CN108757568A - 一种轴流风机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轴流风机叶片，在保持原有攻角不变的条件下，基于叶片的重心积叠线在叶轮轴向和圆周方向进行改变得到，沿叶轮圆周方向，β1取值范围为(‑42°，‑23°)，β2的取值范围为(27°，46°)；沿叶轮转轴方向，β3取值范围为(‑7°，10°)，β4的取值范围为(‑40°，‑18°)。本方案通过对原有叶轮叶片的空间三维造型进行优化，主要在轴向和圆周方向进行设计，与原有叶片相比，空气动力性能得到改善，降低了内部流动损失，有效提高其气动效率，增大其总压，在工业和民航领域，可以降低能耗、降低气动噪声，达到节能减排等效果，具有较高的实用价值及推广价值。

Description

一种轴流风机叶片

技术领域

本发明涉及轴流风机领域，具体涉及一种轴流风机叶片。

背景技术

风机是通风设备，轴流风机是一类重要和量大的风机，在煤矿、矿山、隧道、化工、能源、纺织等行业中大量使用轴流风机，发挥其通风除尘作用。现有轴流风机叶轮的设计多是基于孤立叶型设计法，但是轴流风机叶轮内部实际为三维流动，传统设计方法无法从三维流场出发，导致设计的叶片在三维流动中出现较大的局部流动损失，导致其气动效率不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有叶片气动效率低的缺陷，提出一种轴流风机叶片，基于叶片的重心积叠线在叶轮轴向和圆周方向进行改变得到，有效提高其气动效率。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种轴流风机叶片，以轴流风机的转轴所在直线为一个坐标轴z，与其垂直的平面就构成一个圆面，以圆面的圆周方向构成一个坐标轴v，以这个圆面的半径方向构成另外一个坐标轴u，建立三维圆柱坐标系；以叶轮转轴为中心轴、以平行于中心轴的直线为母线，分别以转轴半径、50％叶片高度+转轴半径、100％叶片高度+转轴半径为半径进行旋转，获得三个圆柱曲面P、Q、R，其特征在于，叶片的重心积叠线ABC采用二阶贝塞尔曲线，其中A为叶根所在翼型的重心，B为50％叶高所在翼型的重心，C为叶尖所在翼型的重心，且A、B、C三点分别对应的位于圆柱曲面P、Q、R上，即A点位于以转轴半径所形成的圆柱曲面P上，B点位于以50％叶片高度+转轴半径所形成的圆柱曲面Q上，点C位于以100％叶片高度+转轴半径所形成的圆柱曲面R上；

沿叶轮圆周方向，定义重心积叠线ABC上过A点的切线与其半径方向的夹角为β1，定义重心积叠线ABC上过C点的切线与其半径方向的夹角为β2，并定义顺时针方向为正，其中，β1取值范围为(-42°，-23°)，β2的取值范围为(27°，46°)；

沿叶轮转轴方向，定义重心积叠线ABC上过A点的切线与其半径方向的夹角为β3，定义重心积叠线ABC上过C点的切线与其半径方向的夹角为β4，并定义顺时针方向为正，其中，β3取值范围为(-7°，10°)，β4的取值范围为(-40°，-18°)。

进一步的，所述β1的取值范围为-40°～-37°，所述β2的取值范围为40°～43°，β3的取值范围为1°～5°，β4的取值范围为-22°～-19°。

进一步的，所述β1-β4的取值依次为-37.83°，42.03°，3.65°和-20.55°。

进一步的，所述β1的取值范围为-28°～-25°，所述β2的取值范围为35°～38°，β3的取值范围为3°～8°，β4的取值范围为-31°～-26°。

进一步的，所述β1-β4的取值依次为-26.93°，36.96°，3.27°和-30.44°。

进一步的，所述β1的取值范围为-35°～-32°，所述β2的取值范围为34°～37°，β3的取值范围为2°～7°，β4的取值范围为-30°～-25°。

进一步的，所述β1-β4的取值依次为-32.13°，35.70°，2.13°和-26.89°。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案所设计的叶片，在保持原有攻角不变的条件下，基于叶片的重心积叠线在叶轮轴向和圆周方向进行改变得到，通过对原有叶轮叶片的空间三维造型进行优化，主要在轴向和圆周方向进行设计，与原有叶片相比，空气动力性能得到改善，降低了内部流动损失，有效提高其气动效率，增大其总压，在工业和民航领域，可以降低能耗、降低气动噪声，达到节能减排等效果。

