CN106704261B - 带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮，包括轮毂、轴套用连接件固定在轮毂上；还包括固定连接在轮毂上的弯扭叶片及分流叶片；所述弯扭叶片包括为吸力面和压力面；所述弯扭叶片顶部设置有翼型槽；所述弯扭叶片压力面的上半部设置有叶脉状凹槽，翼型槽通过出气口与叶脉状凹槽相通；所述弯扭叶片吸力面尾部设置有小翼突起和密集小翼；所述密集小翼设置在小翼突起两侧；所述弯扭叶片上设置有抛物线小孔；在相邻两个弯扭叶片之间设置分流叶片；所述分流叶片的高度小于弯扭叶片一半的高度。

Description

带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮

技术领域

本发明涉及轴流风机设计领域，特别涉及一种带叶脉状结构和非均匀尾翼的新型轴流风机三元叶轮。

背景技术

轴流风机的工作原理是将电机输入的机械能用来提高气体的压力，进行输送和排放气体。轴流风机在国民经济的各个领域发挥着作用，广泛应用于工厂、矿井、车辆、船泊和建筑物等，在通风、排尘和冷却方面发挥着不可替代的作用，据不完全统计，全国各类风机年用电量占全国发电量的20％，其中很多的风机不是年代久远，就是效率低，造成了电力的严重浪费，可见提高风机性能实现节能在国民经济中的重要性。轴流风机通常作用在流量要求高而压力低的场合，结构相对简单且便于安装，在风机领域有着不可替代的作用。

尽管轴流风机的结构简单，但是流动情况确实相当复杂。流动往往具有三维性、粘性和非定常性，在以往的风机设计中很少或很难全面的考虑这些情况，即便是数值分析成熟的今天也很难控制上述因素对风机的影响，特别是流体具有粘性这个关键因素，因为粘性常常会使叶片出口边形成叶片尾迹漩涡；由于粘性，叶片表面会存在粘性边界层(特别是叶片表面非常光滑的情况下)，与主流之间产生的强烈的相互作用，产生二次流现象；粘性的存在也会形成空气动力噪声，主要包括旋转噪声和涡流噪声。除此之外，叶片压力面和吸力面的压差、叶片顶部和机壳的径向间隙和叶片本身边界层内径向流动产生的二次流也是造成风机损失上升、效率降低的主要根源。

综上所述，只有控制和减少二次流现象，防止边界层分离，抑制叶片尾迹漩涡的产生，减少湍流耗散和流动损失才能设计出效率高、性能好、噪声低和节能的轴流风机，满足现代生产对风机的需求。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对现有技术的不足通过控制和减少二次流、边界层分离、尾迹漩涡和涡流噪声的产生，提出一种带叶脉状结构和非均匀尾翼的新型轴流风机三元叶轮。该发明能减少二次流现象，防止边界层分离，抑制叶片尾迹漩涡的产生，减少湍流耗散和流动损失，具有效率高、性能好、噪声低和节能的特点。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮，包括轮毂、轴套用连接件固定在轮毂上；还包括固定连接在轮毂上的弯扭叶片及分流叶片；

所述弯扭叶片包括为吸力面和压力面；所述弯扭叶片顶部设置有翼型槽；所述弯扭叶片压力面的上半部设置有叶脉状凹槽，翼型槽通过出气口与叶脉状凹槽相通；所述弯扭叶片吸力面尾部设置有小翼突起和密集小翼；所述密集小翼设置在小翼突起两侧；所述弯扭叶片上设置有抛物线小孔；

在相邻两个弯扭叶片之间设置分流叶片；所述分流叶片的高度小于弯扭叶片一半的高度。

作为本发明的带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮的改进：所述分流叶片为葛根廷翼；所述分流叶片设置在相邻弯扭叶片的正中间。

