專利名稱：螺旋式風(fēng)動葉輪及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種螺旋式風(fēng)動葉輪，它包括至少兩個葉片，正如在剖面上所看到的，這些葉片是大致相等的弧形，并且平行于旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置，以使葉片相對于柱面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度有最合適的等同的間隔。為了產(chǎn)生風(fēng)動葉輪的螺旋形式，葉片剖面設(shè)置成繞風(fēng)動葉輪的縱向旋轉(zhuǎn)。
通常的上述形式的葉輪叫做Savonius葉輪，如在芬蘭專利號為FI65940的專利中所保護(hù)的那樣，由半圓柱形的兩個葉片組成，相對于旋轉(zhuǎn)軸線對稱設(shè)置。這種葉輪的剖面沿縱向保持恒定并且其頂邊和底邊設(shè)有蓋板。
為了進(jìn)一步發(fā)展上述提及的葉輪，在芬蘭專利號為FI67919的專利中出現(xiàn)了經(jīng)過進(jìn)一步改造的風(fēng)動葉輪。這就是所說的風(fēng)側(cè)(Windside)葉輪，它取消了蓋板，增加了螺旋形，從而消除了在葉輪中所述的死區(qū)。在這種風(fēng)動葉輪中，xy平面的剖面繞風(fēng)動葉輪的垂直軸線平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)，同時，沿風(fēng)動葉輪的縱向移動。上述的葉輪結(jié)構(gòu)包括一個機(jī)架和兩個具有弧形剖面的橢圓形葉片，并且是繞幾何軸線在軸向上對稱設(shè)置，以使葉片的拱面彼此部分重疊，并在葉片的內(nèi)邊之間留有一個軸向間隙。另外，葉片相對于彼此以螺旋的形式扭轉(zhuǎn)。葉輪軸是葉輪結(jié)構(gòu)的一部分，它平行于幾何軸線并且其一端與機(jī)架相連。此葉輪結(jié)構(gòu)包括橫向于葉輪軸、與葉輪的邊彼此相連的棱狀的連接器，從而加固了葉輪的結(jié)構(gòu)。此葉輪連接器在縱向上依次被調(diào)整并且在剖面上是拱曲的，例如，機(jī)翼的輪廓形狀。有關(guān)的公開文件是風(fēng)動葉輪的申請，其中葉片的扭轉(zhuǎn)是180°。
上述改進(jìn)的風(fēng)動葉輪由于它的螺旋形狀，明顯比前面類似的葉輪更好，因為從任何方向吹來的風(fēng)都使風(fēng)動葉輪運(yùn)動。這種類型的風(fēng)動葉輪的主要問題仍然在于它的制造難度，總要制成一個整個風(fēng)動葉輪長度的模，因為此葉輪不能由平面的板坯制成。因此上述風(fēng)動葉輪的制造成本同樣很高，因為為了達(dá)到滿意的效果，這樣的制造首先要求非常精確的尺寸，其次還要有高超的專業(yè)技能。這種解決方法的另一問題是當(dāng)制造稍微有些不同尺寸的風(fēng)動葉輪時，整個專用的模必須單獨標(biāo)出并且單獨制造。
本發(fā)明的螺旋式風(fēng)動葉輪的目的是產(chǎn)生一種對于上述問題有決定性的改進(jìn)，這樣從根本上提高了本領(lǐng)域的技術(shù)水平。為了達(dá)到這個目的，本發(fā)明風(fēng)動葉輪的主要特征在于此風(fēng)動葉輪的葉片剖面基本上區(qū)別于半圓形，從而能夠制造出一個基本上是平面的葉片坯。
