问题

风扇有几片扇叶怎么设计的,家电风扇三片,排风扇 5-8 片,抽油烟机十几片,涡扇几十片?

回答
风扇的扇叶数量并非随意设定,它背后蕴含着空气动力学的精妙设计,旨在实现不同的功能和效率。你观察到的现象非常敏锐,从我们日常使用的电风扇到强大的涡轮风扇,扇叶数量的差异确实反映了它们各自的使命。

家电风扇(通常三片):为什么是三片?

三叶风扇可以说是最普遍的家用风扇设计。它的设计理念在于效率与成本的平衡。

空气动力学效率: 三片扇叶能够比较有效地切割空气,产生一股相对集中的气流。在转速恒定的情况下,三片扇叶的组合能够提供一个舒适且能覆盖一定范围的送风效果。太少的扇叶(如两片)在同等转速下,气流会比较分散,而且容易产生晃动;太多的扇叶(如四片或更多),在低转速下,风感会变得比较柔和但不够有力,而在高转速下,由于扇叶之间的相互干扰和空气阻力增加,效率反而会下降,同时噪音也会更大。
稳定性与平衡: 三片扇叶的对称性非常好,在电机驱动下更容易保持平衡,减少运转时的震动,从而降低噪音。想象一下一个三脚架,它天生就比四脚或更多脚的架子更稳定。
制造成本: 相比于更多叶片的风扇,三叶设计在制造上相对简单,所需的材料也更少,这直接体现在了产品的价格上。对于追求性价比的家电产品来说,三叶设计是一个非常明智的选择。
风感体验: 三叶风扇产生的风,通常被认为是一种比较直接、有力的风。很多人喜欢这种“吹得着”的感觉。

排风扇(58片):追求更强的换气能力

排风扇(比如浴室排风扇、墙壁上的通风扇)的主要任务是将室内污浊空气排出,引入新鲜空气。因此,它们的设计更侧重于空气的输送效率。

增加换气量: 更多的扇叶能够更有效地将空气从一个区域输送到另一个区域。在相同的转速下,更多的扇叶意味着在单位时间内能够“搬运”更多的空气。
减少气流脉动: 相比于三叶扇叶在高速旋转时可能产生的“一股一股”的风,叶片数量的增加,尤其是叶片形状和角度的优化,可以使得气流更加平稳,减少空气的扰动,从而在输送大量空气的同时,降低噪音和提高舒适度。
应对静压: 排风扇通常需要克服一定的空气阻力,比如管道内的摩擦、通风口的格栅等。拥有更多扇叶的设计,其叶片之间的间隙相对较小,有助于在克服这些阻力时保持较高的气流效率,也就是所谓的“静压”能力。

抽油烟机(十几片):强大的吸力是关键

抽油烟机的扇叶数量多,这是因为它需要解决一个非常棘手的空气动力学问题:在强力的吸力下,将油烟等复杂的污染物有效地吸入并排出。

高压差设计: 抽油烟机需要产生一个显著的负压区域,将厨房中的油烟“拉”过来。更多的扇叶,特别是它们经过特殊设计的形状(通常是弧形或螺旋形),可以在电机的高速旋转下,产生强大的离心力,将空气和污染物向外甩出,同时在叶片中心形成强大的吸力。
多级加速: 有些抽油烟机的扇叶设计可能更接近于一个多级离心式鼓风机的概念。每一级扇叶都可以加速空气的流动,从而在最终排出时产生更大的风量和风压。
抗油污和易清洁: 抽油烟机的扇叶设计还需要考虑油污的附着和清洁问题。扇叶的数量和形状也会影响其内部的油污积聚情况以及清洁的便利性。

涡扇(几十片甚至更多):航空工程的精髓

涡轮风扇(Turbofan),也就是我们常说的喷气式飞机的发动机前面的那个巨大的风扇,是扇叶数量最多的典型代表。它的设计目标是高效、低噪音地产生巨大的推力。

高涵道比设计: 涡扇发动机的核心在于其“涵道比”(Bypass Ratio)。所谓涵道比,就是旁通气流(未进入核心发动机,直接被风扇扇叶加速的气流)与进入核心发动机燃烧室的气流之比。现代高涵道比涡扇发动机的涵道比非常高,这意味着绝大部分的空气(高达80%以上)都绕过核心发动机,直接被巨大的前风扇扇叶加速后排出。
强大的推力来源: 这个被风扇扇叶加速的“冷气流”是产生推力的主要来源。扇叶数量越多,直径越大,叶片攻角设计越合理,就能在同等转速下驱动更多空气,产生更大的推力。想想看,它需要推动一架重达几十甚至几百吨的飞机。
效率和噪音: 增加扇叶数量并优化其气动外形(如薄翼型、扭曲度),可以提高扇叶的升力系数和降低阻力,从而提高气动效率。同时,通过精密的叶片设计,可以减少空气的湍流和涡流,显著降低发动机的噪音。高涵道比本身也比低涵道比发动机更安静。
复杂的气动学: 涡扇发动机的扇叶设计是航空工程中最复杂的部分之一。每一片扇叶都经过精密计算和模拟,以确保在高速、高压环境下能够稳定工作,并且最高效地将燃油能量转化为推力。扇叶的材料、叶尖速度、叶片之间的相互影响等都需要精确控制。

总结一下:

风扇扇叶数量的设计,本质上是在效率、功率、噪音、成本和特定功能之间进行权衡和优化的结果。

三叶风扇:平衡的效率、良好的稳定性、经济性,适合一般家用。
多叶片排风扇/抽油烟机:追求更大的空气输送量和克服阻力,通过增加叶片数量来提升效率,叶片形状设计也更复杂。
涡扇发动机:极端情况下的高效率和强大推力,采用了超大量、超精密的叶片设计,是航空领域气动学的集大成者。

所以,下次你看到不同风扇的扇叶数量时,不妨想想它们各自的任务,以及设计师是如何用这些细微的差别来实现各自功能的。这就像一个乐队,不同乐器的数量和音色组合,才能演奏出丰富多样的乐章。

网友意见

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作为叶轮机械博士。。。我认为我是有一定发言权的

这个研究包括风机,水泵,风力发电机,螺旋桨,压气机,涡轮等等吧

实际上你说的这几个这几个东西都可以叫做compressor


为什么叶片数不同?

