CN101846097B - 一种轴流风扇叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴流风扇叶轮，该叶轮适用于转速为2900r/min的低转速条件下，转子进口叶尖切线速度为90.80m/s，叶尖负荷系数为0.258，级总压升为2237.15Pa，其特征在于：该叶轮为高负荷、小展弦比等外径轴流叶轮；该叶轮由20片叶片组成；叶轮进口轮毂半径为346.2mm，进口叶尖半径为600.0mm，进口轮毂比为0.577；叶轮出口半径为396.8mm，出口叶尖半径为600.0mm，安装角为45°；该叶轮采用三次Bezier函数定义叶轮在不同半径的截面上的叶型曲线。

Description

一种轴流风扇叶轮

技术领域

本发明涉及一种轴流风扇叶轮，属于叶轮机械轴流压气机叶轮技术领域。

背景技术

适用于航空发动机的高速风扇/压气机测试困难，运行费用高，试验研究难度较大；另一方面，虽然低速风扇与之在压缩性、级负荷等方面存在着较大区别，但是相关试验研究结论具有通用性，而且实验台结构简单，运行费用低，测试相对容易，便于开展丰富详细的试验研究，为测试技术的研究、理论模型的发展和新技术的探索提供了一个有利的基础平台。此外，低速风扇的相关研究很容易转化为工业用风机设计发展的成果，具有一定的实用价值。

一般低速风机的负荷系数为0.1-0.2，而现代先进涡扇发动机风扇的负荷系数在0.3以上。本文设计的低速风扇的试验研究成果希望应用于航空发动机，负荷系数取值较高，达到了0.258。另外，现代航空发动机中叶片展弦比在0.6-2.5范围内，因此本发明风扇为小展弦比设计，风扇转子展弦比约为1.18，静子展弦比约为1.40。

发明内容

本发明的目的在于设计一种轴流风扇叶轮，该叶轮叶型采用三次Bezier函数进行参数化定义。经过计算流体动力学(即CFD)数值计算以及试验测试，验证该叶轮性能较好，叶轮效率达到90.27％，整级风扇效率达到85.31％。

本发明为一种轴流风扇叶轮，其技术方案为：该风扇叶轮由20片叶片组成。叶轮进口轮毂半径为346.2mm，进口叶尖半径为600.0mm，进口轮毂比为0.577；叶轮出口轮毂半径为396.8mm，出口叶尖半径为600.0mm，安装角为45°。其中轮毂比为轮毂半径与叶尖半径的比值，安装角为叶片弦长方向与风扇轴向之间的夹角。

该叶轮适用于叶尖负荷系数大于0.25、叶尖切向速度小于100m/s的轴流压气机或风机。

本发明采用三次Bezier函数定义风扇叶轮在不同半径截面上的叶型曲线。一个n次Bezier通常可以表示为：

$Q\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{B}_i^n\left(t\right)$

其中Q(t)为曲线上任一点的坐标，p_i(0≤i≤n)为曲线控制点的相应作标值，

为波恩斯坦(即Bernstein)多项式，由以下关系式给出：

$B_i^n\left(t\right)=(1-t)B_i^{n-1}\left(t\right)+{\mathrm{tB}}_{i-1}^{n-1}\left(t\right)$

利用三次Bezier函数确定一条曲线只需要四个控制点，其中两个是端点，另外两个控制端点的斜率。三次Bezier函数可以表示为：

Q(t)＝(1-t)³P₁+3t(1-t)²P₂+3t²(1-t)P₃+t³P₄

其中Q是曲线上一个点的三维坐标中的某一个，P_i是相应四个控制点的坐标，参数t的变化范围是[0，1]。

选择三个不同半径的截面，吸力面和压力面分别由一条Bezier曲线定义。图2是转子叶片的叶型截面示意图，叶型曲线分别描述如下：

转子叶片I截面上得到的型线以及叶型如图3：

吸力面：

P₁＝(-28.98，3.81)，P₂＝(-3.32，40.11)

P₃＝(10.60，40.56)，P₄＝(45.83，58.17)

压力面：

P₁＝(-25.93，1.56)，P₂＝(9.82，28.87)

P₃＝(11.20，27.92)，P₄＝(45.17，54.85)

转子叶片II截面上得到的型线以及叶型如图4：

吸力面：

P₁＝(-22.26，3.95)，P₂＝(-7.45，35.63)

P₃＝(11.14，58.53)，P₄＝(38.85，89.81)

压力面：

P₁＝(-19.44，2.49)，P₂＝(6.33，38.94)

P₃＝(15.92，54.08)，P₄＝(42.09，90.23)

转子叶片III截面上得到的型线及叶型如图5：

吸力面：

P₁＝(-17.23，3.88)，P₂＝(-1.83，44，61)

P₃＝(14.95，73.27)，P₄＝(35.42，104.91)

