轴流风机导风圈及轴流风机的制作方法

本申请涉及轴流风机技术领域，更具体地，涉及一种用于轴流风机的导风圈，以及具有所述导风圈的轴流风机。

背景技术：

当轴流风机运行时，空气通常沿着风机的旋转轴的方向从风机的一侧流向另一侧。空气流体的聚集流动使得风机叶片的两个侧面存在压差，具体表现为在叶片的高压区形成压力面，在叶片的低压区形成吸力面。由于叶片与导风圈之间存在间隙，在叶片的叶尖处，空气流体受压差的影响自然从叶片的压力面向吸力面流动，从而形成叶尖泄漏。轴流风机的叶尖泄漏会降低风机的性能，同时会引起噪声。

目前的生产工艺往往通过减小叶片与导风圈之间的间隙来降低叶尖泄漏的风量。然而，这一措施对电机的精度以及叶片和导风圈的加工精度都具有较高的要求，提高了生产和加工成本。

技术实现要素：

本申请的目的之一在于提供一种改进的轴流风机导风圈结构，能够有效改善叶尖泄漏。

为了达到以上目的，本申请的第一个方面提供了一种用于轴流风机的导风圈，所述导风圈绕所述轴流风机的叶轮的旋转轴线旋转对称；所述导风圈包括本体和凹槽部，所述凹槽部设置在所述本体的内表面上，所述凹槽部沿着所述本体的内表面周向延伸；所述叶轮的叶片的叶尖在任意一个包括所述旋转轴线的切割面上均形成一条轴面投影线，所述本体的内表面具有最接近所述轴面投影线的最小间距部分；所述凹槽部在所述内表面的位置设置为使得所述最小间距部分位于所述凹槽部内；并且所述凹槽部的轴向高度M占所述本体的轴向高度的一部分，所述凹槽部的轴向高度M大于等于所述本体的轴向高度的1/6，且小于等于所述本体的轴向高度的2/3。

如前文所述的用于轴流风机的导风圈，所述内表面朝所述旋转轴线的方向凸起。

如前文所述的用于轴流风机的导风圈，所述最小间距部分大致位于所述凹槽部的中部。

如前文所述的用于轴流风机的导风圈，所述凹槽部具有数个凹槽。

如前文所述的用于轴流风机的导风圈，每个所述凹槽的径向深度D大于等于所述轴流风机的叶片半径的2％，且小于等于所述轴流风机的叶片半径的7％。

如前文所述的用于轴流风机的导风圈，每个所述凹槽具有开口，所述开口的轴向高度H大于等于0.3mm，且小于等于5mm。

如前文所述的用于轴流风机的导风圈，所述凹槽部具有三个以上凹槽。

如前文所述的用于轴流风机的导风圈，所述凹槽部具有多个封闭的环形凹槽或者具有多匝螺旋形凹槽。

本申请的第二个方面在于提供了一种轴流风机，所述轴流风机包括导风圈和叶轮，所述导风圈为本申请前述的任意一种用于轴流风机的导风圈。

本申请的第三个方面在于提供了一种用于轴流风机的导风圈，所述导风圈绕所述轴流风机的叶轮的旋转轴线旋转对称；所述导风圈包括本体和凹槽部，所述凹槽部设置在所述本体的内表面上，所述凹槽部沿着所述本体的内表面周向延伸，所述本体的轴截面与所述内表面具有交线，所述交线是直线；所述凹槽部的轴向高度M占所述本体的轴向高度的一部分，所述凹槽部的轴向高度M大于等于所述本体的轴向高度的1/6，且小于等于所述本体的轴向高度的2/3；并且所述凹槽部具有多个凹槽。

根据本申请第三方面的用于轴流风机的导风圈，每个所述凹槽的径向深度D大于等于所述轴流风机的叶片半径的2％，且小于等于所述轴流风机的叶片半径的7％；每个所述凹槽具有开口，所述开口的轴向高度H大于等于0.3mm，且小于等于5mm。

根据本申请第三方面的用于轴流风机的导风圈，所述凹槽部具有三个以上凹槽。

根据本申请第三方面的用于轴流风机的导风圈，所述叶轮的叶片的叶尖在任意一个包括所述旋转轴线的切割面上均形成一条轴面投影线，所述轴面投影线是直线，且所述轴面投影线与所述交线之间的距离处处相等，以及所述凹槽部在所述内表面的位置设置为使得所述本体轴向的中点位于所述凹槽部内。

