專利名稱：：軸流風扇的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種軸流風扇，它所安裝的扇葉在風扇的轉動平面內有一定的傾斜度。本發明所公開的風扇具有多種用途，例如用于將空氣吹向熱交換器、機動車冷卻系統中的散熱器或發動機等裝置，或者向車輛車廂內部加熱系統的換熱器吹風，此外，本發明所公開的風扇還可用于固定式空氣調節裝置或建筑物內加熱設備的通風。這種類型的風扇必須要滿足各種不同的要求，這些要求包括低噪聲、高效率、結構緊湊、高壓頭(壓力)值和大通風量。同屬于本申請人的歐洲專利文件EP0553598B公開了一種風扇，在扇葉的整個長度上扇葉的弦線長度都是恒定的，此外，扇葉的前緣和后緣是由兩段曲線圍成的，如果將這兩條曲線投影到風扇的轉動平面上，則是兩條圓弧線。雖然按照此專利制造出的風扇在效率和低噪聲方面達到了很好的效果，但由于它們的軸向尺寸較小，其實現高壓頭或壓力值的能力有限。考慮到在現代汽車的換熱組件中，常包括兩個或多個串聯布置的換熱器，這些串聯布置的換熱器例如為空調系統的冷凝器、制冷系統的散熱器和透平發動機的進氣熱交換器等，或考慮到散熱器因為要補償前面尺寸較小(造成換熱量不足)而增加厚度，因而能達到高壓頭值成為對風扇一個日益重要的要求。本發明的目的是解決上述風扇存在的在壓頭或壓力值方面的問題，并進一步在效率和低噪聲方面進行改進。這一問題是通過獨立權利要求中的描述的特征來實現的，從屬權利要求對應于本發明的最佳的、性能優越的其它實施方式。下文將參照附圖進行描述，附圖表示了本發明幾種最佳的實施方式，在附圖中圖1是本發明所公開的一個實施例的正視圖；圖2的正視圖表示了本發明所公開的風扇扇葉的各個幾何特征；圖3表示從葉轂部位到扇葉的端部以恒定的間隔對本發明公開的風扇扇葉所作的剖面視圖；圖4是表示本發明所公開風扇的扇葉其他一些幾何特征的立體圖；圖5是對圖1所示風扇和相關導流管的比例放大的詳細視圖；圖6是本發明公開的風扇的另一種實施方式的前視圖；圖7中直角坐標上的圖線代表本發明公開的風扇扇葉凸邊的形狀；圖8表示了在本發明公開的一種風扇中，扇葉的不同截面上的葉角隨風扇半徑的函數變化圖線。下面定義一些用于描述風扇的技術術語弦線L是指在扇葉截面的氣動力學廓型上，弧線正對著的、從扇葉前緣引向后緣的直線段的長度，其中扇葉的截面是通過將扇葉和一個圓柱面相交來形成的，該圓柱面的中軸線和風扇的轉動軸線同軸，其半徑r延伸到一個Q點處；扇葉中線或弦線中點線MC是將各個射線方向上的弦線L中點連接起來所成的線；掠角δ是在扇葉特征曲線的一個給定點Q處測得的，其中的特征曲線例如是代表扇葉后緣形狀的曲線，該角是指從風扇中央部位發向所討論Q點處的一條射線與在同一點Q處特征曲線切線所成的夾角；扇葉某一特征曲線的斜交角或凈角位移(Netangulardisplacement)α是指由穿過該特征曲線在風扇葉轂上點的射線、和經過該特征曲線在扇葉端部處點的射線所成的角，其中的特征曲線例如為扇葉的中線或弦線中點線；扇葉葉角β是指扇葉截面上的連接氣動學廓型前緣和后緣的直線與風扇的轉動平面所成的角；螺距比P／D是指螺旋扇葉的旋距和風扇最大直徑的比值，其中的旋距即為所研究Q點在軸向上的位移量，也即是P=2*π*r*tan(β)，其中的r是指射向Q點的射線長度，而β為Q點處的扇葉葉角；廓型拱高f是從弦線L到扇葉的拱線所測得的、垂直于弦線L的最長直線段；廓型拱高f相對于弦線L的出現位置可表示成弦線長度百分比的形式；傾度V是指扇葉突出于風扇轉動平面的軸向位移，其不但包括整個廓型突出于轉動平面的位移，還包括由于扇葉的撓曲在軸向方向上產生的位移分量—如果在軸向方向上也有撓曲的話。參照附圖，風扇1繞一個轉軸2轉動，其包括一個中央葉轂3，在葉轂上安裝了一組扇葉4，它們在風扇1的轉動平面XY內彎曲成一定形狀。