本發(fā)明風(fēng)動葉輪最主要的優(yōu)點是便于制造，因為不必制造一個整個風(fēng)動葉輪長度的混凝土鑄模，而是用原材料，例如用碾壓的平面葉片坯或者是傾向于用由彈性材料制成的適當(dāng)形狀的葉片坯，能非常容易地制造出滿意的風(fēng)動葉輪形狀。用例如薄的金屬板或聚合物板，此葉片可以被支承到具有例如管狀機(jī)架的頂邊和底邊的適當(dāng)位置上，并且剛性軸結(jié)構(gòu)保持適當(dāng)?shù)母叨?，葉片的其它部分調(diào)整到適當(dāng)形狀。相應(yīng)地，葉片也可以沿內(nèi)邊和外邊的螺旋線被支承。因此本發(fā)明風(fēng)動葉輪的制造成本尤為低廉，并且由于用于平面葉輪坯的計算的形狀的確定，對于稍微改動尺寸的風(fēng)動葉輪的制造也很容易并且很精確。
在相應(yīng)的獨立權(quán)利要求中示出了本發(fā)明風(fēng)動葉輪的優(yōu)選實施例。
本發(fā)明還涉及一種用于制造風(fēng)動葉輪的方法，在該方法的獨立權(quán)利要求中更詳細(xì)地限定了該方法。本方法的主要特征是在相應(yīng)權(quán)利要求的特征部分。
本發(fā)明的方法最重要的優(yōu)點是用于平面葉片坯的技術(shù)的簡化和其計算上的清晰的處理或其形狀清楚的確定，使得風(fēng)動葉輪的制造成本降得更低了。此方法不同于類似形式的風(fēng)動葉輪的現(xiàn)有的制造方法，其主要的優(yōu)點是風(fēng)動葉輪能夠用算式算出如數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的平面坯，此坯用一種用于板材料形成的適當(dāng)?shù)姆椒?，能進(jìn)一步形成非常精確地算出的風(fēng)動葉輪。本發(fā)明更特別的優(yōu)點是因為不再需要一個整個的風(fēng)動葉輪的模的長度，所以本發(fā)明的風(fēng)動葉輪能夠用非常簡單的支承結(jié)構(gòu)來組裝，并通過計算把平面葉片坯確定到理想的形式。本發(fā)明另一個主要的優(yōu)點是用于葉片的原材料比在現(xiàn)有的處理方法中所用的有更多的選擇。
在相應(yīng)的獨立權(quán)利要求中示出了本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施例。
下面將詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中

圖1是普通風(fēng)動葉輪的葉片的剖面圖和在所涉及的數(shù)理學(xué)科中所用的參數(shù)，圖2是一種普通風(fēng)動葉輪的葉片的平行投影和在數(shù)理學(xué)科中所用的三維參數(shù)，圖3是一種本發(fā)明的風(fēng)動葉輪的平面展開葉片和在數(shù)理學(xué)科中所用的平面展開參數(shù)，圖4是普通的風(fēng)動葉輪的剖面圖，圖5是本發(fā)明的風(fēng)動葉輪的剖面圖，圖6是本發(fā)明的一種風(fēng)動葉輪的平面展開葉片，和圖7是本發(fā)明的一種風(fēng)動葉輪的葉片的平行投影。
螺旋式風(fēng)動葉輪包括至少兩個葉片1，如在剖面圖中所示，這些葉片是大致相等的弧形，并且平行于旋轉(zhuǎn)軸線o設(shè)置，以使葉片1相對柱面坐標(biāo)系o，z的旋轉(zhuǎn)角度按最適當(dāng)?shù)牡韧g隔來設(shè)置。為了產(chǎn)生螺旋式的風(fēng)動葉輪，此葉片的剖面sp設(shè)置成繞風(fēng)動葉輪的縱向z旋轉(zhuǎn)。此風(fēng)動葉輪的葉片剖面sp的設(shè)置基本上不同于半圓形，從而能夠制成大致為平面的葉片坯。
