CN105422509A - 2500m防霜机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2500m防霜机叶片，包括具有中心轴孔的连接部和一对安装在连接部上的对称设置的叶片，所述叶片延伸出连接部处的下表面设置有从所述叶片后部至前部向下凸起的弧形面，所述叶片延伸出连接部处的上表面设置有从所述叶片后部至前部向内凹起的曲面，所述曲面上设置有加厚部，所述叶片从延伸出连接部处至顶部其宽度逐渐变小，上下厚度逐渐变薄，本发明2500m防霜机叶片采用翼型叶片且重量轻，在低功率电机的工作下风力足，覆盖范围内风速不低于1.5米/秒，吹风范围在40～60米左右，结构简单、投资小，效率高，能够适用于广大中小农户的要求。

Description

2500m防霜机叶片

技术领域

本发明属于用于空气循环的机械设备的技术领域，具体是涉及一种2500m防霜机叶片。

背景技术

在早春和深秋季节里，由于冷空气频繁入侵导致气温骤降，尤其在晴朗无风的夜间或清晨，辐射散热增多，地面和植物表面温度迅速下降，当植物体温降至0℃以下时就会遭受霜冻危害，体内细胞会脱水结冰，使植物组织受伤，日落后，园地垂直方向会产生上空气温明显高于下层气温的逆温现象，离地6-10米处上空的气温比近地面植物温度高5-10℃，日出后，会产生相反的逆温现象。采用设置在离地面较高处的风扇朝地面投送风力的物理干扰方法，混合小环境内的上下层空气，调节局部气温，提高近地层空气、土壤或地面植物特别是植物冠面的温度，达到防御农作物受霜冻或低温的危害及促进芽梢生育的目的，目前小型电风扇机型防霜面积小(电机扇吹风范围在10～20米左右)，目前国外的大型防霜机型普遍价格昂贵(电机扇吹风范围在60～70米左右)，并不适用国内的中小农户。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种2500m防霜机叶片，该2500m防霜机叶片采用翼型叶片且重量轻，在低功率电机的工作下风力足，覆盖范围内风速不低于1.5米/秒，吹风范围在40～60米左右，结构简单、投资小，效率高，能够适用于广大中小农户的要求。

为了达到上述目的，本发明一种2500m防霜机叶片，包括具有中心轴孔的连接部和一对安装在连接部上的对称设置的叶片，所述叶片延伸出连接部处的下表面设置有从所述叶片后部至前部向下凸起的弧形面，所述叶片延伸出连接部处的上表面设置有从所述叶片后部至前部向内凹起的曲面，所述曲面上设置有加厚部，所述叶片从延伸出连接部处至顶部其宽度逐渐变小，上下厚度逐渐变薄。

进一步，所述叶片后部至前部之间的直线与水平面之间形成角度β，所述角度β设置为8°～15°。

进一步，所述加厚部设置在一端靠近叶片后部，另一端设置在叶片上表面的1/2处。

进一步，所述加厚部的凸形的外形在加厚部的端部分别与叶片延伸出连接部处的上表面的曲面外形相切。

进一步，所述连接部包括上连接板、下连接板和设置在中心轴孔内的轴套，所述叶片设置在上连接板和下连接板之间且用紧固螺栓固定。

进一步，所述叶片延伸出所述连接部的长度设置为1100mm。

本发明的有益效果在于：

本发明2500m防霜机叶片采用翼型叶片且重量轻，在低功率电机的工作下风力足，覆盖范围内风速不低于1.5米/秒，吹风范围在40～60米左右，结构简单、投资小，效率高，能够适用于广大中小农户的要求。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明2500m防霜机叶片的结构示意图；

