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TWI821411B - 葉片及使用其的軸流葉輪 - Google Patents

葉片及使用其的軸流葉輪 Download PDF

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TWI821411B
TWI821411B TW108134462A TW108134462A TWI821411B TW I821411 B TWI821411 B TW I821411B TW 108134462 A TW108134462 A TW 108134462A TW 108134462 A TW108134462 A TW 108134462A TW I821411 B TWI821411 B TW I821411B
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Taiwan
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blade
rotation axis
blades
curve
line
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Application number
TW108134462A
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English (en)
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TW202020313A (zh
Inventor
袁斌
王利
吳成剛
朱劍
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大陸商約克廣州空調冷凍設備有限公司
美商江森自控泰科知識產權控股有限責任合夥公司
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Priority claimed from CN201821560173.9U external-priority patent/CN209012127U/zh
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    • F04D29/384—Blades characterised by form
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Abstract

本申請公開一種葉片，包括葉尖、葉根、前緣和尾緣，其中所述前緣和所述尾緣分別從所述葉尖延伸至所述葉根；所述葉片能夠繞一旋轉軸線旋轉，所述旋轉軸線與所述旋轉軸線的一法向平面垂直相交於垂足；所述前緣沿所述旋轉軸線在所述法向平面上的投影爲第一曲線，所述第一曲線具有偶數個拐點。本申請的葉片能夠在葉片轉動時降低噪聲，并且提升氣動性能。

Description

葉片及使用其的軸流葉輪
本申請涉及風機、泵和壓縮機等旋轉機械領域，更確切的說涉及一種葉片及使用其的軸流葉輪。
傳統的葉片的前緣和尾緣為單調光滑的曲線，由於葉片表面流動分離嚴重，形成渦流，因此葉片氣動性能較低，噪聲較大。
本申請的示例性實施例可以解決至少一些上述問題。
根據本申請的第一方面，本申請提供一種葉片，包括葉尖、葉根、前緣和尾緣，其中所述前緣和所述尾緣分別從所述葉尖延伸至所述葉根；所述葉片能夠繞一旋轉軸線旋轉，所述旋轉軸線與所述旋轉軸線的一法向平面垂直相交於垂足；所述前緣沿所述旋轉軸線在所述法向平面上的投影為第一曲線，所述第一曲線具有偶數個拐點。
根據上述第一方面的葉片，所述拐點的個數為2個、4個或6個。
根據上述第一方面的葉片，所述拐點的個數的選擇能夠減小渦流的形成。
根據上述第一方面的葉片，所述第一曲線上任意一點與所述垂足的連線為第一連線；所述葉根與所述前緣的交點沿所述旋轉軸線在所述法向平面上的投影點與所述垂足的連線為第二連線；所述第一連線與所述第二連線的夾角稱為包角θ；所述第一曲線上的任意一點的包角θ滿足θ