压力面：

P₁＝(-15.16，3.04)，P₂＝(1.91，37.89)

P₃＝(14.30，63.75)，P₄＝(35.42，101.81)

这样，通过叶轮型面在不同半径截面上的曲线，就可以得到整个叶轮的型面。

本发明一种高负荷、小展弦比低速轴流风扇叶轮，其优点在于：本发明的叶轮的负荷系数达到了0.258，接近航空发动机风扇的负荷系数取值范围；且本发明风扇为小展弦比设计，风扇转子展弦比约为1.18，静子展弦比约为1.40；小展弦比的设计有利于提高级负荷，减少级数，并且效率和失速裕度一般更高。经过计算流体动力学(即CFD)数值计算以及试验测试，验证该叶轮性能较好，叶轮效率达到90.27％，整级风扇效率达到85.31％。

附图说明

图1所示为风扇子午结构示意图

图2所示为转子叶片叶型截面示意图

图3所示为转子叶片I截面上的叶型

图4所示为转子叶片II截面上的叶型

图5所示为转子叶片III截面上的叶型

图中具体标号为：

1、转子叶轮；2、进口轮毂；3、进口叶尖；4、出口轮毂；5、出口叶尖；6、吸力面；7、压力面；8、叶片

具体实施方式

本发明为一种高负荷、小展弦比低速轴流风扇叶轮，其技术方案为：该风扇叶轮由20片叶片组成。如图1所示，叶轮进口轮毂2半径为346.2mm，进口叶尖3半径为600.0mm，进口轮毂比为0.577；叶轮出口轮毂4半径为396.8mm，出口叶尖5半径为600.0mm，安装角为45°。本发明采用三次Bezier函数定义风扇叶轮在不同半径截面上的叶型曲线。

一个n次Bezier通常可以表示为：

$Q\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{B}_i^n\left(t\right)$

其中Q(t)为曲线上任一点的坐标，p_i(0≤i≤n)为曲线控制点的相应作标值，

为波恩斯坦(即Bernstein)多项式，由以下关系式给出：

$B_i^n\left(t\right)=(1-t)B_i^{n-1}\left(t\right)+{\mathrm{tB}}_{i-1}^{n-1}\left(t\right)$

利用三次Bezier函数确定一条曲线只需要四个控制点，其中两个是端点，另外两个控制端点的斜率。三次Bezier函数可以表示为：

Q(t)＝(1-t)³P₁+3t(1-t)²P₂+3t²(1-t)P₃+t³P₄

其中Q是曲线上一个点的三维坐标中的某一个，P_i是相应四个控制点的坐标，参数t的变化范围是[0，1]。

叶盆和叶背分别选择三个截面，得到三条曲线，图1是转子叶片的叶型截面示意图，叶型曲线分别描述如下：

转子叶片I截面上得到的型线以及叶型如图3：

吸力面：

P₁＝(-28.98，3.81)，P₂＝(-3.32，40.11)

P₃＝(10.60，40.56)，P₄＝(45.83，58.17)

压力面：

P₁＝(-25.93，1.56)，P₂＝(9.82，28.87)

P₃＝(11.20，27.92)，P₄＝(45.17，54.85)

转子叶片II截面上得到的型线以及叶型如图4：

吸力面：

P₁＝(-22.26，3.95)，P₂＝(-7.45，35.63)

P₃＝(11.14，58.53)，P₄＝(38.85，89.81)

压力面：

P₁＝(-19.44，2.49)，P₂＝(6.33，38.94)

P₃＝(15.92，54.08)，P₄＝(42.09，90.23)

转子叶片III截面上得到的型线及叶型如图5：

吸力面：

P₁＝(-17.23，3.88)，P₂＝(-1.83，44，61)

P₃＝(14.95，73.27)，P₄＝(35.42，104.91)

压力面：

P₁＝(-15.16，3.04)，P₂＝(1.91，37.89)

P₃＝(14.30，63.75)，P₄＝(35.42，101.81)

这样，通过叶轮型面在不同半径截面上的曲线，就可以得到整个叶轮的型面。

综上，根据上述叶片各个截面叶型的控制点，应用Bezier曲线方程生成叶型几何，然后分别将叶片按照各个截面的顺序积叠生成三维叶片。

Claims (2)

1.一种轴流风扇叶轮，该叶轮为外径轴流叶轮，其特征在于：该叶轮由20片叶片组成；叶轮进口轮毂半径为346.2mm，进口叶尖半径为600.0mm，进口轮毂比为0.577；叶轮出口半径为396.8mm，出口叶尖半径为600.0mm，安装角为45°；叶轮的负荷系数达到了0.258，风扇转子展弦比为1.18，静子展弦比为1.40。

2.根据权利要求1所述的一种轴流风扇叶轮，其特征在于：该叶轮适用于叶尖负荷系数大于0.25、叶尖切向速度小于100m/s的轴流压气机或风机。

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