低噪音高效率离心式鼓风机的制作方法

本申请要求2016年5月24日提交的美国专利申请序列号15/163,134的权益，所述申请全文以引用方式并入本文。

本发明总体涉及用于加热、通风、空气调节和制冷系统/设备(hvacr)类型的离心式鼓风机。更具体地说，本发明涉及一种鼓风机，所述鼓风机具有壳体，所述壳体带有被配置成使周向地围绕鼓风机的离心式风扇的涡旋件内的平均切向空气速度差最小化，同时还使从离心式风扇排出的空气的风扇叶片偏离角最小化的样条形壁。

背景技术：

随着全球对能源的需求和能源成本的增加，个人和企业减少能源消耗的需要和/或利益日益增加。提高能源消耗装置的效率是用于解决高能源使用问题的一种解决方案。

hvacr系统是国家(诸如美国)的能源消耗的主要来源之一。因此，期望这种系统尽可能高效节能。在这种系统中使用的用于使生活空间中的空气循环的鼓风机影响了这种系统的整体效率。尽管出现了用于数值地计算鼓风机性能的计算机化技术，但是仅仅使用这种技术并没有带来任何特定“理想的”涡旋件壳体配置。因此，通过对鼓风机的涡旋件壳体的配置进行进一步改进，仍然存在提高hvacr鼓风机的效率的空间。

技术实现要素：

本发明提供了一种具有鼓风机壳体配置(为了与具有前弯叶片的鼓风机叶轮一起使用)的鼓风机，所述配置提供了基本均匀的风扇叶片出口流动角和基本均匀的平均圆周/切向速度(从θcf到θ360°)。基本均匀的风扇叶片出口流动角和基本均匀的平均圆周/切向速度减小了压力损失并抑制了涡旋件内的涡流，从而提高了鼓风机效率并降低了鼓风机噪音。

在本发明的一个方面，用于hvacr应用的离心式鼓风机包括鼠笼式前弯鼓风机风扇和涡旋件壳体。鼓风机风扇具有半径并且至少可以以第一速度围绕轴线旋转。鼓风机风扇包括多个叶片，所述多个叶片具有特定的叶片出口角并且被配置成当鼓风机风扇以第一速度旋转时从叶片之间径向向外和切向地排出空气。这样排出的空气具有偏离角，所述偏离角被定义为排出空气的方向与叶片出口角之间的差。涡旋件壳体具有相对的轴向侧和样条形壁，所述样条形壁从轴向侧中的一个延伸到轴向侧中的另一个。样条壁与轴线的距离在鼓风机风扇的半径的两倍之内。样条形壁具有轴向横截面，所述轴向横截面被配置成使得从位于涡旋件壳体的轴向侧之间的轴向平面处的鼓风机风扇排出的空气的偏离角周向地围绕在样条形壁与鼓风机风扇之间的鼓风机风扇偏离不超过百分之十五(并且更优选地为百分之十)，并且使得样条形壁与鼓风机风扇之间的空气的平均切向速度偏离不超过百分之三十(并且更优选地为百分之十)。

参考附图在下文详细描述本发明的其他特征和优点以及本发明的操作。

附图说明

图1描绘了根据本发明的鼓风机，所述鼓风机包括具有大致轴向均匀的横截面的涡旋件。

图2描绘了在图1中示出的鼓风机的鼓风机涡旋件的计算机辅助设计模型。

图3示出了用于本申请的发明的鼓风机类型的鼠笼式鼓风机风扇的各个前弯风扇叶片的示意图，并且示出了与这种风扇叶片相关联的术语。

图4示意性地示出了根据本发明及与其相关联的术语的涡旋件内的前弯鼠笼式风扇。

图5示出了根据用于本申请的发明的鼓风机类型的鼠笼式鼓风机风扇的径向出口速度的图。

图6示出了根据本发明与现有技术的涡旋件相比的图，其中涡旋件半径作为对于涡旋件的涡旋件角的函数。

图7描绘了根据本发明的鼓风机，所述鼓风机包括具有非轴向均匀的横截面的涡旋件。

图8描绘了根据本发明的鼓风机涡旋件的计算机辅助设计模型，所述计算机辅助设计模型也具有非轴向均匀的横截面。

书面说明书和附图中的附图标号表示相应的项。

具体实施方式

图1描绘了根据本发明的鼓风机(20)，所述鼓风机(20)包括具有大致轴向均匀的横截面的涡旋件(22)。与典型的鼓风机一样，鼓风机(20)包括鼠笼式风扇(24)和马达(26)。尽管马达(26)容纳在鼠笼式风扇(24)和涡旋件(22)内，但是它也可以在涡旋件的外部并且经由轴驱动风扇。

本发明的新颖性主要涉及鼓风机(20)的涡旋件(22)，然而，涡旋件的配置优选地基于由马达(26)以特定旋转速度驱动的特定风扇(24)。当然，在风扇(24)以不同于特别适合于鼓风机的速度的速度运行的情况下，鼓风机(20)仍将运行。

如图3所示，常用术语用于描述鼠笼式风扇(24)的叶片(28)和通过其中的气流。有助于鼓风机(20)的整体效率的因素是当气流离开涡旋件(22)内的风扇(24)时的气流的偏离角。即使当风扇(24)以恒定的旋转速度转动时，根据通过叶片的气流的径向速度圆周分布和在任何给定的圆周位置/点处围绕涡旋件(22)内的风扇循环的空气的切向速度，偏离角可以在周向地围绕风扇的叶片(28)间变化。

