本发明一般涉及到轴流风机，特别是，以低的风机气流湍流和低噪音运行的高效轴流风机。 以轴流风机用于通风和冷却的各地方，包括从私人电脑壳到整个建筑物。轴流风机包括一多叶片的叶轮并可以或也可以不包括一风机罩，它有助于引导空气通过叶片，当叶轮被风机电机转动时，通过叶片的空气压力减低，这导致产生空气连续地朝向风机运动。而后风机叶片升高压力，将空气从风机后方向外侧推动。移动的空气产生一稳定的气流，该气流可用于通风和冷却特定的区域。
虽然轴流风机在通风和冷却上极为有用，它们一般限制在最大为60%到65%的运行效率。对于许多必须冷却的装置，需要大量利用能源来运行的部件就是风机，所以，改进风机的效率能大大改善这种装置的整机效率。
许多传统的风机效率低的原因在于当空气流过风机叶片运动时和排出风机罩时有湍流。湍流是通过风机的空气地一种随意流动，而不是定向流动，结果，风机电动机必须花费能量以克服湍流和推动空气通过风机。湍流还产生大量的不需要的噪音。例如，用于小的设备和个人计算机的风机，能产生影响否则较为安静的环境噪音。在大型建套物中须小心处理由较大型的取暖、通风和空调系统的风机产生的噪音与该建筑物内的居住者之间的隔离问题。
传统的风机的另一个限制是，它必须有一个相对窄的工作速度范围和条件。如果通过风机的气流低于风机工作所要求的最低值，则能发生失速状态。在失速状态中空气停止在风机叶片表面上的平稳流动并剧烈地从叶片上分离开。气流的剧烈分离开大大增加了湍流，湍流减少气流量并使通过风机的压力升高，从而增加风机产生的噪音。在严重失速的情况下，便发生强烈振动，以致能破坏风机。
最后，污染、灰尘、昆虫或类似物在叶片上的积聚因减小了通过风机的空气流和升高其压力从而降低了风机的性能。这些减量本身又使风机效率降低，并且增加风机的噪音级。过量的污物、灰尘和昆虫积聚能有效减小气流，可以导致风机进入严重的失速状态。如果风机仍在这样条件下运行，便能破坏风机。
从前面的讨论中，应当清楚地看到，对于轴流风机需要提出在相对宽的工作条件范围内提供更大的效率并减小噪音的要求。本发明满足了这个要求。
本发明提供一种轴流风机，该轴流风机具有这样的构形，使得在将空气送入风机并经过风机叶片时，有效地减少由空气承受的的湍流。通过提供一种具有圆形钟形承口表面的风机罩和轮毂来减小湍流，这些表面实际上与进入风机的空气路径相一致，并在空气通过钟形承口表面运动时能使气流平稳地流动。通过构造该风机叶片的构形成可进一步减小湍流，可确保叶片具有促进气流平稳地流动的压力分布和失速特性，和确保在叶片轮毂上的空气速度近似等于叶片翼梢上的空气速度。构造成具有这些特征的轴流风机获得大于80%的工作效率，并在较大条件范围内工作而不遭受风机失速，与可比输出的普通风机相比，还降低了噪音。
按照本发明，风机罩从风机叶片的前导边沿的前端延伸超出风机叶片的出气边沿的一个点上，风机罩钟形承口设定为一曲面，该曲面一般限定为抛物面或椭圆面的形状，具体地说，风机罩钟形承口的形状由等式
y = (2 p x )12]]>
给出，其中x是沿着风机罩的内表面的轴距，y是垂直于x轴的距离，位于风机罩前导边沿上的两个轴的交点为原点，P是一预定恒量，该恒量决定风机罩钟形承口的抛物面的曲率。
轮毂具有一比较平坦的中间平面和在周缘上弯曲的钟形承口表面，该表面为与风机罩钟形承口表面相类似的抛物面，其中y是沿轮毂外表面的轴距，x是与y轴垂直的距离，位于轮毂平坦表面上的两轴的交点为原点，P是一预定恒量，该恒量决定轮毂钟形承口的抛物面曲率。为便于制造，风机罩钟形承口和轮毂钟形承口的抛物面形状可制成近似于圆形，其直径选择成可与抛物面上大约90°弧的形状部分相一致，圆形虽比抛物面形更易制造，但也一样能提供许多抛物面形所能获得的益处。
