CN112283154A - 轴流风叶和空调器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种轴流风叶和空调器。该轴流风叶包括轮毂(1)和叶片(2)，多个叶片(2)沿轮毂(1)的周向排布，沿着轮毂(1)的径向，叶片(2)的压力面(25)包括正曲率面段(251)和负曲率面段(252)，正曲率面段(251)和负曲率面段(252)之间顺滑过渡，正曲率面段(251)设置在叶片(2)靠近外缘(23)的一侧，负曲率面段(252)设置在叶片(2)靠近内缘(24)的一侧。根据本申请的轴流风叶，能够实现风量、功率以及噪音之间的平衡，提高轴流风叶的使用性能。

Description

轴流风叶和空调器

技术领域

本申请涉及空气调节技术领域，具体涉及一种轴流风叶和空调器。

背景技术

随着国家节能减排政策的不断升级，空调作为生活中的耗电“主力”，对产品的能效比提出了更高的要求，不断提高其性能的同时，降低功耗势在必行。空调室外机有几大耗电模块：电机、控制器、压缩机等。其中电机功耗除了与本身制造工艺有关以外，风叶的气动性能也是一大影响因素。一款设计优良的风叶，在风量性能不变的情况下，能降低电机所需功率，同时降低噪音值，提升空调整体能效比。

目前市面上成熟应用于空调室外机的轴流风叶均一般需具备以下特性：

1.出风风量足够大，能够满足系统散热要求；

2.运行功率低，降低电能损耗，降低电机负载；

3.噪音低，符合相关噪音法律法规规定。

风量、功率以及噪音这三指标之间又存在着相互影响、相互约束的关系，如：若需足够大的风量就需要轴流风叶自身做更多的功去提供动力，就意味着风叶运行时的功率也会更大；与此同时风量大也意味着气流更迅速、更猛烈，所带来的就是风噪声更明显，轴流风叶的运行噪音更大。已知技术中缺乏一种能够平衡三者之间关系，实现大风量、低功率、低噪音运行的轴流风叶。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种轴流风叶和空调器，能够实现风量、功率以及噪音之间的平衡，提高轴流风叶的使用性能。

为了解决上述问题，本申请提供一种轴流风叶，包括轮毂和叶片，多个叶片沿轮毂的周向排布，沿着轮毂的径向，叶片的压力面包括正曲率面段和负曲率面段，正曲率面段和负曲率面段之间顺滑过渡，正曲率面段设置在叶片靠近外缘的一侧，负曲率面段设置在叶片靠近内缘的一侧。

优选地，叶片还包括前缘和后缘，外缘与前缘的交点为叶尖，外缘与后缘的交点为叶尾，叶片由前缘、内缘、后缘和外缘围成，内缘位于叶片与轮毂的交界位置；和/或，负曲率面段的面积大于正曲率面段的面积。

优选地，在垂直于轮毂的中心轴线的平面上，正曲率面段在径向方向上的最大宽度范围为10mm～30mm。

优选地，在经过轮毂的中心轴线且与叶片的外缘和内缘相交的截面上，内缘与截面的交点b与正曲率面段的最高点a之间的连线ab的长度为L，负曲率面段在截面上的最低点c与连线ab之间的距离为H，K＝H/L，0.05≤K≤0.15。