附图说明

图1为三维圆柱坐标系示意图；

图2为传统叶片及其翼型结构示意图；

图3为本发明实施例叶片重心积叠线三维外形示意图，其中(a)为叶片重心积叠线沿圆周方向示意图；(b)为叶片重心积叠线沿转轴方向示意图；

图4为本发明实施例所述的轴流风机叶片结构示意图，其中(a)为叶片径向示意图，(b)为叶片圆周方向示意图，(c)为叶片轴向示意图，(d)为叶片三维示意图；

图5为本发明实施例所述叶片与传统叶片的性能曲线比较示意图；

图6为本发明实施例叶片叶根位置翼型示意图；

图7为本发明实施例叶片25％叶高位置翼型示意图；

图8为本发明实施例叶片50％叶高位置翼型示意图；

图9为本发明实施例叶片75％叶高位置翼型示意图；

图10为本发明实施例叶片叶尖位置翼型示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

轴流风机叶片属于空间三维曲面，如果以轴流风机的转轴所在直线为一个坐标轴z，与其垂直的平面就构成一个圆面，这个圆面的圆周方向构成一个坐标轴v，这个圆面的半径方向构成另外一个坐标轴u，如图1所示，这样就构成了三维圆柱坐标系；风机叶片就可以从圆周方向、轴向和径向这三个方向进行描述。参考图2，为叶片及其翼型示意图，本方发明在保持原有攻角的条件下，叶片基于叶片的重心积叠线在叶轮轴向和圆周方向发生改变得到，具体为：曲线MN为叶片的重心积叠线，即图中每个叶高位置的翼型(标号1-6)的重心的连线，通过N点位置不变改变曲线MN其它点在叶轮轴向和圆周方向的位置(翼型1-6的位置也同时改变)，而保持叶轮攻角不变，得到本次发明的叶片，具体的：

实施例1、一种轴流风机叶片，如图3所示，图3(a)和图3(b)分别为叶片重心积叠线ABC在圆周方向和转轴方向示意图，沿圆周方向角度β1和β2，沿转轴方向角度β3和β4，定义顺时针为正方向。图3(a)横坐标为圆周方向(垂直于转轴)，纵坐标为叶片径向，图3(b)横坐标为转轴方向，圆周方向β1范围为(-42°，-23°)，β2的范围为(27°，46°)，主轴方向β3的范围为(-7°，10°)，β4的范围为(-40°，-18°)，图4所示为叶片在叶轮径向、圆周方向、主轴方向的外形图以及叶片三维图。

本实施例中，优选β1-β4参数取值范围选取如下：

表1为本实施例优选叶片重心积叠线的角度参数表：

参数	取值
		β1	-40°～-37°
β2	40°～43°
		β3	1°～5°
β4	-22°～-19°

更进一步的，β1-β4的取值依次优选为-37.83°，42.03°，3.65°和-20.55°。

实施例2、与实施例1不同的是，本实施例优选β1-β4参数选取如下：

表2为本实施例优选叶片重心积叠线的角度参数表：

参数	取值
		β1	-28～-25°
β2	35°～38°
		β3	3°～8°
β4	-31°～-26°

更进一步的，β1-β4的取值依次优选为-26.93°，36.96°，3.27°和-30.44°。

实施例3、与实施例1不同的是，本实施例优选β1-β4参数选取范围如下：

表3为本实施例优选叶片重心积叠线的角度参数表：

参数	当前值
		β1	-35°～-32°
β2	34°～37°
		β3	2°～7°
β4	-30°～-25°

更进一步的，β1-β4的取值依次优选为-32.13°，35.70°，2.13°和-26.89°。

图6-图10分别给出了本方案叶片在叶根、25％叶高、50％叶高、75％叶高以及叶尖位置处叶片翼型的进口几何角(最右边的角度)、出口几何角(最左边的角度)以及叶型安装角(中间的角度)，气流右侧流入、左侧流出。翼型轮廓线数据具体如表4-表8所示：

表4叶根位置的翼型轮廓线数据

表5 25％叶高位置的翼型轮廓线数据

表6 50％叶高位置的翼型轮廓线数据

表7 75％叶高位置的翼型轮廓线数据

表8叶尖位置的翼型轮廓线数据

图5本发明实施例1-3提出的轴流风机叶片与传统叶片的性能曲线比较示意图，横坐标为叶轮的质量流量，纵坐标为全压效率，从图5可以看出，与传统叶轮相比，利用本发明方案提出的叶片的叶轮的最高全压效率均提高，其中实施例1提出的优选叶片1最高效率提高了0.35个百分点，实施例2提出的优选叶叶片2最高效率提高了0.24个百分点，实施例3提出的优选叶片3最高效率提高了1.1个百分点，与传统叶轮相比，三个优选叶片运行工况稳定性大幅度提高，具体原理分析如下：