作为本发明的带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮的进一步改进：所述分流叶片的两侧面的结构相同，均分别为：在侧面上设有至少两个径向等距的凹槽组，每个凹槽组都包含至少两个的仿生圆槽，每个凹槽组的仿生圆槽的中心线连线垂直于轮毂的外表面，仿生凹槽轴心线垂直于分流叶片。

作为本发明的带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮的进一步改进：所述叶脉状凹槽包括至少两条脉槽，每条脉槽和一个出气口相通，出气口与翼型槽相通。

作为本发明的带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮的进一步改进：所述弯扭叶片的吸力面后端等距设置有三个小翼突起。

作为本发明的带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮的进一步改进：所述轮毂上等距设置有八个弯扭叶片及八个分流叶片。

作为本发明的带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮的进一步改进：所述弯扭叶片的扭曲15°-20°，弯曲15°-20°。

作为本发明的带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮的进一步改进：所述分流叶片的高度为弯扭叶片的高度的30％-40％。

本发明具有以下优点：本发明通过采用弯扭叶片使得叶根部安装角大，弯扭叶片顶部处安装角小，保证空气在径向上各个位置都有一个比较均匀的轴向速度，保证正常工作，避免气流分离，减少流动损失而且能够有效抑制叶栅内部的二次流动(静压呈C型分布叶片吸力面和压力面压差小于常规叶片)，同时能够提高根部反动度，降低顶部反动度，达到均化反动度沿叶高分布的目的，提高根部的通流能力；弯扭叶片压力面顶部开有叶脉状凹槽，弯扭叶片顶部开有翼型槽，翼型槽和叶脉状凹槽通过出气孔相连，该结构能够在叶脉状凹槽内形成低速二次涡，槽内粘性阻力与总阻力相反以减少粘性阻力，抑制湍流强度，减少湍流耗散，能够将压力面上部的高能气体引通过叶脉状凹槽和出气孔引进弯扭叶片顶部翼型槽，阻止一些气体通过径向间隙从压力面流向吸力面，造成弯扭叶片顶部附近流动的混乱，改善弯扭叶片顶部的流动情况，也可以避免气体从弯扭叶片的压力面流向相邻的吸力面产生的横向二次流现象，从而达到减少流动损失，同时叶脉状凹槽也有普通凹槽的作用；弯扭叶片上的抛物线小孔能减少叶片吸力面和压力面的压力差，改善叶片周围边界层分离，减少了涡流噪声的产生；非均匀尾翼除了能减少二次流动，增加流道内气流的稳定性，使气体边界层分离点向弯扭叶片尾缘移动，从而提高流动效率，其特有的密集小翼能有效消除弯扭叶片根部和顶部由于弯扭叶片压力面向相邻弯扭叶片的吸力面横向流动造成的二次流，破碎可能产生的大涡，阻止由弯扭叶片根部向叶顶的径向潜流，同时也能起到降噪的作用；分流叶片能有效破涡，使流道内的流动更加稳定，减少流动分离和二次流等不稳定现象，分流叶片上开有仿生圆槽能够减少壁面摩擦阻力，降低流动阻力，减少流动损失，同时抑制涡噪的产生。依托原理在轴流风机叶轮不同位置进行改进使轴流风机的效率更高，性能更好，更节能环保。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明带叶脉状结构和非均匀尾翼的新型轴流风机三元叶轮的整体结构示意图；

图2为图1中弯扭叶片的吸力面的结构示意图；

图3为图1中弯扭叶片的压力面的结构示意图；

图4为图1中分流叶片的结构示意图；

图5为图4中分流叶片B-B面的结构示意图；

图6为图2中弯扭叶片和小翼突起的C-C面的结构示意图；

图7为图1中分流叶片的仿生圆槽的结构示意图；

图8为图1中翼型槽的结构示意图；

图9为图1中弯扭叶片的叶栅结构示意图；

图10为图1中弯扭叶片弯曲和扭曲的结构示意图；

图11是密集小翼16的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、带叶脉状结构和非均匀尾翼的新型轴流风机三元叶轮，如图所示，包括轮毂、固定连接在轮毂上的弯扭叶片1和分流叶片2、轴套3和连接件4。