根据本申请第三方面的用于轴流风机的导风圈，所述凹槽部自所述本体的轴向的任意一端起，从所述本体的轴向高度的0.3倍位置处延伸至所述本体的轴向高度的0.7倍位置处。

根据本申请第三方面的用于轴流风机的导风圈，所述轴流风机的叶片的叶尖在任意一个包括所述旋转轴线的切割面上均形成一条轴面投影线，所述本体的内表面具有最接近所述轴面投影线的最小间距部分，并且所述凹槽部在所述内表面的位置设置为使得所述最小间距部分位于所述凹槽部内。

根据本申请第三方面的用于轴流风机的导风圈，所述最小间距部分大致位于所述凹槽部的中部。

根据本申请第三方面的用于轴流风机的导风圈，所述凹槽部具有多个封闭的环形凹槽或者具有多匝螺旋形凹槽。

本申请的第四个方面在于提供了一种轴流风机，所述轴流风机包括导风圈和叶轮，所述导风圈为本申请第四方面所述的任意一种用于轴流风机的导风圈。

附图说明

图1为具有本申请的一个实施例的导风圈的轴流风机的立体结构示意图；

图2为图1所示的轴流风机的俯视图；

图3为图2所示的轴流风机沿A-A方向的剖视图；

图4为图3所示的轴流风机剖视图的B区域的局部放大图；

图5为图4所示的导风圈的凹槽部的轴向位置示意图；

图6为本申请另一个实施例的导风圈的凹槽部的轴向位置的示意图；

图7为具有图6所示的导风圈的轴流风机的示意图；

图8A示出了导风圈的凹槽截面形状的第一实施例；

图8B示出了导风圈的凹槽截面形状的第二实施例；

图8C示出了导风圈的凹槽截面形状的第三实施例；

图9A示出了凹槽周向分布型式的第一实施例；

图9B示出了凹槽周向分布型式的第二实施例；

图10A示出了凹槽径向分布型式的第一实施例；

图10B示出了凹槽径向分布型式的第二实施例；

图11为图4所示的导风圈凹槽部的具体结构示意图；

图12为图6所示的导风圈凹槽部的轴向位置的示意图；

图13比较了具有无槽导风圈的轴流风机与具有本申请示例一的开槽导风圈的轴流风机在不同风量下的静压效率；

图14比较了具有无槽导风圈的轴流风机与具有本申请示例一的开槽导风圈的轴流风机在不同风量下的轴功率。

具体实施方式

下面将参考构成本说明书一部分的附图对本申请的各种具体实施方式进行描述。应该理解的是，虽然在本申请中使用表示方向的术语，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等描述本申请的各种示例结构部分和元件，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，基于附图中显示的示例方位而确定的。由于本申请所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制。在可能的情况下，本申请中使用的相同或者相类似的附图标记指的是相同的部件。

图1示出了轴流风机100的立体结构，轴流风机100具有本申请的一个实施例的导风圈101。如图1所示，轴流风机100包括叶轮110和导风圈101，且导风圈101绕叶轮110的旋转轴线130(参见图3)旋转对称。叶轮110具有围绕其轮毂102设置的若干叶片106，轮毂102连接至电机(未示出)，用于带动叶轮110旋转。在叶轮110的旋转过程中，空气流体从轴流风机100的下方流向轴流风机100的上方，由此在叶片106的上表面和下表面之间形成压差，其中，上表面的压力较大，为压力面，下表面的压力较小，为吸力面。由于叶片106与导风圈101之间存在间隙，当叶片106的上表面和下表面之间存在压差时，风不可避免地要从叶片106的压力面流向吸力面，从而引起泄漏。为了缓解上述泄漏，本申请的导风圈101在其本体103上设置有凹槽部104，凹槽部104沿着本体103的内表面105周向延伸。

图2示出了图1所示的轴流风机100的俯视图。其中，叶片106距离轮毂102最远的一条外边缘为叶尖107。与叶片106的其它部位相比，叶尖107距离导风圈101最近。

图3为图2所示的轴流风机100沿A-A方向的剖视图。如图3所示，在轴流风机100的径向方向(即垂直于叶轮旋转轴线130的方向)上，导风圈101的凹槽部104自本体103的内表面105向本体103的内部延伸。图3中示出的本体103的内表面105朝旋转轴线130的方向凸起，从而沿A-A方向的截面(即包括旋转轴线130的截面)与内表面105的交线呈弧线。在其他实施例中，内表面105也可以不朝旋转轴线130的方向凸起，例如，包括旋转轴线130的截面与内表面105的交线呈直线。