Figure 108134462-A0305-02-0004-1
[0°,40°]。
根據上述第一方面的葉片，所述尾緣具有數個槽。
根據上述第一方面的葉片，所述尾緣沿所述旋轉軸線在所述法向平面上的投影為第二曲線，其中每一個槽的槽壁之間的夾角為α、槽深為H，第二曲線的長度為L；所述夾角與所述槽深滿足：α
Figure 108134462-A0305-02-0004-2
[10°,100°]；H=K×L，K
Figure 108134462-A0305-02-0004-3
[1.5%,20%]；并且所述葉尖與所述尾緣的交點沿所述旋轉軸線在所述法向平面上的投影點位於所述槽壁上。
根據上述第一方面的葉片，所述數個槽之間的間距相同。
根據上述第一方面的葉片，所述數個槽的開口寬度相同，并且所述槽深成等差遞增。
根據上述第一方面的葉片，所述數個槽中的每一個槽的底部為圓弧形。
根據本申請的第二方面，本申請提供一種軸流葉輪，包括輪轂，所述輪轂具有旋轉軸線，所述輪轂能 夠繞所述旋轉軸線轉動；和至少兩片葉片，所述至少兩片葉片佈置在所述輪轂的外圓周面上，并且所述至少兩片葉片中的每一片包括葉尖、葉根、前緣和尾緣，其中所述前緣和所述尾緣分別從所述葉尖延伸至所述葉根；所述葉片能夠繞一旋轉軸線旋轉，所述旋轉軸線與所述旋轉軸線的一法向平面垂直相交於垂足；所述前緣沿所述旋轉軸線在所述法向平面上的投影為第一曲線，所述第一曲線具有偶數個拐點。
根據本申請的第三方面，本申請提供一種葉片，包括葉尖、葉根、前緣和尾緣，其中所述前緣和所述尾緣分別從所述葉尖延伸至所述葉根；所述葉片的所述尾緣具有數個槽。
根據上述第三方面的葉片，所述葉片能夠繞一旋轉軸線旋轉，所述旋轉軸線與所述旋轉軸線的一法向平面垂直相交於垂足；所述尾緣沿所述旋轉軸線在所述法向平面上的投影為第二曲線，其中每一個槽的槽壁之間的夾角為α、槽深為H，第二曲線的長度為L；所述夾角與所述槽深滿足：α
Figure 108134462-A0305-02-0005-4
[10°,100°]；H=K×L，K
Figure 108134462-A0305-02-0005-5
[1.5%,20%]；并且所述葉尖與所述尾緣的交點沿所述旋轉軸線在所述法向平面上的投影點位於所述槽壁上。
根據上述第三方面的葉片，所述數個槽之間的間距相同。
根據上述第三方面的葉片，所述數個槽的開口寬度相同，并且所述槽深成等差遞增。
根據上述第三方面的葉片，所述數個槽中的每一個槽的底部為圓弧形。
根據本申請的第四方面，本申請提供一種軸流葉輪，所述軸流葉輪包括輪轂，所述輪轂具有旋轉軸線，所述輪轂能夠繞所述旋轉軸線轉動；和至少兩片葉片，所述至少兩片葉片佈置在所述輪轂的外圓周面上，并且所述至少兩片葉片中的每一片包括葉尖、葉根、前緣和尾緣，其中所述前緣和所述尾緣分別從所述葉尖延伸至所述葉根；所述葉片的所述尾緣具有數個槽。
本申請的葉片能夠提高葉片性能，降低運行噪聲。
100:軸流葉輪
110:輪轂
112:葉片
216:葉尖
218:葉根
220:尾緣
222:前緣
232:槽
502:輪廓線
702:尖部
704:槽壁
A、B、C、E、F、I、J、S、T:投影點
EF:槽底
FI:槽壁
G:底點
H:槽深
IJ:第二連接部
L:長度
MG:槽壁線
MN:開口寬度
NG:槽壁線
O:垂足
P:點
Q:分佈點
QG:直線
R、r:半徑
ST:第一連接部
SE:槽壁
X:旋轉軸線
a、b、c、d、e、f:拐點
θ:包角
α、β:夾角
本申請特徵和優點可通過參照附圖閱讀以下詳細說明得到更好地理解，在整個附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件，其中：圖1示出了使用本申請的一個實施例的葉片的葉輪的立體圖；圖2示出了圖1中的葉輪所使用的葉片的立體圖；圖3A示出了圖1中的葉片沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影圖；圖3B示出了本申請的另一個實施例的葉片沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影圖；圖3C示出了本申請的再一個實施例的葉片沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影圖； 