优选地，沿着靠近后缘的方向，K值递增；和/或，沿着靠近后缘的方向，H值递增。

优选地，H≥5mm。

优选地，外缘上任一点的切线与垂直于轮毂的中心轴线的平面之间形成夹角α，沿着从叶尖到叶尾的方向，α递增。

优选地，α在叶尖处最小，在叶尾处最大。

优选地，α在叶尖处的取值为α1，0°＜α1≤10°；和/或，α在叶尾处的取值为α2，60°≤α2≤70°。

优选地，叶片的根部安装角为β＝42±5°。

优选地，叶片的外缘两端弦线为外缘弦线，叶片的内缘两端弦线为内缘弦线，外缘弦线的弦长为内缘弦线的弦长的3倍以上。

优选地，后缘设置有锯齿形段，锯齿形段设置有锯齿形缺口。

优选地，锯齿形缺口的深度相同，锯齿形缺口的数量为5个以上，深度为3mm以上，齿距为5mm以上，锯齿形段的长度占后缘的长度的比例为1/2以上。

优选地，叶片的后缘向前缘所在侧凹陷。

优选地，叶片的吸力面上分布有多个凹坑，单个叶片上的凹坑数量为30以上。

优选地，凹坑呈球面形、柱形、棱锥形或长方体形。

根据本申请的另一方面，提供了一种空调器，包括轴流风叶，该轴流风叶为上述的轴流风叶。

本申请提供的轴流风叶，包括轮毂和叶片，多个叶片沿轮毂的周向排布，沿着轮毂的径向，叶片的压力面包括正曲率面段和负曲率面段，正曲率面段和负曲率面段之间顺滑过渡，正曲率面段设置在叶片靠近外缘的一侧，负曲率面段设置在叶片靠近内缘的一侧。该轴流风叶在径向内侧采用负曲率面段，能够产生聚风效应，将叶片两侧的低能流体输运到叶片中部，加大聚风效果，降低运行功率，增大风量，在径向外侧采用正曲率面段，能够减小叶片外缘处产生的涡流，从而降低轴流风叶运行噪音，采用正曲率面段和负曲率面段相结合的结构，能够使得叶片结构更加符合流体特性，实现风量、功率以及噪音之间的平衡，在提高风量的同时，有效提高轴流风叶的工作效率和使用性能。

附图说明

图1为本申请一个实施例的轴流风叶的立体结构图；

图2为本申请一个实施例的轴流风叶的剖视结构示意图；

图3为本申请一个实施例的轴流风叶的外缘在叶尖处的角度结构示意图；

图4为本申请一个实施例的轴流风叶的外缘在叶尾处的角度结构示意图；

图5为本申请一个实施例的轴流风叶的安装角结构示意图；

图6为本申请一个实施例的轴流风叶的结构示意图；

图7为已知技术中的第一种风叶进行流体CFD仿真得到的表面静压分布图；

图8为已知技术中的第二种风叶进行流体CFD仿真得到的表面静压分布图；

图9为已知技术中的第三种风叶进行流体CFD仿真得到的表面静压分布图；

图10为已知技术中的第一种风叶进行流体CFD仿真得到的表面静压分布图；

图11为已知技术的三种轴流风叶与本申请实施例的轴流风叶的风量、功率、效率实测对比图；

图12为两种已知叶片和本申请实施例的叶片在前缘处的流体线形图；

图13为本申请实施例的叶片的安装角-风量曲线图和安装角-功率曲线图。

附图标记表示为：

1、轮毂；2、叶片；21、前缘；22、后缘；221、锯齿形缺口；23、外缘；231、叶尖；232、叶尾；24、内缘；241、内缘弦线；25、压力面；251、正曲率面段；252、负曲率面段；26、吸力面；261、凹坑。

具体实施方式

结合参见图1至图13所示，根据本申请的实施例，轴流风叶包括轮毂1和叶片2，多个叶片2安装在轮毂1的外周，并沿轮毂1的周向排布，沿着轮毂1的径向，叶片2的压力面25包括正曲率面段251和负曲率面段252，正曲率面段251和负曲率面段252之间顺滑过渡，正曲率面段251设置在叶片2靠近外缘23的一侧，负曲率面段252设置在叶片2靠近内缘24的一侧。

叶片2还包括前缘21和后缘22，外缘23与前缘21的交点为叶尖231，外缘23与后缘22的交点为叶尾232，叶片2由前缘21、内缘24、后缘22和外缘23围成，内缘24位于叶片2与轮毂1的交界位置。

该轴流风叶在径向内侧采用负曲率面段252，能够产生聚风效应，将叶片2两侧的低能流体输运到叶片2的中部，加大聚风效果，降低运行功率，增大风量，在径向外侧采用正曲率面段251，能够减小叶片2外缘处产生的涡流，从而降低轴流风叶运行噪音，采用正曲率面段251和负曲率面段252相结合的结构，能够使得叶片结构更加符合流体特性，实现风量、功率以及噪音之间的平衡，在提高风量的同时，有效提高轴流风叶的工作效率和使用性能。

对于单个叶片而言，本申请的各实施例中，迎风侧的边缘部分为前缘21，背风侧的边缘部分为后缘22，轮毂1的中心轴线在垂直于该中心轴线的平面内的正投影为中心点，以上述中心点为圆心，经过某点作圆，圆周方向即为周向；该点与上述中心点连线的方向即为径向。

