CN110173447B - 一种大流量高空轴流风机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大流量高空轴流风机，涉及平流层飞艇领域，包括同轴间隙排布的内管和外管；所述内管的安装端转动安装有叶轮，内管的延伸端安装有流线罩，且流线罩呈半球形；所述外管的延伸端固定安装有唇沿，且唇沿呈流线型外翻状。本发明采用流线型外翻状的唇沿，从而使唇沿、外管、流线罩共同形成一个良好的集流器，为叶轮提供均匀的入流条件，使得流动在流入风机的过程之中无分离损失，最终使风机整体工作的效率提高10％～15％。风机叶轮经过气动‑结构多轮设计，形成了实度近似为1，叶片梢部弦长大而根部弦长小的独特叶片形状，风机叶轮在高空工况具有大流量特点、同时安全性经济性良好。

Description

一种大流量高空轴流风机
技术领域
本发明涉及平流层飞艇领域，具体而言，涉及一种大流量高空轴流风机。
背景技术
飞艇已经经历了长达一百多年的发展，经历了兴起、繁荣、衰退。近年来航空发达国家，对飞艇在军民领域中的作用进行重新深入评估后，开始重视并重新设计、制造和使用飞艇。其中，平流层(海拔20Km)飞艇在地面观测、空中预警、通信等方面有广阔的应用前景。在平流层飞艇的设计中，整个艇被分成很多个气囊，每个气囊都有一套压力控制装置，用于控制囊体的内部压力。飞艇通过压力控制系统进行外形保持、升力控制和俯仰控制。
飞艇中的风机是整个控制系统中关键的一个环节，控制系统利用风机对气囊进行充气、放气，实现对飞艇状态的控制；因此，风机的性能直接关系到飞艇的长时间悬浮、快速上浮下降、机动性能等。然而在高空中，大气密度只有海平面的1/14，风机本身就很难达到较大的流量与压差，风机效率也难以提升；同时，高空飞艇多是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，太阳辐射强度较弱，光伏电池的光电转化率也较低，导致高空飞艇能源紧张，对各个系统的效率要求都很高。因此，风机不仅工作环境苛刻，同时能源供给十分有限，高效率的风机有利于飞艇有效减少太阳能电池和储能电池的重量，降低飞艇制造难度并实现超长航时滞空。
风机叶轮是风机最核心的部件，直接决定了风机的工作性能。风机叶轮的雷诺数是空气动力学上衡量其工作状态的相似参数，与大气密度成正比。风机性能随雷诺数的减小而降低，在海平面性能良好的常规风机在高空环境中往往表现出较差的工作状态。
风机的进口条件直接影响其效率，进气速度场越均匀，则风机的效率越高。目前用于风机的集流装置均为直线型、圆弧型、锥型等，其形状是简单的曲线，如直线、圆弧等，这些简单的集流装置在风机正常运行过程中，容易在集流装置进口处形成较大的涡流区，并不完全符合空气动力学特性。
综上所述，设计针对特殊的高空环境的大流量风机叶轮及风机进口集流装置，对于提高风机性能及效率，进而提高临近空间飞艇的控制性能及长时滞空有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大流量高空轴流风机，以解决上述问题。
为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种大流量高空轴流风机，包括同轴间隙排布的内管和外管；所述内管的安装端转动安装有叶轮，内管的延伸端安装有流线罩，且流线罩呈半球形；所述外管的延伸端固定安装有唇沿，且唇沿呈流线型外翻状。
进一步的，所述流线罩位于唇沿内，且流线罩的半径小于唇沿的轴线长度。
进一步的，所述唇沿的分段三次样条轴向长度为X，唇沿的分段三次样条径向长度为Y，外管的半径为R，即唇沿的轴向坐标为Axis＝Y+R，唇沿的径向坐标为Radius＝0.645*X*R。
进一步的，所述分段三次样条的形式为：
Segment1:S＝0～0.111111时，X＝0+3.667*S+0*S2-40.24*S3，Y＝0+13.12*S+0*S2+22.31*S3；
Segment 2:S＝0.111111～0.222222时，X＝-0.1098+6.63*S-26.67*S2+39.77*S3，Y＝0.1886+8.023*S+45.84*S2-115.2*S3；
Segment3:S＝0.222222～0.333333时；X＝0.2689+1.519*S-3.67*S2+5.268*S3，Y＝-3.912+63.38*S-203.3*S2+258.5*S3；
Segment4:S＝0.333333～0.444444时，X＝0.7084-2.436*S+8.197*S2-6.599*S3，Y＝9.553-57.8*S+160.3*S2-105.1*S3；
