专利名称：带导入流道的轴流鼓风机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有旋转叶栅的轴流式鼓风机，该旋转叶栅具有与气体导入流道的内周直径及外周直径大致相同的内周直径及外周直径，气体导入流道具有圆环状的横断面。
N.A.Cumpsty著“压缩机空气动力学”(Aerodynamicsof Compressor)，第353-355页，揭示了一种通过使叶梢弯曲提高压缩机的运转效率的方法。日本专利公开公报昭62-195495，公开了一种叶片底端及叶片尖端的弯曲程度较叶片底端与叶片尖端的中间部分的弯曲程度大。美国机械工程师协会论文第89-GT-6，由C.J.Robinson与其它二人著的“具有弯曲和不弯曲叶稍的压缩机定子中三元轴流的测量与计算”(C.J.Robinson，Measurement and Calculation of the Three-Dimensional Flowin Axial Compressor Stators，with and Without End-Bends，ASME Paper 89-GT-6)一文，公开了一种相对放射方向倾斜延伸的叶片。日本专利公开公报昭52-34409与日本专利公开公报昭52-62712公开了一种相对于放射方向倾斜延伸的叶栅，该叶栅相对于其它叶栅从轴线方向看呈交错的结构。日本专利公开公报昭57-186097揭示了一种相对轴线方向的旋转方向弯曲的静止叶片。
本发明的目的是，提供一种能抑制二次流动的发生，提高运转效率、带导入流道的轴流式鼓风机。
根据本发明，提供一种轴流式鼓风机，包括由若干个旋转叶片(动叶片)构成的旋转叶栅，该旋转叶片可以绕旋转轴线旋转，并相对于包含旋转轴线的假想平面倾斜，可以朝旋转轴线方向及圆周方向给气体赋能；气体导入流道，是将气体导引到旋转叶栅，面对前述气体导入流道的，面对旋转叶栅的圆环状横断面形状，其内周直径与外周直径与旋转叶栅的内、外周直径大体相同(稍大一点更好)；回转叶片的，为了促使在旋转叶片上圆周方向的气流朝轴线方向偏转的、沿着以旋转轴线为中心线的假想圆筒面的旋转叶片的断面形状的翘曲角，从旋转叶片的内周朝旋转叶片内周与外周之间的中间部增加。
上述翘曲角如
图19所示，是以沿旋转轴线为中心线的假想圆筒面的叶片断面形状基本线作为叶形弧线、在叶片端部的切线所形成的角度。翘曲角越大，旋转叶片上气流朝轴线方向的偏转越强。
根据本发明，旋转叶片内周的翘曲角较内外周之间的中间部的翘曲角变小，也就是说，旋转叶片上的气流朝轴线方向上的偏转力变弱，对于气体导入流道内周壁面附近流速变小的气流，朝轴线方向的偏转不强，而对于离开气体导入流道内周壁面的流速大的气流，朝轴线方向的偏转变强，因此，对于气体流动与在圆周方向前进的叶片之间相对方向差大的区域，可以防止气体朝轴线方向的偏转变强，并且，对于气体流动与在圆周方向前进的叶片之间相对速度差小的区域，可以使气体朝轴线方向的偏转变强，充分实现了气体流动朝轴线方向的偏转。由于气体流动与在圆周方向前进的叶片之间相对方向差别大的区域，可以防止气体朝轴线方向的偏转加速变强，从而抑制朝气体流动的轴线方向偏转加速的无用功消耗，进一步抑制了叶片表面附近二次流动的发生，提高了运转效率。