叶片2包括相对的压力面25与吸力面26，压力面25朝向轴流风叶的出风侧，吸力面26朝向轴流风叶的进风侧。在风叶做功过程中，压力面25主要承受正压，吸力面26主要承受负压。

正曲率面段251的径向曲率为正数，即径向为“凸”状，负曲率面段252的径向曲率为负数，即径向为“凹”状，负曲率面段252的面积大于正曲率面段251的面积。

在一个实施例中，在垂直于轮毂1的中心轴线的平面上，正曲率面段251在径向方向上的最大宽度范围为10mm～30mm，从而能够对正曲率面段251的宽度进行限定，进而对正曲率面段251在叶片2的压力面上的占有比例进行限定，防止正曲率面段251的面积过大挤压负曲率面段252的面积，保证轴流风叶提供较大的风量。

在经过轮毂1的中心轴线且与叶片2的外缘23和内缘24相交的截面上，内缘24与截面的交点b与正曲率面段251的最高点a之间的连线ab的长度为L，负曲率面段252在截面上的最低点c与连线ab之间的距离为H，K＝H/L，0.05≤K≤0.15。K值过小会导致气流不集中，出风效率降低。而K值过大会导致气流角度改变，形成紊乱的气流，不利于风量的提升，而且相同直径下，由于弧长增加，风叶重量大大增加，增加了电机的功耗，因此会导致效率降低。在大量CFD仿真及实验中，寻求风量、功率、噪音的最优解，即0.05≤K≤0.15。

沿着靠近叶片2的后缘22的方向，K值递增。

沿着靠近叶片2的后缘22的方向，H值递增。

在一个实施例中，H≥5mm，即叶片2的压力面25在上述截面上的凹陷深度≥5mm。

H值大小决定叶片2的压力面25相对出风侧凹陷深度大小，K值决定叶片2的径向叶形、径向凹陷曲率。同个叶片2的L值是大致不变的，故相同风叶不同位置处H值越大，K值越大。

在本申请中，K值随着截面更靠近叶片2的后缘，其大小是递增的，该种结构有利于在叶片2的压力面25形成C型压力分布。叶片2做功时，气流从前缘21进入后，随着径向凹陷程度的增大，聚风效果增强，叶片2将两侧的低能流体输运到叶片2的中部，被主流流体带走，减少气流径向流动，减小流动损失，提高做功效率，在同功率情况下，有效增大了风量。

结合参见图7至图10所示，为已知技术中不同K值风叶以及本申请的风叶进行流体CFD仿真得到的表面静压分布图。

从叶片表面静压分布可以看出，风叶1的叶片压力面和吸力面压力中心较为集中，峰值均位于外缘(从叶尖到后缘)约70％位置处，压力面正压区域约占整个压力面面积的75％。

风叶2的峰值也均位于外缘(从叶尖到后缘)约70％位置处，压力面正压区域约占整个压力面面积的75％.

风叶3的压力中心不明显，压力面正压区域约占整个压力面面积的60％。

本申请设计的轴流风叶的叶片压力面和吸力面压力中心最为集中，峰值位于从叶尖到后缘约70％位置处；压力面正压区域约占整个压力面面积的80％，说明轴流风叶的叶片所做的有效功更多，且相同压力范围内区域所占的面积比例更高，这说明轴流风叶的做功能力更强。该CFD仿真结果与实测结果大致相符。

如图11所示，为这4个轴流风叶的风量、功率、效率实测值对比图，可以看出本申请实施例设计的轴流风叶的叶片叶形做功效率是最高的，即相同功率下风量更高。

外缘23上任一点的切线与垂直于轮毂1的中心轴线的平面之间形成夹角α，沿着从叶尖231到叶尾232的方向，α递增。

α在叶尖231处最小，在叶尾232处最大。

α在叶尖231处的取值为α1，0°＜α1≤10°。

α在叶尾232处的取值为α2，60°≤α2≤70°。

在本申请的实施例中，叶尖231处倾角小，是为了让气流按一定气流角平缓进入叶片做功区域，减小气流在入口处的爬坡效应，尽可能的减少进口冲击损失；α逐渐增大，是为了逐渐加强叶片2对气流的做功效果，增大做功效率，提高风量。