通过将风机叶片制成具有变化厚度和垂落的圆形前导边沿而不是将它们制成传统的具恒定的厚度和圆弧的外形，就可获得额外的湍流的减小。叶片定形成可提供一压力分布，使得对于风机叶片前导边沿上的滞止压力等于零，在上表面压力从零连续下降到在风机叶片弦的第一个20%到30%范围中的负峰值点，然后越过上表面尾部三分之二到位于叶片的出气边沿平稳地增加到正值，并在下表面压力继续为正值。结果，气流的任何失速趋于在叶片出气边沿附近开始，而不是如传统的风机在前导边沿开始。另外，当失速条件产生时，与其他曾经经历过的情况相比，失速趋向逐渐朝向前导边沿移动且趋向更缓和。
所要求的压力分布和失速特征也通过将每个风机叶片出气边沿制成一个钝的，平正切割形状来达到，它减小操作的噪音级，防止越过叶片流向出气沿的气流分离开或产生强烈的失速，并使气流如薄片一样平稳地离开叶片的出气边沿。
最后，将叶片从轮毂到翼梢相对它们径向弦轴扭曲，使得流过叶片的空气速度从轮毂到叶片翼梢大致相等，尽管事实上位于翼梢处的叶片的线性速度大大高于位于轨毂上的叶片的线性速度。按照本发明构造的风机叶片与传统风机叶片相比能稳定地运行在很大的气流范围和很大的无失速的叶片冲击角的范围。
本发明的其它的特征和优点从以下最佳实施例的描述中将会更加清楚，该实施例作为示例说明本发明的原理。
图1是按本发明构成的轴流风机分解示意图;
图2是气流进入如图1所示风机的平面示意图;
图3是风机罩及其钟形承口和图2所示风机轮毂的剖视图;
图4是对应于该图4底部所示的叶片断面上围绕叶片表面的压力分布图;
图5是按本发明构成的一叶片的图，图的上部为叶片的透视图，图的下部为叶片的平面图;
图6是图5所示叶片的可替换结构的叶片示图，图的上部分为叶片的透视图，下部分为叶片的平面图;
图7是图1所示风机的两叶片的透视图，表示对两叶片之间的风道进行分析的情况。
图1表示一个按照本发明的轴流风机10，它包括多个固定在轮毂14上的风机叶片12，轮毂与电机16匹配并由其旋转。轮毂和风机叶片在风机罩18内转动，风机罩18具有前后开口。电动机安装在或装到电机架20上，它与风机罩的内表面固定。当电机转动而风机叶片和轮毂也旋转时，空气从风机10前面停滞、静止的空气区域以箭头22的方向向风机罩18内运动。一个环状的风机罩钟形承口24盖住风机罩的前端，并提供以一个有助于空气平稳地进入风机罩和减小湍流的圆形的周缘表面，湍流的减小有助于增加风机10的效率。轮毂14同样有一个圆形的周缘前表面26，这有助于通过风机罩的空气流平稳流过轮毂并减小湍流。风机叶片12被设置成这样一个形状，该形状进一步有助于减小湍流并促进空气平稳地通过风机罩流动。由于减小空气湍流的结果，与传统风机相对比时，本发明的风机的运行效率增加了，能达到大于80%的效率。
图2表示风机10的一个平面视图，流动曲线30表示来自远离风机前部的不同静止点进入风机罩的空气流动流型，在该静止点上空气是静止的并处于大气压强下，曲线30具有一个由等式：
y = (2 p x )12]]>