根据本发明，涡旋件轴向横截面被配置成以一种方式使周向地围绕风扇(24)从截止位置(图4中示出的θcf)到θ360°的气流偏离角最小化，而同时使围绕风扇循环的空气的平均切向速度的梯度最小化。通过使鼓风机(20)内的气流这两个方面最小化，鼓风机内的压力损失和涡流被最小化，这增加了鼓风机的效率并减少了从鼓风机发出的噪音。

对于具有均匀涡旋件的鼓风机(即，在其轴向侧(30)之间具有大致轴向均匀的横截面的鼓风机，诸如像图1和图2中所示)，涡旋件形状可以经由新型迭代过程确定。该过程涉及对于来自周向地围绕风扇轴线的风扇的空气径向速度(vr)分布的初始假设。例如，线性速度分布从截止位置处(图4中示出的θcf)的平均径向速度的一半开始，并且当θs周向地围绕轴线延伸到θ360°时增加到平均径向速度的两倍。基于初始径向速度分布，可以计算切向速度以保持均匀的相对叶轮出口流动角(并且因此保持与风扇叶片(28)的均匀气流偏离角)。然后在涡旋件的外部壁之间做出假设，并且鼠笼式风扇气流跟随自由涡流，并且因此在任何给定的方位角(θs)处，可以计算平均径向速度(vθ)。随后，使用迭代质量守恒方法为涡旋件的轴向横截面的轮廓定义初始多节点样条曲线，因为(vθ)是涡旋件半径与风扇半径之差(在图4中，这种半径差被标记为bi)的函数。可以使用任意数量的节点来定义样条。优选地，至少使用四个点从而允许样条曲线具有非恒定曲率。更优选地，使用十个以上的节点。然后记录平均切向速度vθ及其沿圆周的梯度。随后，进行计算流体动力学分析，以评估在vr分布的初始计算中做出的假设。然后将从计算流体动力学分析获得的沿圆周的径向速度和切向速度与分析获得的值进行比较。然后重复前面步骤若干次(直到达到期望的收敛)，但是每次都使用从最近的计算流体动力学计算获得的径向速度分布来代替最初施加的分布。应注意，在分析步骤中使用的vr值表示基于从风扇(24)排出的空气的翼展(轴向)轴方向上的vr的速度分布图的θs处的平均vr。图5中示出了这种速度分布图的示例。

将根据前面所得的涡旋件(22)的轴向横截面形状与图6中的现有技术的涡旋件的横截面形状进行比较。尽管在图6中示出作为θs的函数的涡旋件的半径差在涡旋件之间略微变化，但是本发明的鼓风机(20)的涡旋件(22)的配置与现有技术的那些涡旋件的配置之间的差异对鼓风机的效率和从鼓风机发出的噪音有重大影响，从而使本发明的鼓风机比现有技术的鼓风机更有效且更安静。

上述概念也可以应用于包括具有不均匀轴向横截面的涡旋件的鼓风机。例如，图7描绘了根据本发明的鼓风机(50)，所述鼓风机(50)包括具有非轴向均匀横截面(在本文中称为可变涡旋件形状)的涡旋件(52)，并且图8描绘了根据本发明的另一个鼓风机涡旋件(60)，所述另一个鼓风机涡旋件(60)具有可变涡旋件形状。除了将其施加在沿鼓风机轴线的若干个不同的平面处之外，可以使用上述方法来配置具有可变涡旋件形状的涡旋件(52、60)的轴向轮廓，并且使用沿轴线的风扇的径向速度分布图(例如，图5)将从风扇排出的空气轴向分成单独的理论区域。使用上述方法，可以计算每个轴向平面的围绕轴线的涡旋件形状圆周，从而保持每个区域的平均圆周速度彼此相等。然后，与具有均匀涡旋件形状的涡旋件相比，所得的整体涡旋件形状在翼展方向/轴向方向上实现更均匀的圆周速度，而不仅仅是围绕轴线的均匀圆周速度。

根据本发明配置的涡旋件能够将从位于涡旋件壳体的轴向侧之间的轴向平面处的鼓风机风扇排出的空气的偏离角周向地围绕在样条形壁与鼓风机风扇之间的鼓风机风扇的变化保持在百分之十五的范围内，并且优选地甚至是百分之十的范围内。此外，根据本发明配置的涡旋件能够将样条形壁与鼓风机风扇之间的空气的平均切向速度的变化保持在百分之三十的范围内，并且优选地甚至是百分之十的范围内。

鉴于前述内容，应了解，本发明相对于现有技术而言具有若干优点。

由于可以在不脱离本发明的范围的情况下对本文描述和示出的结构和方法做出各种修改，所以其旨在包含在前面描述中或在附图中示出的所有内容应当被解释为是说明性的而非限制性的。因此，本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施方案的限制，而应仅仅根据以下的所附权利要求书及其等同物来限定。

应理解，当在本发明的权利要求书或示例性实施方案的以上描述中引入本发明的元素时，术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是开放式的并且意味着可能存在除列出的元素之外的其他元素。另外，术语“部分”应解释为意味着其所符合的项或元素中的一些或全部。此外，标识符(诸如第一、第二和第三)的使用不应被解释为在限制之间施加任何相对位置或时间序列。更进一步地，呈现随后的任何方法权利要求的步骤的顺序不应被解释为限制必须执行这些步骤的顺序，除非这种顺序是固有的或明确的。