具有改进导管的风机的制作方法

1.本发明涉及一种导管轴流式风机。该表述在此和下文中指的是直径dr大于0.5米(优选地大于1米)的轴流式风机。


背景技术：

2.在工业领域中，轴流式风机的使用是已知的，通常是为了确保在需要耗散大量热量的植入物中的特殊辐射表面周围有足够的气流。
3.例如用于工业用途的轴流式风机通常包括中心轮毂，该中心轮毂限定旋转轴线并且多个叶片安装在该中心轮毂上。轮毂旋转使叶片旋转，并且如本领域技术人员可以理解的，对每个叶片的不同区段施加不同的切向速度。实际上，每个叶片区段的切向速度是角速度(其对于所有区段是相同的)和相对于旋转轴线的径向距离(其随着远离旋转轴线而增加)的乘积。
4.因此，如技术人员所知，轴流式风机叶片不能沿其整个径向跨度有效地运行。叶片的径向最内区段的切向速度通常太低而无法实现相对于气流的有效相对运动。因此，风机的实际运行主要依托于径向外部区段，其保证由轴流式风机产生的几乎所有的总空气流量。
5.如本领域技术人员可以理解的，这样的流分布使得轴流式风机作为一个整体不是十分高效。虽然已经提出了一些技术方案来更好地利用叶片的径向内部区段，但也需要提高径向外部区段的效率。实际上，以本身已知的方式，外部区段受到限制其效率的末端效应的影响。如已经提到的，由于大部分流动正是由径向外部区段产生的，因此即使在该区域中以百分比计算的很小的低效率也会导致整个风机的绝对效率非常地。
6.沿着空气动力表面的中间区段，无论是机翼还是如在这种情况下的风机叶片，高压空气区域和低压空气区域通过叶片本身的存在而物理地彼此分离。在叶片的末末端梢处，这种分离不再存在，因此自发地产生倾向于从高压区域移动到低压区域的气流。以这种方式产生末端涡流，该涡流引起对叶片在空气中前进的重要阻力。
7.针对这种类型的问题提出的第一种解决方案是以导管封住风机，从而将其限制在直径稍微大于风机本身的外径的直径的护罩内。下面将该护罩称为导管。
8.由于增加了导管，末端涡流的尺寸显著减小，因此，由这些涡流移动的空气量以及由此引起的阻力减小。然而，如本领域技术人员可以很好地理解的，不仅不可能将叶片的末端和导管的内径之间的距离归零，而且这种距离甚至不能减小到超过一定限度。实际上，必须以最绝对的方式避免导管和叶片末端之间的任何接触，并且必须为此目的提供安全距离。因此，由于它们的大小和必须保持的成本，不能以精确的公差制造叶片。另外，叶片可能受到振动现象的影响，并且可能在运行期间变形。因此，即使在存在最佳导管的情况下，也不能消除末端涡流。
9.从航空学借鉴的另一个解决方案是在每个叶片的末端处提供被称为翼尖装置(wingtip device)或小翼(winglet)的辅助表面。首先，小翼具有构成阻止空气运动的挡板
的功能，从而抵消末端涡流的形成。另外，取决于所采用的形状，小翼还可以影响残余的末端涡流，优化它并因此限制噪声形成。
10.这些解决方案虽然被广泛理解，但并非没有缺点。
11.实际上，尽管导管和小翼的布置也可能彼此相加，但在一定程度上仍然不可避免地形成末端涡流。因此，轴流式风机的效率仍然有限。


技术实现要素：

12.因此，本发明的目的是克服上文关于现有技术强调的缺点。
13.特别地，本发明的任务是提供一种具有改进效率的导管轴流式风机。
14.此外，本发明的任务是提供一种比已知类型的风机更加限制末端涡流形成的导管轴流式风机。
15.此外，本发明的任务是提供一种导管轴流式风机，该导管轴流式风机除了引入进一步的优点外，还保持已经从已知类型的风机获得的优点。
16.这种目的和任务通过根据权利要求1所述的导管轴流式风机来实现。
附图说明
17.为了更好地理解本发明并认识其优点，下面参考附图描述其一些示例性和非限制性实施例，在附图中：
