绕壳体22的圆周排列，并且在一些实施方案中，围绕圆周等距间隔。壳体楔块48的数目可变并取决于每个楔块的楔块宽度A与相邻楔块之间的开口宽度B的比率(表达为A/B)以及楔块宽度A与风扇护罩32周长的比率(表达为A/πD)，其中D是风扇护罩32的最大直径。在一些实施方案中，比率A/B在0.5与4之间，但也可为更大或更小的，这取决于期望涡流减少的量。在一些实施方案中，比率A/πD在约0.01至0.25的范围内。另外，壳体楔块48的数目可被选择(如不是风扇叶片28的数目的倍数)，以便避免在从壳体楔块48散发出的再循环流70与旋转风扇叶片28之间产生有害音调噪声。在一些实施方案中，风扇转子24具有7、9或11个风扇叶片28。

再次参考图2，在一些实施方案中，壳体楔块48被成形为与风扇护罩32的第二部分40相符并缠绕在其上，从而在壳体楔块48与风扇护罩32之间留下最小可接受的运转余隙。因此，如图4所示，在围绕壳体22的圆周的每个壳体楔块48处，壳体楔块48产生与壳体22的前端52的轴向节距(step)S₁以及与壳体内表面46的径向节距S₂。节距S₁的大小在1*G_F与20*G_F之间，其中G_F是从壳体22的前凸缘50到风扇护罩32的第二部分40的轴向偏移。类似地，节距S₂的大小在1*G_S与20*G_S之间，其中G_S是从最大半径位置42到壳体楔块48的径向内侧表面52的径向偏移。轴向楔块长度54在轴向壳体长度56的25％和100％之间。另外，径向内侧表面52(尽管被示出为基本径向表面)可沿轴向方向渐尖，使得S₂沿轴向楔块长度54从壳体上游端58到壳体下游端60而减小或增大。限定S₁的楔块前表面62(尽管被示出为平坦轴向表面)可类似地渐尖，使得S₁随沿楔块前表面62的径向位置而减少或增加、或二者兼有。在其它实施方案中，楔块前表面62可具有曲线横截面。

参考图4a，一些实施方案中的楔块前表面62可与壳体前表面58重合。在此类情况下，向前轴向节距S1为0。壳体前表面58可为恒定径向表面、或可为曲线表面。

参考图5，壳体楔块48的楔块侧面64a和64b分别在与壳体内表面46的切面的相交处形成角度α和β，其中侧面64a是相对于风扇转子24的旋转方向66的前侧，并且侧面64b是相对于旋转方向66的后侧。在一些实施方案中，α和β在30°与150°的范围内，并且可为或可不为相等的、互补的、或补充的。楔块侧面64a和64b可为例如如所示出的基本平面的、或可沿径向方向为曲线的。

参考图6，在轴向方向上，楔块侧面64a和64b分别与上游壳体末端58形成角度Κ和λ。在一些实施方案中，Κ和λ在90°与150°的范围内，而其它实施方案中，Κ和λ可小于90°。在壳体楔块48与壳体22共同模制的实施方案中，期望Κ和λ大于90°以使得能够使用直拉工具。然而，在利用其它制造方法时，小于90°的Κ和λ可为所期望的。角度Κ和λ可为或可不为相等的、补充的、或互补的。另外，尽管楔块侧面64a和64b描绘为基本平面的，但是它们可沿轴向方向是曲线的。

选择角度α、β、Κ和λ、轴向节距和径向节距S₁和S₂、以及间隙G_F和G_S使得再循环流70的回注角度和再循环流70的质量流得以被选择和控制。

现在参考图7和图8，在一些实施方案中，定子轮叶74被定位成包括在周向和/或轴向方向上的偏斜或扫掠。定子轮叶74将从风扇转子24排出的流16矫直，从而将流16中的涡流动能转化成定子轮叶74上的静力上升。如图7所示，每个轮叶74具有堆叠轴线80，所述堆叠轴线80从定子轮毂84处的轮叶基底82向外延伸至定子护罩88处的轮叶尖端86。在轮叶基底82处，堆叠轴线80从径向方向以约10度至约25度的角度r1朝流16的涡流方向90周向偏斜。这种偏斜程度继续至轮叶74跨度的约75％，在约75％处，所述轮叶74改变方向来以约20度至约40度的角度r2偏斜远离涡流方向90。另外，如图8所示，轮叶74包括堆叠轴线80的轴向扫掠。这种轴向扫掠导致转子-定子相互作用噪声的水平的降低，同时维持风扇10的气动性能特性。

