一种高升力系数、高升阻比的叶片
专利汇可以提供一种高升力系数、高升阻比的叶片专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种工业 风 机和家用电扇的 叶片 ，采用了具有 边界层 气流自动控制的BZK结构和能扼制翼尖区气流涡动的WZ装置，同时采用了大弯度扭转的大前掠 角 设计，因而使叶片获得了较大可用升 力 系数CL和较高的 升阻比 L/D，具有优异的使用性能，对节能降噪或在相同效果条件下缩小叶片翼展尺寸有明显效果。，下面是一种高升力系数、高升阻比的叶片专利的具体信息内容。
1、一种工业风机和家用电扇的叶片，本实用新型的特征是具有翼内空腔Ⅲ和叶片上表面的前排小孔φ1，和后排大孔φ2共同组成的边界层气流自动控制BZK结构；在叶片翼尖区的下叶面后缘适当位置上加设了若干弧形档板组成扼制翼尖区气流涡动的WZ装置；并采用了大弯度扭转的大前掠角设计。
2、根据权利要求1所述的工业风机和家用电扇的叶片，本实用新型的特征是前排小孔φ1直径一般为1.0－3.0MM，孔间距离a为15－35MM，其距离前缘尺寸C为翼弦宽度l的3－8％；后排大孔φ2的直径一般为3.0－9.0MM，孔间距离b为25－55MM，而距离前缘尺寸d一般均为翼弦宽度l的80％。
3、根据权利要求1所述的工业风机和家用电扇叶片，本实用新型的特征是弧形挡板一般位于叶片园周运动方向同心圆上，按等距离间隔平行分布。
4、根据权利要求1所述的工业风机和家用电扇的叶片，本实用新型的特征是叶片所采用的前掠角θ为11°－38°。
5、根据权利要求1.2所述的工业风机和家用电扇的叶片，本实用新型的特征是在叶片的内区Ⅰ，前排小孔φ1的直径为1.4mm，孔间距a＝22mm，距前缘尺寸C＝5％·l；后排大孔φ2的直径为5.8mm孔间距b＝40mm，距前缘尺寸d＝80％·l，在叶片的外区Ⅱ，前排小孔φ1的直径为1.8mm，孔间距a＝28mm，距前缘尺寸C＝5％·l；后排大孔φ2的直径为6.2mm，孔间距b＝43mm，距前缘尺寸d＝80％·l。
6、根据权利要求1、2所述的工业风机和家用电扇的叶片，本实用新型的特征是φ1孔的直径为1.6mm，φ2孔的直径为6.5mm，孔φ1的间距a＝20mm，φ2孔的间距除翼尖区最外端两孔间距b＝25mm外，其余孔间距b＝35mm，φ1孔距前缘尺寸C＝6mm，φ2孔距前缘尺寸d＝96mm。
7、按权利要求1、3所述的工业风机和家用电扇的叶片，本实用新型特征是弧形挡板x面形状是以叶片下叶面联结处的形状而定的，其长度E为叶片翼弦宽度l的30－40％，高度H为下叶面气流边界层厚度的60－80％。
8、根据权利要求1、4所述的工业风机和家用电扇的叶片，本实用新型特征是叶片的前掠角θ＝20°或θ＝17°41′。
9、根据权利要求1、5所述的工业风机和家用电扇的叶片，本实用新型特征是弧形挡板的长度E＝50MM，高度H＝7MM。
本实用新型属于工业风机，家用电扇用的叶片设计制造领域。长期来由于设计与制作工艺水平的限制，工业风机、家用电扇的叶片均沿用曲板结构，一般都采用薄型金属板材冲压成型。这种由板式结构的叶片，其升力系数CL及升阻比L／D值均比较低，有些较好的叶型设计在最大升阻比情况下，其升力系数也只能达到1.4左右。（注：升阻比L／D即为可用的升力系数CL值与阻力系数CD之比）众所周知，一种叶片的叶型衡量其性能好坏的唯一标准，就是视其是否具有最大的升阻比L／D，也即视其是否具有最大的可用升力系数CL和尽可能小的阻力系数CD；或是否具有最大的可用气动升力Y和尽可能小的气动阻力D。因此曲板式叶片的结构性能很差，使用效率极低，消耗能量较大。
