CN109505790B - 高负荷高通流能力的轴流风机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高负荷高通流能力的轴流风机,它包括叶轮,所述叶轮包括多个进口导叶、多个动叶和多个静叶;多个进口导叶沿圆周方向均匀设置在轮毂进口侧,多个静叶沿圆周方向均匀设置在轮毂出口侧,多个动叶沿圆周方向均匀设置在进口导叶和静叶之间;所述风机的进口轮缘半径为890~910mm,进口轮毂比为0.74~0.77,子午流道水平无收缩,导叶、动叶和静叶的叶高均为205~230mm。本发明风机进口的高轮毂比和短叶高保证了风机具有高通流能力的优势,进而促进了有效迎风面积减小,通流效率提高。
Description
技术领域
本发明涉及轴流风机结构设计技术领域,尤其涉及一种高负荷高通流能力的轴流风机。
背景技术
风机是一种使气体压力升高的旋转叶轮机械,按其升压的大小通常将高压风机设计为离心式,将低压风机设计为轴流式。目前常用的离心式设计高压风机存在迎风面积大、流量小及效率低等缺点。而想要在相同的设计条件下实现相同的压升,轴流式风机的设计则存在负荷过高的问题。作为衡量在一定的切线速度下所能实现的最大的加功量的指标,轴流式风机的载荷系数可能高达0.8以上,这就对其气动能力提出了更高的要求;目前,气动设计成了轴流式风机主要的技术瓶颈。
因此,针对以上不足,需要提供一种以轴流式设计代替离心式设计的高压风机,使其迎风面积更小,并且流动效率更高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术中离心式设计的风迎风面积大、流量小及效率低的缺陷,提供一种高负荷高通流能力的轴流风机。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种高负荷高通流能力的轴流风机,它包括叶轮,所述叶轮包括多个进口导叶、多个动叶和多个静叶;
多个进口导叶沿圆周方向均匀设置在轮毂进口侧,多个静叶沿圆周方向均匀设置在轮毂出口侧,多个动叶沿圆周方向均匀设置在进口导叶和静叶之间;
所述风机的进口轮缘半径为890~910mm,进口轮毂比为0.74~0.77,子午流道水平无收缩,导叶、动叶和静叶的叶高均为205~230mm。
在根据本发明所述的高负荷高通流能力的轴流风机中,所述进口导叶采用尾缘积叠的方式获得;进口导叶的弦长随着叶高的增加而逐渐增大,进口导叶的弦长处于132~166mm之间。
在根据本发明所述的高负荷高通流能力的轴流风机中,所述进口导叶各叶高处的叶型由中弧线贴叶片厚度的方式获得,所述叶片厚度分布形式与NACA65叶型的厚度分布形式相同。
在根据本发明所述的高负荷高通流能力的轴流风机中,所述进口导叶叶片数为25~35个,进口导叶最大厚度位置距离前缘点33~35%轴向弦长处,进口导叶最大内切圆直径为弦长的10~12%,进口导叶前缘厚度为弦长的4~6%,尾缘厚度为弦长的0.9~1.1%,进口几何角6°~8°,出口几何角折转过轴向,出口几何角9°~11°,几何弯角16°~19°,动叶具有6°~8°的进口预旋;
优选地,通过调整进口导叶的中弧线旋向,将进口导叶的叶栅流道设计为收缩流道。
在根据本发明所述的高负荷高通流能力的轴流风机中,所述动叶基于径向等功设计方法获得扭曲规律,并使动叶的扭速随着半径的增大而减小,所述动叶采用重心积叠的方式获得。
在根据本发明所述的高负荷高通流能力的轴流风机中,所述动叶各叶高处的叶型由中弧线贴叶片厚度的方式获得,所述叶片厚度分布形式与NACA65叶型的厚度分布形式相同。
在根据本发明所述的高负荷高通流能力的轴流风机中,
所述动叶叶片数为20~30个,动叶最大厚度位置距离前缘40~49%轴向弦长处,动叶最大内切圆直径为弦长的6~14%,动叶前缘厚度为弦长的2~7%,尾缘厚度为弦长的0.2~0.6%,动叶弦长261~276mm,进口几何角47°~50°,出口几何角折转过轴向,出口几何角3°~35°,几何弯角51°~84°;叶顶间隙2.0~2.5mm。
在根据本发明所述的高负荷高通流能力的轴流风机中,所述静叶采用重心积叠的方式获得。
在根据本发明所述的高负荷高通流能力的轴流风机中,所述静叶各叶高处的叶型由中弧线贴叶片厚度的方式获得,叶片厚度分布形式与NACA65叶型的厚度分布形式相同。