18.图1示意性地表示根据本发明的风机的平面图；
19.图2示意性地表示图1中称为ii的细节的放大视图；
20.图3示意性地表示沿图2的线iii-iii的剖视图；
21.图4.a示意性地表示沿图3的线iv-iv的剖视图；
22.图4.b至4.n示意性地表示与图4.a类似的一些可替代的截面的视图；
23.图5表示根据本发明的风机的部分底部透视图；
24.图6表示根据本发明的风机的透视图，其中为了更清楚起见，移除部分导管；
25.图7表示根据本发明的另一个风机的平面图；
26.图8表示沿图7的线viii-viii的剖视图；
27.图9表示沿图7的线ix-ix的剖视图；
28.图10表示根据本发明的风机导管的一部分的透视图；
29.图11表示图10中称为xi的细节的放大视图；
30.图12表示包括根据本发明的导管转子的飞行器；
31.图13表示图12中称为xiii的细节的放大视图；
32.图14示意性地表示图13中称为xiv的细节的放大视图；以及
33.图15表示沿图14的xv-xv线的三种不同构造的剖视图。
具体实施方式
34.在本讨论的上下文中，为了使阅读更容易和更流畅，采用了一些术语惯例。下面参照附图阐明这些术语惯例。
35.下文中的术语“导管”指的是通常为圆柱形的侧壁或护罩，其围绕导管风机，从而
形成通道，在该通道内气流受到限制。
36.根据本发明的风机旨在产生从进气区(在附图中在下方)引导到输出区(在附图中在上方)的气流。因此可以理解，关于流动方向(在附图中用
ɑ
表示)，术语“上游”、“前一个”等关于术语“下游”、“下一个”等被明确定义。
37.术语“会聚”和“发散”也应该关于流动方向
ɑ
来解释。
38.由于根据本发明的风机明确地限定了旋转轴线x，关于该轴线限定了术语“轴向”、“径向”、“切向”和“周向”。
39.下面描述“稍微”不同的量。副词“稍微”意指两者之间在较高量的10％以内的差异，优选在两者之间在较高量的5％以内的差异。
40.本发明涉及一种导管轴流式风机，其整体在下文用20表示。风机20包括：
[0041]-转子22，其绕轴线x可旋转并且包括多个叶片24；以及
[0042]-导管26，其适于限定绕转子22在轴向方向上延伸的圆形截面通道28。
[0043]
在根据本发明的风机20中，导管26包括环形座30，环形座30围绕转子22周向地延伸；叶片24的末端至少部分地容纳在导管26的环形座30中。
[0044]
也就是说，在环形座30处，转子22的外径dr大于环形座30的内径ds(参见例如图9)。
[0045]
例如，转子22的外径dr大于0.5米，优选大于1米。
[0046]
优选地，风机20的转子22包括限定旋转轴线x的轮毂23。多个叶片24安装在轮毂23上。优选地，叶片24在结构上独立于轮毂23并随后安装在轮毂23上，以便能够根据具体设计需要来改变节距。优选地，叶片24通过螺栓安装在轮毂23上(例如参见图6)。
[0047]
优选地，风机20的至少一个叶片24包括末端小翼32，也简称为小翼32。小翼32是本身已知的装置，其布置在叶片24的末端以降低它们的噪声并降低由形成末端涡流引起的阻力。优选地，小翼32具有至少部分地沿轴向方向延伸的挡板34。有利地，小翼32的挡板34的主要伸展遵循由轴向方向和周向方向或切向方向限定的表面。
[0048]
已知类型的导管至少在包括转子的轴向段中具有圆柱形形状。此外，以本身已知的方式，导管所具有的内径稍微大于相对转子的外径。
[0049]
根据本发明的导管26(特别是其环形座30)可取决于实施例来采用不同的构造。
[0050]
