CN105736425A - 一种叶片带翼型导流板和导叶有仿生尾缘的轴流风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片带翼型导流板和导叶有仿生尾缘的轴流式通风机，该轴流式通风机在叶轮叶片上均匀的加了四块导流板，相对叶片高度的位置分别在25%、50%、75%和叶顶。翼型导流板是通过保持各导流板位置叶片的中弧线不变，再叠加NACA四位数字翼型厚度分布得到的。该翼型导流板可以使叶轮中流体流动更加平稳，边界层更薄，提高了风机效率和减小了泄漏损失和降低了涡流噪声。叶顶处的导流板，由于面积大在叶顶间隙中形成复杂的涡流，从而可以有效地改善叶顶处的泄露流。通过对该型风机进行三处改造可以提高风机效率和降低风机噪声，达到节能环保的目的。

Description

一种叶片带翼型导流板和导叶有仿生尾缘的轴流风机

技术领域

本发明属于轴流风机技术领域，特别涉及一种带翼型导流板的叶片和导叶有仿生尾缘的轴流风机。

背景技术

轴流风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械。它广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气的推进等，在国民经济各行业均有非常重要的应用。据统计，风机用电约占全国发电量的10%，煤矿主要通机平均电耗约占矿井电耗的16%；金属矿山的风机用电量占采矿用电的30%；钢铁工业的风机用电量占其生产用电的20%；煤炭工业的风机用电量占煤炭工业用电的17%。由此可见，风机节能在国民经济各部门中的地位和作用是举足轻重的。由于，轴流风机的比转速较高，这样它具有流量大、全压低的特点，在这些行业中都占有不可替代的地位。

因此设计优化出效率高、性能好、噪声低、节能的轴流式通风机是很重要的。但是轴流风机中流动非常复杂性，主要体现在：1）流动的三维性；2）流体的粘性；3）流动的非定常性。在传统的风机设计中很难考虑到上面三点，就算现代设计方法中用了CFD做辅助设计，但是无法完全控制上面三个因素对风机性能的影响，其中最关键的因素是流体的粘性，粘性不仅仅影响到叶片出口边为满足库塔-茹科夫斯基条件而形成的叶片尾迹旋涡。由于粘性，叶片表面以及环壁通道表面均会存在粘性边界层，它们之间以及与主流之间有强烈的相互作用，产生所谓的“二次流”现象。二次流动是轴流风机损失上升、效率下降的主要根源。同时，由于粘性的影响，使轴流风机中存在空气动力噪声，轴流风机的空气动力噪声主要由两部分组成：旋转噪声和涡流噪声。如果风机出口直接排入大气，还有排气噪声。

综上所述，要想设计优化出效率高、性能好、噪声低、节能的轴流式通风机，就是要控制和减小二次流动、控制和减小边界层厚度、防止涡脱落、或是控制涡的形成。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足无法通过设计和优化很好的控制轴流风机中的二次流和涡流噪声，提供一种叶片带翼型导流板和导叶有仿生尾缘的轴流风机，在叶片吸力面尾缘部分加翼型导流板，把导叶尾缘加工成鸟类翅膀展开的仿生结构，和把内筒出口加工成矩形锯齿结构，可以减小叶道中的二次流动；减小叶片表面边界层的厚度；减小叶顶泄漏损失和间隙噪声；减缓导叶出口处涡的脱落；降低出口噪声。通过对轴流风机不同位置的改进使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。

本发明采用了如下的技术方案：一种带翼型导流板的叶片和导叶有仿生尾缘的轴流风机，包括网罩、叶轮、导叶叶轮、外筒、电机；所述网罩是有铁丝编织而成，固定在外筒上；其特征在于：所述叶轮包括轮毂和叶片，叶片上有导流板；所述叶片是通过等环量孤立翼型法设计的圆弧板型叶片，扭速随着变径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片厚度2-4mm，叶片数量为5-9个，叶片叶顶间隙为叶片高度的1%-2%；所述导流板均匀分布在叶片上，相对于叶高的位置分别在25%、50%、75%和叶顶四个位置，导流板的形状为翼型，通过保持相对位置板型叶片的中弧线不变，然后叠加NACA四位数字翼型叶片厚度分布，翼型相对厚度为10%-15%，导流板厚度为2-4mm；所述导叶叶轮与外筒相连，导叶叶片为圆弧板型叶片，沿着径向没有扭转，导叶叶片尾缘有仿生鸟翅尾缘结构，导叶数量为7-17个，导叶叶轮与叶轮的轴向间隙的大小为5-10mm，导叶叶片的厚度为2-4mm；所述仿生鸟翅尾缘结构是有光滑的曲线设计而成，尾缘有8-15个锯齿，而且叶顶的锯齿尺寸大于叶根的尺寸，锯齿的尺寸沿着径向依次增大，叶根锯齿的高度为叶根叶片弦长的5%-10%，叶顶锯齿的高度为叶顶弦长的10%-15%；所述导叶叶轮内筒与叶轮轮毂直径一样，在内筒的出气端，有锯齿结构；所述锯齿结构均匀的分布在内筒整个圆周上，锯齿间隙宽度为3%-5%的内筒外径，矩形锯齿的长宽比为2-4，锯齿的数量在20-40个之间；所述电机为三相异步电机，电机固定在内筒的腹板上，叶轮通过轴套与电机轴相连。