现在参考图9，在一些实施方案中，风扇叶片28包括周向偏斜或扫掠。每个风扇叶片28具有叶片堆叠轴线92，所述叶片堆叠轴线92从径向方向以-60度与+60度之间的角度r3周向偏斜。风扇叶片28周向扫掠用于沿叶片跨度来选择性地向内或向外驱动流，以便提供将由定子轮叶74遇到的期望的转子出流剖面。使用这种技术，可产生出多种风扇叶片28设计，其中在使用相同定子轮叶74设计时，转子-定子组合的操作范围转变至更低或更高的体积流率。此处，风扇叶片28周向偏斜被调整来产生正确转子出流剖面，由此允许定子轮叶74仍能有效运行。风扇叶片28可周向向前扫掠到入流16中以将流向内驱动至转子轮毂30、可周向向后扫掠以将流向外驱动至风扇叶片28的尖端区域，或可根据需要以两者组合的方式周向扫掠来迁移叶片通道内的流，其中可能同时将流向内朝轮毂30并向外朝尖端驱动。风扇叶片28周向扫掠的量将取决于具体应用所期望的流迁移量，并且将在很大程度上由定子轮叶74设计和期望操作范围来指定。周向扫掠风扇叶片28的使用的另一显著结果是有助于风扇叶片28尾流与静止定子轮叶74之间的相互作用的移相，由此减少风扇10的噪声水平以允许风扇10在限制噪声的环境如住宅环境中使用。

虽然已仅结合有限数量实施方案来描述本发明，但应容易理解，本发明不限于此类所公开的实施方案。相反，本发明可修改以将此前未描述但符合本发明的精神和范围的任何数量的变化、更改、代替或等效布置并入。另外，虽然已描述了本发明的各种实施方案，但应理解，本发明的方面可仅包括所描述的实施方案中的一些。因此，本发明不应被视为受到先前描述限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (32)

1.一种风扇组件，所述风扇组件包括：

有罩风扇转子，所述风扇转子包括：

多个风扇叶片，所述多个风扇叶片从转子轮毂延伸并可围绕所述风扇组件的中心轴线旋转；以及

风扇护罩，所述风扇护罩围绕所述风扇转子周向延伸并固定到所述多个风扇叶片，所述护罩具有：

第一轴向延伸环形部分，所述第一轴向延伸环形部分被固定到所述多个风扇叶片；

第二轴向延伸环形部分，所述第二轴向延伸环形部分与所述第一轴向延伸环形部分径向向外间隔开；以及

第三部分，所述第三部分将所述第一轴向延伸环形部分与所述第二轴向延伸环形部分连接起来；以及

壳体，所述壳体围绕所述风扇护罩周向设置，从而限定所述壳体与所述风扇护罩之间的径向余隙，所述壳体包括多个壳体元件，所述多个壳体元件从所述壳体的径向内侧表面朝所述护罩延伸并限定了第一元件表面与所述护罩的最大半径点之间的径向元件间隙以及第二元件表面与所述风扇护罩的上游端之间的轴向元件间隙。