弯扭叶片1包括吸力面18和压力面19，弯扭叶片1的吸力面18顶部设置有叶脉状凹槽15，弯扭叶片1后端设置有小翼突起13和密集小翼16，叶脉状凹槽15包括至少两个脉槽，弯扭叶片1的根部处安装角大，顶部安装角小(安装角为弯扭叶片1半径r处回转平面与翼型弦长之间的夹角，安装角由图中的β1和β2表示)，保证空气在径向上各个位置都有一个比较均匀的轴向速度，保证正常工作，避免气流分离，减少流动损失而且能够有效抑制叶栅内部的二次流动(静压呈C型分布，从而使叶片吸力面18和压力面19压差小于常规叶片)，同时能够提高弯扭叶片1根部反动度，降低弯扭叶片1顶部反动度，达到均化反动度沿叶高分布的目的，提高弯扭叶片1根部的通流能力。叶栅是指在某一半径r上，用其轴圆柱面将叶片截断，然后再将这一截面展成的平面，体现相邻弯扭叶片1位置关系，弯扭叶片1安装角等。

在吸力面18设置小翼突起13和密集小翼16能使流体在在叶栅内流动，由于弯扭叶片1和流体相互作用，叶片压力面19压力大于吸力面18，流体从弯扭叶片1压力面19向吸力面18流动，加之来流使的吸力面18的气流更紊乱，所以设计尾翼使气流沿着弦向运动，控制径向流动，同时还可以控制弯扭叶片1流道中通道涡的尺寸和叶片表面附面层潜移流，控制径向运动的二次流，减小速度的不均匀，防止尾迹射流，使弯扭叶片1的吸力面18边界层分离点向后运动，减小能量损失。

弯扭叶片1顶部设置有翼型槽11，翼型槽11通过若干出气口14与弯扭叶片1吸力面18顶部的叶脉状凹槽15相通，该结构能够在叶脉状凹槽15内形成低速二次涡，叶脉状凹槽15内粘性阻力与总阻力相反以减少粘性阻力，抑制湍流强度，减少湍流耗散，能够将弯扭叶片1压力面19上部的高能气体引通过叶脉状凹槽15和出气口14引进叶顶翼型槽11，阻止一些气体通过径向间隙从压力面19流向吸力面18，造成弯扭叶片1顶部附近流动的混乱，改善弯扭叶片1顶部的流动情况，也可以避免气体从弯扭叶片1的压力面19流向相邻的吸力面18产生的横向二次流现象，从而达到减少流动损失，同时弯扭叶片1顶部的翼型槽11也有普通凹槽的作用，能形成涡垫效应，使近壁区湍流强度减少。弯扭叶片1上设置有抛物线小孔12，抛物线小孔12能减少弯扭叶片1吸力面18和压力面19的压力差，改善弯扭叶片1周围边界层分离，减少了涡流噪声的产生；非均匀尾翼除了能减少二次流动，增加流道内气流的稳定性，使气体边界层分离点向弯扭叶片1尾缘移动，从而提高流动效率，其特有的密集小翼能有效消除弯扭叶片1根部和顶部由于弯扭叶片1的压力面19向相邻弯扭叶片1的吸力面18横向流动造成的二次流，破碎可能产生的大涡，阻止由弯扭叶片1根部向顶部的径向潜流，同时也能起到降噪的作用；分流叶片2能有效破涡，使流道内的流动更加稳定，减少流动分离和二次流等不稳定现象，分流叶片2上开有仿生圆槽23能够减少壁面摩擦阻力，降低流动阻力，减少流动损失，同时抑制涡噪的产生。分流叶片2为葛根廷翼，设置在相邻两个弯扭叶片1的正中间，两侧面均设有径向等距的凹槽组，每个凹槽组都包含两个以上的仿生圆槽23，仿生圆槽23设置在同一直线上，每个凹槽组的仿生圆槽23的中心线连线垂直于轮毂的外表面，仿生圆槽23的轴心线垂直于分流叶片2。分流叶片2能有效破涡，使流道内的流动更加稳定，减少流动分离和二次流等不稳定现象，另外弯扭叶片1上开有的仿生圆槽23能够减少壁面摩擦阻力，降低流动阻力，减少流动损失。分流叶片2的高度小于弯扭叶片1一般的高度，轴套3用标准连接件4固定在轮毂上。分流叶片2是为了阻断弯扭叶片1叶根部分出现从弯扭叶片1的压力面19向叶片吸力面18横向的流动以及破涡等。