在根据本发明所述的高负荷高通流能力的轴流风机中,所述静叶叶片数为25~35个,静叶最大厚度位置距离前缘42~43%轴向弦长处,静叶最大内切圆直径为弦长的7~8%,静叶前缘厚度为弦长的1~3%,尾缘厚度为弦长的0.5~0.6%,静叶弦长261~276mm,进口几何角45°~56°,出口几何角折转过轴向,出口几何角1°~3°,几何弯角45°~56°。
实施本发明的高负荷高通流能力的轴流风机,具有以下有益效果:本发明风机进口的高轮毂比和短叶高保证了风机具有高通流能力的优势,进而促进了有效迎风面积减小,通流效率提高。
本发明以不同于现有风机的高进口轮毂比和短叶高保证了流量系数的提高,体现了所述轴流风机的高通流能力。风机的流动性能得到显著的提升,更加的节能环保。
附图说明
图1为根据本发明的高负荷高通流能力的轴流风机的示例性三维图;
图2为根据本发明的高负荷高通流能力的轴流风机子午截面几何示意图和不同叶高截面的示例性叶型示意图;
图3为本发明所述高负荷高通流能力的轴流风机叶片叶型几何定义示意图;
图4为本发明所述高负荷高通流能力的轴流风机各叶片排进出口的速度三角形示意图;
图5为本发明所述高负荷高通流能力的轴流风机的速度三角形示意图;
图6为本发明所述高负荷高通流能力的轴流风机在设计转速下的体积流量-等熵滞止效率特性曲线图;
图7为本发明所述高负荷高通流能力的轴流风机在设计转速下的体积流量-总压比特性曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一、本发明提供了一种高负荷高通流能力的轴流风机,结合图1至图3所示,它包括叶轮,
所述叶轮包括多个进口导叶1、多个动叶2和多个静叶3;
多个进口导叶1沿圆周方向均匀设置在轮毂进口侧,多个静叶2沿圆周方向均匀设置在轮毂出口侧,多个动叶3沿圆周方向均匀设置在进口导叶和静叶之间;
所述风机的进口轮缘半径为890~910mm,进口轮毂比为0.74~0.77,子午流道水平无收缩,导叶、动叶和静叶的叶高保持一致,在205~230mm的范围内,根据实际需要进行选择。
结合图2所示,风机的进口轮缘半径如图中Rshroud所示,进口轮毂比为轮毂半径Rhub与Rshroud的比值;叶片的叶高为Rshroud-Rhub。图2中,a表示叶顶,b表示叶根;对于进口导叶1,a1表示前缘点,b1表示尾缘点;对于动叶2,a2表示叶根叶型,b2表示叶顶叶型。
本实施方式中,适当提高了风机的进口轮毂比,从而能够提高流量系数到1.02~1.05。
进一步,所述进口导叶1采用尾缘积叠的方式获得,如图2中导叶1,灰度部分为叶根叶型,其俯视图中各截面的尾缘点重合,以尽可能保证动叶进口的来流气流角均匀;进口导叶的弦长随着叶高的增加而逐渐增大,进口导叶的弦长处于132~166mm之间,也就是说,进口导叶的弦长最短处为132mm,弦长最长处为166mm。所述弦长为进口导叶1各截面上前缘点到尾缘点的距离。
再进一步,所述进口导叶各叶高处的叶型由中弧线贴叶片厚度的方式获得;具体为:首先对叶型的中弧线和叶片厚度进行参数化定义,再沿着叶型中弧线作一系列圆心过中弧线的圆,半径大小依据给定的叶片厚度确定;最后对所述一系列圆心过中弧线的圆作切线,即得到了叶型的轮廓线。所述叶片厚度分布形式与NACA65叶型的厚度分布形式相同。NACA系列叶型是美国航空咨询委员会(NACA)开发的用于飞机机翼的翼型,叶型几何和性能参数于上个世纪便已公开,现今在叶轮机械领域依然受到广泛应用。使用该种方法得到的叶型经过了数十年的工程考验,具有较好的气动性能。
所述中弧线如图3中f所示,图中e为进口导叶当前截面的内切圆直径,即当前截面的进口导叶厚度;图中g为前缘点,h为尾缘点。
再进一步,所述进口导叶叶片数为25~35个,进口导叶最大厚度位置距离前缘点33~35%轴向弦长处,所述最大厚度位置即内切圆直径最大的位置;进口导叶最大内切圆直径为弦长的10~12%,进口导叶前缘厚度为弦长的4~6%,尾缘厚度为弦长的0.9~1.1%,所述前缘厚度为前缘圆直径,尾缘厚度为尾缘圆直径;结合图4所示,进口几何角ac0为6°~8°,出口几何角ac1折转过轴向,出口几何角ac1为9°~11°,几何弯角为ac0+ac1为16°~19°,为动叶提供6°~8°的进口预旋ac1。
优选地,通过调整进口导叶1的中弧线旋向,将进口导叶1的叶栅流道设计为收缩流道。亚音速流体在收缩的叶栅流道内保持加速流动,不存在逆压的流动环境,有助于抑制流体在进口导叶1中的流动损失。
