CN108268672B - 轴流风扇、设计轴流风扇的三维叶片的方法及计算机设备 - Google Patents

Abstract

提供了轴流风扇、设计轴流风扇的三维叶片的方法及计算机设备。用于设计轴流风扇的三维叶片的方法包括：获取三维叶片的多个横截面；以及基于多个横截面，获得三维叶片。获取多个横截面中的每个横截面包括以下操作：获取横截面的弦长；基于所获取的所述横截面的弦长、预设的横截面的最大厚度以及基础翼型曲线的弦长和最大厚度，计算横截面的弦长缩放因子和厚度缩放因子；根据弦长缩放因子和厚度缩放因子，对所述基础翼型曲线进行缩放，以获取该横截面。

Description

轴流风扇、设计轴流风扇的三维叶片的方法及计算机设备

技术领域

本发明涉及轴流风扇，具体而言，涉及设计轴流风扇的三维叶片的方法及计算机设备。

背景技术

轴流风扇具有良好的通风效率和尺寸特性，因而在汽车前端冷却装置中以及家用空调外机中得以广泛应用。然而，轴流风扇的噪声问题一直是行业关注的焦点。如今，在轴流风扇的设计方面，各个厂商基本上都采用的是简单叶型，例如，平直片等厚度叶型或者双圆弧变厚度叶型。

翼型研究是空气动力学最重要的分支，其中最著名的是美国NASA上世纪30年代开始建立的4位和5位标准翼型库。这些标准翼型具备优异的气动性能和噪声表现。因此，将翼型叶片应用于轴流风扇的话，气动性能和噪声问题将得到显著改善。然而，对于三维翼型叶片，其弦长和倾斜角度在不同半径处发生扭变，实际操作起来十分困难。

发明内容

考虑到现有技术中的上述问题，本发明的实施例提供了一种用于设计轴流风扇的叶片的方法和计算机设备，其能够简单地实现三维翼型叶片的轴流风扇的建模。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于设计轴流风扇的三维叶片的方法，其包括：获取所述三维叶片的多个横截面；以及基于所述多个横截面，获得所述三维叶片。获取所述多个横截面中的每个横截面包括以下操作：获取所述横截面的弦长；基于所获取的所述横截面的弦长、预设的所述横截面的最大厚度以及基础翼型曲线的弦长和最大厚度，计算所述横截面的弦长缩放因子和厚度缩放因子；根据所述弦长缩放因子和所述厚度缩放因子，对所述基础翼型曲线进行缩放，以获取该横截面。

在一个实例中，获取所述横截面的弦长的步骤包括针对在所述三维叶片的轴向投影区域中分割出的、与所述轴流风扇的轮毂的转轴同心的多条圆弧线中的每一条圆弧线执行以下步骤，其中所述多条圆弧线中的每一条圆弧线对应于所述多个横截面中相应的一个横截面：将该圆弧线沿着轴向拉伸，以获得曲面，所述曲面包括与所述三维叶片的尾缘线相交的第一侧边和与所述三维叶片的前缘线相交的第二侧边；以所述第一侧边和所述第二侧边中的一侧边为基准，将所述曲面转换成平面；以所述圆弧线与所述尾缘线的交点为起点，根据针对所述交点的预设角度，确定与该起点相对应的弦在所述第一侧边和所述第二侧边中的另一侧边上的终点；计算所述弦的起点到终点的长度，作为所述横截面的弦长。

在一个实例中，针对每一个交点的预设角度是在由所述起点和所述终点构成的弦与所述轮毂的转轴之间的角度。

在一个实例中，获得所述多个横截面中的每个横截面的步骤还包括：以与所述转换步骤相逆的方式，将缩放后的所述基础翼型曲线从平面转换到曲面。

在一个实例中，将缩放后的所述基础翼型曲线从平面转换到曲面的步骤包括：将缩放后的所述基础翼型曲线从平面笛卡尔坐标系转换到圆柱坐标系。

在一个实例中，基于所述多个横截面来获得所述三维叶片包括：对所述多个横截面进行光滑扫掠，以获得所述三维叶片。

在一个实例中，所述多个横截面为大于等于6个横截面。

在一个实例中，所述基础翼型曲线是从NACA数据库中获得的。

在一个实例中，其中，所述弦长缩放因子是通过将所述横截面的弦长与所述基础翼型曲线的弦长相除而获得的；所述厚度缩放因子是通过将预设的所述横截面的最大厚度与所述基础翼型曲线的最大厚度相除而获得的。

