CN103321957A

CN103321957A - 轴流通风机叶轮叶片的优化设计方法

Info

Publication number: CN103321957A
Application number: CN 201310242375
Authority: CN
Inventors: 昌泽舟; 刘梁; 张余洁; 李智勇; 刘宏伟; 赵晓春
Original assignee: JIANGYIN JINGYA FAN Co Ltd
Current assignee: JIANGYIN JINGYA FAN Co Ltd
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明涉及一种轴流通风机叶轮叶片的优化设计方法。该方法采用最优化原理和数值计算方法，在满足轴流通风机设计参数及各种工程约束条件下，合理选择计算通风机的叶轮叶片流型和结构参数，从而使通风机的效率提高、尺寸小及重量轻。也可采用电子表格EXCEL来完成整个轴流通风机优化设计过程，可依据风机设计参数，调整叶轮的流型及各种结构参数，诸如叶轮直径、轮毂比、叶片数目等等，快速对多种设计方案进行快速比较，从中选取最优方案。本发明解决了目前轴流通风机气动设计中存在的计算精度低、计算耗时费力、设计周期长等问题，提高了轴流通风机的效率，而且方法简单直接，大大缩短了设计时间和设计精度，成本低，便于广大风机企业使用。

Description

轴流通风机叶轮叶片的优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种轴流通风机的设计方法，特别是一种采用最优化理论和技术的轴流通风机的设计方法，属于流体机械技术与计算机软件开发技术的交叉领域。

背景技术

轴流通风机叶轮传统的气动设计方法采用的是基于翼型在孤立状态或者平面叶栅状态下的吹风试验数据的设计方法，在设计中对于风机叶轮流型和叶轮结构参数的选择上往往采用几种设计方案的对比，其设计时间长，而设计效果往往取决于设计者的经验。目前国内使用的相当大部分轴流通风机叶轮是按传统的气动设计方法设计的叶片制作，叶面较窄，不同型号的风机叶型基本相似，只能靠提高转速、改变叶片安装角来达到所需风量、风压的目的，风机的效率较低。这种传统的设计方法多年来未有大的变动，一直沿用至今。近年来随着我国工业的飞速发展，更突显了轴流风机设计水平的滞后。

近年来，国内外出现了许多应用准三元流动理论和应用计算流体力学数值模拟CFD技术对轴流压缩机内部流场的全三元分析及进行轴流通风机准三元设计的尝试，使所设计的风机效率不同程度地提高了3%～5%。但对于量大面广的中、低压轴流通风机而言，这些设计方法显得过于繁杂，很难为国内广大的风机企业和设计人员掌握和应用。

目前，国家强制性标准GB19761-2009《通风机能效限定值及能效等级》已颁布实施，风机节能产品认证工作也正在进行，从轴流通风机的设计、生产制造水平及工艺各个方面提高国内现有轴流通风机产品的效率、降低其能耗是大势所趋。

发明内容

本发明的目的在于克服轴流通风机传统设计方法耗时费力、开发周期长，以及准三元流动理论和CFD技术应用于中、低压轴流通风机设计的复杂性和二次开发的不成熟性等缺点，提供了一种基于最优化原理和技术基础上的轴流通风机叶轮叶片的优化气动设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种轴流通风机叶轮叶片的优化设计方法，其特点是所述该方法包括以下步骤：

第一步，设计前，首先建立空气物性计算模块、电动机功率计算模块、叶轮叶片孤立翼型变环量气动计算模块、叶轮叶片平面叶栅变环量气动计算模块、叶片几何尺寸计算模块、轴流风机级效率计算模块、叶轮气动约束条件计算模块、后导流器叶片计算模块、最优化计算模块、叶轮直径标准数据库、轴流风机R级与R+S级两种不同级型式下风机比转速与风机全压系数、全压效率及叶轮轮毂比关系数据库、各种翼型气动性能数据库。

第二步，输入风机设计参数（设计流量、全压、转速、风机使用地点大气状态），根据风机设计参数，调用空气物性计算模块和叶轮直径标准数据库、风机比转速与风机全压系数、全压效率关系数据库，计算出几种风机级型式、叶轮直径和叶轮外径圆周速度，并调用最优化计算模块确定最佳的风机级型式、叶轮直径和叶轮外径圆周速度。再由风机比转速与叶轮轮毂比关系数据库确定叶轮轮毂比。由电动机功率计算模块确定电动机功率。