再进一步,所述动叶2基于径向等功设计方法获得扭曲规律,由于切线速度随着半径增大而增大,动叶2中的扭速随着半径的增大而减小。在等功设计方法中,加功量沿叶高均匀分布,设计较为简单。所述动叶2采用重心积叠的方式获得,如图2中动叶2在俯视图中各截面的重心点重合,以保证转子的旋转稳定性。
再进一步,所述动叶各叶高处的叶型由中弧线贴叶片厚度的方式获得,所述叶片厚度分布形式与NACA65叶型的厚度分布形式相同。本实施方式中,所述动叶的成型方法与进口导叶的成型方法相同,不再赘述。
再进一步,所述动叶叶片数为20~30个,动叶最大厚度位置距离前缘40~49%轴向弦长处,动叶最大内切圆直径为弦长的6~14%,动叶前缘厚度为弦长的2~7%,尾缘厚度为弦长的0.2~0.6%,动叶弦长261~276mm;如图4所示,动叶2的进口几何角aw1为47°~50°,出口几何角折转过轴向,出口几何角aw2为3°~35°,几何弯角aw1+aw2为51°~84°;叶顶间隙2.0~2.5mm。对动叶的所有几何尺寸设计,共同保证了动叶的高负荷和高效流动。
本实施方式中,动叶的高几何弯角保证了本发明风机以轴流式的设计实现了离心式的压升。本发明相对于现有的轴流式风机,在保证风机喘振裕度和通流效率的同时,动叶几何弯角的增大促进了风机压升的显著提升。本发明以高于现有风机的动叶几何弯角保证了载荷系数的提高,体现了所述轴流风机的高负荷。
本实施方式依靠动叶超乎常规的几何弯角设计,使动叶中径处扭速大于切线速度,提高了动叶载荷。本发明所述风机的载荷系数可达到0.80~0.85。
再进一步,所述静叶采用重心积叠的方式获得。结合图2所示,静叶3在俯视图中的各截面重心点重合,以保证静叶的结构稳定性。
再进一步,所述静叶各叶高处的叶型由中弧线贴叶片厚度的方式获得,叶片厚度分布形式与NACA65叶型的厚度分布形式相同。本实施方式中,所述静叶的成型方法与进口导叶的成型方法相同,不再赘述。
再进一步,所述静叶叶片数为25~35个,静叶最大厚度位置距离前缘42~43%轴向弦长处,静叶最大内切圆直径为弦长的7~8%,静叶前缘厚度为弦长的1~3%,尾缘厚度为弦长的0.5~0.6%,静叶弦长261~276mm;图4所示,进口几何角ac2为45°~56°,出口几何角折转过轴向,出口几何角ac3为1°~3°,几何弯角ac2+ac3为45°~56°。对静叶的所有几何尺寸设计,共同保证了静叶的高负荷和高效流动。
本实施方式所述高负荷高通流能力的轴流风机通过以下步骤设计实现:
步骤一:轴向速度的设计:
对于加工工艺所限定的叶尖切线速度utip(在本实施方式中为图4所示的叶项截面速度u),载荷系数ψ常被用以衡量所能实现的负荷大小:
其中,ΔH代表风机达到一定压升所需完成的加功量。
现有风机的载荷系数最大能达到0.6左右,即便是在工作原理相同的航空发动机和工业燃气轮机压气机中,载荷系数的上限也在0.6左右。如若以轴流式设计达到离心式设计的压升,载荷系数会被提高到0.8,乃至更高。
其中cz为风机进口轴向速度,在本发明中,为图4所示c0*sin(ac0)。
扩压因子被用以衡量动静叶片吸力面附面层所承受的气动负荷的大小。扩压因子D定义为:
其中,结合图4和图5所示,w1为动叶进口相对速度,w2为动叶出口相对速度,△wu为扭速,τ为稠度。流量系数的适量提高可以将动静叶的扩压因子均控制在0.60以下。
步骤二:进口导叶的设计:
控制进口导叶的出口气流角,为动叶提供合适的进口预选,以平衡动静叶所需承受的气动负荷。所述的进口导叶出口气流角在6~8度,级反动度控制在0.50~0.55,从而使得动静叶的扩压因子均保持在0.54~0.58的范围内。
反动度Ω定义为:
其中c1u(图4中c1*sin(ac1))为动叶进口绝对速度的周向分量、c2u(图4中c2*sin(ac2))为动叶出口绝对速度的周向分量,u为切线速度。结合图4所示,式中c1为动叶进口绝对速度,c2为动叶出口绝对速度,c3为静叶出口绝对速度。
如此,便可得到本发明的几何参数和气动性能如表1所示。
表1部分几何参数及气动性能
为了保证进口导叶的稠度沿展向一致,本实施方式中所述进口导叶叶顶的弦长明显大于叶根。同时为了尽可能保证动叶入口的气流角沿展向均匀,所述的进口导叶采取尾缘积叠的形式。而所述的动叶和静叶均采用重心积叠的形式,如图2所示。
图4所示,本发明所述风机轴向进气,轴向出气。轴流风机中径处的扭速大于切线速度,所述的动叶弯角较大,所实现的气流折转过轴线,如图4所示。