给出的抛物线形状，对于每个抛物线而言，x是与风机罩18的前表面成直角的轴距，y是从x轴到抛物线的垂直距离，p是一恒量。x和y轴的相交处是每个抛物线的原点。本领域的普通技术人员将认识到每个抛物线与不同p值相对应，而对于其x轴沿着风机罩18的内表面定位的空气流动曲线，其p值将根据风机所要求的气流和速度而变化。对于一个在大约3000转/分运行并具有一个大约4.50英寸内径风机罩的风机，且其x轴沿风机罩的内表面定位的流动曲线30a而言，其p值大约为0.60。
因此，在风机叶片12转动时，空气沿着图2中所示的弯曲的流动流型30进入风机罩18。空气虽也以同样的方式试图流入一传统风机，但在进入其风机罩后不会获得如下文将叙述的本风机10那样低湍流的情况。如图1所示，风机罩钟形承口24和轮毂14的曲面能促进进入风机罩并通过钟形承口的空气流平稳地并循着自然的空气流动流型进入风机罩，如图2中曲线30所示。
图3是风机罩钟形承口24和轮毂14的放大剖视平面图。而且，以箭头22标示进入的空气的流动方向。钟形承口的曲面在图3中容易观察到，具体地说，一般遵从由以参照号32表示的抛物线形状并由等式
y = (2 p x )12]]>
表示该抛物线，其中x是从风机罩18的前边沿沿着风机罩的内圆柱面的轴距，y是从x轴到抛物线的垂直距离，p是等于0.60的恒量。在图3中，x轴由参照号为34的线表示，而y轴则与风机罩的前表面18a校直。两轴的交点35是抛物线的原点。因此，p值选择成使得其对应的抛物线的外形与如图2所示和以上所描述的空气进入风机罩的空气流动流型最密切地配合，其结果，钟形承口的形状与空气进入风机罩所遵从的曲线路径相一致，减少由于空气碰撞风机罩钟形承口所引起的对空气流的任何破坏，并因此减小钟形承口下游的空气流中的湍流。
为了便于制造，所要求的风机罩钟形承口的抛物线形状制成接近于圆形。在图3中用点划线36示出的该圆形，实际上与在抛物线32上的第一个90°弧相一致。圆形半径可通过模压也可通过机加工易于制造，而一抛物线形状相对来讲是难以制造的。已经发现，在下游的空气湍流的显著减小，并因此通过提供风机罩钟形承口24以抛物线形的曲面所能获得的大量的益处，也可由在风机罩钟形承口提供以实际上与在抛物线形状上的第一个90°弧的作用相一致的半径获得。
风机轮毂14上提供以与风机罩钟形承口的曲面相类似的曲面。虽然在图3中仅示出轮毂的一半，但应当理解到轮毂在截面上对称地围绕轮毂和风机罩的中线37。轮毂的前中心表面38是平坦的，且不凸起超过风机罩18的前边沿处，由于该中心表面38不在风机罩以外延伸，轮毂的前表面与通过风机罩的最小截面保持平齐。这保持了轮毂和风机罩之间的压力场大致上均匀，它有助于减小空气流的湍流。
轮毂14的前表面38和轮毂的圆柱边表面39之间的曲面一般遵从由下式给出的抛物线40的形状
y = (2 p x )12]]>
其中，y是沿着轮毂的外表面的轴距，x是与y轴垂直的距离，其原点在轮毂的平坦的中心表面38上，p是等于1.00的恒量。在图3中，轮毂的抛物线形的x轴由以参照号42所示的线表示，而y轴相应地由参号44所示的线表示。二个轴的交叉处是抛物线40的原点45。p的值选择成其所提供的抛物线与流出轮毂平坦前表面38的空气路径最密切地配合。再一次，抛物线表面能由圆46近似地代替，使得该圆具有一个与在该抛物线的第一个90°弧上的抛物线形功能相一致的半径。
通过风机10减小的湍流不仅以风机罩和轮毂的钟形承口来获得，也以改进的风机叶片来获得，该风机叶片提供一具有改进的抗失速，减小湍流的压力分布，和流出叶片后沿表面的有利的空气流。这些叶片的全部设计特征与风机罩钟形承口和轮毂钟形承口相结合来减小在通过风机10的气流中的湍流。
