CN111274655A - 一种防霜机圆弧板叶片优化设计方法 - Google Patents

一种防霜机圆弧板叶片优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防霜机圆弧板叶片优化设计方法，本发明基于防霜机圆弧板叶片的结构参数，对经风机相似设计后确定回转直径与转速的叶片进行正交试验与CFD仿真计算，分别建立功率、风量、风压与各结构参数之间的关系，进而确定参数最优组合。具体为：设计以叶片安装角、叶片前掠角、叶片截面圆弧半径为三因素三水平的正交试验；经分析，各因素对功率、风量、风压大小影响的主次顺序均为：叶片安装角、叶片截面圆弧半径、叶片前掠角；防霜机圆弧板叶片参数最优组合为：叶片安装角25°、叶片前掠角87°、叶片截面圆弧半径1200mm。本发明可增大防霜机的作用面积并提升防霜效果，可应用于防霜机圆弧板叶片的优化设计。

Description

一种防霜机圆弧板叶片优化设计方法
技术领域
本发明属于植物保护装备与技术领域，具体涉及一种防霜机圆弧板叶片优化设计方法。
背景技术
霜动会对植物的生长造成损害，严重影响了作物的产量和品质。应用防霜机进行防霜一种有效的植物保护手段，而叶片是防霜机最为重要的部件，其送风性能直接影响到防霜机防霜面积大小和防霜效果。目前国内的防霜机叶片多为直接选型，或存在制造困难、价格昂贵、风量与风压较低的问题。
中国专利(CN203756595U)公开了一种植物防霜风机叶轮，其采用4叶圆弧板叶片并给定了叶片的部分结构参数变化范围，具有便于加工、价格低廉的优点，但其没有限定叶片的功率也没有考虑叶片结构参数对叶片性能的影响；中国专利(CN102287401A)公开了一种厚度阶梯形变化的圆弧板叶片，适用于直径大转速高的轴流式风机，但其缺少叶片结构设计的数据支持；中国专利(CN106503341A)公开了一种风电场风机叶片选型优化方法，为风机叶片选型提供依据，但并不适用于防霜机叶片的设计与优化。
通过对防霜机圆弧板叶片进行合理的优化设计，将会有效提升防霜机的防霜性能。因此建立一种通用的防霜机圆弧板叶片优化设计方法具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防霜机圆弧板叶片优化设计方法，在给定的功率范围内，实现防霜机圆弧板叶片结构参数的最优组合，以提高叶片的风量与风压，在实际防霜过程中尽可能地增大防霜机的送风距离，同时提高防霜机的作用效果。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种防霜机圆弧板叶片优化设计方法，其特征在于通过对防霜机圆弧板叶片的叶片安装角、叶片前掠角、叶片截面圆弧半径进行参数优化组合，使其在一定功率范围内实现风量与风压最大化，以提高防霜机的防霜面积与防霜效果，具体包括以下步骤：
步骤一，选定实物防霜机圆弧板叶片，并根据风机相似设计理论确定模型防霜机圆弧板叶片的回转直径与转速：回转直径为1160mm、转速960rpm；
步骤二，设计并进行以叶片安装角、叶片前掠角、叶片截面圆弧半径为因素的正交试验；
步骤三，以步骤二的试验数据为依据，分别建立防霜机圆弧板叶片的功率、风量、风压与所述因素的关系方程为：
Pin＝4820.46+433.72X1-23.74X2-164.33X3-12.34X1X2-10.14X1X3-18.10X2X3+8.87X1 2-54.88X2 2+52.87X3 2；
qv＝1226.98+42.88X1-1.19X2-12.21X3-0.95X1X2-3.65X1X3-5.55X2X3-12.84X1 2-2.38X2 2-1.27X3 2；
ptF＝241.40+16.43X1-0.97X2-5.65X3-0.70X1X2-2.63X1X3-2.09X2X3-4.19X1 2-1.15X2 2-0.30X3 2；
X1、X2、X3分别为叶片安装角、叶片前掠角、叶片截面圆弧半径的因素水平，Pin、qv、ptF分别为防霜机圆弧板叶片的功率、风量、风压；
步骤四，根据步骤三所得的方程进行优化求解，在功率不超过5.5kW的前提下，得到防霜机圆弧板叶片的参数最优组合为：叶片安装角为25°，叶片前掠角为87°，叶片截面圆弧半径为1200mm。
