[发明专利]一种高升力系数、高升阻比的叶片

说明书

本发明属于工业风机，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。

本发明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，本发明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。

本发明根据如上的分析，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。