CN105756996A - 一种叶片吸力面有涡破碎结构和叶顶开槽的轴流风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片吸力面有涡破碎结构和叶顶开槽的轴流风机，在叶轮叶片吸力面靠近根部加有一个涡破碎结构，把叶片叶顶加工出翼型凹槽，在轮毂与内筒间隙加迷宫密封结构，并且把导叶吸力面尾部加工出矩形凹槽，可以抑制叶轮流道中通道涡的大小，减小径向二次流；可以阻碍了泄漏流发展，削弱了泄漏流与主流的掺混，从而减少叶顶处的泄漏损失；可以产生很强的节流效应，改善叶轮出口处气流的稳定性，减小叶片根部气流的泄漏量；可以很好的控制导叶尾部边界层的厚度，防止边界层分离，抑制涡的脱落和减小涡脱落的频率。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。

Description

一种叶片吸力面有涡破碎结构和叶顶开槽的轴流风机

技术领域

本发明属于轴流风机技术领域，特别涉及一种叶片吸力面有涡破碎结构和叶顶开槽的轴流风机。

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边界层、二次流和涡流噪声，提供一种叶片吸力面有涡破碎结构和叶顶开槽的轴流风机，在叶轮叶片吸力面靠近根部加有一个涡破碎结构，把叶片叶顶加工出翼型凹槽，在轮毂与内筒间隙加迷宫密封结构，并且把导叶吸力面尾部加工出矩形凹槽，可以抑制叶轮流道中通道涡的大小，减小径向二次流；可以阻碍了泄漏流发展，削弱了泄漏流与主流的掺混，从而减少叶顶处的泄漏损失；可以产生很强的节流效应，改善叶轮出口处气流的稳定性，减小叶片根部气流的泄漏量；可以很好的控制导叶尾部边界层的厚度，防止边界层分离，抑制涡的脱落和减小涡脱落的频率。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。

本发明的技术方案如下：一种叶片吸力面有涡破碎结构和叶顶开槽的轴流风机，包括网罩、叶轮、导叶、内筒、外筒、电机、轴套；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，叶片吸力面靠近根部有一个涡破碎结构，叶片顶部加工成翼型凹槽结构，在叶轮轮毂与内筒的间隙有迷宫密封结构；所述叶片是通过等环量孤立翼型法设计的翼型叶片，扭速随着变径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片厚度分布与NACA四位数字翼型厚度分布相同，翼型相对厚度为10%—15%，叶片数量为5—9个，叶片叶顶间隙为叶片高度的1%—2%；所述叶片上涡破碎结构，截面形状为矩形，涡破碎结构的长为所在位置叶片弦长的25%-35%，宽度为长度的1/4-1/3，厚度为3-8mm，涡破碎结构的尾部距离所在翼型截面尾缘的距离b2为弦长b1的25%-35%；所述叶顶翼形凹槽结构的形状与叶顶截面相同而等比例缩小，缩小倍数为0.95-0.8，翼形凹槽深度为3-8mm；所述叶轮轮毂与内筒的间隙的迷宫密封结构是由矩形锯齿组成，在轮毂与内筒上都有矩形锯齿，锯齿的大小和间距相等，两边矩形锯齿的数量为4-7个，轮毂与内筒之间的间距为8-15mm，锯齿的高度为间距的60%-80%，锯齿的宽度为高度的1/5-1/3，齿间间隙为齿高的1/8-1/5；所述导叶固定在内筒和外筒上面，导叶叶片为圆弧板型叶片，沿着径向没有扭转导叶数量为7—17个，导叶叶片的厚度为2—4mm，导叶靠近尾缘的吸力面尾部有矩形凹槽；所述导叶吸力面矩形凹槽均匀分布在吸力面尾缘部分，大小相等，与导叶尾缘距离相同，矩形凹槽长度为导叶叶根弦长的20%—30%，矩形凹槽的深度为导叶厚度的1/3—1/2，矩形凹槽的宽度与导叶厚度相同，矩形凹槽与叶片尾缘的距离为导叶叶根弦长的3%—5%，矩形凹槽的数量为5-10个；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：

本发明通过在该轴流风机叶轮叶片吸力面靠近根部加一块涡破碎板，可以把靠近叶根的一个通道涡切碎，抑制通道涡的大小，减小由于径向力不平衡引起的二次流，同时有利于控制吸力面边界层厚度；