图2为本发明2500m防霜机叶片的主视图；

图3为本发明2500m防霜机叶片的俯视图；

图4为本发明2500m防霜机叶片中叶片上各节点的剖视图；

图5为本发明2500m防霜机叶片中叶片的侧视图；

图6为图1中叶片的翼型速度分析图；

图7为图1中叶片的翼型上作用力分析图；

图8为图1中叶片的载荷分析图；

图9为图1中叶片截面弹性模量分析图；

图10为图1中叶片径向12等分受力分析图。

附图标记：1-连接部；2-叶片；3-轴孔；4-紧固螺栓；5-上连接板；6-下连接板；7-轴套；8-后部；9-前部；10-根部；11-顶部；12-加厚部；13-下表面；14-上表面。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示为本发明2500m防霜机叶片的结构示意图；如图2所示为本发明2500m防霜机叶片的主视图；如图3所示为本发明2500m防霜机叶片的俯视图；如图4所示为本发明2500m防霜机叶片中叶片上各节点的剖视图；如图5所示为本发明2500m防霜机叶片中叶片的侧视图；本发明一种2500m防霜机叶片，包括具有中心轴孔3的连接部1和一对安装在连接部1上的对称设置的叶片2，所述叶片2延伸出连接部1处的下表面13设置有从所述叶片2后部8至前部9向下凸起的弧形面，所述叶片2延伸出连接部1处的上表面14设置有从所述叶片2后部8至前部9向内凹起的曲面，所述曲面上设置有加厚部12，所述叶片2从延伸出连接部1处至顶部11其宽度逐渐变小，上下厚度逐渐变薄。

进一步，所述叶片2后部8至前部9之间的直线与水平面之间形成角度β，所述角度β设置为8°～15°，该结构有利于有利于通过叶片2上相邻的两个点之间不发生径向相互作用，达到忽略顺翼展方向的速度分量和三维效应。

进一步，所述加厚部12设置在一端靠近叶片2后部8，另一端延伸至在叶片2上表面14的1/2处。

进一步，所述加厚部12的凸形边缘与叶片2延伸出连接部1处的上表面14的曲面外形相切。

进一步，所述连接部1包括上连接板5、下连接板6和设置在中心轴孔3内的轴套7，所述叶片2根部10连接在上连接板5和下连接板6之间且用紧固螺栓4固定。

进一步，所述叶片2延伸出所述连接部1的长度设置为1100mm。

本发明还公开了制备叶片翼型模型的方法，其包括如下步骤：根据防霜机功率及风量要求，设计出叶轮的直径及转速，再根据叶素定理设计出翼型叶片，最后用CFD软件进行校核修正，设计出叶片外形后再进行载荷计算，再进行结构设计：

其中叶轮整体设计：

a、根据动能定理：

$(p_{{\mathrm{st}}_2}+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{v_2}^2)-(p_{{\mathrm{st}}_1}+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{v_1}^2)(N/m^2),$

即风机全压p等于风机出口全压p₂与进口全压p₁之差。风机进出口全压分别等于各自的静压与动压之和，

风机的全压p是由静压p_st和动压p_d两部分组成。风机的动压定义为风机出口动压，即

$p_d=p_{d2}=\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρv}}_2}^2(N/m^2),$

风机的静压定义为风压的全压减去出口动压，即

$p_{\mathrm{st}}=p-p_{d_2}=p-\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρv}}_2}^2=p_{{\mathrm{st}}_2}-P_{{\mathrm{st}}_1}-\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρv}}_1}^2(N/m^2),$

风机的全压等于风机的静压与动压之和，即

$p=p_{\mathrm{st}}+p_{d_2}(N/m^2),$

根据相似定律，

$\frac{Q}{Q_m}={\mathrm{\λ}}^3\frac{n}{n_m}$

$\frac{p}{p_m}={\mathrm{\λ}}^2{\left(\frac{n}{n_m}\right)}^2\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_m}$

$\frac{N}{N_m}={\mathrm{\λ}}^5{\left(\frac{n}{n_m}\right)}^3\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_m},$

其中叶轮外径表示的几何比尺叶轮出口牵连速度引入叶轮圆盘面积分别对上面3个定律的表达式进行无量纲化，并考虑到λ、u₂、和A₂的关系，得到风机的无量纲性能系数；

流量系数

由流量相似定律表达式有

$\frac{Q}{{D_2}^{3}n}=\frac{Q_m}{{D_{2m}}^3{n}_m}$

$\frac{Q}{\frac{{{\mathrm{\πD}}_2}^2}{4}\×\frac{{\mathrm{\πD}}_{2}n}{60}}=\frac{Q}{\frac{{{\mathrm{\πD}}_{2m}}^2}{4}\×\frac{{\mathrm{\πD}}_{2m}{n}_m}{60}},$