作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，尤其是對于圖1，2和3，并且用在它們中所表示的參數(shù)，確定了作為一個邊界值問題而提出的剖面sp的形狀f(φ)和平面展開葉片1′的剖面曲線ξ(φ)，η(φ)ξ′(φ)2+η′(φ)2＝f(φ)2+f′(φ)2Ef(φ)(HΨ1+E2Q24+ξ(φ))+η(φ)HΨ1+E2Q24+ξ(φ)-Ef(φ)η(φ)=η′(φ)ξ′(φ)]]>(HΨ1+E2Q24+ξ(φ))2+η(φ)2=H2Ψ2(1+E2f(φ)2)]]>ξ(0)＝0η(0)＝0f(0)=Q2]]>f(π)=12]]>另外，圖6中的平面展開葉片1′是從一個圓環(huán)帶切下的一部分，它的其它尺寸由方程來確定ρ0=HΨ1+E2Q24]]>ρπ=HΨ1+E24]]>另一個優(yōu)選實施例，尤其是在圖7中所示出的方案，整個風(fēng)動葉輪的螺旋式扭轉(zhuǎn)是U＝180°和葉輪高度為H＝2?？紤]到實際的應(yīng)用，可能優(yōu)選用一個更長的葉輪，例如H＝4。它當(dāng)然也可以用螺旋角為90或者其它的角度。它還可能構(gòu)成一個例如在同一個剖面中有三個葉片的風(fēng)動葉輪。
因此，本發(fā)明的方法是制造基本上是平面坯的葉片，其中葉片剖面的設(shè)置基本上不同于半圓形。
以上是用數(shù)理學(xué)科的觀點來討論的，其中用了圖1和2中的參數(shù)，以下是用于半圓形葉片的xy平面的剖面方程方程1f(φ)=-1-Q4cos(φ)+14(1-Q)2cos(φ)2+4Q]]>與xy平面的剖面形狀無關(guān)，它可以是方程2s(φ)=∫0φf(t)2-f′(t)2dt]]>方程3g(φ)=HE2f(φ)2+1]]>方程4tan(β(φ))＝Ef(φ)如果葉片的表面展開成平面，首先要求的是應(yīng)該修改在頂邊和底邊的棱角β(0)和β(π)。因為β(φ)不是恒定的，底邊不能繪制成一條直線。
坯的放置以使向上的螺旋邊被繪制成垂直的并且底邊的內(nèi)棱是在底部的左側(cè)。因為xy平面的剖面的不同點的軌跡有不同的長度，所以坯的垂直邊也不直。還因為它必須有一個不變的寬度，所以它應(yīng)該繪制成一個環(huán)形扇面。這種在垂直方向上的規(guī)則性意味著它確實是一個圓環(huán)帶。
其次，關(guān)于平面展開葉片的幾何概念，尤其是關(guān)于它的底邊或展開的剖面曲線的概念ρ(φ)環(huán)帶的半徑，ρ0環(huán)帶的內(nèi)徑，ξ(φ)剖面曲線的水平坐標(biāo)，η(φ)剖面曲線的垂直坐標(biāo)，θ(φ)剖面曲線的半徑與水平方向所成的角度，ψ整個環(huán)帶扇面的角度。
此剖面曲線開始于在左低點ξ＝0，η＝0的方向角β(0)，并且它沿曲線的長度是s(φ)。此坐標(biāo)通常不用封閉的形式表示。導(dǎo)數(shù)φ可以表示為方程5ξ′(φ)＝s′(φ)cos(β(φ)-θ(φ))=f(φ)2-f′(φ)2cos(β(φ)-θ(φ))]]>方程6ηξ(φ)＝s′(φ)sin(β(φ)-θ(φ))=f(φ)2-f′(φ)2sin(β(φ)-θ(φ))]]>下面附帶地得出角度θ(φ)方程7tan(θ(φ))=η(φ)ρ0-ξ(φ)]]>直接得出用于扇形曲率半徑的通常的公式方程8ρ(φ)=g(φ)Ψ]]>=HΨE2f(φ)2+1]]>
此曲率半徑也可以是ξ和η坐標(biāo)的函數(shù)，如方程9ρ(φ)=(ρ0+ξ(φ))2+η(φ)2]]>由方程5至方程9導(dǎo)出含有三個末知函數(shù)f(φ)，ξ(φ)，和η(φ)的一組三個微分方程方程10ξ′(φ)2+η′(φ)2＝f(φ)2+f′(φ)2方程11Ef(φ)(HΨ1+E2Q24+ξ(φ))+η(φ)HΨ1+E2Q24+ξ(φ)-Ef(φ)η(φ)=η′(φ)ξ′(φ)]]>方程12(HΨ1+E2Q24+ξ(φ))2+η(φ)2=H2Ψ2(1+E2f(φ)2)]]>從定義直接獲得關(guān)于函數(shù)ξ(φ)和η(φ)的初始條件公式13ξ(0)＝0η(0)＝0要求剖面曲線的始點和終點落在與旋轉(zhuǎn)軸線相同的直線上，從而獲得如下的邊界狀態(tài)方程14f(0)=Q2]]>f(π)=12]]>風(fēng)側(cè)葉輪(FI67919)的半圓形剖面曲線或方程1不滿足在方程10至14中說明的條件。
