风扇的改进的制作方法

相关申请

本申请要求于2017年2月23日提交的澳大利亚临时专利申请no.2017900608的优先权，该澳大利亚临时专利申请的内容通过引用并入。

本发明涉及一种风扇装置，更具体地，本发明涉及一种脉冲叶片轴流式风扇和一种用于这种风扇的叶轮。

背景技术：

管道轴流式风扇用于包括隧道通风的各种应用中，例如，矿井和巷道的通风。对更多空气和更高压力的需求使得现有轴流式风扇需要变得更大、更重和更嘈杂，因此职业健康和安全(oh&s)问题越发突出。

这种管道式风扇包括具有叶片的风扇，该叶片可在与管道装配在一起的壳体内旋转。叶片被成形并具有空气动力学轮廓，以使得叶片上的压差通过壳体，并因此提供压力以驱动空气通过管道。在一些情况下，管道的总长度可能相对较长，并且可以使用多个管道风扇来维持所需的压力和所产生的流速。在一些示例中，管道轴流式风扇被分级(相继地)以实现所需的压力。

这些管道风扇的问题涉及风扇的效率、产生的噪音，特别是对于多级风扇，以及叶片由于在磨蚀环境中磨损而导致的风扇性能的下降。

本文公开的发明试图克服一个或多个上述问题或至少提供有用的替代方案。

技术实现要素：

根据第一宽泛的方面，提供一种用于管道的风扇装置，该风扇装置包括：壳体，该壳体具有适于与管道空气连通的入口和出口；以及支撑在该壳体内位于入口和出口之间的轴向可旋转驱动的叶轮，叶轮包括承载多个叶片的轮毂，该多个叶片沿轮毂的径向方向向外跨越，且成形为在入口和出口之间推动空气。

在一个方面，多个叶片具有在约0.8至1.2的范围内的梢部实积比。在多个叶片的梢部处或朝向多个叶片的梢部处测量梢部实积比。多个叶片中的每个叶片还可以在其相应的轮毂根部和叶片梢部之间具有约15至30度范围内的扭转角度和基本恒定的厚度。基本恒定的厚度可以是前边缘和后边缘之间的轮廓和/或对于整个叶片基本恒定的厚度。