一定结构形状的叶片其理论计算消耗功率P＝ρ·S·CD·V3；1／2其中ρ为空气密度，S为叶型的表面积，CD即阻力系数，V为叶片的当量运动速度。在叶片产生相同气动升力Y的情况下，根据伯努里方程可知，提高升力系数CL即可降低叶片的运动速度V，或者缩小叶片的外型结构尺寸，从而都可达到降低气动阻力D和减少耗功P的目的。因此设法提高叶片的升力系数CL和有效地降低阻力系数CD是获取叶片最大升阻比，改善性能，提高其工作效率，节约能源的十分重要途径。
本实用新型的目的是为了寻求一种高升力系数CL，高升阻比 L／D的叶型设计，使叶片在各种转速变化的工业风机，家用电扇中使用时有优良性能，较小的废阻力，较高的使用效率，以求达到节能降噪的良好效果，对量大面广的工业风机和家用电扇的应用具有重要的技术经济意义。
为实现上述目的，本实用新型在叶片结构上作了多项改进，采用了如下几项新颖设计，现分析如下：
1、从空气动力学已有研究成果表明，叶片表面边界层的气流与远离叶片表面的外层气流相比，其惯性力和动量较小，在流动过程中表面层气流容易与叶片翼面分离，特别是大弯度，高CL值叶型在大迎角状况时，这种现象就犹为明显。如上所说的翼面气流分离现象，往往是原先的层流气体在分离后紧接着产生紊流再附着在叶片翼面上，而且紊流层厚度不断增加，形成一个压力几乎不变的空气停滞区，叶片上的这个压力不变的空气停滞区亦叫做分离气泡。迎角合理的情况下，后续气流能绕过分离气泡又回到叶面上。分离气泡在叶面上扩及的范围越大，则气流绕过分离气泡再回到叶面上的位置越靠近叶片的后缘。当迎角为某一定值时，总会出现分离气泡，气流无法越过分离气泡而出现层流分离不再回到叶面上时，就会引致叶片失速，阻力大增，效率明显降低。已有的研究成果还表明，阻力系数与气流分离点位置到叶片后缘的距离成正比，而且叶片升阻比L／D值的大小在很大程度上取决于分离点到叶片后缘的距离。为此，只要设法增加分离气 泡在叶面上的扩及范围，就能推后分离点至叶片后缘的距离，因而能有效地改善叶片表面的压力分布，降低阻力，提高升力数CL和升阻比L／D的值。
本实用新型根据如上的分析，采用了一种能实现边界层气流自动控制的结构（以下简称为BZK结构），如图一所示为BZK结构的叶片横剖面，其特征是由翼内的空腔Ⅲ和叶片上表面前缘一排小孔φ1，和后缘一排大孔φ2组成；图二显示了φ1和φ2二排孔的大小和分布位置特征，前排小孔φ1的直径一般为1.0－3.0MM，其孔间的距离a为15－35MM，其距离前缘Ⅰ的尺寸C为3－8％l；（其中l为翼形的弦宽），后排大孔φ2的直径为3.0－9.0MM其距离前缘的尺寸d一般均为80％l，而孔间的距离b为25－55MM；后排大孔的截面积比前排小孔的截面积大三倍左右为宜，而翼内空腔大小以满足强度、刚度条件下，应尽量大些为好，以有利于从大孔吸收涡动气流，并自由地通过内腔从前排小孔冒出，冒出的气流可以使分离气泡范围扩大，形成向紊流边界层的转变，随着迎角的增大，翼型前缘空气流速增加，前排小孔的抽吸能力增强，从后排大孔吸收涡动气流的能力也就更加显著，从而可显著扩大分离气泡的范围，以提高升力系数，改善叶片的性能。然而前后排孔的数量，孔径、孔距及其距离前缘的尺寸大小，均要根据翼型、运动速度，叶型整体形状全面衡量考虑后才能决定，当然也可通过试验来选取最佳值。
2、对于存在翼尖的叶片，由于CL的提高与诱导阻力的增大有非常密切的关系，所以提高CL值必须同时设法降低诱导阻力成了节能的十分关键问题之一。
