專利名稱：：一種高升力系數(shù)、高升阻比的葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于工業(yè)風(fēng)機(jī)，家用電扇用的葉片設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域。長(zhǎng)期來(lái)由于設(shè)計(jì)與制作工藝水平的限制，工業(yè)風(fēng)機(jī)、家用電扇的葉片均沿用曲板結(jié)構(gòu)，一般都采用薄型金屬板材沖壓成型。這種由板式結(jié)構(gòu)的葉片，其升力系數(shù)CL及升阻比L/D值均比較低，有些較好的葉型設(shè)計(jì)在最大升阻比情況下，其升力系數(shù)也只能達(dá)到1.4左右。(注升阻比L/D即為可用的升力系數(shù)CL值與阻力系數(shù)CD之比)眾所周知，一種葉片的葉型衡量其性能好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)，就是視其是否具有最大的升阻比L/D，也即視其是否具有最大的可用升力系數(shù)CL和盡可能小的阻力系數(shù)CD;或是否具有最大的可用氣動(dòng)升力Y和盡可能小的氣動(dòng)阻力D。因此曲板式葉片的結(jié)構(gòu)性能很差，使用效率極低，消耗能量較大。一定結(jié)構(gòu)形狀的葉片其理論計(jì)算消耗功率P＝ρ·S·CD·V3;1/2其中ρ為空氣密度，S為葉型的表面積，CD即阻力系數(shù)，V為葉片的當(dāng)量運(yùn)動(dòng)速度。在葉片產(chǎn)生相同氣動(dòng)升力Y的情況下，根據(jù)伯努里方程可知，提高升力系數(shù)CL即可降低葉片的運(yùn)動(dòng)速度V，或者縮小葉片的外型結(jié)構(gòu)尺寸，從而都可達(dá)到降低氣動(dòng)阻力D和減少耗功P的目的。因此設(shè)法提高葉片的升力系數(shù)CL和有效地降低阻力系數(shù)CD是獲取葉片最大升阻比，改善性能，提高其工作效率，節(jié)約能源的十分重要途徑。本發(fā)明的目的是為了尋求一種高升力系數(shù)CL，高升阻比L/D的葉型設(shè)計(jì)，使葉片在各種轉(zhuǎn)速變化的工業(yè)風(fēng)機(jī)，家用電扇中使用時(shí)有優(yōu)良性能，較小的廢阻力，較高的使用效率，以求達(dá)到節(jié)能降噪的良好效果，對(duì)量大面廣的工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇的應(yīng)用具有重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在葉片結(jié)構(gòu)上作了多項(xiàng)改進(jìn)，采用了如下幾項(xiàng)新穎設(shè)計(jì)，現(xiàn)分析如下1、從空氣動(dòng)力學(xué)已有研究成果表明，葉片表面邊界層的氣流與遠(yuǎn)離葉片表面的外層氣流相比，其慣性力和動(dòng)量較小，在流動(dòng)過(guò)程中表面層氣流容易與葉片翼面分離，特別是大彎度，高CL值葉型在大迎角狀況時(shí)，這種現(xiàn)象就猶為明顯。如上所說(shuō)的翼面氣流分離現(xiàn)象，往往是原先的層流氣體在分離后緊接著產(chǎn)生紊流再附著在葉片翼面上，而且紊流層厚度不斷增加，形成一個(gè)壓力幾乎不變的空氣停滯區(qū)，葉片上的這個(gè)壓力不變的空氣停滯區(qū)亦叫做分離氣泡。迎角合理的情況下，后續(xù)氣流能繞過(guò)分離氣泡又回到葉面上。分離氣泡在葉面上擴(kuò)及的范圍越大，則氣流繞過(guò)分離氣泡再回到葉面上的位置越靠近葉片的后緣。當(dāng)迎角為某一定值時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)分離氣泡，氣流無(wú)法越過(guò)分離氣泡而出現(xiàn)層流分離不再回到葉面上時(shí)，就會(huì)引致葉片失速，阻力大增，效率明顯降低。已有的研究成果還表明，阻力系數(shù)與氣流分離點(diǎn)位置到葉片后緣的距離成正比，而且葉片升阻比L/D值的大小在很大程度上取決于分離點(diǎn)到葉片后緣的距離。