在另一方面，多个叶片中的每个由金属板形成，金属板被扭转以提供扭转角度。

在又一方面，轮毂沿入口和出口之间的方向向外渐缩。

在又一方面，壳体包括外部壳体和支撑叶轮的内部壳体，内部壳体和外部壳体在它们之间限定了空气流过的通道。

在又一方面，通道的后置风扇区段具有的横截面积与通道的前置风扇区段的横截面积相比相对较小。

在又一方面，轮毂被成形为在通道的前置风扇区段和后置风扇区段之间提供渐缩过渡部。

在又一方面，内部壳体包括头部区段、尾部区段，轮毂位于头部区段和尾部区段之间，其中，尾部区段的直径大于头部区段的直径。

在又一方面，内部壳体包括从尾部区段延伸并向内渐缩的尾锥体。

在又一方面，头部区段的前端头成形为流线型。

在又一方面，尾部区段包括整流器。

在又一方面，整流器以多个导向翼片的形式设置，所述多个导向翼片布置成提供基本上轴向的流动。

在又一方面，头部区段包括流量调节器，该流量调节器成形为将空气引导到叶片。

在又一方面，流量调节器以至少一个静态和可调节的预旋转叶片的形式设置。

在又一方面，外部壳体包括入口锥体和出口出风部，入口锥体布置在流量调节器之前以引导气流进入通道，出口出风部布置在整流器之后，入口锥体和出口出风部联接到管道。

在又一方面，内部壳体和外部壳体各自大致为圆柱形，并且围绕轮毂的旋转轴线同心地布置。

在又一方面，内部壳体包括布置成驱动轮毂的马达。

在又一方面，多个叶片中的每个包括比朝向根部的弦相对较长的朝向梢部的弦。

在又一方面，多个叶片中的每个的根部处的迎角小于多个叶片中的每个的梢部处的迎角。

在又一方面，当以正平面图形式观察时，多个叶片中的相邻叶片的前边缘和后边缘看起来基本上平行。

在又一方面，多个叶片中的每个的前边缘和后边缘中的至少一个是圆形的。

根据第二宽泛的方面，提供一种用于如上所述和如本文权利要求中任一项所述的风扇装置的叶片。

根据第三宽泛的方面，提供了一种用于如上文和如本文所述的风扇装置的叶轮。

根据第四宽泛的方面，提供一种通风系统，该通风系统包括一个或多个如上所述和如本文所述的风扇装置，该风扇装置装配到管道以在管道的入口和出口之间驱动空气。

根据第五宽泛的方面，提供一种使用如上所述和如本文所述的风扇装置输送空气的方法，包括将风扇装置与管道装配以及运行风扇装置以在管道的入口和出口之间驱动空气。

根据第六宽泛的方面，提供一种用于管道的风扇装置，该风扇装置包括：壳体，该壳体具有适于与管道空气连通的入口和出口；以及支撑在该壳体内位于入口和出口之间的轴向可旋转驱动的叶轮，叶轮包括承载多个叶片的轮毂，该多个叶片沿轮毂的径向方向向外跨越，且成形为在入口和出口之间推动空气，其中，该多个叶片具有在约0.8至1.2的范围内的梢部实积比，并且其中，该多个叶片中的每个具有在其根部和梢部之间的在约15至30度的范围内的扭转角度，并且该多个叶片中的每个具有基本恒定的厚度，并且朝向梢部的弦长比朝向根部的弦长相对较长。

根据第七宽泛的方面，提供一种用于管道的风扇装置，该风扇装置包括：壳体，该壳体具有适于与管道空气连通的入口和出口；以及支撑在该壳体内位于入口和出口之间的轴向可旋转驱动的叶轮，叶轮包括承载多个叶片的轮毂，该多个叶片沿轮毂的径向方向向外跨越，且成形为在入口和出口之间推动空气，其中，该多个叶片具有在约0.8至1.2的范围内的梢部实积比，并且其中，该多个叶片中的每个具有在其根部和梢部之间的在约15至30度的范围内的扭转角度，并且该多个叶片中的每个具有基本恒定厚度的轮廓，并且朝向梢部的弦比朝向根部的弦相对较长。

根据第八宽泛的方面，提供一种用于具有入口和出口的管道风扇装置的叶轮，该叶轮包括承载多个叶片的轮毂，该多个叶片沿轮毂的径向方向向外跨越，且成形为在入口和出口之间推动空气，其中，该多个叶片具有在约0.8至1.2的范围内的梢部实积比，并且其中，该多个叶片中的每个具有在其根部和梢部之间的在约15至30度的范围内的扭转角度，并且该多个叶片中的每个具有基本恒定的厚度。

在一个方面，轮毂被成形以在流量通过多个叶片时压缩流量。

在另一方面，轮毂是渐缩的。

在又一方面，多个叶片中的每个由金属板形成，所述金属板被扭转以提供扭转角度。

在又一方面，多个叶片中的每个叶片包括比朝向根部的弦相对较长的朝向梢部的弦。

在又一方面，多个叶片中的每个的根部处的迎角小于多个叶片中的每个的梢部处的迎角。

在又一方面，当以正平面图形式观察时，多个叶片中的相邻叶片的前边缘和后边缘基本平行。

在又一方面，多个叶片中的每个的前边缘和后边缘中的至少一个是圆形的。

根据第九宽泛的方面，提供一种形成用于管道的风扇装置的方法，该方法包括步骤：形成具有外部壳体和内部壳体的壳体，以便在外部壳体和内部壳体之间形成通道，内部壳体支撑可旋转的轴向布置的叶轮，该壳体被成形为使得通道的前置叶轮区段的横截面相对于通道的后置叶轮区段的横截面较大；将叶轮形成为在前置叶轮区段和后置叶轮区段之间具有渐缩轮毂，渐缩轮毂承载多个叶片，该多个叶片基本上在轮毂和外部壳体的内表面之间的径向方向上跨越，且成形为在壳体的入口和出口之间推动空气；以及将多个叶片形成为使得该多个叶片具有在约0.8至1.2的范围内的梢部实积比，并且使得多个叶片中的每个具有在其根部和梢部之间的范围为约15至30度的扭转角度，并且多个叶片中的每个具有基本恒定的厚度。

根据第十宽泛的方面，提供一种形成用于具有入口和出口的管道风扇装置的叶轮的方法，该方法包括：形成轮毂，该轮毂布置成在入口和入口之间的方向上向外渐缩；由具有基本恒定厚度的材料形成与轮毂装配的多个叶片，以使叶片具有在其根部和梢部之间的在约15至30度的范围内的扭转角度；通过将多个叶片联接到轮毂上来形成叶轮，使得多个叶片沿轮毂的径向方向向外跨越，以推动入口和出口之间的空气，并且多个叶片具有在约0.8到1.2范围内的梢部实积比。