还有将由旋转叶栅赋能的气体导入静止叶栅的气体导入流道，前述气体导入流道面对静止叶栅的环状横断面形状的内周直径及外周直径，与静止叶栅的内、外周直径分别大体相同，静止叶片(静叶片)的、为了促使在静止叶片上圆周方向的气体流动朝轴线方向偏转的、沿着以旋转轴线为中心线的假想圆筒面的断面形状的翘曲角，从静止叶片的外周朝静止叶片内周与外周之间的中间部增加，静止叶片外周的翘曲角较内周与外周之间的中间部位的翘曲角变小，也就是说，静止叶片上的气体流动朝轴线方向上的偏转力变弱，对于气体导入流道外周壁面附近流速小的气流，朝轴线方向的偏转不强，而对于离开气体导入流道外周壁面的流速大的气流，朝轴线方向的偏转强，因此，可以防止对于气体流动与静止叶片之间相对方向差大的区域中气体朝轴线方向的偏转变强，并且，对于气体流与叶片之间相对速度差小的区域，可以使气体朝轴线方向的偏转变强、充分实现了气体流动朝轴线方向的偏转。对于气体流动与叶片之间相对方向差大的区域，可以防止气体朝轴线方向的偏转变强，由此，可以抑制妨碍轴线方向气体流动增加的静止叶片表面附近二次流动的发生，提高了运转效率。
若相对于旋转叶片前进方向的静止叶片的表面(压力面)的里面(负压面)，与静止叶片半径方向外壁面和半径方向的内壁面中至少一个之间成钝角，则可抑制妨碍半径方向外壁面或半径方向内壁面与里面之间的轴线方向气体流动增加的静止叶片表面附近二次流动的发生，提高了运转效率。二次流动的抑制，与在半径方向外壁或半径方向内壁与表面(表侧面)之间实现相比，在半径方向外壁面或半径方向内壁面与里面之间实现更有效地提高运转效率。
上述结构组合在一起，可以得到更好的叠加效果。
图1是本发明轴流式鼓风机实施例的纵断面图。
图2是图1所示轴流式鼓风机的动叶片第一实施例的外观形状图。
图3是图2动叶片高度方向的叶形翘曲角分布图。
图4是气体流通过图2所示动叶片的旋转圆环叶栅时机械能传递效率的分布图。
图5是流体通过图2所示动叶片的旋转圆环叶栅时流体接收的作功量与流量之积的分布图。
图6是构成本发明第二实施例静止圆环叶栅的叶片示意图。
图7是图6所示实施例的静叶片高度方向的叶形翘曲角分布图。
图8是流体通过图6所示实施例的静止圆环叶栅时的损失分布图。
图9是表示叶片的安装角定义示意图。
图10是旋转圆环叶栅的动叶片的安装角的分布图。
图11是静止圆环叶栅的定叶片安装角的分布图。
图12是叶片高度方向的叶片弦长分布图。
图13是构成本发明第四实施例静止圆环叶栅的叶片示意图。
图14是构成本发明第五实施例静止圆环叶栅的叶片示意图。
图15是流体经过图13所示实施例的静止圆环叶栅时的损失分布图。
图16是流体通过图14所示实施例的静止圆环叶栅时的损失分布图。
图17是构成本发明第六实施例静止圆环叶栅的叶片示意图。
图18是构成本发明第七实施例静止圆环叶栅的叶片示意图。
图19是流入叶片的流体角度与翘曲角的示意图。
图1至图5示出了本发明的第一实施例。
图1是两级轴流式鼓风机的纵断面图，该轴流式鼓风机基本上由旋转圆环叶栅和静止圆环叶栅所构成。多个动叶片1圆环状地安装在旋转体2的外周上，这样，构成了旋转圆环叶栅。动叶片1的外观形状由图2实线所示，静叶片3固定在内周壳体4或外周壳体5两者中的一方或双方而构成静止圆环状叶栅。气体6沿着由旋转体2外周、内周壳体4、外周壳体5所构成的流道流动，在通过旋转圆环叶栅之间时赋予动能，同时增大了压力。而在经过静止圆环叶栅间时，流体的动能一部分转换成压力，进一步提高了压力。图2的虚线是作比较用的，表示假想以往广泛所使用的称作自由涡形流动分布时的叶片形状。