根据本发明的另一个方面，提供了一种轴流风扇，其包括：轮毂；以及与所述轮毂连接的多个翼型叶片，所述多个翼型叶片中的每一个是根据上述方法获得的。

根据本发明的又一个方面，提供了一种用于设计轴流风扇的三维叶片的计算机设备，其包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：获取所述三维叶片的多个横截面；以及基于所述多个横截面，获得所述三维叶片，其中，获取所述多个横截面中的每个横截面包括以下操作：获取所述横截面的弦长；基于所获取的所述横截面的弦长、预设的所述横截面的最大厚度以及基础翼型曲线的弦长和最大厚度，计算所述横截面的弦长缩放因子和厚度缩放因子；根据所述弦长缩放因子和所述厚度缩放因子，对所述基础翼型曲线进行缩放，以获取该横截面。

从上面的描述可以看出，本发明实施例的方案采用翼型曲线来对轴流风扇的三维叶片进行建模，相对于现有技术能够简单地实现在气动性能和噪声方面表现优良的三维翼型叶片。

附图说明

本发明的其它特征、特点、优点和益处通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。

图1是根据本发明的实施例的用于设计轴流风扇的三维叶片的方法的流程图。

图2是根据本发明的实施例的获取横截面的弦长的流程图。

图3是根据本发明的实施例的轴流风扇的立体图。

图4是根据本发明的实施例的轴流风扇的俯视图。

图5是根据本发明的实施例的基础翼型曲线的示意图。

图6是根据本发明的实施例的轴流风扇的翼型叶片的多个横截面的示意图。

图7A-图7G是根据本发明的实施例的获取横截面的弦长的过程的示意图，其中，图7A是三维叶片的轴向投影的示意图，图7B是将圆弧线沿着轴向拉伸为曲面的示意图，图7C是将曲面转换为平面的示意图，图7D是圆弧线与尾缘线的交点的示意图，图7E是弦长的示意图，图7F是缩放后的基准翼型曲线的示意图，图7G是将平面逆转换为曲面的示意图。

图8是根据本发明的实施例的用于设计轴流风扇的三维叶片的计算机设备的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例提供了一种用于设计轴流风扇的三维叶片的方案，其首先依次获取三维叶片的多个横截面中的每一个横截面的弦长，然后基于从数据库中选取的基础翼型曲线，根据所获取的弦长、预设的横截面的最大厚度以及所选基础翼型曲线的弦长和最大厚度来对该所选的基础翼型曲线进行缩放，最后基于缩放后的基础翼型曲线来获取轴流风扇的横截面，从而得到轴流风扇的三维叶片。因此，本发明相对于现有技术能够简单地实现轴流风扇的三维翼型叶片的设计。

下面，将结合附图详细说明本发明的各个实施例。

现在结合图1、图3和图6来说明根据本发明的用于设计轴流风扇的三维叶片的方法的一个实例。图3是根据本发明的轴流风扇的立体图。如图3所示，轴流风扇30包括轮毂31和多个三维叶片32。轮毂31具有转轴Z。每一个三维叶片32具有多个横截面33。一般地，横截面的数量大于等于6个。图1是根据本发明的实施例的用于设计轴流风扇的三维叶片的方法的流程图。其中，图1所示的方法可以由例如计算机等这样的具有计算能力的设备来实现。