压力系数

$\frac{p}{{{\mathrm{\ρD}}_2}^2{n}^2}=\frac{p_m}{{\mathrm{\ρ}}_m{D_{2m}}^2{n_m}^2}$

$\frac{p}{\mathrm{\ρ}{\left(\frac{{\mathrm{\πD}}_{2}n}{60}\right)}^2}=\frac{p_m}{{\mathrm{\ρ}}_m{\left(\frac{{\mathrm{\πD}}_{2m}{n}_m}{60}\right)}^2},$

功率系数

$\frac{N}{{{\mathrm{\ρD}}_2}^5{n}^3}=\frac{N_m}{{\mathrm{\ρ}}_m{D_{2m}}^5{n_m}^3}$

$\frac{N}{\mathrm{\ρ}{\frac{{{\mathrm{\πD}}_2}^2}{4}\×\left(\frac{{\mathrm{\πD}}_{2}n}{60}\right)}^3}=\frac{N_m}{{\mathrm{\ρ}}_m{\frac{{{\mathrm{\πD}}_{2m}}^2}{4}\×\left(\frac{{\mathrm{\πD}}_{2m}{n}_m}{60}\right)}^3}$

效率

效率本身就是一个无量纲数，根据上述关系有：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=\frac{\stackrel{\‾}{p}\stackrel{\‾}{Q}}{\stackrel{\‾}{N}}=\frac{\frac{p}{{{\mathrm{\ρu}}_2}^2}\×\frac{Q}{u_2{A}_2}}{\frac{N}{{{\mathrm{\ρu}}_2}^3{A}_2}}=\frac{\mathrm{pQ}}{N}=\mathrm{\η}$

$Q=u_2{A}_2\stackrel{\‾}{Q}=\frac{{{\mathrm{nD}}_2}^3}{24.3}\stackrel{\‾}{Q}(m3/s)$

$p={{\mathrm{\ρu}}_2}^2\stackrel{\‾}{p}=\frac{{\mathrm{\ρn}}^2{D_2}^2}{365}\stackrel{\‾}{p}(N/m^2)$

$N=\frac{{{\mathrm{\ρu}}_2}^3{A}_2}{1000}\stackrel{\‾}{N}=\frac{{\mathrm{\ρn}}^3{D_2}^5}{8870000}\stackrel{\‾}{N}\left(\mathrm{kw}\right)$

$n_s=\frac{n\sqrt{Q}}{{\left(\frac{p_{20}}{9.807}\right)}^{3/4}}=5.54\frac{n\sqrt{Q}}{{p_{20}}^{3/4}};$

b、叶片翼型设计：

如图6所示为图1中叶片的翼型速度分析图；如图7所示为图1中叶片的翼型上作用力分析图；根据叶素-动量理论假定作用于叶素上的力可以通过用元截面上入射合速度测定的攻角的二维翼型特性计算得出，即作用于叶素上的力仅与通过叶素扫过的圆环的气体的动量变化有关。因此，假定通过邻近圆环的气流之间不发生径向相互作用。因而忽略顺翼展方向的速度分量，也忽略三维效应。在叶片的某一径向位置上的速度分量用风速来表示，知道了攻角和升、阻系数以及每个叶素上的轴、切向诱导因子，进而求出作用于叶片上的力中得到的叶片相对合速度为V1，

相对合速度与旋转面之间的夹角是φ，则

$\sin \mathrm{\φ}=\frac{V_0(1-a)}{V_{\mathrm{\ι}}},\cos \mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\ωr}(1+a^{\′})}{V_{\mathrm{\ι}}},$

所以每个叶片在顺翼展方向长度为δr，垂直于方向V1的升力为：平行于V1的阻力为：

N个叶素上的空气动力(升力、阻力)在风力机旋转轴和风轮平面上的分量δN、δT为：

$\mathrm{\δN}=\mathrm{\δ}L\cos \mathrm{\φ}+\mathrm{\δ}D\sin \mathrm{\φ}=\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρV}}_1}^2\mathrm{NC}(C_L\cos \mathrm{\φ}+C_D\sin \mathrm{\φ})\mathrm{\δr}$

$\mathrm{\δT}=\mathrm{\δ}L\sin \mathrm{\φ}-\mathrm{\δ}D\cos \mathrm{\φ}=\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρV}}_1}^2\mathrm{NC}(C_L\sin \mathrm{\φ}-C_D\cos \mathrm{\φ})\mathrm{\δr},$