附图说明

仅经由非限制性示例的方式，通过参考附图来描述本发明，其中：

图1是示出风扇装置的侧截面图；

图2是示出风扇装置的透视侧截面图；

图3是示出风扇装置的分解的局部侧透视图；

图4a是示出风扇装置的叶轮的前侧透视图；

图4b是示出风扇装置的叶轮的顶侧透视图；

图4c是示出叶轮的前视图；

图4d是示出叶轮的叶片的端视图；

图5是示出叶轮的叶片的前视图，示出了朝向叶片的梢部的截面a-a和朝向叶片的根部的截面d-d；

图6是示出如图5中所示的截面a-a的端视图；

图7是示出如图5中所示的截面d-d的端视图；

图8是将风扇装置与可相比的负载两级轴流式风扇进行比较的功率/体积曲线的示例；以及

图9是将风扇装置与可相比的负载两级轴流式风扇进行比较的噪音/体积曲线的示例。

具体实施方式

参照图1至图5，示出了用于管道或通风管道系统(未示出)的移动或运输空气的风扇装置10。风扇装置10包括壳体装置12，壳体装置12具有外部壳体14和位于外部壳体14内的内部壳体16，以便在外部壳体14和内部壳体16之间限定通道17。内部壳体14和外部壳体16可以由彼此连接的一个或多个部段形成。

内部壳体16包括头部区段18、尾部区段20和位于头部区段18和尾部区段20之间的叶轮或风扇22。尾锥体19联接到尾部区段20，且朝向壳体装置12的轴向轴线向内渐缩。

叶轮22包括旋转轮毂21，旋转轮毂21承载多个同样的旋转叶片23，多个同样的旋转叶片23基本上在轮毂21和外部壳体14之间的径向方向上延伸。每个旋转叶片23都具有基本上平坦的轮廓，使得装置10可以被认为是脉冲叶片轴流式风扇，在该脉冲叶片轴流式风扇中，叶轮22通过赋予空气的动量驱动气流，而不是通过典型的翼型管道轴流式风扇所使用的压差驱动气流。

外部壳体14包括入口24和出口27，入口24具有适于与管道连通或流体联接的入口锥体26，出口27适于与管道重新连通或流体联接。入口锥体26可以装配有格栅25。外部壳体14和内部壳体16至少部分地大致为圆柱形并且是长形。外部壳体14和内部壳体16围绕叶轮22的旋转轴线同心定位。头部区段18包括流线型端头30，在该示例中，流线型端头30是尖形或圆顶形状。叶轮22由具有适于使叶轮22旋转的马达46的马达装置44驱动，马达46例如，但不限于电动马达。马达46可以是在50hz至60hz下运行的四极马达，并且因此，在一些示例中，叶轮22可以以约1500rpm的固定速度旋转。在其他示例中，马达46可以具有其他数量的极并以其他合适的速度旋转。壳体装置12通常可以由诸如低碳钢的金属形成。

通道17的前置风扇区段32限定在头部区段18和外部壳体14之间。前置风扇区段32由此具有大致环形的横截面，空气由入口24通过前置风扇区段32到达叶轮22。在尾部区段20处的通道17的后置风扇区段34限定在内部壳体16和外部壳体14之间。后置风扇区段34由此也具有大致环形的横截面，空气由叶轮22通过后置风扇区段34流向出口27。与后置风扇区段34相比，前置风扇区段32具有相对较大的横截面积。尾部区段20可包括出风部28(向外渐缩扩散部区段)或以出风部28为终止，出风部28在尾锥体19和外部壳体14之间限定的扩展部区段29之前。

更具体地，在该示例中，外部壳体14沿其长度具有相对恒定的直径。然而，与后置风扇区段34相比，头部区段18具有相对更窄或更小的直径，从而前置风扇区段32与后置风扇区段34相比具有相对更大的横截面积。轮毂21成形为在头部区段18和尾部区段20之间的过渡部。在该示例中，轮毂21大致是截头圆锥形，以在头部区段18和尾部区段20之间的侧部轮廓中提供大致笔直的渐缩表面36。叶片23从轮毂21的渐缩表面36径向延伸。轮毂21的渐缩表面36在气流通过叶片23进入出口区段34时提供压缩的气流。头部区段18可包括又一相似的渐缩区段37，渐缩区段37紧接在轮毂21的渐缩表面36之前。

前置风扇区段32包括流量调节器35，流量调节器35以至少一个静态和可调节的预旋转叶片38的形式设置，该预旋转叶片38从头部区段18径向延伸到外部壳体14。在预旋转叶片38是可调节的示例中，预旋转叶片38可用于控制风扇特性，例如体积流量输出。当使用可控制的预旋转叶片38时，叶轮22可以以固定的旋转速度运行，并且可以在将叶轮22保持为固定速度的同时使用预旋转叶片38来控制体积流速。