如图1所示，在方框S10，获取三维叶片32的横截面33的弦长。这里，横截面33的弦长对应于三维叶片32的前缘至尾缘的距离。

在方框S12，基于所获取的弦长、预设的横截面33的最大厚度以及基础翼型曲线的弦长和最大厚度，计算横截面33的弦长缩放因子和厚度缩放因子。

这里，横截面33的最大厚度可以靠经验值来预先设定，也可以从预先存储有最大厚度的经验值的数据库中选取。基础翼型曲线可以从标准数据路中获得，例如从NACA数据库中获得。如图5所示，其例示了NACA数据库中的6315型号的翼型曲线。其中，6315是翼型曲线的几何参数，表示了翼型的精确形状。NACA翼型数据的弦长为1，厚度为最大厚度占弦长的百分比。例如，后两位数字代表机翼最大厚度占弦长的百分比，即、15表示该翼型的最大厚度为弦长的15％。弦长缩放因子是根据横截面33的弦长和基础翼型曲线的弦长来计算的。在一个实例中，弦长缩放因子是通过将横截面33的弦长与基础翼型曲线的弦长相除来获得的。厚度缩放因子是根据预设的横截面33的最大厚度和基础翼型曲线的最大厚度来计算的。在一个实例中，厚度缩放因子是通过将预设的横截面33的最大厚度与基础翼型曲线的最大厚度相除来获得的。

在方框S14，根据所计算的弦长缩放因子和厚度缩放因子，对基础翼型曲线进行缩放，以获取该横截面33。

重复以上方框S10-S14，可以获得多个横截面。如图6所示，重复方框S10-S14的次数为N+2次，获得N+2个横截面b(0)，b(1),…b(N),b(N+1)。一般地，N大于等于5。

在方框S16，基于所获取的多个横截面b(0)，b(1),…b(N),b(N+1)，获得三维叶片32。在一个实例中，对多个横截面b(0)，b(1),…b(N),b(N+1)进行光滑扫掠，以获得三维叶片32。当然，也可以通过其他任何适合的方式，基于所获取的多个横截面b(0)，b(1),…b(N),b(N+1)来获得三维叶片32。

以下，参见图2以及图7A-7G来具体说明横截面的弦长的获取过程。图2是根据本发明的实施例的用于获取三维叶片的横截面的弦长的方法的流程图。其中，图2所示的方法可以由例如计算机等这样的具有计算能力的设备来实现。

图7A是三维叶片32的轴向投影的示意图。该轴向投影70具有位于气流流入侧的前缘线CL；位于气流流出侧的尾缘线CT；和与轮毂31的转轴Z同心的多条圆弧线C(0)，C(1)，C(2),…,C(N-1)，C(N)，C(N+1)。这里，圆弧线的数量与上述的横截面33的数量相同，并且每一条圆弧线对应于一个横截面。以下，说明针对每一条圆弧线，即针对每一个横截面，获得弦长的实例。

方框S20参见图7B来说明。图7B是将圆弧线沿着轴向拉伸为曲面的示意图。在方框S20，将圆弧线C(0)，C(1)，C(2)…C(N-1)，C(N)，C(N+1)沿着轴向(Z方向)拉伸，以获得曲面S(0)，S(1)，S(2)，…，S(N-1)，S(N)，S(N+1)。这些曲面S(0)，S(1)，S(2)，…，S(N-1)，S(N)，S(N+1)具有与尾缘线CT相交的第一侧边和与前缘线CL相交的第二侧边。例如，曲面S(0)具有第一侧边LT(0)和第二侧边LL(0)。

方框S22参见图7C来说明。图7C是将曲面转换为平面的示意图。在方框S22，以第一侧边或第二侧边中的一侧边为基准，将曲面展开为平面。例如，以第一侧边LT(0)为基准，将曲面S(0)展开为平面S(0)’。

