CN111779707A - 一种等厚度弯掠轴流叶片及轴流风机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等厚度弯掠轴流叶片及轴流风机，属于风机领域，该叶片包括压力曲面、吸力曲面、上曲面、下曲面、前缘曲面和尾缘曲面，上曲面和下曲面与两个同轴圆柱体的侧面重合，从半径RH到RS的一系列同轴圆柱体的侧面与该轴流叶片相交得到一系列截面，每个截面的压力面曲线和吸力面曲线由通过控制弦长、前缘进口角、尾缘出口角、叶型安装角和相对弯度的三次样条曲线生成，前缘曲线和尾缘曲线由圆弧生成，其中，弦长和叶型安装角沿径向分别满足三次样条曲线和线性关系。以每个截面弦长的中点作为积叠点得到积叠线，该积叠线沿轴向前掠、周向前弯。本发明通过关键形状参数的改进设计，解决带叶托结构的轴流叶轮效率低、噪声大的问题。

Description

一种等厚度弯掠轴流叶片及轴流风机
技术领域
本发明属于风机领域，更具体地，涉及一种等厚度弯掠轴流叶片，属于风机组成部件，尤其适用于带叶托结构的轴流风机。
背景技术
轴流风机因其流量大、体积小、压头低的特点在通风机械中占有极其重要的地位，不仅仅在电力、冶金等传统行业广泛应用，而且在高层建筑、航空航天等领域都产生出对轴流风机的强烈需求，尤其是随着新技术、新行业、新领域的出现，对轴流风机的性能要求不断地提升。
带叶托结构的轴流风机的叶片一般为钣金件，这种钣金叶片是通过压型、折弯等工艺生产的，因制造方便、成本较低而广泛地应用于管道通风机中，但这种钣金叶片不是根据三元流动理论设计的，可调参数较少，叶片的形状并不能更好的适应空气在流道内的流动状况，因此使得在流道内的损失较大，再加上叶托处的损失，导致这种型式的轴流风机的性能较低、噪声较大。
目前，开发高效节能型轴流风机与低噪声环保型轴流风机已是大势所趋。一般效率较高的轴流风机都是基于基元级的设计方法，并且有研究表明，具有轴向前掠、周向前弯特征的叶片能够提升轴流风机的性能，降低其噪声。因此将基于基元级的设计方法与弯掠技术相结合来设计带叶托结构的轴流风机，可以提高其效率、降低噪声。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有带叶托结构的轴流风机效率低下的问题，提出了一种等厚度弯掠轴流叶片，对其关键参数进行改进，包括弦长、前缘进口角、尾缘出口角、叶型安装角、相对弯度和弯掠角，减少流道内的流动损失和叶顶泄漏损失，能有效的提高其气动性能。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种等厚度弯掠轴流叶片，该轴流叶片的表面为空间三维曲面，包括上曲面、下曲面、压力曲面、吸力曲面、前缘曲面和尾缘曲面，其中：
所述上曲面和所述下曲面与两个同轴圆柱体的侧面相重合，将所述两个同轴圆柱体的轴线记为Z轴，将所述上曲面和所述下曲面各自对应的圆柱体的半径分别记为RS和RH，且RS>RH，记X轴正方向为从所述下曲面指向所述上曲面的方向，与XOZ平面垂直的轴为Y轴，O为此空间直角坐标系的原点；
所述压力曲面与所述上曲面、所述下曲面均相交，相交线记为压力面曲线ab；所述吸力曲面与所述上曲面、所述下曲面均相交，相交线记为吸力面曲线cd；与所述压力面曲线ab和所述吸力面曲线cd共面且间距相等的线记为中弧线；所述Z轴正方向由所述吸力曲面指向所述压力曲面；
所述前缘曲面与所述上曲面、所述下曲面均相交，相交线记为前缘曲线；所述尾缘曲面与所述上曲面、所述下曲面均相交，相交线记为尾缘曲线；所述Y轴正方向由所述尾缘曲面指向所述前缘曲面；
沿所述X轴正方向以半径r从RH到RS变化的一系列同轴圆柱体的侧面与所述轴流叶片相交得到一系列截面，该系列截面按照(r-RH)/(RS-RH)＝0％～100％之间的不同比值选取，再将这一系列截面沿YOZ平面展开；
所述中弧线由四个控制点P0～P3控制的三次样条曲线生成，其中P0为前缘点P0，P3为尾缘点，连线P0P3为叶弦，所述中弧线在前缘点P0处的切线P0P1与所述叶弦的夹角记为前缘进口角β1，所述中弧线在尾缘点P3处的切线P2P3与所述叶弦P0P3的夹角记为尾缘出口角β2，所述Y轴正方向与所述叶弦P0P3的夹角记为叶型安装角β，所述中弧线与所述叶弦P0P3的最大间距记为弯度f，其与所述叶弦P0P3的弦长l的比值记为相对弯度f/l；所述前缘曲线和所述尾缘曲线均为圆弧且均与所述压力面曲线和所述吸力面曲线相切；