本发明的有益效果：

本发明通过在叶轮叶片加翼型导流板结构，可以很好的控制由于流体的压力和离心力不平衡导致的径向流动，同时还可以控制叶片流道中一对通道涡的尺寸，可以很好的防止径向间隙流动、通道涡流动和叶片表面附面层潜移流动，从而可以使叶轮中流体流动更加平稳，边界层更薄，提高了风机效率和降低了涡流噪声。叶顶处的导流板，由于面积大在叶顶间隙中形成复杂的涡流，从而可以有效地改善叶顶处的泄露损失，改善叶顶处由于泄露而造成的低能流体聚集、堵塞流道的问题，从而降低噪音。把导叶尾部设计成仿生锯齿形，该形状是模仿鸟类展开翅膀，翅膀尾缘羽毛的分布形状特点设计出来的。同时把导叶级的内筒后部也设计成矩形锯齿的形状。导叶级叶片仿生结构和内筒矩形锯齿结构可以很好的控制风机出口处涡的脱落频率和靠近轮毂处边界层的厚度，同时齿形结构可以对大的通道涡进行切割、梳理成无数小涡流，并对风叶根的粘性气流进行有效分离、导向，致使成为理想气流，减小了风机尾迹损失和涡流噪声。通过对轴流风机不同位置的改进使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。

附图说明

图1为本发明的轴流风机三维图。

图2为本发明的叶轮结构图。

图3为本发明的叶轮叶片吸力面结构图。

图4为本发明的叶轮叶片压力面结构图。

图5为本发明的导叶叶轮三维图。

图6为本发明的导叶叶片结构示意图。

图7为本发明的导流板翼型截面设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，该轴流风机有5部分组成，包括1、网罩，2、电机，3、导叶叶轮，4、外筒，5、叶轮；导叶叶轮3与外筒4固接在一起，电机2固定在导叶叶轮4内筒的腹板上，其中电机2的工作参数为720r/min，功率为4KW；叶轮5通过轴套固定在电机2轴上，叶轮5的轮毂与内筒的间隙为10mm；网罩1安装在外筒上，有整流和防止异物进入的作用。

如图1、2、3、4所示，叶轮5有电机2带动给气体做功，提高气体的动压和静压，叶轮5上的叶片5-2是通过等环量孤立翼型法设计的圆弧板型叶片，扭速随着变径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片厚度3mm，叶片数为6个，叶片叶顶间隙为叶片高度的2%。叶轮叶片设计具体方法如下：

轴流式通风机内部流体简单的径向平衡方程：

其中P表示流体微团受到的压力，Cu为流体微团绕轴旋转的速度，r为流体微团的旋转半径。公式表示轴流风机内部假设没有径向流动，则任意位置流体微团在径向上受到的压力P和流体微团旋转运动产生的离心力平衡。

在公式（2）-（3）中，Pt为气体的总压，ρ为气体的密度，C为气体的合速度，Cu、Ca、Cr分别为气体的周向速度、周向速度、径向速度，但是有上面假设可知Cr=0，气体的总压等于动压加静压。

由公式（2）-（3）可以得到Pt、P、Cu、Ca的微分关系式如公式（4）.把公式（4）回代入公式（1）中就可以得到另一种更加通用的简单的径向平衡方程（5）。

等环量设计方法假设总压Pt沿径向不变，轴向速度Ca也沿径向为常数，代入公式（5）中可知：

由上面公式可知，等环量设计方法就是假设风机内部Cr=0，并且总压Pt沿径向不变，轴向速度Ca也沿径向为常数，周向速度随着半径的增大而减小。

公式（7）是由叶栅理论推导出来的，一个关于叶片稠度，叶片扭速，叶栅升力系数，和叶栅中平均相对速度之间的关系。

孤立翼型设计方法就是假设叶栅的升力系数不受叶栅之间叶片的干涉，也就是叶栅的升力系数孤立翼型的升力系数相同。

等环量孤立翼型设计方法就是如上所述，通过上面的方法就可以计算出叶片的各截面的弦长和安装角，叶片进口气流机和叶片出口气流机，由上面的参数加上一些经验公式就可以计算出中弧线的形状，取翼型相对厚度为10%，然后，在各截面的中弧线叠加NACA四位数字翼型厚度分布，得到各翼型截面。NACA翼型是美国国家航空资讯委员会（NationalAdvisoryCommitteeforAeronautics）所发表的翼型系列，四位数字翼型是其常用翼型系列，设计方法如下：