Segment5:S＝0.444444～0.555556时，X＝0.02742+2.16*S-2.145*S2+1.157*S3，Y＝-5.95+46.84*S-75.17*S2+71.5*S3；
Segment6:S＝0.555556～0.666667时，X＝0.5005-0.3946*S+2.453*S2-1.602*S3，Y＝6.834-22.19*S+49.09*S2-3.057*S3；
Segment7:S＝0.666667～0.777778时，X＝0.08144+1.491*S-0.3752*S2-0.1873*S3，Y＝16.57-66.02*S+114.8*S2-35.92*S3；
Segment 8:S＝0.777778～0.888889时，X＝0.9824-1.984*S+4.093*S2-2.102*S3，
Y＝35.93-140.7*S+210.8*S2-77.06*S3；
Segment 9:S＝0.888889～1时，X＝-3.682+13.76*S-13.62*S2+4.539*S3，Y＝-7.004+4.224*S+47.8*S2-15.93*S3。
进一步的，所述外管的轴线为X轴，外管半径Y为100mm时，唇沿剖面形状的坐标XY的取值如下：(0.000，100.000)，(4.442，100.047)，(8.885，100.212)，(13.354，100.487)，(17.070，100.810)，(20.157，101.151)，(22.720，101.488)，(24.848，101.805)，(26.615，102.097)，(28.083，102.359)，(29.302，102.591)，(30.315，102.795)，(31.156，102.971)，(31.856，103.123)，(32.438，103.253)，(32.922，103.364)，(34.047，103.630)，(35.169，103.910)，(36.288，104.202)，(37.403，104.511)，(38.516，104.833)，(39.623，105.173)，(40.726，105.528)，(41.823，105.904)，(42.915，106.297)，(43.999，106.711)，(45.075，107.147)，(46.141，107.606)，(47.197，108.088)，(48.241，108.597)，(49.270，109.132)，(50.284，109.695)，(51.279，110.286)，(52.256，110.907)，(53.209，111.558)，(54.136，112.240)，(55.037，112.951)，(55.907，113.691)，(56.744，114.460)，(57.548，115.255)，(58.315，116.076)，(59.045，116.920)，(59.735，117.786)，(60.384，118.671)，(60.991，119.574)，(61.555，120.493)，(62.073，121.427)，(62.546，122.373)，(62.970，123.330)，(63.343，124.296)，(63.663，125.269)，(63.927，126.247)，(64.137，127.228)，(64.291，128.212)，(64.383，129.089)，(64.414，129.529)。
进一步的，所述叶轮包括固定在内管上的轮毂和固定在轮毂表面上的叶片；所述叶片的实度小于1，叶片根部弦长与叶片梢部弦长在旋转平面的投影长度等于轮毂周长的1/10,且叶片梢部弦长在旋转平面的投影长度等于外管周长的1/10。
进一步的，所述叶片弦长沿风机径向光滑过渡。
进一步的，所述叶片根部为19％相对厚度翼型，叶片稍部为10％相对厚度翼型，叶片中部为14％厚度翼型。
进一步的，所述叶片为10个，且10个叶片沿轮毂的圆周方向周向均匀间隔排布。
本发明的有益效果是，
本发明采用型流线型外翻状的唇沿，从而使唇沿、外管、流线罩共同形成一个良好的集流器，通过高精度的计算流体力学分析工具模拟风机进口流场，捕捉到实验难以观察到的流动分离现象，使得空气不产生流动分离，为叶轮提供均匀的入流条件，使得流动在流入风机的过程之中无能量损失，最终使风机整体工作的效率提高10％～15％。