所述正交试验通过Design-Expert软件进行设计。
所述防霜机圆弧板叶片的功率、风量、风压通过CFD仿真计算得出。
本发明的工作原理：本发明首先通过风机相似理论确定对叶片性能影响最大的参数，即回转直径与转速的具体数值，然后利用Design-Expert软件和CFD仿真计算通过正交试验分析对影响叶片性能较大的三个参数，即叶片安装角、叶片前掠角、叶片截面圆弧半径对功率、风量、风压的具体影响，得到防霜机圆弧板叶片的参数最优组合，在防霜机转动送风时，在单位时间内可以将更多的逆温层气流输送至植物冠层，从而提升防霜风机的作用效果。
本发明的有益效果为：本发明通过正交试验与CFD仿真计算相结合的方式，在短时间内可完成对防霜机圆弧板叶片优化设计过程，具有较强的通用性，在控制功率在一定范围的基础上，使防霜机圆弧板叶片的风量增加3.72％，风压增大8.07％；将经优化设计后的防霜机圆弧板叶片应用于田间进行防霜，可增大防霜机的防霜面积并增强其防霜效果，减小霜冻对作物造成的损害。
附图说明
图1为本发明的防霜机圆弧板叶片优化设计方法流程图。
图2为本发明的防霜机圆弧板叶片结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步详细说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
如图2所示，本发明结合现有圆弧板叶片设计了一款三叶防霜机圆弧板叶片，即实物防霜机圆弧板叶片，其基本结构参数如下：回转直径1040mm、轮毂比0.29、叶片安装角24°、叶片前掠角86°，叶片截面圆弧半径1300mm，转速为960rpm，电机功率为3kw，经校核，电机功率满足要求。为提高防霜机的防霜面积，对该实物防霜机圆弧板叶片进行设计优化，考虑到对防霜成本的要求，模型防霜机圆弧板叶片的电机功率限制在5.5kW之内，本实例优选为5.5kW。
如图1所示，一种防霜机圆弧板叶片的优化设计过程为：
步骤(1)，模型防霜机圆弧板叶片回转直径与转速的确定
Figure BDA0002372917840000031
Figure BDA0002372917840000032
Figure BDA0002372917840000033
以上公式为风机相似设计理论计算公式，式中，Pin、Pin′分别为实物与模型的功率；qv、qv′分别为实物与模型的流量；ptF、ptF′分别为实物与模型的全压；ρ、ρ′分别为实物与模型所处流体环境的密度；n、n′分别为实物与模型的转速；D、D＇分别为实物与模型的回转直径。考虑到现有电机的规格，电机为5.5kW，转速为960rpm，经计算，模型防霜机圆弧板叶片的回转直径为1160mm，风量为1237.76m3/min，风压为248.82Pa；将模型防霜机圆弧板叶片进行CFD仿真计算，得到功率为4.82kW，风量为1226.98m3/min，风压为241.40Pa，因此符合设计要求且留有一定的优化空间。
步骤(2)，防霜机圆弧板叶片的正交试验
除了回转直径与转速，叶片安装角、叶片前掠角、叶片截面圆弧半径也是影响防霜机圆弧板叶片性能的三个重要参数，为确定三个因素对功率(Pin)、风量(qv)、风压(ptF)影响大小的主次顺序，并确定防霜机圆弧板叶片的参数最优组合，拟采用Design-Expert软件进行正交试验设计。
①对叶片安装角、叶片前掠角、叶片截面圆弧半径3个因素的各水平进行编码，如表1所示。
表1因素水平编码表
Figure BDA0002372917840000041
(2)运用Design-Expert软件进行正交设计，共设计17组正交试验，所得正交试验方案如表2所示。
Figure BDA0002372917840000042
Figure BDA0002372917840000051
(3)通过对各组试验所需的模型进行建模并进行CFD仿真计算，可得到各防霜机圆弧板叶片的功率、风量、与风压。防霜机圆弧板叶片正交试验结果如表3所示。
表3正交试验结果
Figure BDA0002372917840000052