第三步，划分叶片计算截面后，给出不同的环量指数，由叶轮叶片孤立翼型气动计算模块计算各叶片计算截面的气流参数和空气动力负荷系数，当某计算截面空气动力负荷系数超过1.0时，由叶轮叶片平面叶栅气动计算模块重新计算该截面的气流参数和空气动力负荷系数。

第四步，由轴流风机级效率计算模块计算风机级效率，由叶轮气动约束条件计算模块计算叶片叶顶及叶根处的扩压因子、叶根处的空气动力负荷系数及叶顶处的圆周速度，最后调用最优化计算模块确定满足以上叶轮气动约束条件下的最高风机级效率。

第五步，选取风机叶轮叶片翼型后，即可由各种翼型气动性能数据库和叶片几何尺寸计算模块进行叶轮叶片几何尺寸的计算，如果采用R+S级轴流通风机，可由后导流器叶片计算模块计算后导流器叶片几何尺寸。

本发明一种轴流通风机叶轮叶片的优化设计方法，上述计算过程既可以通过计算机编程实现，也可以采用电子表格EXCEL来完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种轴流通风机叶轮叶片的优化设计方法，采用最优化原理和数值计算方法，在满足轴流通风机设计参数及各种工程约束条件下，合理选择计算通风机的叶轮叶片流型和结构参数，从而使通风机的效率提高、尺寸小及重量轻。也可采用电子表格EXCEL来完成整个轴流通风机优化设计过程，可依据风机设计参数，调整叶轮的流型及各种结构参数，诸如叶轮直径、轮毂比、叶片数目等等，快速对多种设计方案进行快速比较，从中选取最优方案。本发明解决了目前轴流通风机气动设计中存在的计算精度低、计算耗时费力、设计周期长等问题，提高了轴流通风机的效率，而且方法简单直接，大大缩短了设计时间和设计精度，成本低，便于广大风机企业使用。

附图说明

图1为本发明实施例一的轴流通风机叶轮叶片的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图中：

l是叶片长度，b是基元叶型的叶片弦长，

是基元叶型的叶片相对安装角，0—0、1—1、2—2、3—3、4—4、5—5、6—6、7—7、8—8、9—9、10—10截面分别为叶片相对长度（基元叶型所在截面长度与叶片长度之比）为0、0.104、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0处的截面。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是对纺织空调系统采用的轴流通风机进行节能改造时提高风机效率的设计方法，目的在于在给定风机输入设计参数条件下设计具有高效率的纺织空调轴流通风机叶轮叶片。

风机输入设计参数为：流量Q=28.9m³/s，全压P=540Pa，风机转速n=980r/min，通风机输送介质为空气，通风机标准进气状态，即进气温度为20℃，空气湿度50%，空气密度为1.2kg/m³。

（1）、设计准备工作：首先建立空气物性计算模块、电动机功率计算模块、叶轮叶片孤立翼型变环量气动计算模块、叶轮叶片平面叶栅变环量气动计算模块、叶片几何尺寸计算模块、轴流风机级效率计算模块、叶轮气动约束条件计算模块、后导流器叶片计算模块、最优化计算模块、叶轮直径标准数据库、轴流风机R级与R+S级两种不同级型式下风机比转速与风机全压系数、全压效率及叶轮轮毂比关系数据库、各种翼型气动性能数据库。这可以通过运用如C++等计算机语言编制计算机程序或者利用电子表格EXCEL来完成。

（2）、根据风机输入设计参数，调用空气物性计算模块和叶轮直径标准数据库、风机比转速与风机全压系数、全压效率关系数据库，计算出几种风机级型式、叶轮直径和叶轮外径圆周速度，并调用最优化计算模块确定最佳的风机级型式为单独叶轮R级型式、叶轮直径为D=1600mm和叶轮外径圆周速度u_t=82.1m/s。再由风机比转速与叶轮轮毂比关系数据库确定叶轮轮毂比

。由电动机功率计算模块确定电动机功率N=22kW。

（3）、划分叶片计算截面后，给出不同的环量指数，由叶轮叶片孤立翼型气动计算模块计算各叶片计算截面的气流参数和空气动力负荷系数。本实施例中，各计算截面空气动力负荷系数均未超过1.0，因此各计算截面都是采用叶轮叶片孤立翼型气动计算模块计算气流参数的。

（4）、由轴流风机级效率计算模块计算风机级效率，由叶轮气动约束条件计算模块计算叶片叶顶及叶根处的扩压因子、叶根处的空气动力负荷系数及叶顶处的圆周速度，最后调用最优化计算模块确定满足以上叶轮气动约束条件下的最高风机级效率为82%。