诱导阻力又称涡阻力，是由一种旋转涡动的气流引起。它产生的原因是由于叶片产生升力时，叶片的上下表面之间存在压力差，翼尖区附近的下表面高压空气要绕过翼尖向上表面的低压区流动。因此在翼尖区的外侧并沿翼端向后会形成一股向上翻转的气流，这一现象通常叫做上洗，如图三所示，而从翼前缘Ⅰ向后流动的空气在下表面会因此而稍向外偏斜，并形成下洗，这样上洗与下洗气流往后交汇成涡流向下游方向涡动，如图四所示。翼尖涡的存在不仅不产生有用的升力，还改变了整个气流的方向，按气流涡动强度的不同成比例地扰动了整个气流系统，作为整个气动反作用力分力的诱导阻力，随气流涡动的方向指向叶片运动的反向形成阻力，CL值越大，涡动强度也越大，诱导系数和诱导阻力也就越大，其害处有可能抵消CL提高所带来的好处。
根据如上分析，如果没有翼尖涡存在就不会产生诱导阻力，而如果使叶片下表面气流的横向运动分量得到控制，就可扼制气流下洗和翼尖涡的产生，从而消除或有效地降低诱导阻力，以改善叶片性能。
本实用新型采用涡流扼制系统（以下简称WZ装置），其结构特征是在翼尖区的下叶面后缘适当位置上加设了若干弧形挡板，弧 形挡板一般位于叶片园周运动方向的同心园上，按等距间隔平行分布，如此可以使叶片运动时形成气流涵道作用，有效地防止下叶面气流的横向运动，阻碍翼尖气流向上翻转，如图五所示。挡板的形状和尺寸视叶片形状和尺寸而定，如图六、图七所示，X面为挡板与下叶面的联结面，其表面形状以下叶面相联结处的形状而定；长度尺寸E为叶片翼弦宽度l的30－40％，高度尺寸H为下叶面气流边界层厚度的60－80％，图七为图六中的A－A剖面，其中园角r1、r2和侧向宽度δ原则上以保证足够的强度和刚度条件下，越小越好，以求尽量降低因安装WZ装置而带来的其它损失，尺寸e＝r1＋r2；挡板的数量以实际效果来确定；挡板后端基本与叶片后缘对齐一致。
3、叶片的失速本质上说就是层流分离引起压差阻力增加的后果，对于大弯度，高CL值的翼型，这种现象就更为突出；而对于运动速度范围变化的工业风机和家用电扇来说，这种大弯度，高CL值的叶片设计尽管采用了BZK结构，在低速运行状态下，叶片翼尖仍会产生失速现象。
为了解决叶片低速运行时的翼尖失速问题，本实用新型在采用前述BZK、WZ结构改进基础上，对大弯度、高CL值的叶片运用了大前掠角设计，并将根据叶片运动速度范围，即根据工业风机和家用电扇在不同转速范围工作时雷诺数不同的特点，采用不同的前掠角设计，前掠角变化的幅度范围一般为11°－38°。采用了前 掠角设计的叶片，在前掠角度较小时对叶片上的压力分布影响较小，前掠角度较大时则对叶片上的压力分布影响增大，不仅能有效地扼制低速时的翼尖失速，在高速运行时大前掠角也不会产生不良后果，这样，大前掠角设计在大弯度叶片中可以有效地获得高CL值，又同时获得了拓宽的使用速度范围，大大提高了叶片的使用性能。
综上所述，采用BZK、WZ和前掠结合大弯度扭转的叶片，具有优异的性能和节能降噪效果：
1、BZK结构的运用，改善了叶面的压力分布，使叶片在几乎不增大阻力系数CD情况下，使可用的升力系数CL达到5－7，因而极大地提高了升阻比L／D值，这对于一般的普通曲板式叶片是不可想象的。
2、BZK结构的运用使叶片在亚临界的低雷诺数状态下运行，能保持层流不分离，而在高CL值时能保持亚临界低速的稳定运行，克服了层流分离导致的叶片失速，阻力大增，效率降低的严重弊端。
3、WZ系统和BZK结构都对气流的横向运动及引致的气流涡动而产生诱导阻力有明显的扼制效果，对改善叶片性能，降低气动噪声，减少损耗，提高效率都有明显作用。
4、大弯度的叶型能得到较高的CL值，由于结合采用了大前掠角设计之后又解决了低速问题，因而扩大了叶片的使用速度范 围，使其具有高CL值和宽速范围里稳定运行的良好性能。
以下对图例进一步说明如下：