圖4A-4B分別示出了普通葉片與本申請的葉片的渦量分佈對比圖、以及葉片上表面流線對比圖；圖5示出了葉片的沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影圖；圖6A示出了圖3A所示的槽的沿旋轉軸線X方向在法向平面上的放大的投影圖；圖6B示出了本申請的槽的另一個實施例的沿旋轉軸線X方向在法向平面上的放大的投影圖；圖7示出了圖3A的局部放大圖；圖8示出了本申請的葉片112與普通葉片的靜壓及總效率對比圖；圖9示出了本申請的葉片112與普通葉片的噪聲對比圖。
下面將參考構成本說明書一部分的附圖對本申請的各種具體實施方式進行描述。在以下的附圖中，同樣的零部件使用同樣的附圖號，相似的零部件使用相似的附圖號。
圖1是使用本申請的一個實施例的葉片的葉輪100的立體圖。如圖1所示，葉輪100包括輪轂110和三個葉片112。輪轂110具有旋轉軸線X。輪轂110垂直於旋轉軸線X的截面為圓形。三個葉片112均勻地佈置在輪轂110的外圓周面上，與葉片112連接成一體。輪轂110和葉片112能夠一同繞旋轉軸線X進行旋轉。作為一個示例，本 申請的葉輪100按順時針方向(即圖1中箭頭所示旋轉方向)繞旋轉軸線X進行旋轉。本領域的技術人員可以理解，輪轂110也可以是其他形狀，葉片112的個數為至少兩個即可。輪轂110的形狀可以與葉片112的個數配合設置。例如，當葉片112的個數為三個時，輪轂110垂直於旋轉軸線X的截面為三角形；當葉片112的個數為四個時，輪轂110垂直於旋轉軸線X的截面為四邊形。
圖2是圖1中的葉輪100所使用的葉片112的立體圖。如圖2所示，葉片112包括上表面、下表面、葉尖216、葉根218、前緣222和尾緣220。其中，“前緣222”表示沿葉片旋轉方向的前端邊緣。“尾緣220”表示沿葉片旋轉方向的後端邊緣。“葉根218”表示葉片與輪轂相交的邊緣。“葉尖216”表示與葉根相對的另一個邊緣。上表面和下表面分別從葉尖216延伸至葉根218，并且也分別從前緣222延伸至尾緣220。本申請的葉片112的尾緣220具有數個槽232，數個槽232中的每一個槽都朝向前緣222延伸。
葉輪100具有一個法向平面(未示出)，該法向平面垂直於旋轉軸線X設置，并且該旋轉軸線X與該法向平面的垂直的交點為垂足O(參見圖3A-3C)。本領域的技術人員可以理解，所述法向平面為一虛擬平面，用於更好地示出葉片112的前緣222和尾緣220的具體結構。本申請的葉片112的前緣222沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影為第一曲線，其中第一曲線具有偶數個拐點。所述 拐點為凹弧與凸弧的分界點。
圖3A是圖1中葉片112沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影圖。如圖3A所示，第一曲線具有兩個拐點，分別為拐點a和拐點b。葉根218與前緣222的交點沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影點為點A，葉尖216與前緣222的交點沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影點為點B。從點A至拐點a的曲線以及從拐點b至點B的曲線為凹弧；拐點a至拐點b的曲線為凸弧。點P為第一曲線上任意一點，點P與垂足O的連線為第一連線。點A與垂足O的連線為第二連線。第一連線與第二連線的夾角為包角θ。在本申請的實施例中，第一曲線上的任意一點P的包角θ滿足θ
Figure 108134462-A0305-02-0009-6
[0°,40°]，并且所述第一曲線上的任意一點P與垂足O的連線都在第二連線的同一側。
圖3B是本申請的另一個實施例的葉片沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影圖。如圖3B所示，第一曲線具有四個拐點，分別為拐點a、拐點b、拐點c和拐點d。從點A至拐點a的曲線、從拐點b至點拐點c的曲線以及從拐點d至點B的曲線為凹弧；拐點a至拐點b的曲線以及拐點c至拐點d的曲線為凸弧。