為此，只要設(shè)法增加分離氣泡在葉面上的擴(kuò)及范圍，就能推后分離點(diǎn)至葉片后緣的距離，因而能有效地改善葉片表面的壓力分布，降低阻力，提高升力數(shù)CL和升阻比L/D的值。本發(fā)明根據(jù)如上的分析，采用了一種能實(shí)現(xiàn)邊界層氣流自動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱為BZK結(jié)構(gòu))，如圖一所示為BZK結(jié)構(gòu)的葉片橫剖面，其特征是由翼內(nèi)的空腔Ⅲ和葉片上表面前緣一排小孔φ1，和后緣一排大孔φ2組成;圖二顯示了φ1和φ2二排孔的大小和分布位置特征，前排小孔φ1的直徑一般為1.0-3.0MM，其孔間的距離a為15-35MM，其距離前緣Ⅰ的尺寸C為3-8%l;(其中l(wèi)為翼形的弦寬)，后排大孔φ2的直徑為3.0-9.0MM其距離前緣的尺寸d一般均為80%l，而孔間的距離b為25-55MM;后排大孔的截面積比前排小孔的截面積大三倍左右為宜，而翼內(nèi)空腔大小以滿足強(qiáng)度、剛度條件下，應(yīng)盡量大些為好，以有利于從大孔吸收渦動(dòng)氣流，并自由地通過(guò)內(nèi)腔從前排小孔冒出，冒出的氣流可以使分離氣泡范圍擴(kuò)大，形成向紊流邊界層的轉(zhuǎn)變，隨著迎角的增大，翼型前緣空氣流速增加，前排小孔的抽吸能力增強(qiáng)，從后排大孔吸收渦動(dòng)氣流的能力也就更加顯著，從而可顯著擴(kuò)大分離氣泡的范圍，以提高升力系數(shù)，改善葉片的性能。然而前后排孔的數(shù)量，孔徑、孔距及其距離前緣的尺寸大小，均要根據(jù)翼型、運(yùn)動(dòng)速度，葉型整體形狀全面衡量考慮后才能決定，當(dāng)然也可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)選取最佳值。2、對(duì)于存在翼尖的葉片，由于CL的提高與誘導(dǎo)阻力的增大有非常密切的關(guān)系，所以提高CL值必須同時(shí)設(shè)法降低誘導(dǎo)阻力成了節(jié)能的十分關(guān)鍵問(wèn)題之一。誘導(dǎo)阻力又稱渦阻力，是由一種旋轉(zhuǎn)渦動(dòng)的氣流引起。它產(chǎn)生的原因是由于葉片產(chǎn)生升力時(shí)，葉片的上下表面之間存在壓力差，翼尖區(qū)附近的下表面高壓空氣要繞過(guò)翼尖向上表面的低壓區(qū)流動(dòng)。因此在翼尖區(qū)的外側(cè)并沿翼端向后會(huì)形成一股向上翻轉(zhuǎn)的氣流，這一現(xiàn)象通常叫做上洗，如圖三所示，而從翼前緣Ⅰ向后流動(dòng)的空氣在下表面會(huì)因此而稍向外偏斜，并形成下洗，這樣上洗與下洗氣流往后交匯成渦流向下游方向渦動(dòng)，如圖四所示。翼尖渦的存在不僅不產(chǎn)生有用的升力，還改變了整個(gè)氣流的方向，按氣流渦動(dòng)強(qiáng)度的不同成比例地?cái)_動(dòng)了整個(gè)氣流系統(tǒng)，作為整個(gè)氣動(dòng)反作用力分力的誘導(dǎo)阻力，隨氣流渦動(dòng)的方向指向葉片運(yùn)動(dòng)的反向形成阻力，CL值越大，渦動(dòng)強(qiáng)度也越大，誘導(dǎo)系數(shù)和誘導(dǎo)阻力也就越大，其害處有可能抵消CL提高所帶來(lái)的好處。根據(jù)如上分析，如果沒(méi)有翼尖渦存在就不會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力，而如果使葉片下表面氣流的橫向運(yùn)動(dòng)分量得到控制，就可扼制氣流下洗和翼尖渦的產(chǎn)生，從而消除或有效地降低誘導(dǎo)阻力，以改善葉片性能。本發(fā)明采用渦流扼制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱WZ裝置)，其結(jié)構(gòu)特征是在翼尖區(qū)的下葉面后緣適當(dāng)位置上加設(shè)了若干弧形擋板，弧形擋板一般位于葉片園周運(yùn)動(dòng)方向的同心園上，按等距間隔平行分布，如此可以使葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)形成氣流涵道作用，有效地防止下葉面氣流的橫向運(yùn)動(dòng)，阻礙翼尖氣流向上翻轉(zhuǎn)，如圖五所示。