图5中,动叶绝对气流折转角为△α,动叶相对气流折转角△β,扭速△wu;
图6和图7所示,本发明在设计转速下,在120~170m3/s的流量范围内保持了等熵滞止效率0.80以上的高效流动,和1.19以上的高压比。
综上所述,本发明以迎风面积更小、流动效率更高的轴流式设计代替离心式设计,流动性能得到显著的提升,更加的节能环保。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述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:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分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本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (1)
1.一种高负荷高通流能力的轴流风机,它包括叶轮,其特征在于:
所述叶轮包括多个进口导叶、多个动叶和多个静叶;
多个进口导叶沿圆周方向均匀设置在轮毂进口侧,多个静叶沿圆周方向均匀设置在轮毂出口侧,多个动叶沿圆周方向均匀设置在进口导叶和静叶之间;
所述风机的进口轮缘半径为890~910mm,进口轮毂比为0.74~0.77,子午流道水平无收缩,导叶、动叶和静叶的叶高均为205~230mm;
所述进口导叶采用尾缘积叠的方式获得;进口导叶的弦长随着叶高的增加而逐渐增大,进口导叶的弦长处于132~166mm之间;
所述进口导叶各叶高处的叶型由中弧线贴叶片厚度的方式获得,所述叶片厚度分布形式与NACA65叶型的厚度分布形式相同;
所述进口导叶叶片数为25~35个,进口导叶最大厚度位置距离前缘点33~35%轴向弦长处,进口导叶最大内切圆直径为弦长的10~12%,进口导叶前缘厚度为弦长的4~6%,尾缘厚度为弦长的0.9~1.1%,进口几何角6°~8°,出口几何角折转过轴向,出口几何角9°~11°,几何弯角16°~19°,动叶具有6°~8°的进口预旋;
通过调整进口导叶的中弧线旋向,将进口导叶的叶栅流道设计为收缩流道;
所述动叶基于径向等功设计方法获得扭曲规律,并使动叶的扭速随着半径的增大而减小,所述动叶采用重心积叠的方式获得;
所述动叶各叶高处的叶型由中弧线贴叶片厚度的方式获得,所述叶片厚度分布形式与NACA65叶型的厚度分布形式相同;
所述动叶叶片数为20~30个,动叶最大厚度位置距离前缘40~49%轴向弦长处,动叶最大内切圆直径为弦长的6~14%,动叶前缘厚度为弦长的2~7%,尾缘厚度为弦长的0.2~0.6%,动叶弦长261~276mm,进口几何角47°~50°,出口几何角折转过轴向,出口几何角3°~35°,几何弯角51°~84°;叶顶间隙2.0~2.5mm;
所述静叶采用重心积叠的方式获得;
所述静叶各叶高处的叶型由中弧线贴叶片厚度的方式获得,叶片厚度分布形式与NACA65叶型的厚度分布形式相同;
所述静叶叶片数为25~35个,静叶最大厚度位置距离前缘42~43%轴向弦长处,静叶最大内切圆直径为弦长的7~8%,静叶前缘厚度为弦长的1~3%,尾缘厚度为弦长的0.5~0.6%,静叶弦长261~276mm,进口几何角45°~56°,出口几何角折转过轴向,出口几何角1°~3°,几何弯角45°~56°。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CB03 | Change of inventor or designer information | ||
CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Songtao Inventor after: Zhou Xun Inventor after: Ding Jun Inventor after: Cai Le Inventor after: Liu Bao Inventor before: Wang Songtao Inventor before: Zhou Xun Inventor before: Ding Jun Inventor before: Cai Le Inventor before: Liu Bao |