本发明通过考虑气动性能、结构性能、加工成本的多轮优化设计，使叶片剖面适应低雷诺数流动，叶片三维造型光滑；而叶片根部采用19％相对厚度翼型，保证足够结构强度；叶片稍部为10％相对厚度翼型，保证叶片做功能力；叶片中部为14％厚度翼型，保证叶片三维曲面光滑过渡，使叶轮适应于高空大气特点，在高空工作状态下具有大流量、高压差、高效率的特点；同时，使叶轮加工更加方便，成本低，安全系数高。
附图说明
图1是本发明提供的大流量高空轴流风机的结构图；
图2是本发明提供的大流量高空轴流风机的三维图；
图3是本发明提供的直线型、圆弧型、流线型唇沿入口流动状态对比图；
图4是图1中的叶轮三维示意图；
图5是图1中的叶轮正视图；
图6是叶片的剖面翼型示意图。
附图中标记及相应的零部件名称：
1、内管，2、外管，3、叶轮，4、流线罩，5、唇沿；
31、轮毂，32、叶片；
321、叶片根部，322、叶片稍部，323、叶片中部。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
图1、图2所示出了本发明提供的一种大流量高空轴流风机，包括同轴间隙排布的内管1和外管2；所述内管1的安装端转动安装有叶轮3，内管1的延伸端安装有流线罩4，且流线罩4呈半球形；所述外管2的延伸端固定安装有唇沿5，且唇沿5呈流线型外翻状。
所述内管1的中心轴线与外管2的中心轴线在同一直线上，且内管1的外壁与外管2的内壁之间形成一个环形的流通通道；所述内管1通过连接筋固定安装在外管2内，具体的，连接筋的一端与内管1的外壁固定，连接筋的另一端与外管2的内壁连接，从而实现内管1的固定安装；所述连接筋至少为两个，多个所述连接筋沿内管1的圆周方向均匀间隔排布；所述连接筋还可采用固定座代替，将固定座固定在外管2的内壁上，然后将内管1固定在固定座上。
所述内管1与外管2的安装端为风机出风的一端；所述内管1与流线罩4为一体设置，且流线罩4的直径与内管1的直径相等，使流线罩4与内管1之间的连接呈光滑过度，使气流在通过外管2与内管1之间的通道时能量损耗更小，从而使风机的工作效率更好。所述外管2与唇沿5为一体设置，唇沿5的截面呈流线型，且唇沿5的入口端直径大于唇沿5的固定端直径，而唇沿5固定端的直径与外管2的直径相等，使唇沿5与外管2为光滑过度，使唇沿5与流线罩4之间形成的环形通道符合流场的空气动力学特性，使空气可以均匀加速进入风机，有效防止唇沿5与外管2的连接处产生涡流；同时，在这个过程之中，除了不可避免的空气与管道之间的摩擦损失，流动可以无分离损失地进入风机。
所述流线罩4位于唇沿5内，且流线罩4的半径小于唇沿5的轴线长度；所述流线罩4的固定端与流线罩4的固定端位于同一垂直面上，且唇沿5的入口端超过流线罩4的顶部，使流线罩4的顶部低于唇沿5的开口，保证风流在足够进入唇沿5的同时能均匀的进入到外管2与内管1之间，不仅使空气可均匀的进入到内管1与外管2之间的通道内，且使气流进入风机的流动性更好。
所述唇沿5的分段三次样条轴向长度为X，唇沿5的分段三次样条径向长度为Y，外管2的半径为R，即唇沿5的轴向坐标为Axis＝Y+R，唇沿5的径向坐标为Radius＝0.645*X*R。所述集唇沿5的剖面形状大小、流线罩4尺寸分别可以根据具体应用的风机管网尺寸、风机叶片32轮毂31或导叶轮3毂进行等比例缩放。
所述分段三次样条的形式为：Segment1:S＝0～0.111111时，X＝0+3.667*S+0*S2-40.24*S3，Y＝0+13.12*S+0*S2+22.31*S3；
Segment 2:S＝0.111111～0.222222时，X＝-0.1098+6.63*S-26.67*S2+39.77*S3，Y＝0.1886+8.023*S+45.84*S2-115.2*S3；
Segment3:S＝0.222222～0.333333时；X＝0.2689+1.519*S-3.67*S2+5.268*S3，Y＝-3.912+63.38*S-203.3*S2+258.5*S3；
Segment4:S＝0.333333～0.444444时，X＝0.7084-2.436*S+8.197*S2-6.599*S3，Y＝9.553-57.8*S+160.3*S2-105.1*S3；
Segment5:S＝0.444444～0.555556时，X＝0.02742+2.16*S-2.145*S2+1.157*S3，Y＝-5.95+46.84*S-75.17*S2+71.5*S3；
Segment6:S＝0.555556～0.666667时，X＝0.5005-0.3946*S+2.453*S2-1.602*S3，Y＝6.834-22.19*S+49.09*S2-3.057*S3；