步骤(3)，由表3所得的数据可分别建立功率、风量、风压与叶片安装角、叶片前掠角、叶片截面圆弧半径的回归方程：
Pin＝4820.46+433.72X1-23.74X2-164.33X3-12.34X1X2-10.14X1X3-18.10X2X3+8.87X1 2-54.88X2 2+52.87X3 2；
qv＝1226.98+42.88X1-1.19X2-12.21X3-0.95X1X2-3.65X1X3-5.55X2X3-12.84X1 2-2.38X2 2-1.27X3 2；
ptF＝241.40+16.43X1-0.97X2-5.65X3-0.70X1X2-2.63X1X3-2.09X2X3-4.19X1 2-1.15X2 2-0.30X3 2；
由以上三个回归方程可得，各因素对功率、风量、风压影响的主次顺序均为：，X1＞X3＞X2，即叶片安装角＞叶片截面圆弧半径＞叶片前掠角。
对回归方程进行方差分析，三因素对功率的影响：模型P值小于0.0001，模型修正系数R2为0.9965；三因素对风量的影响：模型P值小于0.0001，模型修正系数R2为0.9869；三因素对风压的影响：模型P值小于0.0001，模型修正系数R2为0.9862。上述三个回归方程均处于极显著水平且拟合程度良好。
步骤(4)，利用所得的回归方程优化求解，在功率不超过5.5kW的前提下，可得到防霜机圆弧板叶片的参数最优组合为：X1水平为1，X2水平为1，X3水平为-1，即叶片安装角为25°，叶片前掠角为87°，叶片截面圆弧半径为1200mm，此时防霜机圆弧板叶片的风量为1272.64m3/min，风压为260.89Pa，功率为5.42kW，满足设计要求。相较于优化设计前的防霜机圆弧板叶片，其风量增加3.72％，风压增大8.07％。
对于本领域的技术人员来说，其依然可以对上述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，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 (3)

1.一种防霜机圆弧板叶片优化设计方法，其特征在于：通过对防霜机圆弧板叶片的叶片安装角、叶片前掠角、叶片截面圆弧半径进行参数优化组合，使其在一定功率范围内实现风量与风压最大化，以提高防霜机的防霜面积与防霜效果，具体包括以下步骤：
步骤一，选定实物防霜机圆弧板叶片，并根据风机相似设计理论确定模型防霜机圆弧板叶片的回转直径与转速：回转直径为1160mm、转速960rpm；
步骤二，设计并进行以叶片安装角、叶片前掠角、叶片截面圆弧半径为因素的正交试验；
步骤三，以步骤二的试验数据为依据，分别建立防霜机圆弧板叶片的功率、风量、风压与所述因素的关系方程为：
Pin＝4820.46+433.72X1-23.74X2-164.33X3-12.34X1X2-10.14X1X3-18.10X2X3+8.87X1 2-54.88X2 2+52.87X3 2；
qv＝1226.98+42.88X1-1.19X2-12.21X3-0.95X1X2-3.65X1X3-5.55X2X3-12.84X1 2-2.38X2 2-1.27X3 2；
ptF＝241.40+16.43X1-0.97X2-5.65X3-0.70X1X2-2.63X1X3-2.09X2X3-4.19X1 2-1.15X2 2-0.30X3 2；
X1、X2、X3分别为叶片安装角、叶片前掠角、叶片截面圆弧半径的因素水平，Pin、qv、ptF分别为防霜机圆弧板叶片的功率、风量、风压；
步骤四，根据步骤三所得的方程进行优化求解，在功率不超过5.5kW的前提下，得到模型防霜机圆弧板叶片的参数最优组合为：叶片安装角为25°，叶片前掠角为87°，叶片截面圆弧半径为1200mm。
2.根据权利要求1所述的一种防霜机圆弧板叶片优化设计方法，其特征在于：所述正交试验通过Design-Expert软件进行设计。
3.根据权利要求1所述的一种防霜机圆弧板叶片优化设计方法，其特征在于：所述防霜机圆弧板叶片的功率、风量、风压通过CFD仿真计算得出。
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