图4示出在该图的下部的一按照本发明的风机叶片12的截面图，在该图的上部有一个围绕叶片的相应压力的分布图。新的叶片制成具有促使空气更平稳地流动通过其表面的圆形和垂落状的头部翼型的形状，而不以传统的曲面弧型叶片为其形状。具体地说，在图4的下部分中的叶片截面表示风机叶片12的顶部表面50与沿着前导边沿54的风机叶片的底表面52相汇合，叶片在接近前导边沿处的截面比较厚并逐渐减小到在上、下表面的出气边沿上具有比较薄的截面。上表面的形状特别制成可提供抗失速的外形，失速对来自沿叶片表面的空气流具有强烈的分离作用，并伴随着发生快速地空气速度的减小和严重的湍流。
轴流风机典型地使用相对固定厚度的圆弧叶片，在失速开始之前，它能承受大约10%空气流动速度的减小。已经发现，按照本发明的风机叶片12构成的风机，在失速开始之前，能承受大约65%的空气流动速度的减小。因此，按照本发明构成的轴流风机能在叶片表面的条件下及在没有进入失速的运行速度下能较好地阻止起伏现象。此外，按照本发明的叶片可设计成比普通叶片提供更接近失速开始的外形和入射角，由此能提供增强的性能。
图4中的上部的曲线图表示由叶片12的外形获得的压力分布。如本领域的普通技术人员所熟知的那样，当用进入的空气流对叶片进行定向时，叶片的前导边沿定义成叶片上的滞流点。该滞流点是在叶片前表面上测到的最大压力点。在压力分布曲线图中设为零。叶片12的前面是垂落状的，或向下倾斜，以便提供具有曲率的上部分表面50，使得压力分布从零快速减小到大约-2.40英寸水标尺的最大负值，从前导边沿54叶片弦的10%到20%之间有一较宽和平坦的峰部。前部分的垂落段一般将那一部分的叶片部分与空气流22相对齐并有助于减少污物，灰尘和昆虫在叶片上的积聚。调整上表面的曲面使得在叶片表面上的空气压力在叶片弦的25%到35%之间开始变为一较小的负值，并平缓地减小，使得压边连续逐渐地成为一较小的负值、变成零、最后达到在上表面50的尾端附近大约0.20的少许正值。
叶片12的下表面52如此构成，使得空气压力从导前边沿54上的零到0.40和0.80之间的正值快速增加，并直到下表面端部附近一直保持在大致上相同的值，这里的压力分布达到大约为0.20的一个值。下表面如此构成以提供一尽可能均匀平坦的压力分布，由此将空气流动中的任何不稳定性减小到最小程度。
以在图4中表示的压力分布，从围绕风机叶片12上表面50的空气流的任何分离似乎在叶片的出气边表面56附近开始发生。这里的压力变成正值。这是一个与传统叶片形状的直接对比，在传统的叶片里失速典型地在叶片的前导边沿附近开始并向边上延伸。可以认为在靠近前导边沿开始的失速将很可能在叶片表面的其余地方破坏气流并从叶片上引起气流的灾难性的分离。按照本发明的风机叶片12所遇到的典型的失速特别地适度，并且一般不导致气流能产生强烈振动和甚至破坏风机的灾难性分离。
在上、下表面50和52的出气边沿上的叶片12的形状也有助于产生平稳的气流和减少湍流。图4表示处于钝角的上下叶片表面，它们由平坦的端面56相连并在两者间伸展。如压力分布曲线所示，上表面的出气边端部和下表面的出气边端部有正值，气压在两者之间和经过叶片的平坦区域将是负值。产生在这一区域的负压区趋于保持来自上和下表面的气流靠扰在一起，以平稳的片状气流流过叶片，从而减小了湍流。