实际上决定主要是由于负荷和流量不同造成

总结一句话:叶片数越多,每一个叶片的负荷就越小,越不怕发生流动分离。


家用电风扇负荷最小,不需要克服什么管道阻力。

由于负荷小,我们根本不必担心流动发生边界层分离。减小叶片数反而能够使得流通面积增大,增大流量,所以叶片数最少


航空发动机的风扇为了给燃烧室提供高压,所以压比最大,负荷也就最高

为了保证叶片不出现流动分离,超过每个叶片所能容忍的工作限度,所以需要的叶片数最多


排气风机和抽油烟机介于两者之间,他们需要克服管道阻力,但是并不需要太高的压比,所以叶片数介于吹风的风扇和发动机风扇之间。


-----------------更新:没想到这么多人对这个东西感兴趣

叶片表面边界层分离是压气机常见的一种流动现象。

简而言之:由于边界层内速度小,当流体收到与流动速度方向相反的压力作用时,就可能发生回流。边界层分离的必要条件就是逆压力梯度。

刚好压缩机为了是流体的压力提高,叶片通道内刚好就是逆压力梯度流动,所以有发生边界层分离的可能。

边界层分离之后叶片的性能就会恶化,这点有点类似于飞机机翼边界层分离的后果。会造成压缩机效率降低,工作变得不稳定。

简单理解就是:当我们把叶片增加之后,叶片之间的间距就减小了,增大了对流体的束缚,所以边界层更不容易分离。


实际这个问题里面大有学问:

对于发动机这种质量克克计较的叶轮机械,我们必须要采用尽量少的叶片数,同时又不至于过少而导致流动分离,所以目前航发压缩机叶片数的选取还是有很强的经验性在里面,也是国内很多航发设计者自己也摸不清楚的一个问题。


再次更新-------------------------------作为科普吧

(知乎上也有很多行内砖家在叶轮机械领域讲得煞有其事,很多不明所以的群众默默点赞,搞得完全错误的回答却变成了高票。不经感慨道懂行的叶轮机械人可能极少会来知乎吧,毕竟发动机研究的工作量特别大,哪有时间逛知乎啊)

上面的叶轮机械大致可以分为两类,原理上有很大的区别。

第一类是:风机,风扇,压气机,水泵,汽轮机,风力透平

第二类是:飞机或者船舶的螺旋桨


第一类叶轮机械的原理是利用转子叶片叶片产生一个周向的叶片力,然后根据W=F*U,所以叶片对气流做功或者气流对叶片做功。(这是不严格的理解,毕竟动能定理实际不能分解,但是初步可以这么认为,更严格的理解是动量矩定理来计算)

这一类的叶轮机械做功服从的是叶轮机械的欧拉方程,周向上的动量(动量矩)变化是做功的关键,而轴向上的动量变化不是很大,轴向力实际并不太大(进出口轴向速度实际上大致相等)。

流体做功之后周向动量增大,然后我们在通过静子叶片将气流速度减小,动能就转化为压力了。

当然类似于电风扇这种我们就是需要动能,所以也就不必要增加静子了。

这里面如果更进一步的话,我们还可以分为耗功机械和做功机械两个相反的过程。比如压气机是需要输入功,汽轮机是对外输出功

此外比较特殊的是风力机透平,它的叶片数很少,而且没有涵道,完全与外部大气联通

它的做功完全来自于空气的动能,而且流速比较低,基本属于不可压缩流动,关键是需要自己提供进出口压差维持空气流动,不像汽轮机蒸汽本身进口压力就远远大于出口压力。

总结一句话:第一类叶轮机械需要气流的能量让叶轮转动起来(或者相反过程),所以周向动量变化是关键,轴向动量变化是次要的。

参考《叶轮机械原理》


第二类叶轮机械刚好相反,周向动量的增加对它根本没有意义,轴向动量变化让它有一个前进的动力是关键。

所以这类叶轮机械主要就是希望叶轮转动能够让气流轴向速度增大

参考《螺旋桨原理》


也由此可见二战时飞机的螺旋桨和现在涡轮喷气式发动机的压气机根本就完全不同的两种叶轮机械。而涡扇发动机的风扇兼有这两种叶轮机械的特点,所以兼顾了效率和动力。


上次看到某回答连螺旋桨和压气机都没有区分开,也拿到了高赞回答,真让我感觉知乎里面虽然说一堆别人听不懂的名词骗高赞也是不无存在的。可见少上知乎,多学习还是很有必要的,否则一来不能回答出正确答案,二来不能看出错误答案,就比较尴尬了。

据说螺旋桨飞机要想超音速,桨叶末端要数倍于音速,所以很难,那涡喷的压气机和涡轮为什么没有这个问题? - 知乎(注:两个高票回答都是错误的)

5.31更新-------------

电风扇的轴向动量增加还是很明显的,所以可能更接近于一个螺旋桨,而不是轴流式压气机,或者轴流式风机。此外类似于电吹风也是这种情况。

毕竟它们工作的目的就是为了短距离内提高流体速度,而不是为了输运流体,提高流体压力。

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