NACA四位数字翼型厚度分布函数方程为：

其中：t表示相对厚度，，b为弦长，以翼型玄线为X轴，坐标原点放在翼型叶片前缘点上，。

方法如下，首先，取相对厚度为10%，得到叶片不同截面厚度分布函数的N个离散点，然后，同时把各截面中弧线也进行等分得到N个离散点，并且通过差分法求取各点法线的斜率，然后求出倾斜角，这样就可以得到变换后翼型上下表面的坐标点然后用曲线光滑的连接起来就可以得到个截面所需翼型，如图7所示，a1为厚度分布函数，a4为叶片中弧线，a2和a3为中弧线任一点的法线和切线，然后用曲线光滑的连接起来就可以得到个截面所需翼型。

如图5、6所示，导叶3-1固定在外筒和内筒上面，导叶3-1叶片为圆弧板型叶片，沿着径向没有扭转，导叶叶片尾缘有仿生鸟翅尾缘结构3-2，导叶数量为9个，导叶叶轮与叶轮的轴向间隙的大小为10mm，导叶叶片的厚度为4mm；所述仿生鸟翅尾缘结构3-2是有光滑的曲线设计而成，尾缘有12个锯齿，而且叶顶的锯齿尺寸大于叶根的尺寸，锯齿的尺寸沿着径向依次增大，叶根锯齿的高度b3为叶根叶片弦长b4的6%，叶顶锯齿的高度b2为叶顶弦长b1的18%；内筒的出气端有锯齿结构3-3；锯齿结构3-3均匀的分布在内筒整个圆周上，锯齿间隙宽度为3%的内筒外径，矩形锯齿槽的长宽比为3，锯齿的数量在40个之间。

本发明首先在叶轮叶片5-2加翼型导流板结构5-1，可以很好的控制由于流体的压力和离心力不平衡导致的径向流动，同时还可以控制叶片流道中一对通道涡的尺寸，可以很好的防止径向间隙流动、通道涡流动和叶片表面附面层潜移流动，从而可以使叶轮中流体流动更加平稳，边界层更薄，提高了风机效率和减小了泄漏损失和降低了涡流噪声。叶顶处的导流板5-1，由于面积大在叶顶间隙中形成复杂的涡流，从而可以有效地改善叶顶处的泄露流，改善叶顶处由于泄露流而造成的低能流体聚集、堵塞流道的问题，从而降低噪音。然后，把导叶3-1尾部设计成仿生锯齿形3-2，该形状是模仿鸟类展开翅膀，翅膀尾缘羽毛的分布形状特点设计出来的。同时把导叶级3的内筒后部也设计成矩形锯齿的形状3-3，可以很好的控制风机出口处涡的脱落频率和靠近轮毂处边界层的厚度，同时齿形结构可以对大的通道涡进行切割、梳理成无数小涡流，并对风叶根的粘性气流进行有效分离、导向，致使成为理想气流，减小了风机尾迹损失和涡流噪声。通过对轴流风机不同位置的改进使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。

Claims (1)

1.一种带翼型导流板的叶片和导叶有仿生尾缘的轴流风机，包括网罩、叶轮、导叶叶轮、外筒、电机；所述网罩是有铁丝编织而成，固定在外筒上；其特征在于：所述叶轮包括轮毂和叶片，叶片上有导流板；所述叶片是通过等环量孤立翼型法设计的圆弧板型叶片，扭速随着变径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片厚度2-4mm，叶片数量为5-9个，叶片叶顶间隙为叶片高度的1%-2%；所述导流板均匀分布在叶片上，相对于叶高的位置分别在25%、50%、75%和叶顶四个位置，导流板的形状为翼型，通过保持相对位置板型叶片的中弧线不变，然后叠加NACA四位数字翼型叶片厚度分布，翼型相对厚度为10%-15%，导流板厚度为2-4mm；所述导叶叶轮与外筒相连，导叶叶片为圆弧板型叶片，沿着径向没有扭转，导叶叶片尾缘有仿生鸟翅尾缘结构，导叶数量为7-17个，导叶叶轮与叶轮的轴向间隙的大小为5-10mm，导叶叶片的厚度为2-4mm；所述仿生鸟翅尾缘结构是有光滑的曲线设计而成，尾缘有8-15个锯齿，而且叶顶的锯齿尺寸大于叶根的尺寸，锯齿的尺寸沿着径向依次增大，叶根锯齿的高度为叶根叶片弦长的5%-10%，叶顶锯齿的高度为叶顶弦长的10%-15%；所述导叶叶轮内筒与叶轮轮毂直径一样，在内筒的出气端，有锯齿结构；所述锯齿结构均匀的分布在内筒整个圆周上，锯齿间隙宽度为3%-5%的内筒外径，矩形锯齿的长宽比为2-4，锯齿的数量在20-40个之间；所述电机为三相异步电机，电机固定在内筒的腹板上，叶轮通过轴套与电机轴相连。