方框S24参见图7D和7E来说明。图7D是圆弧线C(0)，C(1)，C(2),…,C(N-1)，C(N)，C(N+1)与尾缘线CT的交点的示意图。如图7D中下方的图所示，圆弧线C(0)，C(1)，C(2)，…，C(N-1)，C(N)，C(N+1)与尾缘线CT相交，得到多个交点P(0)，P(1)，…,P(N)，P(N+1)。如图7D中上方的图所示，这些交点P(0)，P(1)，…,P(N)，P(N+1)相对于轮毂31的上端面311或下端面312位于不同的高度处。例如，以轮毂31的下端面312为基准，交点P(N+1)位于高度H(N+1)处。图7E是弦长的示意图。在方框S24，以圆弧线C(0)，C(1)，C(2)，…，C(N-1)，C(N)，C(N+1)与尾缘线CT的交点P(0)，P(1)，…，P(N)，P(N+1)为起点，根据针对每个交点的预设角度，确定与该起点对应的弦在第一侧边或第二侧边中的另一侧边(即，没有被方框S22作为基准的一侧边)上的终点。例如，以交点P(N+1)为起点，以A(N+1)为针对交点P(N+1)的预设角度，则与起点P(N+1)相对应的弦在侧边LL(N+1)’上的终点为P(N+1)’。这里，针对每个交点的预设角度是由起点与终点构成的弦与轮毂的转轴之间的角度。当然，针对每个交点的预设角度也可以以其他方式来表示。针对每个交点的预设角度例如是根据经验值预设的。

在方框S26，测量每个弦的起点与终点的长度，作为横截面的弦长。例如，对于横截面S(N+1)，弦长为起点P(N+1)与终点P(N+1)’之间的长度len(N+1)。

在一个实施例中，以与方框S22相逆的转换方式，将缩放后的基础翼型曲线从平面转换为曲面。例如，将缩放后的基准翼型曲线从平面笛卡尔坐标系转换到圆柱坐标系。以下参照图7F和图7G来说明该逆转换过程。

图7F是缩放后的基准翼型曲线的示意图。如图7F所示，根据弦长缩放因子和厚度缩放因子，对基础基准翼型曲线进行缩放，得到b(N+1)’，此时，缩放后的翼型曲线b(N+1)’位于平面S(N+1)’上。图7G是将平面转换为曲面的示意图。如图7G所示，以第一侧边或第二侧边中的一侧边为基准，将缩放后的翼型曲线从平面笛卡尔坐标系转换到圆柱坐标系。应当注意，在逆转换过程中，被选为的基准的侧边应与在方框S22所进行的转换中作为基准的侧边是相同的侧边。例如，如果在方框S22中以第一侧边为基准进行转换，则在逆转换过程中也以第一侧边为基准；相反，如果在方框S22中以第二侧边为基准进行转换，则在该过程中也以第二侧边为基准。例如，将缩放后的翼型曲线b(N+1)’转换为曲面上的翼型曲线b(N+1)。

现参见图4，其示出了根据本发明的实施例的轴流风扇的俯视图。如图4所示，轴流风扇40包括轮毂41和与轮毂连接的多个翼型叶片41。多个翼型叶片41中的每一个都可以根据上述方法来实现。

现在参见图8，其示出了按照本发明的实施例的用于设计轴流风扇的三维叶片的计算机设备的示意图。如图8所示，用于设计轴流风扇的三维叶片的计算机设备800包括：存储器810、处理器820及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序。处理器820执行计算机程序时实现以下步骤：获取三维叶片的多个横截面；以及基于所述多个横截面，获得所述三维叶片。获取多个横截面中的每个横截面包括以下操作：获取横截面的弦长；基于所获取的横截面的弦长、预设的横截面的最大厚度以及基础翼型曲线的弦长和最大厚度，计算横截面的弦长缩放因子和厚度缩放因子；根据弦长缩放因子和厚度缩放因子，对基础翼型曲线进行缩放，以获取该横截面。

贯穿本说明书提及“一个实施例”或“实施例”表示结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明所涵盖的至少一个实现方式中。因此，术语“一个实施例”或“在实施例中”的出现并非必然指代同一实施例。另外，特定的特征、结构或特性可按照除了所示特定实施例之外的其它合适形式制定，所有这些形式均可被涵盖于本申请的权利要求内。

尽管已参照有限数量的实施例描述了本发明，本领域技术人员将从其理解出许多变型和变化。所附权利要求意在覆盖落入本申请的真实精神和范围内的所有这些变型和变化。

Claims (10)