圖3C是本申請的再一個實施例的葉片沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影圖。如圖3C所示，第一曲線具有六個拐點，分別為拐點a、拐點b、拐點c、拐點d、拐點e和拐點f。從點A至拐點a的曲線、從拐點b至點拐點c的曲線、從拐點d至點拐點e的曲線以及從拐點f至點B的曲 線為凹弧；拐點a至拐點b的曲線、拐點c至拐點d的曲線以及拐點e至拐點f的曲線為凸弧。
圖3B和圖3C中第一曲線上任一點的包角θ也滿足θ
Figure 108134462-A0305-02-0010-7
[0°,40°]，并且所述第一曲線上的任意一點P與垂足O的連線都在第二連線的同一側。
需要說明的是，本申請中的第一曲線表示的是前緣222沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影，并不表示具有特定形狀的曲線為第一曲線。
圖4A和圖4B分別是普通葉片(前緣沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影的曲線不具有拐點的葉片，即前緣沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影的曲線為單調光滑的曲線)與本申請的葉片112的渦量分佈對比圖以及葉片上表面流線對比圖。其中，圖4A和圖4B中左側的葉片為普通葉片，右側的葉片為本申請的葉片112。本申請中的前緣222通過設有凹弧和凸弧來增加前緣222的做功長度，從而減輕葉片112的前緣222的載荷。當葉片112旋轉時，前緣222上的凹弧和凸弧能夠將原本聚集在葉片112的上表面的靠近前緣222部分的較大的剝離渦強制分裂成至少兩個較小的渦(如圖4A所示)，從而降低湍流強度和因湍流而引起的耗散損失，提高氣動性能的同時降低噪聲。分裂成較小的渦還能夠避免葉片由於較大的剝離渦的存在而在高速轉動時被撕裂，從而增加了葉片運行時的可靠性。并且，已經被前緣222上的凹弧和凸弧分裂成較小的剝離渦在朝著尾緣220傳播時，不容易在葉片112的徑 向上相互竄動引起二次流，葉片112表面空氣的相對速度流線儘量少地出現交叉(如圖4B所示)，從而實現提高氣動性能的同時降低噪聲。
圖5是葉片112的沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影圖，以示出槽232的數個分佈點Q。如圖5所示，尾緣220具有輪廓線502。尾緣220具有數個槽232，每一個槽具有一個分佈點Q，每一個槽的分佈點Q都位於輪廓線502上。作為一個示例，槽232的分佈點Q之間的間距相同。
圖6A是圖3A所示的槽232的沿旋轉軸線X方向在法向平面上的放大的投影圖，以示出槽232的具體結構。如圖6A所示，尾緣220沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影為第二曲線，第二曲線的長度為L。作為一個示例，在分佈點Q處作垂直於輪廓線502的直線，根據槽深H來確定底點G的位置。其中，槽深H滿足：H=K×L，K
Figure 108134462-A0305-02-0011-8
[1.5%,20%]。
槽壁線NG和槽壁線MG形成夾角α，夾角α滿足：α
Figure 108134462-A0305-02-0011-9
[10°,100°]。
MN為槽232的開口寬度。槽底EF為圓弧形，其半徑為r。槽底EF與槽壁線NG和槽壁線MG分別相切於點E和點F。半徑r滿足r
Figure 108134462-A0305-02-0011-13
[
Figure 108134462-A0305-02-0011-25
H,
Figure 108134462-A0305-02-0011-26
H]。此外，槽壁線NG和輪廓線502的第一連接部ST以及槽壁線MG和輪廓線502的第二連接部IJ也為圓弧形，其半徑為R。第一連接部 ST與槽壁線NG和輪廓線502分別相切於點S和T；第二連接部IJ與槽壁線MG和輪廓線502分別相切於點I和J。半徑R滿足R
Figure 108134462-A0305-02-0012-22