根据一些实施例，导管26在包括转子22的轴向段中具有圆柱形形状，并且具有稍微大于转子22的外径dr的内径dd。根据其它实施例，导管26具有圆柱形形状，并且在转子22正上游的节段中具有稍微小于转子22的外径dr的内径。在这些实施例中，导管26然后在转子22附近中断，在该处布置有环形座30。在这种情况下，在转子22的上游，导管26的内径与环形座30的内径ds重合。在转子22的下游，在一些实施例中，导管26具有稍微大于转子22的外径的内径dd，而在另一些实施例中，导管26再次具有稍微小于转子22的外径的内径ds。
[0051]
根据一些实施例，导管26具有圆柱形形状，并且在转子22正上游的节段中，并且与转子22相对应(即，在布置环形座30的地方)，具有稍微大于转子22的外径dr的内径dd。在某些这样的实施例中，导管26在转子22的下游以稍微小于转子22的外径的内径继续。在这种情况下，在转子22的下游，导管26的内径与环形座30的内径ds重合。
[0052]
根据一些实施例，环形座30包括空气动力学平滑表面36。例如，环形座30可以包括收敛的空气动力学平滑表面36c，其优选地布置在转子22的正上游。可替换地或另外地，环
形座30可以包括发散的空气动力学平滑表面36d，其优选地布置在转子22的正下游。
[0053]
根据一些实施例，空气动力学平滑表面36(会聚36c和/或发散36d)确定由导管26限定的通道28中的变窄。
[0054]
根据一些实施例，环形座30沿轴向方向开口。例如，环形座30可以在上游(即，朝进气区)或下游(即，朝输出区)轴向开口。
[0055]
根据一些实施例，环形座30朝向导管26的内侧径向开口。优选地，环形座30沿轴向方向在上游和/或下游延伸。
[0056]
根据一些实施例，环形座30整体在导管26外侧伸展，而在其他实施例中，环形座30整体在导管26内侧伸展。
[0057]
根据一些实施例，风机20的至少一个叶片24包括末端小翼32，该末端小翼32具有沿轴向方向延伸的挡板34。例如，小翼32的挡板34可以轴向地向上游、下游或两个方向延伸。优选地，每个叶片24包括小翼32。
[0058]
小翼32可以采取不同的形状。图6示出了例如包括已知类型的小翼32的转子22，该挡板34在轴向方向上具有相当小的延伸。小翼32的其它构造示于图3和8中。在这些情况下，注意到小翼32上游的轴向延伸部在切向方向(即沿着叶片24的翼型的弦)上更大且更宽。在根据本发明的风机20中，这种具有更大的轴向延伸的小翼32允许环形座30的更大的接合。
[0059]
在某些实施例中，根据本发明的风机20的导管26包括会聚口38。以本身已知的方式，会聚口38限定在导管26的上游端，并起到将气流接收到进气区并将其平缓地传送到转子22的功能。在图5、图6和图8-11的实施例中，会聚口38以本身已知的方式由导管26本身的壁限定。根据其它示意性实施例，例如在图4.k和4.l中，会聚口38由空气动力学平滑表面36(特别是会聚空气动力学平滑表面36c)的上游突起限定。
[0060]
在图4.a中示意性示出的实施例中，导管26在包括转子22的轴向段中具有圆柱形形状，并且具有稍微大于转子22的外径dr的内径dd。在这样的实施例中，环形座30因此通过添加空气动力学平滑表面36而从传统的导管26获得。特别地，在转子22的正上游布置有会聚的空气动力学平滑表面36c。因此，会聚的空气动力学平滑表面36c导致包括在导管26中的通道28中的变窄，使得环形座30的内径ds稍微小于转子22的外径dr。由于会聚空气动力学平滑表面36c的形状，环形座30在轴向地向下游开口。叶片24包括末端小翼32，末端小翼32具有挡板34，挡板34轴向地向上游延伸并容纳在环形座30中。
[0061]