预旋转叶片38或前置风扇叶片38将空气引导到叶轮装置22。后置风扇区段34包括一个或多个整流器40，整流器40以从尾部区段20向外部壳体14径向延伸的导向翼片42的形式设置。预旋转叶片38和导向翼片42中的一者或两者将内部壳体16支撑并悬挂在外部壳体14内。

参照图4a至图7，现在转向叶轮22，特别是叶片23，每个叶片包括扭转的叶片体50、根部52、梢部54、前边缘56和后边缘58。在该示例中，每个叶片23包括在叶片轮毂根部与叶片梢部之间的在约15至30度的范围内的扭转角度。

叶片体50在弦和长度的范围上具有基本恒定的厚度。为了获得恒定的厚度，每个叶片23可以由金属板形成，金属板被扭转以提供扭转角度。优选地，恒定厚度板在轮廓上是对称的而不是翼型形状，并且恒定厚度板是耐磨的，因此风扇装置的性能可以随时间保持。恒定厚度或扁平的叶片23通过增加赋予到通过叶轮22的流量的速度而基本上不增加压力来起作用。因此，恒定厚度或扁平的叶片23以与翼型形状不同的方式起作用，翼型形状主要依靠压差来驱动流量。前边缘56、后边缘58和梢部54可以是圆形的或弧形的以减少湍流。恒定厚度或扁平的叶片23还抑制失速，特别是当与移动通过相对较大角度-例如+40度至-40度-的预旋转叶片38一起使用时。

叶轮22通常可以由诸如低碳钢的金属形成。从图4c可以看出，叶片23占据了空气通过其流过叶轮22的大部分空间。在正平面图形式视图中，如图4c所示，还可以理解，相邻叶片23的前边缘56和后边缘58基本平行。叶片扭转角度在图4d中最佳地示出，并且在叶片根部52和叶片梢部54之间测量。扭转角度范围是大约15到30度。然而，优选地，叶片扭转角度可以是大约或接近19至23度，并且最优选地，叶片扭转角度是大约21度。

在该示例中，叶片23的梢部54处的弦“cat”相对于叶片23的基部或根部52处的弦“cdr”基本上更长(通过比较图6和图7可以最好地看到)。因此，梢部在“a-a”截面处的实积比“srt”可以在约0.8至1.2的范围内，并且在截面“d-d”处的实积比“srr”可以在约1.1至1.4的范围内。在另一个测量单位中，注意到叶片的纵横比(叶片跨度或叶片长度与其平均弦长的比率)由于相对较长的弦而非常低。叶片23的基部或根部52可以成形或渐缩以匹配轮毂21的渐缩。

叶片梢部实积比“srt”在本文中定义为所有叶片23在其梢部54处的梢部弦长“cat”(即，测量如图5所示的叶片23在截面a-a处的弦)的总和除以叶片23在直径“d”处的周长。仅作为示例，叶片23在梢部54处的弦宽“cat”可以是例如350mm。可能有11个叶片，因此，350mm×11＝3850mm。直径“d”可以是例如1320mm。因此，周长为π×d＝4147mm。本示例中的“srt”比率为3850/4147＝0.93。可以使用“cat”和“d”的其他变体。应注意，“d”优选在约0.8m至2.1m的范围内。

类似地，叶片根部实积比“srr”在本文中定义为所有叶片在轮毂21外径处的根部弦长“cdr”(即，测量叶片23在截面d-d处的根部52处的弦)的总和除以轮毂21的外周长“hp”(在该示例中，在渐缩轮毂21的0.7*d的较大直径测量周长，其中“d”是叶片23的直径)。

在该示例中，轮毂21具有相对较大的直径和周长，与例如典型的管道轴流式风扇相比，这导致实积比相对较低。轮毂21的渐缩形状可以从大约0.55×d变化到0.7×d，但不限于此。

仍参照图6和图7，可以理解，叶片23在根部52处的迎角“ad”小于在梢部54处的迎角“aa”。在该示例中，截面a-a和截面d-d之间的扭转角度在19至23度之间，可适用的风扇直径“d”的尺寸可以在约800mm至2000mm的梢部直径之间，并且叶片截面半径在200mm至500mm之间。然而，如前所述，合适的扭转角度可以在约15至30度的范围内。应注意，由于所施加的扭转，截面a-a和截面d-d通常是“弧形”，并且叶片23的轮廓基本上是恒定的。根部截面d-d处的“弧”大于梢部截面a-a处的“弧”。