（5）、选取风机叶轮叶片翼型后，即可由各种翼型气动性能数据库和叶片几何尺寸计算模块进行叶轮叶片几何尺寸的计算。本实施例采用CLARK-Y翼型，设计出高效率纺织空调轴流通风机叶轮叶片如图1和图2所示。叶片从根部到顶部可分成11个计算截面，每个计算截面处的叶片几何尺寸为：叶片根部即叶片相对长度（基元叶型所在截面长度与叶片长度之比）为0处的基元叶型的叶片相对安装角为15°~18°，其基元叶型的弦长与叶片长度之比为0.45~0.5；叶片相对长度为0.104处的基元叶型的叶片相对安装角为11°~14°，其基元叶型的弦长与叶片长度之比为0.42～0.47；叶片相对长度为0.2处的基元叶型的叶片相对安装角为8°~11°，其基元叶型的弦长与叶片长度之比为0.38～0.43；叶片相对长度为0.3处的基元叶型的叶片相对安装角为6°~9°，其基元叶型的弦长与叶片长度之比为0.35～0.4；叶片相对长度为0.4处的基元叶型的叶片相对安装角为5°~8°，其基元叶型的弦长与叶片长度之比为0.33～0.38；叶片相对长度为0.5处的基元叶型的叶片相对安装角为3°~6°，其基元叶型的弦长与叶片长度之比为0.3～0.35；叶片相对长度为0.6处的基元叶型的叶片相对安装角为2°~5°，其基元叶型的弦长与叶片长度之比为0.29～0.34；叶片相对长度为0.7处的基元叶型的叶片相对安装角为1°~4°，其基元叶型的弦长与叶片长度之比为0.28～0.33；叶片相对长度为0.8处的基元叶型的叶片相对安装角为0°~3°，其基元叶型的弦长与叶片长度之比为0.26～0.31；叶片相对长度为0.9处的基元叶型的叶片相对安装角为0°~3°，其基元叶型的弦长与叶片长度之比为0.25～0.3；叶片顶部即叶片相对长度为1.0处的基元叶型的叶片相对安装角为0°，其基元叶型的弦长与叶片长度之比为0.25～0.3。

采用所设计叶片的纺织空调用轴流通风机在流量78000～130000m³/h，全压656～330Pa工作区域内高效率的运转，其最高实测风机效率达到86%。使得该新型轴流风机具有流量大、风压高、效率高、工作区域宽广等优点，对于纺织空调系统加湿通风有着良好效果。

Claims

1.一种轴流通风机叶轮叶片的优化设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步，设计前，首先建立空气物性计算模块、电动机功率计算模块、叶轮叶片孤立翼型变环量气动计算模块、叶轮叶片平面叶栅变环量气动计算模块、叶片几何尺寸计算模块、轴流风机级效率计算模块、叶轮气动约束条件计算模块、后导流器叶片计算模块、最优化计算模块、叶轮直径标准数据库、轴流风机R级与R+S级两种不同级型式下风机比转速与风机全压系数、全压效率及叶轮轮毂比关系数据库、各种翼型气动性能数据库；

第二步，输入风机设计参数（设计流量、全压、转速、风机使用地点大气状态），根据风机设计参数，调用空气物性计算模块和叶轮直径标准数据库、风机比转速与风机全压系数、全压效率关系数据库，计算出几种风机级型式、叶轮直径和叶轮外径圆周速度，并调用最优化计算模块确定最佳的风机级型式、叶轮直径和叶轮外径圆周速度；

再由风机比转速与叶轮轮毂比关系数据库确定叶轮轮毂比；

由电动机功率计算模块确定电动机功率；

第三步，划分叶片计算截面后，给出不同的环量指数，由叶轮叶片孤立翼型气动计算模块计算各叶片计算截面的气流参数和空气动力负荷系数，当某计算截面空气动力负荷系数超过1.0时，由叶轮叶片平面叶栅气动计算模块重新计算该截面的气流参数和空气动力负荷系数；

第四步，由轴流风机级效率计算模块计算风机级效率，由叶轮气动约束条件计算模块计算叶片叶顶及叶根处的扩压因子、叶根处的空气动力负荷系数及叶顶处的圆周速度，最后调用最优化计算模块确定满足以上叶轮气动约束条件下的最高风机级效率；

2.根据权利要求1所述的一种轴流通风机叶轮叶片的优化设计方法，其特征在于：上述计算过程既可以通过计算机编程实现，也可以采用电子表格EXCEL来完成。