Segment7:S＝0.666667～0.777778时，X＝0.08144+1.491*S-0.3752*S2-0.1873*S3，Y＝16.57-66.02*S+114.8*S2-35.92*S3；
Segment 8:S＝0.777778～0.888889时，X＝0.9824-1.984*S+4.093*S2-2.102*S3，Y＝35.93-140.7*S+210.8*S2-77.06*S3；
Segment 9:S＝0.888889～1时，X＝-3.682+13.76*S-13.62*S2+4.539*S3，Y＝-7.004+4.224*S+47.8*S2-15.93*S3。
在工作在海拔20km，轮毂31为比为0.55的轴流风机为例时，以唇沿5与外管2相接点为原点，风机轴线为x轴，取外管2直径为200mm，即外管2的半径为100mm，根据唇沿5成型方法可得唇沿5剖面形状如下(其中x,y坐标单位为mm)：(0.000，100.000)，(4.442，100.047)，(8.885，100.212)，(13.354，100.487)，(17.070，100.810)，(20.157，101.151)，(22.720，101.488)，(24.848，101.805)，(26.615，102.097)，(28.083，102.359)，(29.302，102.591)，(30.315，102.795)，(31.156，102.971)，(31.856，103.123)，(32.438，103.253)，(32.922，103.364)，(34.047，103.630)，(35.169，103.910)，(36.288，104.202)，(37.403，104.511)，(38.516，104.833)，(39.623，105.173)，(40.726，105.528)，(41.823，105.904)，(42.915，106.297)，(43.999，106.711)，(45.075，107.147)，(46.141，107.606)，(47.197，108.088)，(48.241，108.597)，(49.270，109.132)，(50.284，109.695)，(51.279，110.286)，(52.256，110.907)，(53.209，111.558)，(54.136，112.240)，(55.037，112.951)，(55.907，113.691)，(56.744，114.460)，(57.548，115.255)，(58.315，116.076)，(59.045，116.920)，(59.735，117.786)，(60.384，118.671)，(60.991，119.574)，(61.555，120.493)，(62.073，121.427)，(62.546，122.373)，(62.970，123.330)，(63.343，124.296)，(63.663，125.269)，(63.927，126.247)，(64.137，127.228)，(64.291，128.212)，(64.383，129.089)，(64.414，129.529)。
如图3所示，直线型的唇沿5、圆弧型唇沿5、流线型唇沿5的入口流动状态。直线型唇沿5在气流通道中形成了较大的涡流区，涡流区类似“死水区”，减小了通道的有效面积，直接影响了气流的通过，对风机性能最直接的影响是功率增大、流量减小，因此高空风机的工作效率下降。圆弧型唇沿5在唇口处也产生的涡流区，相比直线型较小，但仍会对进口处的气流产生不利的影响。流线型的唇沿5使得空气不产生任何的流动分离，气流均匀加速进入了风机。经测算，加装流线型唇沿5的风机，其工作效率与气流绝对均匀的理想状态下的效率几乎一致。
如图4和图5所示，所述叶轮3包括固定在内管1上的轮毂31和固定在轮毂31表面上的叶片32；所述叶片32的实度不大于1，叶片32根部弦长与叶片32梢部弦长在旋转平面的投影长度等于轮毂31周长的1/10,且叶片32梢部弦长在旋转平面的投影长度等于外管2周长的1/10，根据叶片易加工性能的要求，叶片之间的投影不能重叠，而在实际使用过程中，叶片越宽，风机的做功性能更好，风机的吸能性能更好，结合该要求，当叶片32根部弦长与叶片32梢部弦长在旋转平面的投影长度等于轮毂31周长的1/10，叶片32梢部弦长在旋转平面的投影长度等于外管2周长的1/10时，叶片32性能处于最优状态，且吸收状态最好；所述叶片32焊接固定在轮毂31上，且叶片32为10个，10个叶片32沿轮毂31的圆周方向周向均匀间隔排布；所述内管1内固定安装有电机，电机的输出轴贯穿内管1向外管2的安装端延伸，且轮毂31固定安装在电机的输出轴上；所述电机通过螺钉固定在内管1内，具体的，电机通过筋或固定座固定安装在内管1内，且电机输出轴的中心轴线与内管1的中心轴线在同一直线上，且轮毂31与电机的输出轴通过键连接固定，以此实现对叶轮3的固定安装。