参照叶片的工作原理，弯扭叶片1扭曲能保证空气在径向上各个位置都有一个比较均匀的轴向速度，保证正常的工作，避免气流分离，减少流动损失，借鉴王仲奇(院士)根据小径高比叶片环形叶栅静态吹风实验和数值计算结果而提出的附面层迁移理论，即弯扭叶片1周向弯曲后，弯扭叶片1表面与气流的作用力在径向的分力不等于零，从而控制了压力沿弯扭叶片1高度的分布，弯扭叶片1周向弯曲以后，弯扭叶片1表面与气流的作用力在径向的分力不等于零，从而控制了压力沿弯扭叶片1高度的分布，使得在弯扭叶片1表面，尤其是吸力面18上形成了两端压力高、中间压力低的压力分布，即“C”型压力分布，在它的作用下，两端附面层被吸到中部并被主流带走，这样就减少了低能流体在两端壁与吸力面18组成的角隅处的堆积，避免了分离的发生，因而两端部的流动损失下降，其次弯扭叶片1的压力面19和吸力面18的压差明显小于常规叶片，在端壁上的横向二次流减弱，相应的横向二次流损失下降，合理的匹配弯扭将使叶轮风机获得极佳的性能，能改善级反动度和提高级通流能力，推迟通道涡形成时间和减小通道涡的尺寸和强度，弯扭叶片1在设计中扭曲15°-20°，弯曲15°-20°，同时为了更有效减少二次流，抑制边界层厚度，控制尾迹翼尖涡的形成，减少湍流耗散等设计了叶脉状凹槽15、翼型槽11、抛物线小孔12、小翼突起13和密集小翼16等。

本发明首先对轮毂上的叶片进行弯扭设计，保证气流在径向上各个位置都有一个比较均匀的轴向速度，保证正常工作，避免气流分离，减少流动损失而且能够有效抑制叶栅内部的径向和横向的二次流，同时能够提高根部反动度，降低顶部反动度，达到均化反动度沿叶高分布的目的，提高根部的通流能力，推迟通道涡形成时间和减小通道涡的尺寸和强度；弯扭叶片1压力面19上半部开有的叶脉状凹槽15和弯扭叶片1顶部的翼型槽11通过出气口14相连，该结构能够在叶脉状凹槽15内形成低速二次涡，槽内粘性阻力与总阻力相反以减少粘性阻力，抑制湍流强度，减少湍流耗散，能够将压力面19上部的高能气体引通过叶脉状凹槽15和出气口14引进叶顶翼型槽11，阻止一些气体通过径向间隙从压力面19流向吸力面18，造成弯扭叶片1顶部附近流动的混乱，改善叶顶的流动情况，也可以避免气体从弯扭叶片1的压力面19流向相邻的吸力面18产生的横向二次流现象，从而达到减少流动损失，同时弯扭叶片1顶部的叶脉状凹槽15也有普通凹槽的作用，能形成涡垫效应，使近壁区湍流强度减少；弯扭叶片1上的抛物线小孔12能减少吸力面18和压力面19的压力差，改善弯扭叶片1周围边界层分离，减少了涡流噪声的产生；非均匀尾翼除了能减少二次流动，增加流道内气流的稳定性，使气体边界层分离点向弯扭叶片1尾缘移动，从而提高流动效率，其特有的密集小翼能有效消除弯扭叶片根部和顶部由于弯扭叶片1的压力面19向相邻弯扭叶片1的吸力面18横向流动造成的二次流，破碎可能产生的大涡，阻止由弯扭叶片1根部向顶部的径向潜流，同时也能起到降噪的作用；分流叶片2能有效破涡，使流道内的流动更加稳定，减少流动分离和二次流等不稳定现象，分流叶片2上开有仿生圆槽23能够减少壁面摩擦阻力，降低流动阻力，减少流动损失，同时抑制涡噪的产生。依托原理在轴流风机叶轮不同位置进行改进使轴流风机的效率更高，性能更好，更节能环保。