本发明通过在该轴流风机叶片叶顶开翼型槽，可有效改善风机性能，槽式叶顶结构扰乱了间隙内泄漏流场的分布，间隙内涡量梯度及混乱度明显增加，阻碍了泄漏流发展，削弱了泄漏流与主流的掺混，从而减少叶顶处的泄漏损失，使风机效率得到提高；

本发明通过在该轴流风机轮毂与内筒的间隙加迷宫密封结构，该结构能产生很强的节流效应，起到非接触密封的作用，改善叶轮出口处气流的稳定性，降低气流的泄漏量，减小容积损失，提高效率；

本发明通过在该轴流风机导叶吸力面后靠近后部分加矩形凹槽，可以很好的控制导叶尾部边界层的厚度，防止边界层分离，抑制我的脱落和减小涡脱落的频率，整体上，减小了能量损失、抑制了由于导叶尾迹引起的涡流噪声。

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为本发明的间隙迷宫密封结构局部放大图。

图3为本发明的叶轮三维图。

图4为本发明的涡破碎结构截面示意图。

图5为本发明的叶片叶顶凹槽结构图。

图6为本发明的导叶叶片结构示意图。

图7为本发明的导叶吸力面凹槽示意图。

图8为本发明的叶片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7部分组成，包括1、叶轮，2、导叶，3、外筒，4、内筒，5、电机，6、轴套，7、网罩；外筒3、导叶2和内筒4通过焊接固连在一起，电机5固定在内筒4的腹板上，其中电机5的工作参数为720r/min，功率为4KW；叶轮1通过轴套6固定在电机5轴上，叶轮1的轮毂与内筒4的间隙为10mm；网罩7安装在外筒3上，有整流和防止异物进入的作用。

如图1、3所示，叶轮1有电机5带动给气体做功，提高气体的动压和静压，叶轮1上的叶片1-2是通过等环量孤立翼型法设计的翼型叶片，扭速随着变径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片相对厚度为10%，叶片数量为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8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。

如图2所示，为轮毂1-1与内筒4-1之间的迷宫密封结构A。迷宫密封结构A有两部分组成，包括：轮毂1-1上的矩形锯齿结构和内筒4-1上的矩形锯齿结构。锯齿的大小和间距相等，轮毂1-1上锯齿数为5，内筒上的锯齿数为4，轮毂与内筒之间的间距d1为10mm，锯齿的高度d4为间隙的72%，尺寸为7.5mm，锯齿的宽度d3为高度的1/3，尺寸为2.5mm,锯齿间的间隙为1mm；

如图3、4所示，叶片1-2吸力面靠近叶根处有涡破碎结构1-3。涡破碎结构截面形状为矩形，涡破碎结构1-3的长度为所在位置叶片弦长b1的30%，尺寸为80mm，宽度b3为长度的37.5%,尺寸为30mm，厚度为3mm，涡破碎结构的尾部距离所在翼型截面尾缘的距离b2为弦长b1的30%，尺寸为80mm；

如图2、5所示，叶片1-2顶部有翼形凹槽结构1-4，叶顶翼形凹槽1-4的形状与叶顶截面形状完全相似，有叶顶截面缩小0.9倍得到，翼形凹槽的深度为4mm；

如图6、7所示，导叶2固定在内筒4和外筒3上面，导叶2为圆弧板型叶片，沿着径向没有扭转导叶数量为9个，导叶4叶片的厚度为4mm导叶2靠近尾缘的吸力面尾部有矩形凹槽2-1；矩形凹槽2-1均匀分布在吸力面尾缘部分，大小相等，矩形凹槽间距C2为25mm，与导叶2尾缘距离相同，矩形凹槽2-1长度为导叶2叶根弦长C4的25%，尺寸为80mm，矩形凹槽2-1的深度为导叶2厚度的1/2，矩形凹槽2-1的宽度与导叶2厚度相同为4mm，矩形凹槽与叶片尾缘的距离C3为导叶2叶根弦长C4的5%，尺寸为15mm，矩形凹槽的数量为9个。