当叶片32的实度小于1时，叶片32的轴向投影面积尽可能最大。在一定程度下，叶轮3实度越大，越能吸收电机传递来的功率，特别有利于增加风机的做功能力；然而，实度大于1的叶轮3对于加工制造要求较高，极大增加了叶轮3的加工时间与成本。因此，叶轮3设计考虑到在实度小于1的限制条件下，尽量增加叶片32宽度，从而实现大流量、高压差的目的，最终形成的叶轮3形状具有明显特征，叶片稍部322弦长最大，叶片根部321弦长最短，叶片32弦长光滑过渡；叶片32轴向投影面积达到最大，而各个叶片32投影面积无重叠。
如图6所示，所述叶片根部321为19％相对厚度翼型，叶片稍部322为10％相对厚度翼型，叶片中部323为14％厚度翼型，使叶片32剖面适应低雷诺数流动，叶片32三维造型光滑，使叶片32的强度、做功能力、三维曲面光滑过渡均能得到保证，从而使叶轮3适应于高空大气特点，在高空工作状态下具有大流量、高压差、高效率的特点；同时，叶轮3易加工，成本低，安全系数高。
普通翼型在高雷诺数状态下设计，在低雷诺数状态下性能下降明显，因此采用了在低雷诺数高升力翼型系列；对比普通翼型，该翼型能够显著降低风机功率，提高风机性能；薄翼型在高速状态表现更佳，因此旋转速度高的叶片32梢部采用了相对厚度较小的翼型，叶片根部321由于结构强度的限制，需要采用较厚的翼型，叶片32中间部分采用中等厚度的翼型作为过渡。
如图5所示，以叶轮3直径为200mm，轮毂31比为0.55的叶轮3为例，其中站位是指叶片32剖面的相对位置，0.0％站位位于半径R＝50mm处，100％站位位于R＝100mm处，相对弦长是站位剖面弦长与叶轮3半径的比值，桨距角是指剖面弦线与旋转平面的夹角，翼型相对厚度是翼型的最大厚度与弦长的比值，叶片32的形状如下【站位(％)，相对弦长(mm)，桨距角(°)，翼型相对厚度(％)】：(0.0，0.409，37.209，19)，(10.0，0.436，36.433，19)，(20.0，0.467，35.100，14)，(30.0，0.500，33.767，14)，(40.0，0.535，32.456，14)，(50.0，0.570，31.207，10)，(60.0，0.602，29.993，10)，(70.0，0.629，28.805，10)，(80.0，0.650，27.617，10)，(90.0，0.665，26.400，10)，(100.0，0.674，25.125，10)。
本发明能使得空气不产生任何的流动分离，气流均匀加速进入了风机；经测算，加装唇沿5的风机，其工作效率与气流绝对均匀的理想状态下的效率几乎一致。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大流量高空轴流风机，其特征在于，包括同轴间隙排布的内管和外管；所述内管的安装端转动安装有叶轮，内管的延伸端安装有流线罩，且流线罩呈半球形；所述外管的延伸端固定安装有唇沿，且唇沿呈流线型外翻状；所述唇沿由分段三次样条（X，Y），外管的半径R表示，唇沿的轴向坐标为Axis=Y+R，唇沿的径向坐标为Radius=0.645*X*R；
所述分段三次样条的形式为：
Segment1:S = 0 ~ 0.111111时，X = 0 + 3.667*S + 0*S2-40.24*S3，Y = 0 + 13.12*S + 0*S2 + 22.31*S3；
Segment 2:S =0.111111 ~ 0.222222时，X = -0.1098 + 6.63*S -26.67*S2+ 39.77*S3，Y = 0.1886 + 8.023*S + 45.84*S2-115.2*S3；
Segment3:S =0.222222 ~ 0.333333时；X = 0.2689 + 1.519*S -3.67*S2 + 5.268*S3，Y = -3.912 + 63.38*S -203.3*S2 + 258.5*S3；
Segment4:S = 0.333333 ~ 0.444444时，X = 0.7084 -2.436*S + 8.197*S2-6.599*S3，Y = 9.553 -57.8*S + 160.3*S2-105.1*S3；