[
Figure 108134462-A0305-02-0012-23
H,
Figure 108134462-A0305-02-0012-24
H]。第一連接部ST、槽壁SE、槽底EF、槽壁FI和第二連接部IJ形成槽232。點C為葉尖216與尾緣220的交點沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影點，投影點C位於槽壁FI上。
本領域的技術人員可以理解，槽232也可以不具有第一連接部ST或第二連接部IJ，并且第一連接部ST或第二連接部IJ的半徑R也可以不相同。
作為另一個示例，直線QG也可以不垂直於輪廓線502，而是朝向葉尖216、葉根218或前緣222。
圖6B是本申請的槽232的另一個實施例的沿旋轉軸線X方向在法向平面上的放大的投影圖。圖6B所示的實施例與圖6A所示的實施例不同之處在於，槽232不具有第一連接部ST、槽底EF和第二連接部IJ。槽壁線NG和槽壁線MG形成槽232。點C為葉尖216與尾緣220的交點沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影點，投影點C位於槽壁線MG上。
圖7是圖3A的局部放大圖，以示出葉尖216與尾緣220相交處的結構。如圖7所示，最接近葉尖216的槽232的槽壁704與葉尖216形成尖部702。葉尖216與槽壁704之間的夾角為β，β滿足β
Figure 108134462-A0305-02-0012-14
[5°,80°]。
本領域的技術人員可以理解，尾緣220上的數個槽232的開口寬度MN相同。槽深H沿葉根218至葉尖 216的方向等差遞增。
參考圖4A和4B，圖4A和圖4B分別是普通葉片(尾緣不具有槽的葉片，即尾緣沿旋轉軸線X方向在法向平面上的投影的曲線為單調光滑的曲線)與本申請的葉片112的渦量分佈對比圖以及葉片上表面流線對比圖。如圖4A所示，當葉片112旋轉時，剝離渦在尾緣220會發展成雜亂無章的湍流，湍流能夠與尾緣220上的槽232相互作用，從而降低噪聲散射。由於低頻噪聲在大氣中的傳導距離更長，因此尾緣220上的槽232能夠有效降低低頻噪聲。此外，尾緣220上的槽232還能夠將葉片112的上表面上靠近尾緣220部分的較大的剝離渦分裂成較小尺寸的剝離渦，避免較大的剝離渦影響下游緊挨著的下一個葉片112的前緣222的進口氣流，從而避免不良的進口條件引起的氣動性能的下降。如圖4B所示，尾緣220上的槽232還能夠減少葉片112的上表面的徑向上相互竄動引起的二次流，從而降低耗散損失。
圖8是本申請的葉片112與普通葉片的靜壓及總效率對比圖。其中，圖8中虛線表示的是風量-總效率關係圖，實線表示的是風量-靜壓關係圖。從圖8中可以看出，在相同風量下，本申請中的葉片的總效率高於普通葉片的總效率。具體的，在風量為19000m3/h-25000m3/h時，本申請的葉片的總效率比普通葉片的總效率高出大約8%。此外，在相同風量下，本申請中的葉片的靜壓高於普通葉片的靜壓。具體的，在風量為15000m3/h-20000m3/h 時，本申請的葉片的靜壓比普通葉片的靜壓高出大約20Pa。由此可以看出，本申請的葉片的氣動性能(即靜壓及總效率)優於普通葉片。
圖9是本申請的葉片112與普通葉片的噪聲對比圖。從圖9中可以看出，在頻率為1000Hz-10000Hz時，普通葉片運行時發出的噪聲比本申請的葉片運行時發出的噪聲高出大約5dB。并且，在0Hz-1000Hz時，本申請的葉片運行時發出的噪聲也比普通葉片運行時發出的噪聲低。由此可以看出，本申請的葉片在全頻段內發出的噪聲大致上都低於普通葉片所發出的噪聲。
需要說明的是，葉片112的從前緣到尾緣的葉型截面可以有多種，其可以為等厚度截面或者任何二維翼型。
儘管本文中僅對本申請的一些特徵進行了圖示和描述，但是對本領域技術人員來說可以進行多種改進和變化。因此應該理解，所附的請求項旨在覆蓋所有落入本申請實質精神範圍內的上述改進和變化。
218:葉根
220:尾緣
222:前緣
232:槽
A、B:投影點
O:垂足
P:點
a、b:拐點
θ:包角

Claims (14)