图3是叶片1高度方向上叶形翘曲角的分布图，叶形翘起角是这样构成的，底端(内周)的壳体4的壁面附近与尖端(外周)的壳体5的壁面附近之间的中间位置最大，并且壳体5壁面附近的翘曲角较壳体4壁面附近的翘曲角更小。图4中的虚线是与以往技术作比较所用的，表示假想以往广泛所使用的称作自由涡形的流动分布场合的分布情况。
叶栅入口的内外周壁面的边界层越厚、叶形的翘曲角越大、由二次流引起的损失就越大。因此，减少内外周壁面附近的翘曲角，由叶栅入口的内外周壁面的边界层导致的二次流所引起的损失就会减少。对于动叶片1由于翘曲角在内外周壁面中间较大，而在壁面附近较小，所以，可以减少二次流的损失，并提高了双重效率。现结合图4、图5叙述效率提高的理由。图4是流体通过由动叶片1构成的旋转圆环叶栅时，动叶片1传递流体机械能的效率分布图。图4中的虚线是与以往技术相比较，表示以往广泛使用的称作自由涡形的流体分布情况的效率分布。发生在由内外周壁中间部分的损失，由于仅是因通过叶片表面的流动摩擦而引起的，所以损失较小而效率高，相对于以往的自由涡形，由于其翘曲角仅增加在数度以下，所以内外周壁中间部分发生的损失，与自由涡形的损失相差不大，其效率大致相同。另一方面，在内外周壁面附近，通过叶片表面流体的摩擦所产生的损失增加，与内外周壁面发生干涉而引起二次流，使损失变大，效率降低。但是，由于内外周壁面中间的翘曲角变大，壁面附近的翘曲角较小时，由二次流所引起的损失会减小，所以，传递流体机械能的效率增高。
图5是气流经过动叶片1构成的旋转圆环叶栅时，接收流体的作功量与流量之积分布图。接收流体的作功量是指，从静止系看旋转圆环叶栅前后流体的旋转方向速度之差与动叶片1圆周方向速度的乘积，在以同一圆周方向的速度进行比较时，流体仅限于沿叶表面的流动，翘曲角大时，接收流动作功量变大。由于流量趋于相同倾向，所以该乘积也有相同倾向，图5中的虚线表示，用于比较的以往广泛使用的假想流动分布为所谓自由涡形时的分布情况。对于自由涡形作功量、流量从内周到外周成定量分布。实线与虚线下侧的面积相同，也就是说，对流体输入的功总计相同的情况下比较的。流体从动叶片1所接收的机械能是，对图4功率的分布与图5作功量和流量之积，从内周到外周求重迭乘积的积分所得。因此，即使效率相同，实线所表示的流动从动叶片1接收的机械能也会变大。由于所接收的机械能增加，在图4的分布中，实线所表示的2次流损失仅在内外周附近降低，所以，在此处较虚线(自由涡形)的效率更高，进一步增大了流体从动叶片1所接收的机械能。由于比较是在对流体所输入的功总计相同的情况下进行的，所以，只有在流体从动叶片1接收的机械能大时效率会提高。
动叶片1外周壁面附近的翘曲角较内壁面附近的翘曲角更小时，有以下效果。
由于动叶片1外周端的作功量少，压力面与负压面的压力差小，所以，减少了通过动叶片1外周端与壁面之间间隙的泄漏流量，由此可以提高效率。由于外周侧壁面附近与内周侧相比较，叶片的圆周速度较大，叶形翘曲角只在内外周壁面的中间较大，壁面附近较小，所以，叶栅出口内周侧流动的滞流点压力(换算成压力的动能与压力能之和)与外周侧比较显著地降低了，增加了叶栅下游侧的混合损失。但是，由于外周侧的叶形翘曲角比内周侧更小，所以，可以避免滞流点压力显著降低的分布，从而，在叶栅下游侧不会发生混合损失的增加。