还应注意，叶片23的弦长比脉冲叶片叶轮通常所使用的叶片的弦长长得多，并且这导致在叶轮22在有用范围内的较低的功率消耗，如图8所示。此外，与示例性轴流式风扇-可以是适用于直径高达约1400mm的管道的两级轴流式风扇-相比，更长的弦长提供相似的压力-体积(pv)曲线。因此，本文的风扇装置10特别适合于管道通风市场。与两级轴流式风扇相比，噪音也降低，如图9所示。应注意，风扇装置10能够以超过5.7kpa推出约40m³/s的流量。具有相似直径的传统两级轴流式风扇将于最小小于5kpa处失速，并且仅能够以约3.9kpa推出约40m³/s的流量。

有利地，提供一种风扇装置，该风扇装置具有这样的叶轮：具有增加的弦长、增加的叶片数量、相对较高的叶片迎角以及由叶轮的渐缩轮毂产生的流量压缩。这提供一种有利的风扇装置，该风扇装置在风扇的有用范围内具有类似的压力特性。压力-体积(pv)曲线也是有利的并且适合于通风管道通风市场。

此外，风扇性能布置特征与两级轴流式风扇的功能相像，但安装包络范围较小，因此使得风扇比市场上的可相比的轴流式风扇更轻和更小并且使得安装更容易和更快速。需要较少风扇安装也是优点，并且较少安装风扇导致安装工作较少同时还使用现有布线。压力体积曲线的下端比市场上可相比的轴流式风扇升高，因此在管道长度变长时，减少了对额外风扇的需求。新叶轮尺寸较小，特点是具有降噪特性，因此对于给定负载，产生的噪音远远低于等效的、单个轴流式风扇安装。

叶轮叶片可以由板制成，而不是由翼型形状的，因此不受磨损的影响。叶轮叶片设计的改进将其特性从通常高体积的pv(压力-体积)曲线改变为更陡、更低体积的更陡的pv曲线，但在大范围的体积流量中具有更低的功率消耗曲线。压力范围在下端明显高于市场上的可相比的风扇，从而延迟了安装额外风扇的需要。从根本上说，风扇装置对于相同的通风和压力范围提供了更小、更轻、更安静、更耐用的风扇，而且阻力更小，这意味着重新安置、维修和安全暴露更少。

可以有助于克服现有问题的特点如下所列：

·对于相当的流量压力更高：叶片设计特点和高效导向翼片设计相结合，导致比市场上可获得的可相比的轴流式风扇更好的压力升高特性；

·重量：由于对于给定负载叶轮尺寸较小，因此叶轮的重量将小于目前市场上可相比的轴流式风扇的重量；

·噪音：由于叶轮较小，叶片梢部速度较小，因此产生的噪音较小；

·安装成本：由于对于给定负载，与两个标准轴流式风扇相比，只需要安装一个风扇，因此安装时间减半；

·节省维护：由于叶轮更坚固且对于叶轮性能更少依赖于叶片形状，因此维护需求间隔可能更长；

·oh&s问题：由于标准轴流式磨损会显着降低性能，对于给定的管道长度，叶轮故障的可能性由于失速而增加。由于叶轮故障而造成伤害的风险也会增加。输送到管道末端的空气将减少到不足以进行作业的程度。由于产生的噪音较少，因此对高噪音源的暴露会更小；

·较低的功率特性：与标准轴流式风扇相比，新脉冲叶片风扇利用可用的马达功率在曲线的较低体积端输送更大的压力，且在较低的压力需求下输送略微较高的体积。无需其他控制系统即可降低马达过载的风险。

最后，应注意，采用这种新叶轮设计使得对于相同负载，该风扇比现有的风扇小，并且重量可以减轻多达25％。改进的性能可以延迟更长管道长度中对于额外风扇的需求。这些特点还可以简化安装并改善oh&s而且能够使用现有布线。对于为风扇设计的实际负载范围，功率特性大大降低，从而减轻了风扇马达的过载。

在整个说明书和随附的权利要求中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”以及诸如“包括有”和“包括了”的变体将被理解为暗示包括所述组成部分或步骤或者组成部分或步骤的组，但不排除任何其他组成部分或步骤或者组成部分或步骤的组。

本说明书中对任何已知事项或任何先前出版物的引用不是、也不应被视为确认或承认或暗示已知事项或现有技术出版物构成本说明书所涉及的领域的公知常识的一部分。

虽然已经描述了本发明的具体示例，但是应该理解，本发明扩展到所公开或从本文提供的公开内容显而易见的特征的替代组合。

在不脱离所公开的或由本文提供的公开内容显而易见的本发明的范围的情况下，许多和各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。