2.如权利要求1所述的风扇组件，其中所述风扇护罩具有S形横截面、J形横截面、或T形横截面中的一种。

3.如权利要求1所述的风扇组件，其中所述多个壳体元件是从所述壳体径向向内延伸的多个翅片。

4.如权利要求1所述的风扇组件，其中所述多个壳体元件是从所述壳体径向向内延伸的多个壳体楔块。

5.如权利要求4所述的风扇组件，其中壳体楔块的数目并不是风扇叶片的数目的倍数。

6.如权利要求1所述的风扇组件，其中所述第一元件表面与壳体内表面的径向距离在所述径向元件间隙的约一倍与二十倍之间。

7.如权利要求6所述的风扇组件，其中所述轴向距离沿径向方向而变化。

8.如权利要求1所述的风扇组件，其中所述第二元件表面与所述壳体的上游端的轴向距离在所述风扇护罩与所述壳体之间的轴向余隙的约一倍与二十倍之间。

9.如权利要求8所述的风扇组件，其中所述径向距离沿轴向壳体元件长度而变化。

10.如权利要求1所述的风扇组件，其还包括定子组件，所述定子组件包括设置在所述风扇转子的上游和/或下游的多个定子轮叶，所述多个定子轮叶具有沿定子轮叶跨度的至少一部分的周向偏斜或扫掠。

11.如权利要求10所述的风扇组件，其中周向扫掠的量在约10度与25度之间。

12.如权利要求10所述的风扇组件，其中周向扫掠的量在约20度与40度之间。

13.如权利要求10所述的风扇组件，其中所述多个定子轮叶是轴向扫掠的。

14.如权利要求1所述的风扇组件，其中所述多个风扇叶片是周向扫掠的。

15.如权利要求1所述的风扇组件，其中所述风扇转子具有在约0.45与约0.65之间的轮毂直径与风扇叶片直径比。

16.如权利要求1所述的风扇组件，其中所述风扇转子以约1500rpm与2500rpm之间的旋转速度运行。

17.如权利要求16所述的风扇组件，其中风扇叶片尖端速度为约0.1马赫或更小。

18.一种用于轴流风扇的壳体组件，所述壳体组件包括：

壳体内表面，所述壳体内表面围绕所述风扇的中心轴线周向延伸；以及

多个壳体元件，所述多个壳体元件从所述壳体内表面径向向内延伸，每个壳体元件包括：

第一元件表面，从而限定所述第一元件表面与风扇转子之间的径向元件间隙；以及

第二元件表面，从而限定所述第二元件表面与所述风扇转子的上游端之间的轴向元件间隙。

19.如权利要求18所述的壳体组件，其中所述第二元件表面与所述壳体的前表面重合，使得壳体前表面与所述风扇护罩的上游端之间存在轴向间隙。

20.如权利要求18所述的壳体组件，其还包括定子组件，所述定子组件包括多个定子轮叶，所述多个定子轮叶具有沿定子轮叶跨度的至少一部分的周向偏斜或扫掠。

21.如权利要求20所述的壳体组件，其中周向扫掠的量在约10度与25度之间。

22.如权利要求20所述的壳体组件，其中周向扫掠的量在约20度与40度之间。

23.如权利要求20所述的壳体组件，其中所述多个定子轮叶是轴向扫掠的。

24.如权利要求18所述的壳体，其中所述第二元件表面与所述壳体的上游端的轴向距离在所述风扇护罩与所述壳体之间的轴向余隙的约一倍与二十倍之间。

25.如权利要求24所述的壳体，其中所述径向距离沿轴向壳体元件长度而变化。

26.如权利要求18所述的壳体，其中轴向壳体元件长度在轴向壳体长度的约25％与100％之间。

27.如权利要求18所述的壳体，其中所述多个壳体元件是从所述壳体径向向内延伸的多个翅片。

28.如权利要求18所述的壳体，其中所述多个壳体元件是从所述壳体径向向内延伸的多个壳体楔块。

29.如权利要求28所述的壳体，其中每个壳体楔块包括从所述壳体的上游端延伸的第一径向楔块侧面和第二径向楔块侧面。

30.如权利要求29所述的壳体，其中所述第一径向楔块侧面和所述第二径向楔块侧面与壳体内表面的切面形成在约30度与150度之间的角度。

31.如权利要求29所述的壳体，其中所述第一径向楔块侧面和所述第二径向楔块侧面是基本平面的。

32.如权利要求29所述的壳体，其中第一径向楔块侧面和所述第二径向楔块侧面与所述第一壳体末端形成在约90度与150度之间的角度。