图6至图8示出了本发明的第二实施例。图6中的实线表示构成了静止圆环叶栅的静叶片3。图6中的虚线表示用于比较的以往广泛使用的假想流动分布为所谓的自由涡形时的静叶片。图7示出了静叶片3高度方向的叶形翘曲角的分布，叶形翘曲角在内周侧壁面附近与外周侧壁面附近的中间最大。图7中的虚线表示，用于比较的广泛使用的假想流动分布为所谓的自由涡形时，翘曲角的分布。图8表示气流经过由静叶片3构成的静止圆环叶栅的损失分布。图8中的虚线表示用于比较的广泛使用的假想流动分布为所谓的自由涡形时的损失分布。发生在内外周壁中间部分的损失，由于只是由通过叶片表面流动的摩擦引起的损失，所以该损失比较小。相对于自由涡形，由于翘曲角仅增加数度以下，所以，内外周的壁中间部分所发生的损失与自由涡形时相差不大。内外周壁面附近通过叶片表面流动的摩擦所引起的损失加上与内外周壁面干涉而引起的二次流动相损失变大，但是，由于内外周壁面附近的翘曲角比较小，所以由二次流动所引起的损失也小，因此，便提高了效率。该形状的静叶片3所构成的静止圆环叶栅，设置在图1所示动叶片1构成的旋转圆环叶栅的下游侧，使动叶片1的翘曲角在较大半径位置的静叶片的翘曲角变大，所以效果较好。
图9、图10、图11示出了上述第一、二实施例叶片与叶片安装角的关系。
一般地，叶片的叶形弧线的叶片前缘切线与设计流量时流入叶片的流动方向大体一致，从而可根据叶片高度方向的翘曲角分布与叶片高度方向的叶片弦长的分布，大体确定叶片的形状，不论是旋转圆环叶栅还是静止圆环叶栅，叶形翘曲角在内周侧壁面附近与外周侧壁面附近的中间为最大时，翘曲角最大值与内周侧壁面附近或外周侧壁面附近的翘曲角相差不大时，可得到增加效率的效果。图9示出以旋转叶栅的旋转轴为轴线的圆筒面上的叶片形状在平面展开时，叶形前缘与后缘的连接直线与垂直于圆筒面上叶栅前缘连接线(约为叶片前进方向)的直线之间的夹角定义为叶片安装角，对于旋转圆环叶栅，如图10所示叶片安装角从内周侧(叶片底端)向外周侧(叶片尖端)连续增加是合适的，叶片的安装角定义为对于从内周侧向外周侧的有关距离求二阶微分的值的变化率，使该变化率为正值而构成前述叶片。而对于静止圆环叶栅，如图11所示，从内侧向外侧的叶片安装角连续减少，最好，变化率为正值而构成叶片，则翘曲角的最大值不会过小。
图12示出了适用于每级压力上升大的高速旋转的多级轴流式鼓风机的第三实施例叶片弦长的分布。内周侧壁面附近与外周侧壁面附近中间的翘曲角为最大，并且外周侧壁面附近的翘曲角较内周侧壁面的翘曲角更小地构成的叶片，可以降底叶片外周侧壁面附近的负荷。由于提高了轴流式鼓风机的效率，没有必要采用加长叶片的弦长使叶片面积增加来降低负荷。因此，可以维持高效率，如图12所示，叶片弦长可以从底端(内周侧)朝尖端(外周侧)单调地减少，大幅度地减轻了叶片尖端侧的重量，在不需要使用钛等特殊材料的情况下就可以构成高效率、耐高速旋转离心力的叶片。
图13、图14分别示出了本发明的第四、五实施例，图中示出了进一步降低静止圆环叶栅二次流所引起的损失、提高轴流式鼓风机的效率的例子。图13是在旋转圆环叶栅的下游侧设置有静止圆环叶栅，构成静止圆环叶栅的静叶片3的前缘、后缘、或圆筒断面内静叶片3的重心连结线的任一方，或者这些的组合，即叶片整体的形状为，在内周侧的壁面附近相对于旋转圆环叶栅旋转轴成直角方向，在外周侧的壁面附近相对于旋转方向成倾斜方向，在内周侧的壁面附近，相对于旋转圆环叶栅的旋转轴呈放射状，而在外周侧相对于旋转方向呈倾斜状。由此，使外周侧的叶稍负压面侧与侧壁之间成钝角，这样减少了二次流动的损失。图15中的实线表示图13实线所表示的静叶片3尖端侧倾斜的本发明实施例的损失分布，图15虚线表示图13虚线所示的静叶片不倾斜时的损失分布。静叶片3倾斜的效果是二次流损失减少，从而减少了外周侧的损失。此外，由于静叶片3在内周壁面附近相对于旋转圆环叶栅的旋转轴成直角(放射状)，所以，内周侧的壁面可以成为组装时的基准，不需要采用特殊的夹具，便可以将静止叶片3固定在壁面上。特别是对于中空叶片采用焊接固定时效果更好。