扭轉(zhuǎn)角度接近零時的特例是一種特殊情況。然后傾角β(φ)接近恒定零度，g(φ)接近一個恒定值，并且曲率半徑ρ增加至無窮。在豎直葉片的情況下，任何函數(shù)f(φ)都滿足所設(shè)定的用于一種能夠展開成平面的葉片坯的條件。
現(xiàn)在的任務(wù)是算出滿足方程式10至14中條件的形狀。這些復(fù)雜的非線性的微分方程只能通過數(shù)值方法解出。已經(jīng)設(shè)置了參數(shù)Q，滿足方程14的邊界條件的坯的扇形角ψ通過試算和選代法進(jìn)行尋優(yōu)。這種解決方法使我們得出方程f(φ)，ξ(φ)，和η(φ)的近似值。
似乎每一個參數(shù)Q的值都能找到一個唯一的解，當(dāng)此值落入范圍(δ，1)的時候，δ是一個低限，在數(shù)值0.2附近。在較小的值和當(dāng)接近于低限時，不能找到一個解，曲線從葉輪軸線非常陡地開始，這種形狀是不適宜的。如果起始的基本幾何條件有某種修改，就能夠得到其它的展開成平面的葉片形狀。
為了繪出一個平面坯，還要解出坯的其它尺寸。從方程8得出環(huán)形扇面的內(nèi)邊和外邊的半徑方程15ρ0=HΨ1+E2Q24----ρπ=HΨ1+E24]]>從此方程中還得出內(nèi)邊弦J和傾角函數(shù)β(φ)方程16J=2ρ0nsin(Ψ2)]]>方程17β(φ)＝arctan(Ef(φ))圖7是一種以平行投影按照上述的程序形成的風(fēng)動葉輪。
用于平面坯的材料應(yīng)該是這樣的，即它可以彎曲但不太容易拉伸。薄金屬板和許多聚合物板的性能恰好如此。當(dāng)此結(jié)構(gòu)用例如一個管狀機(jī)架僅僅在頂邊和底邊來支承并且剛性軸結(jié)構(gòu)保持適當(dāng)?shù)母叨葧r，此葉片的其余部分調(diào)整為適當(dāng)形狀。另一方面，彈性的彎曲傾向于在縱向上拉伸此風(fēng)動葉輪，這意味著軸和葉輪的緊固必須被設(shè)計成克服這種變形?？紤]到風(fēng)動葉輪的操作，軸附近是敞開的也是必要的，它使空氣能夠從一個葉片流動到另一個葉片，在設(shè)計例如潛在的支承結(jié)構(gòu)時自然必須考慮到這一問題。
顯然本發(fā)明不局限于具體實施例或以上的描述，但它能夠在基本意思一致的情況下進(jìn)行修改。例如選擇方程10的邊界條件以使葉片剖面的起點和終點與葉輪軸線都在同一條直線上。另外，還可以選擇用于微分方程的邊界條件，使葉輪還可以展開成平面。在這樣的情形中，可以得到這樣一葉片，從每一邊去掉一條(strip)，或者它要么向內(nèi)延伸，要么向外延伸。也可以彈性地支承葉輪葉片以使葉輪直徑在大風(fēng)中暫時增加。
權(quán)利要求
1.螺旋式風(fēng)動葉輪，包括至少兩個葉片(1)，這些葉片從剖面圖中看是大致相等的弧形，并且平行于旋轉(zhuǎn)軸線(o)設(shè)置，以使此葉片(1)設(shè)置成相對于柱面坐標(biāo)系(o，z)的旋轉(zhuǎn)角度有最適合的等同的間隔，其中為了產(chǎn)生風(fēng)動葉輪的螺旋形式，葉片剖面(sp)設(shè)置成繞此風(fēng)動葉輪的縱向(z)旋轉(zhuǎn)，其特征在于此風(fēng)動葉輪的葉片的剖面(sp)設(shè)置成大致不同于半圓形，從而能夠使葉片由大體為平面形的坯制成。