扇葉4具有一個根部5、一個端部6，并由一個凸邊7和一個凹邊8限界圍成。由于按照本發明制造的風扇無論在那個方向上轉動，都可以在效率、噪聲、壓頭值等方面獲得理想的效果，因而凸邊7和凹邊8都可以是扇葉的前緣或后緣。換句話說，風扇1可這樣進行旋轉，使得空氣的運動是先和凸邊7接觸，然后再遇到凹邊8，或反過來是首先碰到凹邊8，然后碰到凸邊7。顯然，扇葉截面上氣動學廓型的定位必須根據風扇1的工作模式進行，這也就是說，要按照空氣是要先遇到凸邊7還是要先碰到凹邊8來確定。在扇葉4的端部6，可以固定一個增強環9，該增強環加固了扇葉組4，例如防止了扇葉4的葉角β由于在扇葉的端部處由于受到空氣動力學載荷的作用而發生偏轉。此外，增強環9還和一個導流管10相配合來抑制繞風扇形成的氣旋流，并減少在扇葉端部6處的渦旋，如人們所公知的那樣，這些渦旋是由扇葉4兩表面間的壓力差造成的。由于此原因，環9具有一個厚的唇部11，該部分配裝在導流管10的一個承裝座12上。唇部11和承座12之間在軸向方向上有很小的間隙a，并在兩個元件之間設置了迷宮結構，從而減小了在風扇扇葉端部所產生的渦旋。此外，外環9和導流管10之間的特殊配合關系還使得兩個部件可緊密地相互貼靠在一起，同時還減小了風扇在軸向上的串動。總體來看，環9是一個噴管形狀，也就是說，其進氣口部分要大于氣流流經扇葉4端部時的部分，大的吸氣表面由于補償了流動阻力損失，使空氣的流量保持穩定。但是，如圖6所示，根據本發明的風扇并不一定要設置外增強環和相關的導流管。下文將描述當扇葉4投影到風扇1的轉動平面XY上時的各個特征參數。在中心點處的角度B是在考慮了兩相鄰扇葉4之間的間距的條件下計算出來的，假設風扇的幾何中心和風扇轉動軸線2重合，則該角度對應于扇葉4在根部5的寬度。事實上，由于這種類型風扇最好是通過塑料的注模成型制成的，所以扇葉在模具中是不能有重疊部分的，不然的話，用于制造風扇的模具將變得非常復雜，結果就不可避免地增加了生產成本。此外，應當意識到，尤其是在機動車應用場合中，風扇并不是始終工作著的，這是因為在發動機運轉的大部分時間內，安裝該風扇的散熱器是可以通過車輛運行時自身所產生的氣流來冷卻的。因而，即使在風扇停轉的時候，氣流應能容易地穿過散熱器。這可以通過在風扇扇葉之間留出相對較大的間隙來實現。換句話講，風扇的扇葉必須不能成為阻礙車輛運動所產生氣流的冷卻效果的一個屏障。可用下面的關系式來計算以角度為單位計量的夾角BB=(360°／扇葉數)-K；其中K值的最小值(葉轂直徑；在葉轂上的扇葉廓型高度)。角度K是一個考慮了相鄰兩個扇葉之間最小間距的系數，以避免它們在注模成型時發生重疊，它是葉轂直徑的函數，葉轂的直徑越大，角度K可以越小，角度K的值還受到扇葉廓型在葉轂上高度的影響。下文的描述只是給出示例，而不對本發明設計思想的保護范圍進行限定，描述參照了一個根據本發明設計的風扇的實施例，如附圖中所示，風扇具有七個扇葉，一個直徑為140mm的葉轂，其外直徑對應于外環9的直徑，為385mm。由這些數值計算出對應于扇葉在葉轂上寬度的夾角B為44°。下文將描述風扇1的扇葉4的幾何形狀；首先對扇葉4在風扇1的轉動平面XY上的投影進行限定，然后再將扇葉4在平面XY上的投影轉化成空間形狀。詳見圖2，附圖中扇葉4的幾何結構包括夾角B的角平分線13，而夾角B是由左側的射線17和右側的射線16相交而成的。然后再連出兩條射線14、15，射線14以逆時針方向相對于平分線13轉動角度A=3B／11，而射線15也是在逆時針方向轉動了角A，但卻是相對于射線16進行的轉動，因而這兩條射線14、15都轉動了一個角度A=3B／11，也就是說A=12°。射線17、16和葉轂3的交點、以及射線14、15和風扇外環9(或一個和外環9等直徑的一個假想圓)的交點在平面XY內確定了四個點M、N、S、T，這些點限定了風扇1扇葉4的投影范圍。