图4为图3中圈出的B区域的放大图，其更清楚地示出了图3中导风圈101在凹槽部104区域的结构。如图4所示，凹槽部104包括多个凹槽401，每个凹槽401环绕叶轮110的旋转轴线130形成一个圆环，该圆环的中心轴线大体上与叶轮110的旋转轴线130重合，每个凹槽401沿轴流风机100径向的延伸方向垂直于叶轮旋转轴线130，且每个凹槽401的轴向截面大致呈矩形。但是在其它的实施例中，凹槽还可以有其它的设置方式。在叶尖107的压力面(即上表面)位置，空气流体的压力高、速度大，凹槽部104的设置使得叶尖泄漏的空气流体在离心力的作用下进入凹槽部104。一方面，由于流体的旋转直径与速度的乘积保持常数,当气流脱离叶片进入凹槽部104后，随着旋转直径的加大，流体的速度减小。另一方面，在叶尖107位置处，脱离叶片的气流存在漩涡，当旋涡进入凹槽部104之后，气流的内部存在耗散，从而有效降低了漩涡度，即湍流强度，缓冲了流体的泄漏流动。

图5示出了如何确定凹槽部104在导风圈101的轴向方向上的位置。如图5所示，假想用包括旋转轴线130的平面切割导风圈101，得到导风圈轴向截面510。叶片106的叶尖107在该假想的包括旋转轴线130的平面上形成一条轴面投影线501。轴面投影线501也可以看作是叶片106在转动经过该包括旋转轴线130的平面时，叶片106的叶尖107在该平面上形成的轨迹线。具体而言，由于叶片106具有一定的弯曲度，叶片106的叶尖107在导风圈101的轴向上延伸一段距离，因此，当叶片106旋转经过该包括旋转轴线130的平面时，叶尖107上的各个点与该平面的交点会在该平面上形成一条连续的轨迹线，该轨迹线即为轴面投影线501。由于导风圈101是旋转对称的，叶片106的叶尖107在任意一个包括旋转轴线130的平面上均能够形成一条轴面投影线501。图5中所示出的轴面投影线501为弧线，在其他实施例中，轴面投影线501也可以是直线。轴面投影线501的具体形状由叶片106的形状决定。

当包括旋转轴线130的平面切割导风圈101时，所述包括旋转轴线130的平面与导风圈101的内表面105存在交线503，交线503也是导风圈轴向截面510与内表面105的交线。从图5可以看出，交线503上具有最接近轴面投影线501的最小间距部分502。凹槽部104即设置在该最小间距部分502的位置处。如图5所示，导风圈101的内表面105为中间凸起的形状，因此导风圈轴向截面510与内表面105的交线503呈一条圆弧曲线。当交线503和轴面投影线501分别为图5所示的形状时，交线503上的最小间距部分502为一个点，在这种情况下，最小间距部分502位于凹槽部104内，例如位于凹槽部104的中部。在一些的实施例中，导风圈101的内表面105和叶片106的叶尖107可以是其它的形状，其形成的交线503和轴面投影线501使得最小间距部分502为一个区段，此时，凹槽部104设置为使得该区段位于凹槽部104中。

将凹槽部104设置在最小间距部分502的位置处最大地实现了凹槽部104对叶尖泄漏的缓冲作用。当叶片106旋转时，在叶尖107与导风圈101的内表面105最接近的位置处，叶片106的压力面和吸力面之间的压差最大，叶尖泄漏最严重。当凹槽部104在导风圈101上距离旋转中的叶尖107最接近的位置时，凹槽部104的两侧分别邻接叶片106压力面的高压区和吸力面的低压区，这一设置缓和了叶尖间隙区域高压-低压的压力梯度，减弱流动的湍流强度，缓冲了气流从叶片压力面到吸力面的流动。因此，将凹槽部104设置在导风圈101的内表面105上最接近叶尖107的轴面投影线501的位置处，有助于将凹槽部104对于叶尖泄漏的缓冲作用发挥到最大。

在另一些的实施例中，导风圈101的内表面105和叶片106的叶尖107还可以是另一些的形状，其形成的交线503和轴面投影线501之间的距离处处相等，从而交线503上不存在最小间距部分。

图6示出了叶尖107的轴面投影线501与导风圈101的内表面105之间不存在最小间距部分的一个实施例。在该实施例中，叶片106的形状使得叶尖107的轴面投影线501呈直线，导风圈101的形状使得其内表面105与导风圈轴向截面510之间的交线503也呈直线，且交线503和轴面投影线501之间的距离处处相等。在这种情况下，交线503上不存在距离轴面投影线501最接近的最小间距部分502，凹槽部104设置为大致位于导风圈101轴向方向的中间位置处。