图14示出了静止叶片3在外周侧壁面附近相对于旋转圆环叶栅的旋转轴成直角、而在内周侧的壁面附近相对于旋转方向倾斜的情况。在这种场合，可以减少内周侧壁面附近二次流动所引起的损失，利用外周侧固定静叶片3时，组装容易，效率高。图16的实线表示图14实线所表示的静叶片3内周侧倾斜的本发明的实施例的损失分布，图16虚线表示图14虚线所示静叶片不倾斜时的损失分布。使静叶片3倾斜的效果是，减少了由此而引起的二次流动损失，从而降低了内周侧的损失。
图17、18分别示出了第六、七实施例，其结构使图13、14所示实施例的翘曲角在内周壁面附近与外周侧壁面附近的中间最大。图17、18中的虚线是用于同图13、14所示实施例比较用的。静叶片3倾斜的效果与由内、外周的壁面附近叶片负荷减少的结果一道进一步降低了二次流动所引起的损失。
通过以上说明，根据本发明，可以减少叶栅的二次流动损失，从而得到一种高效率的轴流式鼓风机。
权利要求
1.一种轴流式鼓风机，包括旋转叶栅和气体导入流道，旋转叶栅由若干个旋转叶片构成，该旋转叶片可以绕旋转轴线旋转，并相对于包含旋转轴线的假想平面倾斜，可以朝旋转轴线方向及圆周方向给气体赋能；气体导入流道，将气体导入旋转叶栅，前述气体导入流道面对旋转叶栅的圆环状的横断面形状的内周直径与外周直径与旋转叶栅的内、外周直径分别大致相同；其特征是旋转叶片的、为了使在旋转叶片上圆周方向的气流朝轴线方向偏转的、沿着以旋转轴线为中心线的假想圆筒面的断面形状的翘曲角，从旋转叶片的内周朝旋转叶片的内周与外周之间的中间部增加。
2.根据权利要求1所述的轴流式鼓风机，其特征是，翘曲角从旋转叶片外周朝中间部增加。
3.根据权利要求2所述的轴流式鼓风机，其特征是，中间部设置在旋转叶片内周与外周之间的半径方向中央位置和旋转叶片内周之间。
4.根据权利要求1所述的轴流式鼓风机，其特征是，旋转叶片内周的翘曲角大于旋转叶片的外周的翘曲角。
5.根据权利要求2所述的轴流式鼓风机，其特征是，旋转叶片内周的、从旋转叶片内周朝外周每单位长度翘曲角增加比率的绝对值较旋转叶片外周的、从旋转叶片外周朝内周每单位长度翘曲角增加比率的绝对值大。
6.根据权利要求1所述的轴流式鼓风机，其特征是，从旋转叶片内周至旋转叶片中间部翘曲角连续增加。
7.根据权利要求2所述的轴流式鼓风机，其特征是，从旋转叶片外周至旋转叶片中间部翘曲角连续增加。
8.根据权利要求1所述的轴流式鼓风机，其特征是，旋转叶片的安装角从旋转叶片的内周朝外周增加。
9.根据权利要求8所述的轴流式鼓风机，其特征是，旋转叶片内周的、从旋转叶片内周朝外周每单位长度的安装角增加比率的绝对值较旋转叶片外周的、从旋转叶片外周朝内周每单位长度的安装角减少比率的绝对值小。
10.根据权利要求1所述的轴流式鼓风机，其特征是，还包括由若干个静止叶片所构成的静止叶栅，该叶片相对于包含旋转轴线的假想平面倾斜，并使由旋转叶栅赋能的朝圆周方向流动的气流朝轴线方向偏转；另一个气体导入流道，将由旋转叶栅赋能的气体导入静止叶栅，前述另一气体导入流道的面对静止叶栅的圆环状横断面形状的内周直径与外周直径，与静止叶栅的内、外周直径基本相同；静止叶片的、为了使在静止叶片上的圆周方向的气体流动朝轴线方向偏转、沿着以旋转轴线为中心线的假想圆筒面的断面形状的翘曲角，从静止叶片的外周朝静止叶片内周与外周之间的中间部增加。