凸邊7在葉轂處的投影也由一條第一切線21確定了，該切線經過葉轂3上的點M，并相對于射線17具有一個傾角C，其中C=3A／4，也就是說C=9°。從圖2可以看出，夾角C是從相對于射線17的順時針方向測得的，因而在凸邊7是首先和氣流接觸的情況下，第一切線21要在射線17的前面，或在凸邊7是后遇到氣流的情況下、也即是當扇緣8先遇到氣流的情況下，是在射線17的后面。在外環9處，凸邊7還由一條第二切線22來限界，它相對于射線14的傾角W為夾角A的六倍。也就是說為72°，切線22在外環9處經過點N。如圖2所示，夾角W是相對于射線14從逆時針方向測量的，因而在凸邊7是先遇到氣流的情況下，第二切線22在射線14的前面，或當凸邊7是后遇到氣流的情況下、也即是當扇緣8先遇到氣流的情況下，是在射線14的后面。實際上，凸邊7的投影線和第一切線21和第二切線22相切，投影線的特征在于它是一條單調凸起的曲線，并沒有出現任何一個拐點。限定凸邊7投影的曲線是一條拋物線類型的曲線y=ax2+bx+c。在所示的實施例中，該拋物線是由下面的方程限定的y=0．013x2-2．7x+95．7。該方程確定了圖7中所示的表示在直角坐標系中的曲線，該方程表明了平面XY內的變量x、y的函數關系。再參見圖2，拋物線的端點是由在點M、N處的切線21和22限定的，拋物線上最大凸拱區為最靠近葉轂3的那部分曲線。實驗表明，在風扇轉動平面XY內的投影為拋物線的凸邊7可具有非常高的效率和非常好的噪聲特性。至于扇葉4的凹邊8在平面XY內的投影，可采用任何形式的二次曲線，并以能形成一個凹陷部分的方式進行布置。例如，凹邊8的投影可采用一條類似于凸邊7拋物線的曲線來限定，并以基本相同的方式進行布置。在一個最佳實施例中，限定了凹邊8在平面XY內投影的曲線是一段圓弧，其曲率半徑Rcu等于葉轂的半徑R，在此處所描述的實際條件下，該半徑值為70mm。如圖2所示，凹邊8的投影形狀是由點S、T限界的，它為一段半徑等于葉轂半徑的圓弧。凹邊8的投影形狀因而在幾何上就完全確定了。圖3表示了十一個斷面廓型18，它們是從左到右、也即是從葉轂3到扇葉4的端緣6對扇葉4以相同的間距所作的一系列截面。廓型18的某些特征參數是相同的，但所有這些廓型在幾何形狀上都是不同的，以便于和空氣動力學狀態相適應，其中的氣動學狀態基本是廓型在徑向方向上位置的函數。那些對所有扇葉廓型都相同的特征參數是一些特別適于達到高效率、高壓頭值和低噪聲的參數。在左側的第一廓型彎曲度更大，并具有更大的扇葉葉角β，這是因為由于更靠近葉轂，其線速度要小于在外廓型處的線速度。廓型18具有一個表面18a，其包括一段起始的直線段。設計該直線段的目的是為了使氣流能平穩地進入，防止扇葉拍擊空氣，對空氣的拍擊將干擾氣流的平穩流動，從而增大噪聲、降低效率，在圖3中，該直線段被標記為t段，其長度間于弦線L長度的14％到17％之間。表面18a上的其它部分基本由圓弧線組成。從廓型靠近葉轂的部位移向扇葉的端部，組成表面18a的圓弧的半徑也越來越大，也就是說，扇葉4廓型的拱度f是逐漸減小的。廓型拱度f相對于弦線L的位置點在圖3中用If標記，其大約在弦線L總長度的35％到47％處之間，該長度必須從廓型先遇到空氣的那一緣開始測量。扇葉的背面18b是由一條曲線以這樣的方式形成的廓型的最大厚度Gmax出現在扇葉弦線總長度15％到25％的區域處，并最好是在弦線L總長度的20％處，在此情況下，長度同樣是從廓型先遇到空氣的那一邊緣測量的。從廓型上靠近葉轂的、最大厚度Gmax為最大值的部位開始，廓型18的厚度在向著廓型端部的方向上以一個恒定的比率減小，在端部處的厚度縮減到最大值的四分之一左右。最大厚度Gmax是按照與風扇半徑成線性函數的變化關系來減小的。