如图12所示，为两款已知轴流风叶的叶片与本申请实施例轴流风叶的叶片的流体CFD仿真图，可以发现，已知轴流风叶的叶片在前缘处流体“爬坡”现象较严重，“爬坡”现象将会导致风叶压力面的前缘进风口附近区域负压区域占比增大，负压区域将会对风叶的整体性能做负功，对风量的消耗更大，功率消耗也更高。本申请实施例的轴流风叶，叶片2的前缘倾角及凹度能有效降低这种负面效果，减少入口冲击损失。

前缘21和后缘22的连线为弦线，弦线与垂直于轮毂中心轴线的平面的夹角为安装角β，叶片2的根部安装角为β＝42±5°。

当安装角太小时，叶片2对气流做功能力大大降低，效率低下。当安装角太大时，叶片2的吸力面26常发生气流分离，进而形成分离区。由于分离区内气体能量较低，导致轴流风叶增大截面翼型阻力，增加叶片2的旋转力矩，提高输入功率，降低轴流风叶的风量；且分离区的流体形成大量的涡，极易产生较高的涡流噪声。

参见图13所示，为调整叶片安装角后实测得到的安装角与风量、功率关系图。从图中可以看出，在一定范围内，风机风量和功率随着安装角的增加而增加，且功率与安装角呈类一次线性关系。当安装角超过50°以后，因风机进入失速状态，风量和功率骤然下降。在风量提升阶段，随着安装角的增加，风量增加幅度逐渐缩小。

结合整个叶形凹陷程度与外缘倾角，综合风量与功率之间的关系，为谋求最大做功效率，本申请实施例中的轴流风叶的叶片根部安装角设置为β＝42±5°。

叶片2的外缘23两端弦线为外缘弦线，叶片2的内缘24两端弦线为内缘弦线241，外缘弦线的弦长为内缘弦线241的弦长的3倍以上，从而充分利用外圆周处气流速度大的特点，提高叶片做功能力。

在一个实施例中，后缘22设置有锯齿形段，锯齿形段设置有锯齿形缺口221。

锯齿形缺口221的深度相同，锯齿形缺口221的数量为5个以上，深度为3mm以上，齿距为5mm以上，锯齿形段的长度占后缘22的长度的比例为1/2以上。

锯齿形缺口221的形状可以为V形、U形、半圆形或者方形等。

叶片2的后缘22向前缘21所在侧凹陷。

后缘设置锯齿形缺口221能有效降低噪音值，根据CFD仿真分析，尾缘流过区域均有旋转涡流，这主要由于压力面25与吸力面26在后缘22处速度压力相差较大形成压力差导致，涡流噪声与后缘22处的旋涡有关。

具有锯齿形缺口221的后缘涡量最大峰值出现在锯齿齿尖汇集处，有效减小了涡量峰值的分布面积，从而降低涡噪。在相同条件下进行噪音值测试表明，相对于已知的轴流风叶，本实施例的后缘具有锯齿形缺口221的风叶噪音降低2dB左右。

同时，该锯齿形缺口221还能降低风叶整体重量，降低运行功率，在对风量影响较小的情况下，提高了风叶的做功效率。

叶片2的吸力面26上分布有多个凹坑261，单个叶片2上的凹坑261数量为30以上。凹坑的深度在0.5～2mm之间，具体需要根据叶片2的大小和厚度进行相应调节。

凹坑261呈球面形、柱形、棱锥形或长方体形。柱形可以为圆柱形或者棱柱形。

由于工作时，轴流风叶的背面(即吸力面)会不可避免地产生涡流，进而产生涡流噪音，对运行噪音值及音质有负面影响，本申请中，在轴流风叶的叶片吸力面设置了许多大小间隔较为均匀的凹坑261，CFD仿真结果显示，凹坑261能分散减缓吸力面表面压力差，减弱了吸力面表面的涡流效应，降低了涡流噪音，同时表面的凹凸不平也具有吸收噪音的效果。在相同条件下进行噪音值测试表明，相对于吸力面光滑的叶片而言，在吸力面设置蜂窝状凹坑能有效降低噪音1dB左右。