Segment5:S =0.444444 ~ 0.555556时，X=0.02742 +2.16*S-2.145*S2+1.157*S3，Y =-5.95 + 46.84*S-75.17*S2 +71.5*S3；
Segment6:S=0.555556 ~ 0.666667时，X = 0.5005 -0.3946*S + 2.453*S2-1.602*S3，Y = 6.834 -22.19*S+49.09*S2-3.057*S3；
Segment7:S=0.666667~0.777778时，X= 0.08144+1.491*S-0.3752*S2-0.1873*S3，Y =16.57 -66.02*S + 114.8*S2-35.92*S3；
Segment 8: S = 0.777778 ~ 0.888889时，X = 0.9824 -1.984*S + 4.093*S2-2.102*S3，Y = 35.93 -140.7*S + 210.8*S2-77.06*S3；
Segment 9: S = 0.888889 ~ 1时，X = -3.682 + 13.76*S -13.62*S2 + 4.539*S3，Y= -7.004 + 4.224*S + 47.8*S2-15.93*S3
所述叶轮包括固定在内管上的轮毂和固定在轮毂表面上的叶片；所述叶片的实度小于1，叶片根部弦长与叶片梢部弦长在旋转平面的投影长度等于轮毂周长的1/10,且叶片梢部弦长在旋转平面的投影长度等于外管周长的1/10；所述流线罩位于唇沿内，且流线罩的半径小于唇沿的轴线长度。
2.根据权利要求1所述的大流量高空轴流风机，其特征在于，所述外管的轴线为X轴，外管半径R 为100mm时，唇沿剖面形状的坐标XY的取值如下：（0.000，100.000），（4.442，100.047），（8.885，100.212），（13.354，100.487），（17.070，100.810），（20.157，101.151），（22.720，101.488），（24.848，101.805），（26.615，102.097），（28.083，102.359），（29.302，102.591），（30.315，102.795），（31.156，102.971），（31.856，103.123），（32.438，103.253），（32.922，103.364），（34.047，103.630），（35.169，103.910），（36.288，104.202），（37.403，104.511），（38.516，104.833），（39.623，105.173），（40.726，105.528），（41.823，105.904），（42.915，106.297），（43.999，106.711），（45.075，107.147），（46.141，107.606），（47.197，108.088），（48.241，108.597），（49.270，109.132），（50.284，109.695），（51.279，110.286），（52.256，110.907），（53.209，111.558），（54.136，112.240），（55.037，112.951），（55.907，113.691），（56.744，114.460），（57.548，115.255），（58.315，116.076），（59.045，116.920），（59.735，117.786），（60.384，118.671），（60.991，119.574），（61.555，120.493），（62.073，121.427），（62.546，122.373），（62.970，123.330），（63.343，124.296），（63.663，125.269），（63.927，126.247），（64.137，127.228），（64.291，128.212），（64.383，129.089），（64.414，129.529）。
3.根据权利要求1所述的大流量高空轴流风机，其特征在于，所述叶片弦长沿风机径向光滑过渡。
4.根据权利要求1或3所述的大流量高空轴流风机，其特征在于，所述叶片根部为19%相对厚度翼型，叶片稍部为10%相对厚度翼型，叶片中部为14%厚度翼型。
5.根据权利要求4所述的大流量高空轴流风机，其特征在于，所述叶片为10个，且10个叶片沿轮毂的圆周方向周向均匀间隔排布。
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