  1. 一種葉片，包括：葉尖、葉根、前緣和尾緣，其中所述前緣和所述尾緣分別從所述葉尖延伸至所述葉根；所述葉片能夠繞一旋轉軸線旋轉，所述旋轉軸線與所述旋轉軸線的一法向平面垂直相交於垂足；其特徵在於：所述前緣沿所述旋轉軸線方向在所述法向平面上的投影為第一曲線，所述第一曲線具有偶數個拐點，所述尾緣包括數個槽，其中所述數個槽的數量多於所述偶數個拐點的數量。
  2. 如請求項1所述的葉片，其中：所述拐點的個數為2個、4個或6個。
  3. 如請求項1所述的葉片，其中：所述拐點的個數的選擇能夠減小渦流的形成。
  4. 如請求項3所述的葉片，其中：所述第一曲線上任意一點與所述垂足的連線為第一連線；所述葉根與所述前緣的交點沿所述旋轉軸線方向在所述法向平面上的投影點與所述垂足的連線為第二連線；所述第一連線與所述第二連線的夾角稱為包角θ；所述第一連線與所述第二連線之間的所述包角θ對於所述第一曲線上的任意一點而言滿足θ
    Figure 108134462-A0305-02-0017-15
    [0°,40°]。
  5. 如請求項1所述的葉片，其中：所述尾緣沿所述旋轉軸線方向在所述法向平面上的投影為第二曲線，其中每一個槽的槽壁之間的夾角為α、槽深為H，第二曲線的長度為L；所述夾角與所述槽深滿足：α
    Figure 108134462-A0305-02-0018-16
    [10°,100°]；H=K×L，K
    Figure 108134462-A0305-02-0018-17
    [1.5%,20%]；并且所述葉尖與所述尾緣的交點沿所述旋轉軸線方向在所述法向平面上的投影點位於所述槽壁上。
  6. 如請求項1所述的葉片，其中：所述數個槽之間的間距相同。
  7. 如請求項1所述的葉片，其中：所述數個槽的開口寬度相同，并且所述數個槽的槽深自所述葉根至所述葉尖等差遞增。
  8. 如請求項1所述的葉片，其中：所述數個槽中的每一個槽的底部為圓弧形。
  9. 一種軸流葉輪，其特徵在於包括：輪轂，所述輪轂具有旋轉軸線，所述輪轂能夠繞所述旋轉軸線轉動；和至少兩片葉片，所述至少兩片葉片佈置在所述輪轂的外圓周面上，其中所述至少兩片葉片之各葉片包括：葉尖、葉根、前緣和尾緣，其中所述前緣和所述尾緣分別從所述葉尖延伸至所述葉根；所述葉片能夠繞所述旋轉軸線旋轉，所述旋轉軸線與所述旋轉軸線的一法向平面 垂直相交於垂足，其中所述前緣在所述法向平面上具有偶數個拐點，所述尾緣包括數個槽，其中所述數個槽的數量多於所述偶數個拐點的數量。
  10. 如請求項9所述的軸流葉輪，其中所述至少兩片葉片中的各別葉片的所述尾緣沿所述旋轉軸線方向在所述法向平面上的投影為一曲線，其中所述各別葉片的每一個槽的槽壁之間的夾角為α、所述各別葉片的每一個槽的槽深為H，所述曲線的長度為L；所述夾角與所述槽深滿足：α
    Figure 108134462-A0305-02-0019-18
    [10°,100°]；H=K×L，K
    Figure 108134462-A0305-02-0019-19
    [1.5%,20%]；并且所述葉尖與所述尾緣的交點沿所述旋轉軸線方向在所述法向平面上的投影點位於所述各別葉片的所述槽壁中之一槽壁上。
  11. 如請求項9所述的軸流葉輪，其中：所述至少兩片葉片中的各別葉片的所述數個槽之間的各別間距相同。
  12. 如請求項9所述的軸流葉輪，其中：所述至少兩片葉片中的各別葉片的所述數個槽中的每一個槽的底部為圓弧形。
  13. 如請求項9所述的軸流葉輪，其中：所述拐點的個數為2個、4個或6個。
  14. 如請求項9所述的軸流葉輪，其中所述至少兩片葉片中的各別葉片的所述前緣沿所述旋轉軸線方 向在所述法向平面上的投影為一曲線，其中：所述曲線上任意一點與所述垂足的連線為第一連線；所述各別葉片的所述葉根與所述前緣的交點沿所述旋轉軸線方向在所述法向平面上的投影點與所述垂足的連線為第二連線；所述第一連線與所述第二連線的夾角稱為包角θ；所述第一連線與所述第二連線之間的所述包角θ對於所述曲線上的任意一點而言滿足θ
    Figure 108134462-A0305-02-0020-20
    [0°,40°]。
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