擋板的形狀和尺寸視葉片形狀和尺寸而定，如圖六、圖七所示，X面為擋板與下葉面的聯(lián)結(jié)面，其表面形狀以下葉面相聯(lián)結(jié)處的形狀而定;長(zhǎng)度尺寸E為葉片翼弦寬度l的30-40%，高度尺寸H為下葉面氣流邊界層厚度的60-80%，圖七為圖六中的A-A剖面，其中園角r1、r2和側(cè)向?qū)挾圈脑瓌t上以保證足夠的強(qiáng)度和剛度條件下，越小越好，以求盡量降低因安裝WZ裝置而帶來(lái)的其它損失，尺寸e＝r1+r2;擋板的數(shù)量以實(shí)際效果來(lái)確定;擋板后端基本與葉片后緣對(duì)齊一致。3、葉片的失速本質(zhì)上說(shuō)就是層流分離引起壓差阻力增加的后果，對(duì)于大彎度，高CL值的翼型，這種現(xiàn)象就更為突出;而對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度范圍變化的工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇來(lái)說(shuō)，這種大彎度，高CL值的葉片設(shè)計(jì)盡管采用了BZK結(jié)構(gòu)，在低速運(yùn)行狀態(tài)下，葉片翼尖仍會(huì)產(chǎn)生失速現(xiàn)象。為了解決葉片低速運(yùn)行時(shí)的翼尖失速問(wèn)題，本發(fā)明在采用前述BZK、WZ結(jié)構(gòu)改進(jìn)基礎(chǔ)上，對(duì)大彎度、高CL值的葉片運(yùn)用了大前掠角設(shè)計(jì)，并將根據(jù)葉片運(yùn)動(dòng)速度范圍，即根據(jù)工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇在不同轉(zhuǎn)速范圍工作時(shí)雷諾數(shù)不同的特點(diǎn)，采用不同的前掠角設(shè)計(jì)，前掠角變化的幅度范圍一般為11°-38°。采用了前掠角設(shè)計(jì)的葉片，在前掠角度較小時(shí)對(duì)葉片上的壓力分布影響較小，前掠角度較大時(shí)則對(duì)葉片上的壓力分布影響增大，不僅能有效地扼制低速時(shí)的翼尖失速，在高速運(yùn)行時(shí)大前掠角也不會(huì)產(chǎn)生不良后果，這樣，大前掠角設(shè)計(jì)在大彎度葉片中可以有效地獲得高CL值，又同時(shí)獲得了拓寬的使用速度范圍，大大提高了葉片的使用性能。綜上所述，采用BZK、WZ和前掠結(jié)合大彎度扭轉(zhuǎn)的葉片，具有優(yōu)異的性能和節(jié)能降噪效果1、BZK結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，改善了葉面的壓力分布，使葉片在幾乎不增大阻力系數(shù)CD情況下，使可用的升力系數(shù)CL達(dá)到5-7，因而極大地提高了升阻比L/D值，這對(duì)于一般的普通曲板式葉片是不可想象的。2、BZK結(jié)構(gòu)的運(yùn)用使葉片在亞臨界的低雷諾數(shù)狀態(tài)下運(yùn)行，能保持層流不分離，而在高CL值時(shí)能保持亞臨界低速的穩(wěn)定運(yùn)行，克服了層流分離導(dǎo)致的葉片失速，阻力大增，效率降低的嚴(yán)重弊端。3、WZ系統(tǒng)和BZK結(jié)構(gòu)都對(duì)氣流的橫向運(yùn)動(dòng)及引致的氣流渦動(dòng)而產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力有明顯的扼制效果，對(duì)改善葉片性能，降低氣動(dòng)噪聲，減少損耗，提高效率都有明顯作用。4、大彎度的葉型能得到較高的CL值，由于結(jié)合采用了大前掠角設(shè)計(jì)之后又解決了低速問(wèn)題，因而擴(kuò)大了葉片的使用速度范圍，使其具有高CL值和寬速范圍里穩(wěn)定運(yùn)行的良好性能。以下對(duì)圖例進(jìn)一步說(shuō)明如下圖一如前已述為BZK結(jié)構(gòu)的橫剖視圖，Ⅰ為氣流駐點(diǎn)，在翼展(縱向構(gòu)成葉片的前緣，Ⅱ?yàn)橐硐业奈膊?