扇葉4截面的廓型18在風扇1的最外側部分具有最小的厚度Gmax值，這是因為它們的氣動學特性要求它們必須能適于高速旋轉。以這樣的方式，廓型對扇葉截面根據線速度作了優化，其中的線速度顯然隨風扇半徑的增加而增加。廓型18的弦線L長度同樣與半徑成函數變化關系。在扇葉4的中段，弦線長度L達到其最大值，并在向著扇葉端部6的方向上逐漸減小，以此來減小風扇扇葉最外部分上的氣動力學載荷，并如上文所述的那樣，在風扇停止工作時，便于空氣流過。扇葉角β同樣是作為風扇半徑的函數而進行變化的，具體來講，扇葉角β是按照一個準線性的關系進行減小的。扇葉角β的變化規律可根據作用在風扇扇葉最外部分上的氣動載荷的要求來進行選定。在一個最佳實施例中，扇葉角β作為風扇半徑r的函數，是以下面方程所描述的立方關系進行變化的β=-7*10-6*r3+0．0037*r2-0．7602*r+67．64夾角β隨風扇半徑r的函數變化表示為圖8中的圖線。圖4表示了如何將扇葉4在平面XY內的投影轉化為空間形狀。扇葉4相對于風扇1的轉動平面具有一個傾度V。圖4還表示了連接扇葉4的點M′、N′以及S′、T′的線段。這些點M′、N′、S′、T′是通過從平面XY內的點M、N、S、T向上垂直引出線段M′M、N′N、S′S、T′T來定出的，從而這些線段確定了一個傾度V，換句話說，使扇葉4在軸向方向上有一定的位移。此外，在最佳實施例中，每個扇葉4的形狀都是由圖4中的弧線19和弧線20確定出來的。弧線19和20是兩段圓弧，它們的曲率是作為直線段M′N′、S′T′的長度函數而計算出來的。如圖4所示，弧線19和20分別和對應的直線段M′N′和S′T′偏移了一段距離h1和h2。這兩段距離h1和h2是從垂直于風扇轉動平面XY的方向上測量的，并被換算成直線段M′N′和S′T′自身長度百分比的形式。在圖4中的虛線是對應于凸邊7和凹邊8的拋物曲線和圓弧曲線。由軸向位移分量和曲率變化這兩方面所形成的扇葉4的傾度V使得可對扇葉由于氣動學載荷的作用而發生的撓曲進行修正，并平衡扇葉上的氣動學扭矩，使得在風扇的整個前向迎風面上獲得了均勻一致的軸向氣流分布。根據所描述實施例設計的扇葉的所有特征值都概括在下文的表中，其中的r是指一組風扇半徑值，而其下面的各個幾何變量和該半徑值為對應關系；L指代弦線的長度；F指代廓型的拱度；t指代扇葉截面上的初始直線段；If表示廓型拱度相對于弦線L的位置；β指代扇葉斷面廓型的葉角以六十進制表示的角度值；x和y表示扇葉的拋物線邊緣在平面XY內的笛卡爾坐標。<tablesid="table1"num="001"><table>r70100．6131．2161．9179L59．868．778．27371．2f8．27．57．86．75t1010．51110．510If2125．531．232．833β30．121．915．713．311．1x65．393．2126．1161．9176．4y-25．2-43．0-38．1-0．723．9</table></tables>實驗表明根據本發明的風扇與和同種類型的現有風扇相比，噪聲等級降低了大約25％到30％，并且在聽覺舒適性方面有了很大的改進，這意味著其所產生的噪聲比現有風扇產生的噪聲要“悅耳”一些。此外，在相同的通風量的條件下，根據本實施例制成的、扇葉以等距角θ布置的風扇，與同種類型的普通風扇相比，其壓頭值高出50％。在根據本發明制成的風扇中，噪聲等級從扇葉的背面到扇葉的前部結構并沒有任何顯著的變化。此外，在風扇某些特定的工作狀態下，尤其是在高速段上，扇葉的前面構造比扇葉的背面構造要多輸送20-25％的風量。權利要求1．