弯扭叶片1是采用等环量孤立翼型法设计的翼型叶片，弯扭叶片1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％，弯扭叶片1数量为8个；弯扭叶片1顶部的翼型槽11的槽深为弯扭叶片1高度的1％-2％，翼型槽11的厚度为弯扭叶片1顶面的50％-60％；在弯扭叶片1后端上等距分布着小翼突起13，小翼突起13两侧设置有密集小翼16，密集小翼16为对称圆弧形突起，彼此间距d4为1-2mm，设6-8个，翼高1-2mm，长度d3为小翼突起的1/2-1/3，密集小翼16长度略有区别以降噪，如图11所示。小翼突起13间距d1为弯扭叶片1高度H的18％-22％，小翼突起13的长度d4为弯扭叶片1弦长的15％-17％，与弦长的夹角ω为30°-40°，离弯扭叶片1后端边缘的距离d5为弯扭叶片1弦长的1％-3％；弯扭叶片1中分布着抛物线小孔12，孔径为1-2mm；弯扭叶片1压力面19顶部的叶脉状凹槽15槽深为1-2mm，最大槽长为弯扭叶片1高度的30％-40％，脉槽的间距为20-30mm,每条脉槽都单独和一个出气口14相通，脉槽的具体数量视弯扭叶片1大小而定；弯扭叶片1扭曲15°-20°，弯曲15°-20°。弯曲是指弯扭叶片1在用等环量孤立翼型法设计时沿水平中截面(与弯扭叶片1的高垂直的面)弯曲，即不同半径处的翼型截面在水平方向上彼此有相应的间距；扭曲是指弯扭叶片1在用等环量孤立翼型法设计时沿竖直中截面(与弯扭叶片1的高平行的面)扭曲，即不同半径处的翼型截面绕竖直方向扭曲相应的角度。扭曲益处：不仅使得弯扭叶片1的叶根处安装角大，叶尖处安装角小，还能保证空气在径向上各个位置都有一个比较均匀的轴向速度，保证正常工作，避免气流分离，减少流动损失。弯曲和扭曲益处：能够有效抑制叶栅内部的二次流动(静压呈C型分布弯扭叶片1的吸力面18和压力面19压差小于常规叶片)，同时能够提高根部反动度，降低顶部反动度，达到均化反动度沿叶高分布的目的，提高根部的通流能力，推迟通道涡形成时间和减小通道涡的尺寸和强度。

分流叶片2为葛根廷翼，分流叶片2的高度为弯扭叶片1高度的30％-40％，分流叶片2的两侧面均设有径向等距的n个凹槽组(径向是指沿分流叶片2高度方向)，每个凹槽组又包含c个仿生圆槽23，仿生圆槽23与分流叶片2顶部、根部、前缘和后端最小的间距都为圆弧形板长的6％-12％，相邻仿生圆槽23彼此间距d均为5-8mm，仿生圆槽23半径为1-2mm，n和c的值具体视分流叶片2的高度和宽度而定；仿生圆槽23呈直线分布，不同仿生圆槽23的间距定了，距离四周的间距能也定了。上述连接件4用轴套3固定在轮毂上，轴套3采用常规的轴套，连接件4采用标准件螺栓来通过轴套3与轮毂连接。