图7示出了具有图6中的导风圈的轴流风机。如图7所示，由于图6中所示出的叶尖107的轴面投影线501与导风圈101的内表面105的交线呈直线，因而导风圈101的内表面105呈竖直的筒状。

图8A、8B和8C分别示出了凹槽截面形状的三个实施例。图4至图6中所示出的凹槽401的轴截面均大致为矩形，在其他实施例中，凹槽401的轴截面还可以为其他形状，例如，图8A示出的凹槽401的轴向截面大致呈三角形，图8B示出的凹槽401的轴向截面大致呈拱形，图8C示出的凹槽401的轴向截面大致呈梯形。图8A至图8C中所示出的凹槽401设置以内表面105向旋转轴线130方向凸起的导风圈为例，对于其他形状的导风圈，例如图6所示的导风圈，同样可以具有如图8A至图8C中所示的凹槽截面形状。

图9A和9B分别为两个实施例的凹槽周向分布型式的示意图。图4至图6中所示出的凹槽401可以有多种周向分布的型式。例如，图9A示出了封闭的环形凹槽901的示意图，即凹槽部104可以由多个闭合的环形凹槽901构成；图9B示出了多匝螺旋形凹槽902的示意图，即凹槽部104可以由多匝螺旋形凹槽902构成。

图10A和10B分别示出了导风圈的凹槽径向分布型式的两个实施例。图4至图6中所示出的凹槽401沿轴流风机100径向的延伸方向均垂直于旋转轴线130。在其他实施例中，凹槽401沿轴流风机100径向的延伸方向也可以不垂直于旋转轴线130，例如，图10A和图10B分别示出了凹槽401沿轴流风机100径向的延伸方向与旋转轴线130呈一定倾斜角度的示例，其中，图10A中所示的凹槽401的径向延伸方向使得其开口方向向上，图10B中所示的凹槽401的径向延伸方向使得其开口方向向下。

图11示出了图4中凹槽部104的具体结构的示意图。如图11所示，凹槽部104在导风圈101的内表面105上的开口的轴向高度为M，凹槽部104的轴向高度M要求能够覆盖导风圈101的内表面105上的最小间距部分502。凹槽部104的轴向高度M大于等于导风圈101的本体103的轴向高度的1/6，小于等于导风圈101的本体103的轴向高度的2/3。将凹槽部104的轴向高度M设置为占本体103的轴向高度的一部分，一方面有利于降低加工成本，一方面有利于保证导风圈的强度，若凹槽部布满本体，则导风圈的强度大大降低，另一方面有利于优化导风圈的气动性能，若导风圈轴向布满凹槽，则相当于减小了叶片与导风圈的实际重合长度，反而增加了叶尖的泄漏。

如图11所示，凹槽部104的每个凹槽401在导风圈101的内表面105上的开口的轴向高度为H，凹槽401开口的轴向高度H大于等于0.3mm，且小于等于5mm；在其他实施例中，凹槽401开口的轴向高度H还可以大于等于0.5mm，且小于等于4mm。凹槽401开口的轴向高度H不可太大，否则会引起过大的扩压损失，而且宏观上太大的轴向高度反而增加了叶尖的间隙，反而增加了流体的叶尖泄漏。

每个凹槽401在轴流风机100径向方向上的延伸深度为D，凹槽401的径向深度D大于等于轴流风机100的叶片半径的2％，且小于等于轴流风机100的叶片半径的7％。凹槽401的径向深度D不可太浅，否则叶尖泄漏的气流进入槽道后会立刻折回，反而增加了气流的湍流强度。

图11中所示出的凹槽401的个数为7个，在其他实施例中，凹槽401的个数也可以为大于等于3的其他值。凹槽401的个数不可太少，因为凹槽401的设置相当于增加了叶尖泄露气流的流动路径，凹槽401的数量过少起不到有效抑制泄漏的作用。

相邻两个凹槽401之间的间隔为G，相邻两个凹槽401之间的间隔G与凹槽部104的轴向高度M、凹槽401的轴向高度H以及凹槽401的个数相关联。在一些实施例中，相邻两个凹槽401的间隔G与凹槽401开口的轴向高度H大致相同。