在图4.b中示意性示出的实施例中，导管26具有圆柱形形状，并且在转子22正上游的节段中具有稍微小于转子22的外径dr的内径。在这种情况下，在转子22的上游，导管26的内径与环形座30的内径ds重合。然后，导管26在布置有环形座30的转子22附近停止，并以比转子22的外径dr稍微更大的内径dd在转子22的下游相应地继续。由于导管26的形状，环形座30在轴向地向下游开口。叶片24包括末端小翼32，末端小翼32具有挡板34，挡板34轴向地向上游延伸并容纳在环形座30中。
[0062]
图4.c中示意性示出的实施例与图4.a中的实施例非常相似，对图4.a的描述进行参照。另外，在该实施例中，在转子的正下游布置有发散的空气动力学平滑表面36d。所得的环形座30整体在导管26的通道28内伸展。这种环形座30在径向方向上朝向内侧开口，并且在轴向方向上向下游和上游延伸。叶片24包括具有挡板34的末端小翼32。叶片24的末端径向地容纳在环形座30中，小翼32的挡板34在环形座30内轴向地向下游和上游延伸。
[0063]
在图4.d中示意性示出的实施例中，导管26在包括转子22的轴向段中具有圆柱形形状，并且具有稍微大于转子22的外径dr的内径dd。在这样的实施例中，环形座30因此通过添加空气动力学平滑表面36而从传统的导管26获得。具体地，在转子22正下游布置有发散的空气动力学平滑表面36d。因此，发散的空气动力学平滑表面36d确定了包括在导管26中的通道28中的变窄，使得环形座30的内径ds稍微小于转子22的外径dr。由于发散的空气动力学平滑表面36d的形状，环形座30轴向地向上游开口。叶片24包括末端小翼32，末端小翼32具有挡板34，挡板34轴向地向下游延伸并容纳在环形座30中。
[0064]
在图4.e中示意性示出的实施例中，导管26具有圆柱形形状，并且在转子22正上游和正下游的节段中具有稍微小于转子22的外径dr的内径。在这种情况下，导管26的内径与环形座30的内径ds一致。然后导管26在转子22附近中断，在该处布置有环形座30。所得的环形座30整体上在导管26的通道28外侧伸展。这种环形座30在径向方向上朝向内侧开口，并且在轴向方向上向下游和上游延伸。叶片24包括具有挡板34的末端小翼32。叶片24的末端径向地容纳在环形座30中，小翼32的挡板34在环形座30内轴向地向下游和上游延伸。
[0065]
在图4.f中示意性示出的实施例中，导管26具有与通过翻转图4.b的导管26而获得的形状类似的形状。导管26具有圆柱形形状，并且在转子22正上游的节段中且与转子22相对应(在该处布置有环形座30)，具有稍微大于转子22的外径dr的内径dd。导管26以比转子22的外径稍微更小的内径在转子22的下游继续。在这种情况下，在转子22的下游，导管26的内径与环形座30的内径ds重合。由于导管26的形状，环形座30轴向地向上游开口。叶片24包括末端小翼32，末端小翼32具有挡板34，挡板34轴向地向下游延伸并容纳在环形座30中。
[0066]
图4.g中示意性示出的实施例与图4.f中的实施例非常相似，对图4.f的描述进行了参照。另外，在该实施例中，在转子22的正上游布置有会聚的空气动力学平滑表面36c。所得的环形座30在径向方向上朝向内侧开口，并且在轴向方向上向下游和上游延伸。叶片24包括具有挡板34的末端小翼32。叶片24的末端径向地容纳在环形座30中，小翼32的挡板34在环形座30内轴向地向下游和上游延伸。
[0067]
图4.h中示意性示出的实施例与图4.b中的实施例非常相似，对图4.b中的描述进行参照。另外，在该实施例中，在转子22正下游布置有发散的空气动力学平滑表面36d。所得的环形座30在径向方向上朝向内侧开口，并且在轴向方向上向下游和上游延伸。叶片24包括具有挡板34的末端小翼32。叶片24的末端径向地容纳在环形座30中，小翼32的挡板34在环形座30内轴向地向下游和上游延伸。