对于单位长度上垂直于旋转平面和风轮平面内叶片运动方向上的力，其分别为风轮平面外和平面内的作用力：

单位长度平面外的作用力：

$F_N=\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρV}}_1}^{2}C(C_L\cos \mathrm{\φ}+C_D\sin \mathrm{\φ}),$

单位长度平面内的作用力：

$F_T=\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρV}}_1}^{2}C(C_L\sin \mathrm{\φ}-C_D\cos \mathrm{\φ});$

c、翼型选择：，使用ProfoiL软件计算翼型升力，阻力系数等，

叶片载荷：

如图8所示为图1中叶片的载荷分析图；使用CFD的方法计算出叶片表面压力，及叶轮中心载荷。将表面压力导入有限元软件，进行结构分析。

Table12.bladeload

d、叶片结构设计：

如图9所示为图1中叶片截面弹性模量分析图；如图10所示为图1中叶片径向12等分受力分析图，使用Excel编程进行理论计算，使用材料力学方法，梁单元强度理论，进行计算：

静矩：叶片截面弹性模量对某坐标轴的一次矩，(图中坐标系与GL规范中的弦线坐标系一致)。

定义式：

${\mathrm{ES}}_x={\∫}_{A}E(x,y)\mathrm{ydA},{\mathrm{ES}}_y={\∫}_{A}E(x,y)\mathrm{xdA},$

由此可得叶片截面中性轴的坐标y_C为：

$y_C=\frac{{\∫}_{A}E(x,y)\mathrm{ydA}}{{\∫}_{A}E(x,y)\mathrm{dA}}=\frac{{\mathrm{ES}}_x}{{\∫}_{A}E(x,y)\mathrm{dA}},$ 同理有 $x_C=\frac{{\mathrm{ES}}_y}{{\∫}_{A}E(x,y)\mathrm{dA}},$ 所以中性轴坐标

$y_C=\frac{{\mathrm{ES}}_x}{{\∫}_{A}E(x,y)\mathrm{dA}},x_C=\frac{{\mathrm{ES}}_y}{{\∫}_{A}E(x,y)\mathrm{dA}},$

主惯性矩的计算公式：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{EI}}_{x_1}=\frac{{\mathrm{EI}}_x+{\mathrm{EI}}_y}{2}+\frac{1}{2}\sqrt{{({\mathrm{EI}}_x-{\mathrm{EI}}_y)}^2+{4\mathrm{EI}}_{\mathrm{xy}}^2}\\ {\mathrm{EI}}_{y_1}=\frac{{\mathrm{EI}}_x+{\mathrm{EI}}_y}{2}-\frac{1}{2}\sqrt{{({\mathrm{EI}}_x-{\mathrm{EI}}_y)}^2+{4\mathrm{EI}}_{\mathrm{xy}}^2}\end{array}\right\}.$

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种2500m防霜机叶片，其特征在于：包括具有中心轴孔的连接部和一对安装在连接部上的对称设置的叶片，所述叶片延伸出连接部处的下表面设置有从所述叶片后部至前部向下凸起的弧形面，所述叶片延伸出连接部处的上表面设置有从所述叶片后部至前部向内凹起的曲面，所述曲面上设置有加厚部，所述叶片从延伸出连接部处至顶部其宽度逐渐变小，上下厚度逐渐变薄。

2.如权利要求1所述的2500m防霜机叶片，其特征在于：所述叶片后部至前部之间的直线与水平面之间形成角度β，所述角度β设置为8°～15°。

3.如权利要求1所述的2500m防霜机叶片，其特征在于：所述加厚部设置在一端靠近叶片后部，另一端设置在叶片上表面的1/2处。

4.如权利要求4所述的2500m防霜机叶片，其特征在于：所述加厚部的凸形的外形在加厚部的端部分别与叶片延伸出连接部处的上表面的曲面外形相切。

5.如权利要求1所述的2500m防霜机叶片，其特征在于：所述连接部包括上连接板、下连接板和设置在中心轴孔内的轴套，所述叶片设置在上连接板和下连接板之间且用紧固螺栓固定。

6.如权利要求1所述的2500m防霜机叶片，其特征在于：所述叶片延伸出所述连接部的长度设置为1100mm。