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)動葉輪，其特征在于，此平面展開葉片(1′)是一個圓環(huán)帶切下的一部分，其中此葉片剖面(sp)的形狀和此圓環(huán)帶尺寸以及此剖面曲線都由方程來確定ξ′(φ)2+η′(φ)2＝f(φ)2+f′(φ)2Ef(φ)(HΨ1+E2Q24+ξ(φ))+η(φ)HΨ1+E2Q24+ξ(φ)-Ef(φ)η(φ)=η′(φ)ξ′(φ)]]>(HΨ1+E2Q24+ξ(φ))2+η(φ)2=H2Ψ2(1+E2f(φ)2)]]>ξ(0)＝0η(0)＝0f(0)=Q2]]>f(π)=12]]>ρ0=HΨ1+E2Q24]]>ρπ=HΨ1+E24]]>，其中H＝葉輪高度，Q＝葉片內(nèi)邊之間的間隙，與此葉輪的直徑成比例，φ＝xy平面極角坐標(biāo)，在葉片內(nèi)邊φ＝0，f(φ)＝從葉輪軸線至葉片的距離，作為極角φ的函數(shù)，它與葉輪直徑成比例，ξ(φ)＝展開的剖面曲線的水平坐標(biāo)，η(φ)＝展開的剖面曲線的垂直坐標(biāo)，ρ0＝圓環(huán)帶的內(nèi)徑，ρπ＝圓環(huán)帶的外徑，ψ＝整個環(huán)形扇面的角度，U＝葉片總的螺旋扭轉(zhuǎn)，E＝葉片的螺旋斜度＝U/H。
3.如權(quán)利要求1-2之一所述的風(fēng)動葉輪，其特征在于，葉輪總的螺旋扭轉(zhuǎn)U＝π或180°，并且葉輪的高度H＝4。
4.用于制造一種螺旋葉輪的方法，該螺旋葉輪包括至少兩個葉片(1)，這些葉片從剖面圖中看是大致相等的弧形，并且平行于旋轉(zhuǎn)軸線(o)設(shè)置，以使此葉片(1)設(shè)置成相對于柱面坐標(biāo)系(o，z)的旋轉(zhuǎn)角度有最適合的等同的間隔，其中為了產(chǎn)生風(fēng)動葉輪的螺旋形式，葉片剖面(sp)設(shè)置成繞此風(fēng)動葉輪的縱向(z)旋轉(zhuǎn)，其特征在于此風(fēng)動葉輪的葉片由一個大致為平面形的坯制成，其中此葉片的剖面(sp)基本上不同于半圓形。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于此平面展開葉片(1′)是一個圓環(huán)帶切下的一部分，其中此葉片剖面(sp)的形狀和此圓環(huán)帶尺寸以及此剖面曲線都由方程來確定ξ′(φ)2+η′(φ)2＝f(φ)2+f′(φ)2Ef(φ)(HΨ1+E2Q24+ξ(φ))+η(φ)HΨ1+E2Q24+ξ(φ)-Ef(φ)η(φ)=η′(φ)ξ′(φ)]]>(HΨ1+E2Q24+ξ(φ))2+η(φ)2=H2Ψ2(1+E2f(φ)2)]]>ξ(0)＝0η(0)＝0f(0)=Q2]]>f(π)=12]]>ρ0=HΨ1+E2Q24]]>ρπ=HΨ1+E24]]>，其中H＝葉輪高度，Q＝葉片內(nèi)邊之間的間隙，與此葉輪的直徑成比例，φ＝xy平面極角坐標(biāo)，在葉片內(nèi)邊φ＝0，f(φ)＝從葉輪軸線至葉片的距離，作為極角φ的函數(shù)，它與葉輪直徑成比例，ξ(φ)＝展開的剖面曲線的水平坐標(biāo)，η(φ)＝展開的剖面曲線的垂直坐標(biāo)，ρ0＝圓環(huán)帶的內(nèi)徑，ρπ＝圓環(huán)帶的外徑，ψ＝整個環(huán)形扇面的角度，U＝葉片總的螺旋扭轉(zhuǎn)，E＝葉片的螺旋斜度＝U/H。
全文摘要
螺旋式風(fēng)動葉輪,包括至少兩個葉片(1),這些葉片從剖面圖中看是大致相等的弧形,并且平行于旋轉(zhuǎn)軸線(o)設(shè)置,以使此葉片(1)設(shè)置成相對于柱面坐標(biāo)系(o,z)的旋轉(zhuǎn)角度有最適合的等同的間隔,其中為了產(chǎn)生風(fēng)動葉輪的螺旋形式,葉片剖面(sp)設(shè)置成繞此風(fēng)動葉輪的縱向(z)旋轉(zhuǎn)。風(fēng)動葉輪的葉片的剖面(sp)設(shè)置成大致不同于半圓形,從而能夠使葉片由大致為平面形的坯制成。本發(fā)明還涉及用于制造上述形式的風(fēng)動葉輪的方法。
文檔編號F03D3/00GK1268999SQ98806114
公開日2000年10月4日 申請日期1998年5月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月30日
發(fā)明者R·亞科拉 申請人:希爾德有限公司