一種在平面(XY)內轉動的軸流風扇(1)，其包括一個中央葉轂(3)；一組扇葉(4)，每個扇葉都具有一個根部(5)和一個端部(6)，扇葉(4)還是由一個凸邊(7)和一個凹邊(8)圍成的，在扇葉(4)橫截面上形成的一組氣動學廓型(18)中，扇葉角(β)在從根部(5)向扇葉(4)端部(6)的方向上逐漸并恒定地減小，該風扇的特征在于凸邊(7)在平面(XY)上的投影是一段拋物線段。2．根據權利要求1所述的風扇，其特征在于凹邊(8)在平面(XY)上的投影是一段二次幾何曲線。3．根據權利要求1或2所述的風扇，其特征在于其中凹邊(8)在平面(XY)上的投影是一段拋物線段。4．根據權利要求2所述的風扇，其特征在于凹邊(8)在平面(XY)上的投影是一段圓弧線。5．根據上述任一項權利要求所述的風扇，其特征在于其中的氣動學廓型(18)具有一個表面(18a)，其包括至少一個直線段(t)。6．根據權利要求5所述的風扇，其特征在于其中的氣動學廓型(18)具有一個表面(18a)，該表面包括一段緊鄰初始段(t)的曲線，該曲線基本是一段圓弧線。7．根據權利要求5或6所述的風扇，其特征在于其中的氣動學廓型(18)具有一條弦線(L)和一個背面(18b)，背面是由一條拱起曲線形成的；在從扇葉先遇到氣流的那一邊緣量起、位于弦線(L)長度15％到25％的部位處，背面和表面(18a)一起形成了一個廓型最大厚度值(Gmax)。8．根據上述任一項權利要求所述的風扇，其特征在于每個扇葉(4)在平面(XY)上的投影是由位于平面(XY)內的四個點(M、N、S、T)限定的，這四個點的位置是一個角度(B)的函數，其中的角度(B)和每個扇葉(4)在風扇的中央部位所對著的寬度有關；其特征還在于四個點(M、N、S、T)還由下述的特征進行限定的點(M)和(S)是從風扇的中心發出的射線(16、17)和葉轂(3)或扇葉(4)根部(5)的交點，其中的射線(16、17)形成了角度(B)；點(N)位于扇葉(4)的端部(6)，并在逆時針方向上相對于夾角(B)角平分線(13)轉動了角度(A)=3(B)／11；點(T)位于扇葉(4)的端部(6)，并相對于從風扇中央發出、并經過點(S)射線逆時針轉動了角度(A)=3(B)／11。9．根據權利要求8所述的風扇，其特征在于凸邊(7)在平面(XY)上的投影在點(M)處具有一條第一切線(21)，其相對于過點(M)的射線(17)的傾角(C)等于角(A)的3／4；其特征還在于凸邊(7)在平面(XY)上的投影在點(N)處具有一個第二切線，其相對于過點(N)的射線(14)的傾角(W)為角(A)的六倍；當風扇(1)的轉動方向使得凸邊(7)先碰到空氣時，第一和第二切線(21、22)位于對應射線(17、14)的前方，第一和第二切線(21、22)的布置方式還在平面(XY)內形成了一條曲線，該曲線為單調是凸拱的，而沒有出現任何拐點。10．根據權利要求4到9中任一項所述的風扇，其特征在于由凹邊(8)在平面(XY)上的投影所形成圓弧的半徑(Rcu)等于葉轂(3)的半徑(R)。11．根據上述任一項權利要求所述的風扇，其特征在于扇葉(4)截面上氣動學廓型(18)的扇葉角(β)從根部(5)到扇葉(4)的端部(6)以半徑的立方函數變化關系逐漸地減小。全文摘要一種軸流風扇(1),其包括一個中央葉轂(3);一組扇葉(4),每個扇葉都具有一個根部(5)和一個端部(6),扇葉(4)的形狀是由一個凸邊(7)和一個凹邊(8)限定成的,凸邊在平面(XY)上的投影是一段拋物線段,凹邊在平面(XY)上的投影是一段圓弧曲線。扇葉(4)截面的氣動學廓型(18)具有一個表面(18a),其包括至少一個初始直線段(t)。其扇葉角(β)從扇葉(4)的根部(5)向端部(6)以半徑的立方函數關系逐漸地減小。文檔編號F04D29/66GK1294660SQ99804313公開日2001年5月9日申請日期1999年3月18日優先權日1998年3月23日發明者亞利山德羅·斯帕吉亞里申請人:斯帕爾公司