1、本次发明采用了通过弯掠技术对叶片进行改进的做法，对于常规径向叶片来说，由于在叶轮流道的上、下端壁附近，附面层内的流体在横向压力梯度的驱动下向叶片吸力面方向移动，导致吸力面一侧的附面层厚度迅速增加，同时由于整个流场的流体在叶轮的转动下受到离心力的作用，吸力面处的附面层沿径向向叶顶处迁移，造成在上端壁与叶片吸力面所构筑的角区附近出现大量低能流体的堆积。为了尽量避免这种情况的发生，将叶片做成周向弯曲的形式，通过控制叶片附面层流体所受的转动离心力，来控制不同径向位置处低能流体的运动方向，达到均化和减小叶片附面层厚度的目的，最终实现二次流和端部损失的降低。

并且，对于本发明的轴流风机叶片来说，子午面上流面母线的法向加速度的径向分量以及子午面内产生的流面母线的切向加速度的径向分量较小，流场内的径向压力梯度主要由流体旋转产生的离心力和叶片对流体的作用力的径向分力所决定。

2、下面分别对带有常规径向叶片、不同周向弯曲方向和弯曲角度的叶片在轴流风扇内部流场中附面层的径向迁移情况进行分析：

(1)对于常规径向叶片来说，由于叶片对流体作用力的方向与叶轮径向垂直，即流道内的压力沿径向的分布主要是由流体旋转产生的离心力所决定。这样，沿叶高方向出现正压力梯度，导致叶片表面的附面层向叶顶处移动，造成低能流体在叶顶区域附近堆积，该区域损失急剧增大；

(2)对于周向弯曲叶片来说，叶片对流体作用力的方向与叶轮径向之间不垂直，这样在叶片表面附近的流体在径向上所受到流体旋转产生的离心力和叶片对流体作用力的径向分量的共同控制；

3、针对本发明提出的轴流风机叶片的几何特点，要研究叶片附面层所受到的控制力就要在上、下叶高处分别来进行研究。(1)在下半叶高处，由于叶片在圆周方向上的弯曲，主要作用力旋转离心力和Fr方向相同，它加速驱使叶片表面的低能流体向上半叶高方向移动，降低了叶根附近边界层的增厚，减小了流动损失；(2)在上半叶高处，对于周向弯角超过某一值的周向前弯叶片来说，叶片对流体作用力的径向分量会抵消掉流体所受到的旋转离心力，从而使叶片附面层流体向下半叶高方向移动。

这样，从整个叶高来看，叶片表面附面层的低能流体会向叶片中部位置聚集，导致这一区域的流动损失增加，但是相对于常规径向叶片，其叶顶处的附面层堆积现象大大削弱，损失降低，说明，具有一定角度的周向前弯叶片能够有效控制上半叶高处低能流体的迁移方向，从而达到均化和减小叶片附面层厚度的目的。

与叶片顶部和上端壁所构成的角区相比，流道内中部叶高区域无疑是流动交换的活跃区域，该区域低能流体会更易于与主流发生接触，然而从整个叶高来看，与常规径向叶片相比，周向前弯叶片虽然叶顶部的附面层减薄，损失减小，但是中部叶高处的损失增加。因此，只有处在最佳弯角范围的周向前弯叶轮才会对降低流道内的流动损失、扩大叶轮风扇的稳定工作范围、提高它的总体性能起到积极作用。

4、与周向弯曲叶片对二次流动的控制机理类似，叶片掠向倾斜会使作用叶片上的压力出现一个沿叶片表面的分力，对应前掠叶片来说，叶片顶部的前掠导致这个分力的方向指向叶根，会使叶顶处的低能流体向叶根方向迁移。由于这一作用是直接在叶片吸力面上，对避免吸力面叶顶处大量低能流体的堆积有着积极的效果。对于叶片根部的后掠倾斜会有同样的效果，叶片吸力面上流体会有指向叶顶的分力，加速叶根处的低能流体的径向迁移。这样，对于叶顶前掠叶根后掠的叶片来说，大量低能流体向中部叶高位置聚集，导致中部流动损失增加。综合来看，叶顶前掠叶根后掠会是叶顶、叶根处边界层减薄，流动损失降低，对提高叶轮的效率有积极的作用。