11.根据权利要求9所述的轴流式鼓风机，其特征是，翘曲角从静止叶片的内周朝中间部增加。
12.根据权利要求10所述的轴流式鼓风机，其特征是，中间部设置在静止叶片内周与外周之间的半径方向中央处和静止叶片外周之间。
13.根据权利要求9所述的轴流式鼓风机，其特征是，静止叶片内周的翘曲角小于其外周的翘曲角。
14.根据权利要求10所述的轴流式鼓风机，其特征是，静止叶片内周的、从静止叶片内周朝外周每单位长度的翘曲角增加比率的绝对值小于静止叶片外周的、从静止叶片外周朝内周每单位长度的翘曲角增加比率的绝对值。
15.根据权利要求9所述的轴流式鼓风机，其特征是，翘曲角从静止叶片的内周至其中间部连续增加。
16.根据权利要求10所述的轴流式鼓风机，其特征是，翘曲角从静止叶片的外周至其中间部连续增加。
17.根据权利要求1所述的轴流式鼓风机，其特征是，还包括由若干个静止叶片构成的静止叶栅，该叶片相对于包含半径方向外壁面、半径方向内壁面和它们之间的旋转轴线的假想平面倾斜，使由旋转叶栅赋能、沿圆周方向流动的气流朝轴线方向偏转；相对于旋转叶片前进方向的静止叶片表面的里面与半径方向外壁面和半径方向内壁面中至少一个之间成钝角。
18.根据权利要求16所述的轴流式鼓风机，其特征是，旋转叶片与半径方向的外壁和半径方向的内壁面中的一方之间基本成直角。
19.一种轴流式鼓风机，包括由若干个旋转叶片构成的旋转叶栅，该叶片绕旋转轴线旋转，相对于含旋转轴线的假想平面倾斜，并朝旋转轴线方向及圆周方向给气体赋能；由若干个静止叶片构成的静止叶栅，该叶片相对于含旋转轴线的假想平面倾斜，使由旋转叶栅赋能的、沿圆周方向流动的气流朝轴线方向偏转；气体导入流道，将由旋转叶栅赋能的气体导引到静止叶栅，前述气体导入流道的面对静止叶栅的圆环状断面形状的内、外周直径，与静止叶栅的内、外周直径大体相同；静止叶片的、为使在静止叶片上圆周方向的气体流动朝轴线方向偏转的、沿以旋转轴线为中心线的假想圆筒面的断面形状的翘曲角，从静止叶片的外周朝其内周与外周之间的中间部增加。
20.一种轴流式鼓风机，包括由若干个旋转叶片构成的旋转叶栅，该旋转叶片绕旋转轴线旋转，相对于含旋转轴线的假想平面倾斜，并沿旋转轴线方向及圆周方向给气体赋能；由若干个静止叶片构成的静止叶栅，该静止叶片相对于含半径方向外壁面、半径方向内壁面、和其之间的旋转轴线的假想平面倾斜，使由旋转叶栅赋能的气体周向流朝轴线方向偏转；面对旋转叶片前进方向的静止叶片的表面的里面，与半径方向外壁面和半径方向内壁面中的至少一个之间成钝角。
全文摘要
一种轴流式鼓风机包括由绕转轴旋转并相对含转轴的假想平面倾斜且可朝转轴方向及圆周方向给气体赋能的若干个旋转叶片构成的旋转叶栅及将气体导引到旋转叶栅的气体导入流道，该流道的面对旋转叶栅的环状断面形状的内、外周直径与旋转叶栅的内、外周直径大致相同。旋转叶片的为促使在其上沿圆周方向流动的气流朝轴线方向偏转的沿以转轴为中心线的假想圆筒面的断面形状的翘曲角从旋转叶片的内周朝内周与外周之间的中间部增加。
文档编号F04D19/00GK1133403SQ9512188
公开日1996年10月16日 申请日期1995年12月13日 优先权日1994年12月14日
发明者中川幸二, 加藤泰弘, 高津恭 申请人:株式会社日立制作所