，在翼展縱向構(gòu)成葉片的后緣，φ1為前排小孔，φ2為后排大孔，Ⅲ為空腔，Ⅳ為附著上葉面的紊流層，它的厚度不斷增加則進(jìn)一步形成分離氣泡。葉片周圍的外層氣流為層流狀態(tài)，葉片的氣動(dòng)迎角為α。圖二則進(jìn)一步顯示了BZK結(jié)構(gòu)的外型及孔系分布。圖三為存在翼尖凸露的葉片端部結(jié)構(gòu)，圖中A為高壓區(qū)，B為低壓區(qū)，Ⅰ為前緣，Ⅱ?yàn)楹缶?，O-O為渦動(dòng)氣流渦軸。圖四說(shuō)明了圖三中氣流渦動(dòng)的進(jìn)一步后果，L為葉片翼展長(zhǎng)度，a處表示氣流發(fā)生上洗，b處為下洗，c處為上下洗交匯后形成渦流繼續(xù)往下游擴(kuò)展，使實(shí)際翼展長(zhǎng)度L′＜L。圖五為WZ裝置改變氣流橫向流動(dòng)的示意圖，圖六、圖七進(jìn)一步顯示了WZ弧形擋板的具體形狀和結(jié)構(gòu)，其中圖七為圖六中的A-A剖面圖。以下結(jié)合實(shí)施例圖例說(shuō)明如下圖八為本發(fā)明在家用吊扇中的應(yīng)用實(shí)施例的外型立體圖，該實(shí)施例具體結(jié)構(gòu)尺寸見圖九圖十(1)、(2)和圖十一，圖十二各圖所示，其中圖九為本實(shí)施例的平面投影圖，圖中翼展形成的回轉(zhuǎn)直徑D＝1200mm，A即為WZ系統(tǒng)，共有三組弧形擋板組成，其分布半徑分別為R1＝550mm，R2＝500mm，R3＝450mm。圖中B即為BZK系統(tǒng)中的前后排孔系，葉片前掠的轉(zhuǎn)折處形成的分型直徑D1＝600mm，此轉(zhuǎn)折分型直徑把葉片分成內(nèi)區(qū)Ⅰ和外區(qū)Ⅱ，在內(nèi)區(qū)Ⅰ和外區(qū)Ⅱ內(nèi)的BZK前后排各功能孔的孔徑、孔距均不同，現(xiàn)對(duì)照?qǐng)D二和圖九將各尺寸列于表一表一其中l(wèi)仍為前已述翼型弦寬尺寸。WZ系統(tǒng)擋板的具體尺寸見圖十(1)和(2)，其中長(zhǎng)度單位均為mm。圖十一表示構(gòu)成前掠角的各參數(shù)及葉片根部經(jīng)過(guò)整流后的各參數(shù)。圖十二表示葉片扭轉(zhuǎn)之后在不同截面處所形成的實(shí)際迎角，近葉根處的迎角β＝17°，葉端處的迎角α＝3°。本實(shí)施例中葉片翼型是以NACA6409型為基型結(jié)合采用本發(fā)明的BZK結(jié)構(gòu)，WZ系統(tǒng)及前掠大彎度扭轉(zhuǎn)改進(jìn)設(shè)計(jì)而成的，葉片材料可采用薄型金屬板材或ABS工程塑料成型，吊扇性能優(yōu)于常規(guī)曲板結(jié)構(gòu)吊扇，其轉(zhuǎn)速可適用于180-500轉(zhuǎn)/分范圍，直徑為1200mm時(shí)功率＜60瓦。實(shí)施例2為600mm工業(yè)風(fēng)機(jī)葉片，圖十三為其正面投影圖，整機(jī)由六片葉構(gòu)成，圖十四為俯視圖其中的Ⅰ為整流罩，Ⅱ?yàn)槿~盤，圖中只保留一片葉片，圖中所示葉端迎角α＝38°，葉根迎角β＝71°。圖十五為其葉片的平面展開圖，葉片弦長(zhǎng)l＝120mm、前掠角θ＝20°。本實(shí)施例中的BZK結(jié)構(gòu)和尺寸見圖十六，圖十七和表二。表二單位mm</tables>圖十七中可見φ1＝φ1.6mmφ2＝φ6.5mmφ1距離前緣的尺寸c＝6mm，φ2距離前緣的尺寸d＝96mm。圖十七所見的翼型剖面是在Sawyer翼型基礎(chǔ)上結(jié)合采用本實(shí)用新型的BZK結(jié)構(gòu)而成，圖十八為本發(fā)明葉片在ZJ-60型風(fēng)機(jī)上應(yīng)用的實(shí)施例立體外形圖，圖中未畫出風(fēng)機(jī)涵道和支架等，本實(shí)施例中額定轉(zhuǎn)速為1450轉(zhuǎn)/分，空氣流量為20000米3/小時(shí)，空氣流射距為20米的工作參數(shù)條件下，其所需功率＜2.4KW，比原來(lái)的2.8KW下降可14.3%。