综上可知，结合以上周向弯曲叶片以及掠形叶片的分析，对于周向前弯且叶顶前掠叶根后掠叶片来说，与传统直叶片相比，有助于沿叶展方向边界层均匀化的趋势，叶顶和叶根区域的流动损失降低，中部叶高位置的损失增加。因此，完全可能存在对应最小损失、最高气动效率的叶片，其具备的最佳周向前弯角度和叶顶前掠叶根后掠角度，即为本次发明所提出的叶片。

获得本发明风机叶片可以采用多种方式，比如，可采用以下方式：通过对轴流风机叶片的三维空间造型参数化，获得叶片表面上若干个点的三维坐标，通过这些点三维坐标值的变化，得到若干个不同的风机叶片造型，通过计算最终得到空气动力性能最佳的叶轮，具体包括以下步骤：

1、对风机叶片表面不同叶高位置的外轮廓线进行参数化，利用样条曲线对其进行拟合，获得不同叶高位置误差最小、最能够准确表达叶片三维造型的样条曲线；

2、对不同叶高叶片翼型的重心连线，得到叶片的重心积叠曲线，然后对这一曲线进行参数化拟合；

3、对所得叶轮进行三维流场分析计算，获得其流场信息及空气动力性能；

4、对第3步的结果与原始叶轮进行比较，以确认叶片三维造型参数化是否精确，误差是否符合要求，若不符合要求，需要重新进行拟合；若符合要求，保持叶轮攻角不变，分别对叶轮在圆周方向和轴线方向上进行变化，得到若干新叶轮；

5、以第4步的结果为基础建立数据库；

6、确定叶轮的总压和气动效率为优化目标，以第5步所建立的数据库为基础进行优化分析计算，进而得到最佳方案，即空气动力性能最佳的叶轮叶片。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种轴流风机叶片，以轴流风机的转轴所在直线为一个坐标轴z，与其垂直的平面就构成一个圆面，以圆面的圆周方向构成一个坐标轴v，以这个圆面的半径方向构成另外一个坐标轴u，建立三维圆柱坐标系；以叶轮转轴为中心轴、以平行于中心轴的直线为母线，分别以转轴半径、50％叶片高度+转轴半径、100％叶片高度+转轴半径为半径进行旋转，获得三个圆柱曲面P、Q、R，其特征在于，叶片的重心积叠线ABC采用二阶贝塞尔曲线，其中A为叶根所在翼型的重心，B为50％叶高所在翼型的重心，C为叶尖所在翼型的重心，且A、B、C三点分别位于对应的圆柱曲面P、Q、R上；

沿叶轮圆周方向，定义重心积叠线ABC上过A点的切线与其半径方向的夹角为β1，定义重心积叠线ABC上过C点的切线与其半径方向的夹角为β2，并定义顺时针方向为正，其中，β1取值范围为(-42°，-23°)，β2的取值范围为(27°，46°)；

沿叶轮转轴方向，定义重心积叠线ABC上过A点的切线与其半径方向的夹角为β3，定义重心积叠线ABC上过C点的切线与其半径方向的夹角为β4，并定义顺时针方向为正，其中，β3取值范围为(-7°，10°)，β4的取值范围为(-40°，-18°)。

2.根据权利要求1所述的轴流风机叶片，其特征在于：所述β1的取值范围为-40°～-37°，所述β2的取值范围为40°～43°，β3的取值范围为1°～5°，β4的取值范围为-22°～-19°。

3.根据权利要求2所述的轴流风机叶片，其特征在于：所述β1-β4的取值依次为-37.83°，42.03°，3.65°和-20.55°。

4.根据权利要求1所述的轴流风机叶片，其特征在于：所述β1的取值范围为-28°～-25°，所述β2的取值范围为35°～38°，β3的取值范围为3°～8°，β4的取值范围为-31°～-26°。

5.根据权利要求4所述的轴流风机叶片，其特征在于：所述β1-β4的取值依次为-26.93°，36.96°，3.27°和-30.44°。

6.根据权利要求1所述的轴流风机叶片，其特征在于：所述β1的取值范围为-35°～-32°，所述β2的取值范围为34°～37°，β3的取值范围为2°～7°，β4的取值范围为-30°～-25°。

7.根据权利要求6所述的轴流风机叶片，其特征在于：所述β1-β4的取值依次为-32.13°，35.70°，2.13°和-26.89°。