由于风机叶片12围绕中心轴转动，位于轮毂14最远处的叶片翼梢当然具有一个比位于邻近轮毂的叶片根部更大的线速度。为促使气流更平稳地通过风机和进一步减小湍流，风机叶片12沿其径向长度上具有扭曲形状，使得由叶片推动的气流取得相等速度和压力，而与其离开轮毂的径向距离无关。即位于翼梢处的叶片翼弦相对于位于轮毂处的叶片翼弦是转动的。以相等的速度和压力，不论在轮毂或在翼梢处，由叶片在空气上所作的功大致上一样。为获得从轮毂到翼梢完成相等的功所需要的扭曲形状由试验方便地确定。
按照本发明的叶片60的透视图描绘在图5的上部，所示为从叶片翼梢62到叶片根部64看到的一个叶片，在图5的下部分示出叶片上表面66。在叶片翼梢处的叶片翼弦等于在轮毂14附近叶片根部的叶片翼弦，在图5的上部分示出的在翼梢的翼弦线68和根部的翼弦线69，很清楚地说明叶片的扭曲。另一方面，为最大程度增大叶片表面积，图6中所示的叶片70定形成使得叶片的翼弦在叶片翼梢72处大于轮毂附近的叶片根部的翼弦。风机叶片的这样布置如果风机叶片和轮毂模制成一单件时是有利的，因为它省去了叶片的交搭。当轴向观察时，可看到一个叶片的出气边沿与另一个叶片的前导边沿相重叠时便出现所谓叶片交搭的现象。如果有叶片交搭，则用于模制叶片和轮毂的普通模具便不容易进行脱模，就必须以较昂贵的模制技术来替代。通过使用在轮毂上比在翼梢上有较小翼弦的叶片，象图6所示，轮毂四周的周边长度比翼梢四周的周边长度要小得多，叶片交搭便被消除了。因此，生产成本降低。
在对两叶片之间通道的气流进行分析之后，可通过调整在轮毂14上的叶片12的外形和相对位置来减小通过风机的湍流。如图7所示，该分析通过把叶片间的通道分成从轮毂到叶片翼梢和从前导边沿到出气边沿的多个平面来完成的。已经发现，把通道分成十个用作分析的平面提供了满意的结果，检查每一个平面上的压力分布来确保平面之间是连续的并且不受突变和峰值的影响。
参照图7，当气流进入一个通道时，它遇到一叶片12a的上表面的压力分布和相邻叶片12b的下表面的压力分布。例如参照图4，可以看到在叶片翼弦20%处两叶片之间的通道，在通道的一侧边由于位于一叶片12a的上表面的空气的压力分布值大约为-2.40，在通道的另一侧边由于位于另一叶片12b的下表面则空气的压力分布值大约为0.60。叶片12a的上表面压力为零处面对着另一叶片12b的下表面压力大约为0.40处。
两叶片间通道的设计目的是为了获得连续的压力分布。例如，在叶片12a压力为零处面对着另一个叶片12b压力为0.40处，在两叶片间一半距离处的压力将是差值的一半，大约为0.20。同样，从叶片12a到另一个叶片12b四分之一距离的地方，压差也为四分之一，或0.10。如果对通道中的压力分布分析表现出不连续性，则以叶片的扭曲、叶片的相对间隔和叶片的数量来修正，这取决于设计标准而定。修正的结果能被检查并且如果有必要，可进行进一步的或不同的修正。
按照以上描述的所有考虑构成的风机包括：符合进入风机的空气的自然流动的风机罩和轮毂钟形承口、能减小杂屑的积聚并阻止失速的带有翼型形状和前斜部分的叶片、它们相互间放置成使得两叶片间的通道具有连续的压力分布。结果，通过风机的湍流得到减少，风机获得大于80%的效率，并以小的噪音运行。
依据给出的最佳实施例对本发明作了以上的描述，从而增进对本发明的理解。然而，许多轴流风机的构型，未在此具体地描述，但本发明可适用于该些构型。所以本发明显然不受所述实施例的限制，更确切地说，可以理解本发明在多种不同构形的轴流风机中均适用。在所要求的权利要求范围之内的所有的修正、变型或等效的布置都被认为是在本发明的范围之内。