[0068]
图4.i中示意性示出的实施例与图4.c中的实施例非常相似，对图4.c的描述进行参照。然而，在该实施例中，叶片24不包括任何末端小翼32。叶片24的末端径向地容纳在环形座30中。
[0069]
图4.j中示意性示出的实施例与图4.e中的实施例非常相似，对图4.e的描述进行参照。然而，在该实施例中，叶片24不包括任何末端小翼32。叶片24的末端径向地容纳在环形座30中。
[0070]
在图4.k中示意性示出的实施例中，导管26在包括转子22的轴向段中具有圆柱形形状，并且具有稍微大于转子22的外径dr的内径dd。在这样的实施例中，环形座30因此通过添加空气动力学平滑表面36而从传统的导管26获得。特别地，在转子22的正上游布置会聚的空气动力学平滑表面36c。另外，空气动力学平滑表面向上游突出以形成会聚口38。以类
似于以上相对于图4.a描述的方式，会聚空气动力学平滑表面36c导致通道28中的变窄，环形座30的内径ds稍微小于转子22的外径dr，环形座30轴向地向下游开口。叶片24包括末端小翼32，末端小翼32具有挡板34，挡板34轴向地向上游延伸并容纳在环形座30中。
[0071]
图4.l中示意性示出的实施例与图4.e中的实施例相似，对图4.l的描述进行参照。然而，在该实施例中，导管26的壁成形为在转子22的上游形成会聚口38。
[0072]
图4.m中示意性示出的实施例与图4.a中的实施例非常相似，对图4.a中的描述进行参照。然而，在该实施例中，会聚的空气动力学平滑表面36c未成形为限定通道28中的柔和的和连续的变窄，而是成形为具有尖角轮廓，其引入突然的台阶变窄。
[0073]
图4.n中示意性示出的实施例与图4.c中的实施例非常相似，对图4.c的描述进行参照。然而，在该实施例中，会聚的空气动力学平滑表面36c和发散的空气动力学平滑表面36d未成形为限定通道28中的柔和的和连续的变化，而是成形为具有引入突然的台阶变化的尖角轮廓。
[0074]
在图4.m和4.n中示意的这些实施例虽然不是空气动力学最优的，但在某些特定条件下可能是有利的，因为它们更容易实现。
[0075]
以上参照图4描述的导管26和环形座30的构造以示例的方式示出。如本领域技术人员将理解的，环形座30可以采取与本文详细描述的形状不同的形状，以满足特定的需要。
[0076]
如本领域技术人员可以通过观察图4所看到的，根据本发明的环形座30和叶片24的末端的构造允许获得一种迷宫密封件。以本身已知的方式，迷宫密封件限定了曲折的路径，该路径显著地减少了流体从高压区域到低压区域的自发通过。在特定情况下，环形座30和叶片24的末端(具有或不具有小翼32)的构造限定了空气的曲折路径，空气自发地趋向于从高压区域(在叶片24上方)流向低压区域(在叶片24下方)。通过减少在叶片24的末端处从一个区域到另一个区域的空气量，末端涡流的大小以及由此引起的阻力减小。
[0077]
图5至图11的实施例类似于图4a所示的实施例。更具体地，图5和6表示转子22的一个实施例，而图7、8和9表示转子22的不同实施例。两个实施例之间的主要区别在于小翼32的挡板34的形状和延伸。图6示出了比图8中看到的小翼32小的小翼32。导管26和环形座30是这两个实施例共同的，并且在图10和11中更详细地示出。
[0078]
在图5至图11的实施例中，导管26在包括转子22的轴向段中具有圆柱形形状，并且具有稍微大于转子22的外径dr的内径dd(见图9)。因此，通过添加空气动力学平滑表面36从传统的导管26获得环形座30。特别地，会聚的空气动力学平滑表面36c布置在转子22的正上游。因此，会聚的空气动力学平滑表面36c确定包括在导管26中的通道28中的变窄，使得环形座30的内径ds稍微小于转子22的外径dr(再次参见图9)。由于会聚的空气动力学平滑表面36c的形状，环形座30轴向地向下游开口。叶片24包括具有不同形状的相应末端小翼32，但在任何情况下，它们都具有轴向地向上游延伸并容纳在环形座30中的挡板34。