基于与图11中所示出的凹槽部104的设计相类似的原理，图6中所示的凹槽部104也可以具有与图11中的凹槽部104相类似的结构参数。具体地，图6中所示的凹槽部104在导风圈101的内表面105上的开口的轴向高度M大于等于导风圈101的本体103的轴向高度的1/6，小于等于导风圈101的本体103的轴向高度的2/3。图6所示的凹槽部104中的每个凹槽401在导风圈101的内表面105上的开口的轴向高度H大于等于0.3mm，且小于等于5mm；或者大于等于0.5mm，且小于等于4mm。图6中所示的每个凹槽401在轴流风机100径向方向上的延伸深度为D大于等于轴流风机100的叶片半径的2％，且小于等于轴流风机100的叶片半径的7％。图6中所示出的凹槽401的个数为11个，在其他实施例中，凹槽401的个数也可以为大于等于3的其他值。图6中所示出的相邻两个凹槽401之间的间隔为G与凹槽部104的轴向高度M、凹槽401的轴向高度H以及凹槽401的个数相关联。在一些实施例中，相邻两个凹槽401的间隔G与凹槽401开口的轴向高度H大致相同。

图12示出了图6中的凹槽部104在导风圈101的内表面105处的轴向高度的一个实施例。本申请说明书的前文记载了图6中所示的凹槽部104在导风圈101的内表面105上的开口的轴向高度M大于等于导风圈101的本体103的轴向高度的1/6，小于等于导风圈101的本体103的轴向高度的2/3。更为具体地，图6中所示的凹槽部104在内表面105上的开口的轴向高度M可以设置为：自该导风圈101的本体103的轴向的一端起，从本体103的轴向高度X的0.3倍位置处延伸至本体103的轴向高度X的0.7倍位置处。该设置使得凹槽部104位于导风圈101轴向的中间位置处，且凹槽部104在内表面105的开口的轴向高度为导风圈101的轴向高度的0.4倍。

本申请通过计算机仿真软件进行了性能验证，表1以直径为910mm的某款轴流风机为例，分别比较了无槽导风圈与设有凹槽的导风圈的轴流风机在额定风量下的静压效率。轴流风机的导风圈的内表面向其旋转轴线的方向凸起，该轴流风机的叶片的叶尖的轴面投影呈弧线，轴流风机的内表面上存在距离叶片的轴面投影最接近的最小间距部分。其中，对于设有凹槽的导风圈示例一至三，其凹槽的轴截面均为矩形，多个凹槽均呈封闭的环状，凹槽位于导风圈上距离叶片的轴面投影最接近的位置处，不同实施例的凹槽的具体结构和个数不同。

表1不同类型的导风圈作用下轴流风机的静压效率

从表1中可以看出，对于设有示例一至三的凹槽的导风圈的轴流风机，其静压效率明显高于安装原始无槽导风圈的轴流风机的静压效率。对于设有凹槽的导风圈，示例一的导风圈的凹槽个数较多，轴向高度较小，径向平均深度与其他示例相差不大，其静压效率也最高。

图13比较了在表1中示出的原始无槽导风圈与本申请示例一的开槽导风圈的作用下，轴流风机在不同风量条件下的静压效率。从图13中可以看出，在轴流风机的工作风量下，具有示例一的开槽导风圈的轴流风机的静压效率始终高于安装原始无槽导风圈的轴流风机的静压效率。

图14比较了在表1中示出的原始无槽导风圈与本申请示例一的开槽导风圈的作用下，轴流风机在不同风量条件下的轴功率。从图14中可以看出，在轴流风机的工作风量下，具有示例一的开槽导风圈的轴流风机的轴功率始终高于安装原始无槽导风圈的轴流风机的轴功率。

本申请在轴流风机100的导风圈101上设置多个凹槽401，使得在轴流风机100的运行过程中，空气流体经叶尖107与导风圈101的间隙从叶尖107的压力面回流至吸力面的流量减少，从而增加了叶片输送的气流流量。根据轴流叶片的功率-风量曲线规律，相同条件下叶片输送的介质流量增加，使得叶片工作点向较大风量偏移。根据轴流风机的功率特性，工作点风量的增加会降低风机的能耗，提高风机系统整体性能。另一方面，当导风圈101的内表面105上存在距离叶片106的轴面投影501最接近的最小间距部分时，将多个凹槽401设置在导风圈101上距离叶片106的轴面投影线501最接近的位置处，凹槽401的引流作用缓解了叶尖107在厚度方向表面压力梯度的急剧变化，高速流动的介质进入凹槽401后过流断面增大，速度和湍流强度降低，叶片106表面的剥离涡也有一部分进入了凹槽401，从而降低了轴流风机系统的噪声。

尽管参考附图中出示的具体实施方式将对本申请进行描述，但是应当理解，在不背离本申请教导的精神和范围和背景下，本申请的导风圈结构可以有许多变化形式。本领域技术普通技术人员还将意识到有不同的方式来改变本申请所公开的实施例中的结构细节，均落入本说明书和权利要求的精神和范围内。