实验一、将实施例1所述的“带叶脉状结构和非均匀尾翼的新型轴流风机三元叶轮”采用CFD技术进行简单的验证，在入口速度2m/s、旋转速度100rad/s等边界条件一致的情况下，通过测量出口的静压来判断性能，因为轴流风机主要是将机械能转化为风的静压，在输入功率相同的情况下，静压大说明效率高，湍流耗散和流动损失较少，即二次流、尾迹漩涡等都得到了有效的控制。

对比例1：取消实施例1中的弯扭叶片1顶部的翼型槽11及弯扭叶片1吸力面18顶部的叶脉状凹槽15，其余等同于实施例1，进行对比例1,。

对比例2：取消实施例1中的抛物线小孔12，其余等同于实施例1，进行对比例2。

对比例3：取消实施例1中分流叶片2，其余等同于实施例1，进行对比例3。

对比例4：将实施例1中的弯扭叶片1替换成普通直叶片，其余等同于实施例1，进行对比例4。

将上述所有的对比例1-4，如同实验一所述方法进行检测，输入功率相同，所得结果(参考大气压)分别为：

工况	出口静压
		实验一	196.03pa
对比例1	163.02pa
		对比例2	183.21pa
对比例3	162.33pa
		对比例4	145.02pa

本发明在相同的条件下下，相较于对比例1-4，出口静压得到了显著的提高，说明湍流耗散和流动损失得到了明显的减少。

最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照签署各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前处各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例方案的范围。

Claims (5)

1.带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮，包括轮毂、轴套（3）用连接件（4）固定在轮毂上；其特征在于：还包括固定连接在轮毂上的弯扭叶片（1）及分流叶片（2）；

所述弯扭叶片（1）包括为吸力面（18）和压力面（19）；所述弯扭叶片（1）顶部设置有翼型槽（11）；所述弯扭叶片（1）压力面的上半部设置有叶脉状凹槽（15），翼型槽（11）通过出气口（14）与叶脉状凹槽（15）相通；所述弯扭叶片（1）吸力面尾部设置有小翼突起（13）和密集小翼（16）；所述密集小翼（16）设置在小翼突起（13）两侧；所述弯扭叶片（1）上设置有抛物线小孔（12）；

在相邻两个弯扭叶片（1）之间设置分流叶片（2）；所述分流叶片（2）的高度小于弯扭叶片（1）一半的高度；

所述分流叶片（2）为哥廷根翼；所述分流叶片（2）设置在相邻弯扭叶片（1）的正中间；

所述分流叶片（2）的两侧面的结构相同，均分别为：在侧面上设有至少两个径向等距的凹槽组，每个凹槽组都包含至少两个的圆槽（23），每个凹槽组的圆槽（23）的中心线连线垂直于轮毂的外表面，圆槽（23）轴心线垂直于分流叶片（2）；

所述叶脉状凹槽（15）包括至少两条脉槽，每条脉槽和一个出气口（14）相通，出气口（14）与翼型槽（11）相通。

2.根据权利要求1所述的带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮，其特征在于：所述弯扭叶片（1）的吸力面（18）后端等距设置有三个小翼突起（13）。

3.根据权利要求2所述的带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮，其特征在于：所述轮毂上等距设置有八个弯扭叶片（1）及八个分流叶片（2）。

4.根据权利要求3所述的带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮，其特征在于：所述弯扭叶片（1）的扭曲15°-20°，弯曲15°-20°。

5.根据权利要求4所述的带叶脉状结构和非均匀尾翼的轴流风机三元叶轮，其特征在于：所述分流叶片（2）的高度为弯扭叶片（1）的高度的30%-40%。