本實(shí)施例對(duì)φ600mm直徑的風(fēng)機(jī)只要更換電機(jī)和風(fēng)機(jī)葉片，而保留原涵道和支架，均可方便地實(shí)行改造，并可收到明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。權(quán)利要求1.一種工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇的葉片，本發(fā)明的特征是具有翼內(nèi)空腔Ⅲ和葉片上表面的前排小孔φ1，和后排大孔φ2共同組成的邊界層氣流自動(dòng)控制BZK結(jié)構(gòu)；在葉片翼尖區(qū)的下葉面后緣適當(dāng)位置上加設(shè)了若干弧形檔板組成扼制翼尖區(qū)氣流渦動(dòng)的WZ裝置；并采用了大彎度扭轉(zhuǎn)的大前掠角設(shè)計(jì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇的葉片，本發(fā)明的特征是前排小孔φ;直徑一般為1.0-3.0MM，孔間距離a為15-35MM，其距離前緣尺寸C為翼弦寬度l的3-8%;后排大孔φ2的直徑一般為3.0-9.0MM，孔間距離b為25-55MM，而距離前緣尺寸d一般均為翼弦寬度l的80%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇葉片，本發(fā)明的特征是弧形擋板一般位于葉片園周運(yùn)動(dòng)方向同心圓上，按等距離間隔平行分布。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇的葉片，本發(fā)明的特征是葉片所采用的前掠角θ為11°-38°。5.根據(jù)權(quán)利要求1.2所述的工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇的葉片，本發(fā)明的特征是在葉片的內(nèi)區(qū)Ⅰ，前排小孔φ1的直徑為1.4mm，孔間距a＝22mm，距前緣尺寸C＝5%·l;后排大孔φ2的直徑為5.8mm孔間距b＝40mm，距前緣尺寸d＝80%·l，在葉片的外區(qū)Ⅱ，前排小孔φ1的直徑為1.8mm，孔間距a＝28mm，距前緣尺寸C＝5%·l;后排大孔φ2的直徑為6.2mm，孔間距b＝43mm，距前緣尺寸d＝80%·l。6.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇的葉片，本發(fā)明的特征是φ1孔的直徑為1.6mm，φ2孔的直徑為6.5mm，孔φ1的間距a＝20mm，φ2孔的間距除翼尖區(qū)最外端兩孔間距b＝25mm外，其余孔間距b＝35mm，φ1孔距前緣尺寸C＝6mm，φ2孔距前緣尺寸d＝96mm。7.按權(quán)利要求1、3所述的工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇的葉片，本發(fā)明特征是弧形擋板x面形狀是以葉片下葉面聯(lián)結(jié)處的形狀而定的，其長(zhǎng)度E為葉片翼弦寬度l的30-40%，高度H為下葉面氣流邊界層厚度的60-80%。8.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇的葉片，本發(fā)明特征是葉片的前掠角θ＝20°或θ＝17°41′。9.根據(jù)權(quán)利要求1、5所述的工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇的葉片，本發(fā)明特征是弧形擋板的長(zhǎng)度E＝50MM，高度H＝7MM。全文摘要一種工業(yè)風(fēng)機(jī)和家用電扇的葉片，采用了具有邊界層氣流自動(dòng)控制的BZK結(jié)構(gòu)和能扼制翼尖區(qū)氣流渦動(dòng)的WZ裝置，同時(shí)采用了大彎度扭轉(zhuǎn)的大前掠角設(shè)計(jì)，因而使葉片獲得了較大可用升力系數(shù)CL和較高的升阻比L/D，具有優(yōu)異的使用性能，對(duì)節(jié)能降噪或在相同效果條件下縮小葉片翼展尺寸有明顯效果。文檔編號(hào)F04D29/38GK1060895SQ90102959公開日1992年5月6日申請(qǐng)日期1990年10月16日優(yōu)先權(quán)日1990年10月16日發(fā)明者徐詠明申請(qǐng)人:徐詠明