图一如前已述为BZK结构的横剖视图，Ⅰ为气流驻点，在翼展（纵向构成叶片的前缘，Ⅱ为翼弦的尾部，在翼展纵向构成叶片的后缘，φ1为前排小孔，φ2为后排大孔，Ⅲ为空腔，Ⅳ为附着上叶面的紊流层，它的厚度不断增加则进一步形成分离气泡。叶片周围的外层气流为层流状态，叶片的气动迎角为α。
图二则进一步显示了BZK结构的外型及孔系分布。图三为存在翼尖凸露的叶片端部结构，图中A为高压区，B为低压区，Ⅰ为前缘，Ⅱ为后缘，0－0为涡动气流涡轴。图四说明了图三中气流涡动的进一步后果，L为叶片翼展长度，a处表示气流发生上洗，b处为下洗，c处为上下洗交汇后形成涡流继续往下游扩展，使实际翼展长度L′＜L。图五为WZ装置改变气流横向流动的示意图，图六、图七进一步显示了WZ弧形挡板的具体形状和结构，其中图七为图六中的A－A剖面图。以下结合实施例图例说明如下：
图八为本实用新型在家用吊扇中的应用实施例的外型立体图，该实施例具体结构尺寸见图九图十（1）、（2）和图十一，图十二各图所示，其中图九为本实施例的平面投影图，图中翼展形成的回转直径D＝1200mm，A即为WZ系统，共有三组弧形挡板组成，其分布半径分别为R1＝550mm，R2＝500mm，R3＝450mm。图中B即为BZK系统中的前后排孔系，叶片前掠的转折处形成的分型直径D1＝600mm， 此转折分型直径把叶片分成内区Ⅰ和外区Ⅱ，在内区Ⅰ和外区Ⅱ内的BZK前后排各功能孔的孔径、孔距均不同，现对照图二和图九将各尺寸列于表一
其中l仍为前已述翼型弦宽尺寸。
WZ系统挡板的具体尺寸见图十（1）和（2），其中长度单位均为mm。
图十一表示构成前掠角的各参数及叶片根部经过整流后的各参数。
图十二表示叶片扭转之后在不同截面处所形成的实际迎角，近叶根处的迎角β＝17°，叶端处的迎角α＝3°。
本实施例中叶片翼型是以NACA6409型为基型结合采用本实用 新型的BZK结构，WZ系统及前掠大弯度扭转改进设计而成的，叶片材料可采用薄型金属板材或ABS工程塑料成型，吊扇性能优于常规曲板结构吊扇，其转速可适用于180－500转／分范围，直径为1200mm时功率≤60瓦。实施例2为600mm工业风机叶片，图十三为其正面投影图，整机由六片叶构成，图十四为俯视图其中的Ⅰ为整流罩，Ⅱ为叶盘，图中只保留一片叶片，图中所示叶端迎角α＝38°，叶根迎角β＝71°。图十五为其叶片的平面展开图，叶片弦长l＝120mm、前掠角θ＝20°。本实施例中的BZK结构和尺寸见图十六，图十七和表二。
表二 单位mm 孔位 孔位置 a R125 a R125 a′ R145 b R160 b′ R165 c R195 c′ R185 d R230 d′ R205 e R265 e′ R225 f R290 f′ R245 / / g′ R265 / / h′ R285 / /
图十七中可见φ1＝φ1.6mm φ2＝φ6.5mm
φ1距离前缘的尺寸c＝6mm，φ2距离前缘的尺寸d＝96mm。图十七所见的翼型剖面是在Sawyer翼型基础上结合采用本实用新型的BZK结构而成，图十八为本实用新型叶片在ZJ－60型风机上应用的实施例立体外形图，图中未画出风机涵道和支架等，本实施例在额定转速为1450转／分，空气流量为20000米3／小时，空气流射距为20米的工作参数条件下，其所需功率≤2.4KW，比原来的2.8KW下降可14.3％。本实施例对φ600mm直径的风机只要更换电机和风机叶片，而保留原涵道和支架，均可方便地实行改造，并可收到明显的技术经济效果。
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