同时，该蜂窝状凹坑与锯齿形缺口类似，也能降低风叶整体重量，降低运行功率，在对风量影响较小的情况下，提高了风叶的做功效率。

根据本申请的实施例，空调器包括轴流风叶，该轴流风叶为上述的轴流风叶。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (16)

1.一种轴流风叶，其特征在于，包括轮毂(1)和叶片(2)，多个所述叶片(2)沿所述轮毂(1)的周向排布，沿着所述轮毂(1)的径向，所述叶片(2)的压力面(25)包括正曲率面段(251)和负曲率面段(252)，所述正曲率面段(251)和所述负曲率面段(252)之间顺滑过渡，所述正曲率面段(251)设置在所述叶片(2)靠近外缘(23)的一侧，所述负曲率面段(252)设置在所述叶片(2)靠近内缘(24)的一侧。

2.根据权利要求1所述的轴流风叶，其特征在于，所述叶片(2)还包括前缘(21)和后缘(22)，所述外缘(23)与所述前缘(21)的交点为叶尖(231)，所述外缘(23)与所述后缘(22)的交点为叶尾(232)，所述叶片(2)由所述前缘(21)、所述内缘(24)、所述后缘(22)和所述外缘(23)围成，所述内缘(24)位于所述叶片(2)与所述轮毂(1)的交界位置；和/或，所述负曲率面段(252)的面积大于所述正曲率面段(251)的面积。

3.根据权利要求1所述的轴流风叶，其特征在于，在垂直于所述轮毂(1)的中心轴线的平面上，所述正曲率面段(251)在径向方向上的最大宽度范围为10mm～30mm。

4.根据权利要求2所述的轴流风叶，其特征在于，在经过所述轮毂(1)的中心轴线且与所述叶片(2)的外缘(23)和内缘(24)相交的截面上，所述内缘(24)与截面的交点b与所述正曲率面段(251)的最高点a之间的连线ab的长度为L，所述负曲率面段(252)在所述截面上的最低点c与连线ab之间的距离为H，K＝H/L，0.05≤K≤0.15。

5.根据权利要求4所述的轴流风叶，其特征在于，沿着靠近所述后缘(22)的方向，K值递增；和/或，沿着靠近所述后缘(22)的方向，H值递增。

6.根据权利要求5所述的轴流风叶，其特征在于，H≥5mm。

7.根据权利要求2所述的轴流风叶，其特征在于，所述外缘(23)上任一点的切线与垂直于所述轮毂(1)的中心轴线的平面之间形成夹角α，沿着从所述叶尖(231)到所述叶尾(232)的方向，所述α递增。

8.根据权利要求7所述的轴流风叶，其特征在于，所述α在所述叶尖(231)处的取值为α1，0°＜α1≤10°；和/或，所述α在所述叶尾(232)处的取值为α2，60°≤α2≤70°。

9.根据权利要求1所述的轴流风叶，其特征在于，所述叶片(2)的根部安装角为β＝42±5°。

10.根据权利要求1所述的轴流风叶，其特征在于，所述叶片(2)的外缘(23)两端弦线为外缘弦线，所述叶片(2)的内缘(24)两端弦线为内缘弦线(241)，所述外缘弦线的弦长为所述内缘弦线(241)的弦长的3倍以上。

11.根据权利要求2所述的轴流风叶，其特征在于，所述后缘(22)设置有锯齿形段，所述锯齿形段设置有锯齿形缺口(221)。

12.根据权利要求11所述的轴流风叶，其特征在于，所述锯齿形缺口(221)的深度相同，所述锯齿形缺口(221)的数量为5个以上，深度为3mm以上，齿距为5mm以上，所述锯齿形段的长度占所述后缘(22)的长度的比例为1/2以上。

13.根据权利要求2所述的轴流风叶，其特征在于，所述叶片(2)的后缘(22)向所述前缘(21)所在侧凹陷。

14.根据权利要求1所述的轴流风叶，其特征在于，所述叶片(2)的吸力面(26)上分布有多个凹坑(261)，单个所述叶片(2)上的凹坑(261)数量为30以上。

15.根据权利要求14所述的轴流风叶，其特征在于，所述凹坑(261)呈球面形、柱形、棱锥形或长方体形。

16.一种空调器，包括轴流风叶，其特征在于，所述轴流风叶为权利要求1至15中任一项所述的轴流风叶。

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