1.一种用于设计轴流风扇的三维叶片的方法，包括：

获取所述三维叶片的多个横截面；以及

基于所述多个横截面，获得所述三维叶片，

其中，获取所述多个横截面中的每个横截面包括以下操作：

获取所述横截面的弦长；

基于所获取的所述横截面的弦长、预设的所述横截面的最大厚度以及基础翼型曲线的弦长和最大厚度，计算所述横截面的弦长缩放因子和厚度缩放因子；

根据所述弦长缩放因子和所述厚度缩放因子，对所述基础翼型曲线进行缩放，以获取该横截面，

其中，获取所述横截面的弦长的步骤包括：

针对在所述三维叶片的轴向投影区域中分割出的、与所述轴流风扇的轮毂的转轴同心的多条圆弧线中的每一条圆弧线执行以下步骤，其中所述多条圆弧线中的每一条圆弧线对应于所述多个横截面中相应的一个横截面：

将该圆弧线沿着轴向拉伸，以获得曲面，所述曲面包括与所述三维叶片的尾缘线相交的第一侧边和与所述三维叶片的前缘线相交的第二侧边；

以所述第一侧边和所述第二侧边中的一侧边为基准，将所述曲面转换成平面；

以所述圆弧线与所述尾缘线的交点为起点，根据针对所述交点的预设角度，确定与该起点相对应的弦在所述第一侧边和所述第二侧边中的另一侧边上的终点；以及

计算所述弦的起点到终点的长度，作为所述横截面的弦长。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，针对每一个交点的预设角度是在由所述起点和所述终点构成的弦与所述轮毂的转轴之间的角度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，获得所述多个横截面中的每个横截面的步骤还包括：以与所述转换步骤相逆的方式，将缩放后的所述基础翼型曲线从平面转换到曲面。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，将缩放后的所述基础翼型曲线从平面转换到曲面的步骤包括：将缩放后的所述基础翼型曲线从平面笛卡尔坐标系转换到圆柱坐标系。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述多个横截面来获得所述三维叶片包括：对所述多个横截面进行光滑扫掠，以获得所述三维叶片。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个横截面为大于等于7个横截面。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基础翼型曲线是从NACA数据库中获得的。

8.根据权利要求1所述方法，其中，所述弦长缩放因子是通过将所述横截面的弦长与所述基础翼型曲线的弦长相除而获得的；所述厚度缩放因子是通过将预设的所述横截面的最大厚度与所述基础翼型曲线的最大厚度相除而获得的。

9.一种轴流风扇，包括：

轮毂；以及

与所述轮毂连接的多个三维叶片，所述多个三维叶片中的每一个是根据权利要求1-8中任一项所述的方法获得的。

10.一种用于设计轴流风扇的三维叶片的计算机设备，包括：

存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

获取所述三维叶片的多个横截面；以及

基于所述多个横截面，获得所述三维叶片，

其中，获取所述多个横截面中的每个横截面包括以下操作：

获取所述横截面的弦长；

基于所获取的所述横截面的弦长、预设的所述横截面的最大厚度以及基础翼型曲线的弦长和最大厚度，计算所述横截面的弦长缩放因子和厚度缩放因子；

根据所述弦长缩放因子和所述厚度缩放因子，对所述基础翼型曲线进行缩放，以获取该横截面

其中，获取所述横截面的弦长包括：

针对在所述三维叶片的轴向投影区域中分割出的、与所述轴流风扇的轮毂的转轴同心的多条圆弧线中的每一条圆弧线执行以下步骤，其中所述多条圆弧线中的每一条圆弧线对应于所述多个横截面中相应的一个横截面：

将该圆弧线沿着轴向拉伸，以获得曲面，所述曲面包括与所述三维叶片的尾缘线相交的第一侧边和与所述三维叶片的前缘线相交的第二侧边；

以所述第一侧边和所述第二侧边中的一侧边为基准，将所述曲面转换成平面；

以所述圆弧线与所述尾缘线的交点为起点，根据针对所述交点的预设角度，确定与该起点相对应的弦在所述第一侧边和所述第二侧边中的另一侧边上的终点；以及

计算所述弦的起点到终点的长度，作为所述横截面的弦长。

Images