[0079]
上述每种变型允许获得一些特定的优点，下面通过举例说明其中一些优点。
[0080]
包括添加有空气动力学平滑表面36的传统导管26的实施例允许根据本发明修改现有风机20。例如，在图4.a、4.c、4.d、4.i、4.k、4.m和4.n中示出了这些实施例。
[0081]
包括在环形座30处的通道28的变窄的实施例允许气流的局部加速。在这方面，应当注意的是，导管26的内径dd和座的内径ds之间的差异在某些情况下可能达到导管26的内径dd的5％。然而，在大多数情况下，该差异小于dd的2％。由于这种减小恰好位于流动速度
较大的径向圆周处，因而变窄对流动速度的局部影响更明显。例如，在图4.a、4.c、4.d、4.f、4.g、4.i、4.m和4.n中示出了这些实施例。
[0082]
包括在环形座30处的通道28的扩大的实施例允许气流的最佳布置，以用于在整个导管26的排出处需要发散出口的应用。例如，在图4.b、4.h和4.k中示出了这些实施例。
[0083]
优选地，根据本发明的风机20还包括马达(未示出)，该马达适于以设计速度旋转转子22。
[0084]
此外，根据本发明的风机20优选地包括一种适于在所有操作条件下牢固地支撑导管26、转子22、并可能地支撑马达的结构(未示出)。
[0085]
根据在图14和15中示意性示出的一些实施例，转子22是可变节距类型的。根据这些实施例，每个单独的叶片24可以围绕具有基本径向方向的轴线p旋转。同时围绕各自的轴线p转动每个叶片24的可能性允许改变其相对于空气的入射(见图15)，从而改变导管风机20本身的流量。因此，可变节距的导管风机20允许适应不同的操作条件，并因此广泛用于各种领域。
[0086]
可变节距的导管风机20特别受重视的领域是航空领域。各种类型的飞行器使用可变节距的导管风机20，例如用于飞行器推进和/或控制。
[0087]
可变节距的导管风机20的特定实例是直升机40的导管尾桨(参见图12的实例)。这种解决方案(通常也称为涵道尾桨)虽然被广泛地认识，但是对于工业用的导管风机具有上述已经确定的相同的缺点。
[0088]
即使在这种情况下，特别有利的是在导管26上布置环绕转子22周向延伸的环形座30，其中叶片24的末端至少部分地容纳在环形座30中。
[0089]
在这种类型的应用中，图4.c、4.e、4.i和4.j中示意性描绘的实施例是特别适合的，尽管也可以有效地采用其它实施例。
[0090]
前面的描述详述了本发明与现有技术方案不同的技术特征。对于现有技术和本发明可能共有的所有其它特征，可以参考描述和评论现有技术的引言。
[0091]
如本领域技术人员可以容易地理解的，本发明允许克服先前参照现有技术强调的缺点。
[0092]
特别地，本发明提供了一种具有改进效率的导管轴流式风机。
[0093]
此外，本发明提供了一种导管轴流式风机，其比已知类型的风机更多地限制了末端涡流的形成。
[0094]
此外，本发明提供了一种导管轴流式风机，该风机除了引入进一步的优点外，还保持了已知类型的风机已经获得的优点。
[0095]
应当理解的是，通过非限制性示例描述了与本发明的不同实施例相关的特定特征。显然，本领域的技术人员将能够对本发明进行进一步的修改和变化，以满足依情况而定的和特定的需要。例如，关于本发明的实施例所描述的技术特征可以从其推导，并应用到本发明的其他实施例。这些修改和变化也包含在如所附权利要求书所限定的本发明的范围内。