本发明首先在叶轮1叶片1-2吸力面靠近根部加有一个涡破碎结构1-3，是因为叶根部分安装角大，叶片扭曲严重，同时还要受到轮毂边界层的影响，极易受到通道涡的影响发生边界层分离，导致很大的能量损失。该结构可以把靠近叶根的一个通道涡切碎，抑制通道涡的大小，减小由于径向力不平衡引起的二次流，同时有利于控制吸力面边界层厚度。通道涡的形成机理是，在叶轮1流场中，主流区的气流动能大，在叶片1-2压力面附近由动能转换得到的静压高，而端壁区附面层中的气流动能小，在端壁压力面附近由动能转换得到的静压低，这样在叶片1-2的压力面附近的气流就会从高静压的叶中区流向低静压的端壁区，占据了端壁处的气流通道，并沿端壁流向静压更低的吸力面角区，在吸力面角区卷起并形成横跨整个叶栅通道的旋涡流动。这就是通道涡，其特点是成对出现，旋向相反，上、下大致各占叶栅通道的一半。再在叶片1-2叶顶开翼型凹槽1-4，适当的开槽长度可有效改善风机性能，槽式叶顶结构1-4扰乱了间隙内泄漏流场的分布，间隙内涡量梯度及混乱度明显增加，阻碍了泄漏流发展，削弱了泄漏流与主流的掺混，从而减少叶顶处的泄漏损失，使风机效率得到提高。然后轮毂1-1与内筒4-1的间隙加迷宫密封结构A，该结构能产生很强的节流效应，起到非接触密封的作用，改善叶轮出口处气流的稳定性，降低气流的泄漏量，减小容积损失，提高效率。密封结构A的内在机理是气流经密封间隙进入环形空腔后，突然膨胀而产生强烈的漩涡，使气流的大部分能量转化为热量而散失掉，使焓值恢复到接近于间隙前的值，只有小部分动能仍以余速进入下一个间隙，逐级重复上述过程，这时气体压力逐级下降，从而达到密封的效果。最后，在导叶2吸力面后靠近后部分加了矩形凹槽2-1，加该结构的原因是导叶2不光受到自身边界层的影响，还要受到前面叶轮1尾迹干涉的影响，同时由于气体在叶轮1中的流动非常复杂，导致导叶2进口气流角沿径向和周向波动很大，流体在导叶2流道中很不稳定并且吸力面边界层比压力面边界层厚得多，导致吸力面流动更为复杂，而且随着流体从导叶前缘到后缘的过程中，边界层不断加厚，流体极易在导叶吸力面尾部发生分离，形成涡流，造成严重的能量损失和尾涡脱落噪声。导叶2尾部凹槽2-1的作用是可以很好的控制导叶2尾部边界层的厚度，防止边界层分离，抑制我的脱落和减小涡脱落的频率，整体上，减小了能量损失、抑制了由于导叶尾迹引起的涡流噪声。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)

1.一种叶片吸力面有涡破碎结构和叶顶开槽的轴流风机，包括网罩、叶轮、导叶、内筒、外筒、电机、轴套；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，叶片吸力面靠近根部有一个涡破碎结构，叶片顶部加工成翼型凹槽结构，在叶轮轮毂与内筒的间隙有迷宫密封结构；所述叶片是通过等环量孤立翼型法设计的翼型叶片，扭速随着变径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片厚度分布与NACA四位数字翼型厚度分布相同，翼型相对厚度为10%—15%，叶片数量为5—9个，叶片叶顶间隙为叶片高度的1%—2%；所述叶片上涡破碎结构，截面形状为矩形，涡破碎结构的长为所在位置叶片弦长的25%-35%，宽度为长度的1/4-1/3，厚度为3-8mm，涡破碎结构的尾部距离所在翼型截面尾缘的距离b2为弦长b1的25%-35%；所述叶顶翼形凹槽结构的形状与叶顶截面相同而等比例缩小，缩小倍数为0.95-0.8，翼形凹槽深度为3-8mm；所述叶轮轮毂与内筒的间隙的迷宫密封结构是由矩形锯齿组成，在轮毂与内筒上都有矩形锯齿，锯齿的大小和间距相等，两边矩形锯齿的数量为4-7个，轮毂与内筒之间的间距为8-15mm，锯齿的高度为间距的60%-80%，锯齿的宽度为高度的1/5-1/3，齿间间隙为齿高的1/8-1/5；所述导叶固定在内筒和外筒上面，导叶叶片为圆弧板型叶片，沿着径向没有扭转导叶数量为7—17个，导叶叶片的厚度为2—4mm，导叶靠近尾缘的吸力面尾部有矩形凹槽；所述导叶吸力面矩形凹槽均匀分布在吸力面尾缘部分，大小相等，与导叶尾缘距离相同，矩形凹槽长度为导叶叶根弦长的20%—30%，矩形凹槽的深度为导叶厚度的1/3—1/2，矩形凹槽的宽度与导叶厚度相同，矩形凹槽与叶片尾缘的距离为导叶叶根弦长的3%—5%，矩形凹槽的数量为5-10个；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。