随着(r-RH)/(RS-RH)比值的变化，将所述前缘进口角、所述尾缘出口角和所述相对弯度设为固定的值，而将所述叶型安装角设为满足线性关系，将所述弦长设为满足三次样条曲线关系；
其中，所述前缘进口角的取值为15.0°～25.0°；所述尾缘出口角的取值为18.0°～28.0°；所述相对弯度的取值为0.06～0.08；
当(r-RH)/(RS-RH)＝0％时，对应截面的所述叶型安装角的取值为39.0°～45.0°；
当(r-RH)/(RS-RH)＝100％时，对应截面的所述叶型安装角的取值为29.0°～35.0°。
进一步地，(r-RH)/(RS-RH)的比值优选为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和100％共11个值，对应于11个截面。
进一步地，当(r-RH)/(RS-RH)＝0％时，对应截面的所述弦长的取值为80.0mm～100.0mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝10％时，对应截面的所述弦长的取值为114.0mm～134.0mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝20％时，对应截面的所述弦长的取值为131.5mm～151.5mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝30％时，对应截面的所述弦长的取值为145.6mm～165.6mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝40％时，对应截面的所述弦长的取值为158.2mm～178.2mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝50％时，对应截面的所述弦长的取值为169.4mm～189.4mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝60％时，对应截面的所述弦长的取值为180.6mm～200.6mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝70％时，对应截面的所述弦长的取值为200.4mm～220.4mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝80％时，对应截面的所述弦长的取值为205.5mm～225.5mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝90％时，对应截面的所述弦长的取值为202.4mm～222.4mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝100％时，对应截面的所述弦长的取值为170.0mm～190.0mm。
进一步地，取所述叶弦P0P3的中点作为积叠点，根据每个截面的所述积叠点形成一条空间积叠线，将该空间积叠线分别投影至XOZ平面和XOY平面，得到掠积叠线和弯积叠线；
在XOZ平面上，所述空间直角坐标系的原点O到叶顶截面(当(r-RH)/(RS-RH)＝100％时)的所述积叠点的连线与所述X轴正方向的夹角记为掠角，记沿Z轴负方向为前掠，记沿Z轴正方向为为后掠；
在XOY平面上，所述空间直角坐标系的原点O到叶顶截面(当(r-RH)/(RS-RH)＝100％时)的所述积叠点的连线与所述X轴正方向的夹角记为弯角，记沿Y轴正方向为前弯，记沿Y轴负方向为后弯；
所述轴流叶片为前掠和前弯。
进一步地，所述掠角的取值为15.0°～20.0°；
进一步地，所述弯角的取值为4.0°～8.0°；
进一步地，所述掠积叠线和所述弯积叠线均为抛物线。
为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种轴流风机，包括如前任一项所述的等厚度弯掠轴流叶片。
本发明所构思的以上技术方案，与现有钣金叶片的设计技术相比，能够取得如下有益效果：
1、本发明结合三元流动理论，通过控制弦长、前缘进口角、尾缘出口角、叶型安装角和相对弯度改变叶片截面型线，再利用弯掠技术调整叶片形状，使之更好地适应流动情况，减少流动分离损失和叶顶泄漏损失，同时能有效解决带叶托结构的轴流风机效率低、噪声大的问题。
2、本发明在在大流量工况下，基于基元级和弯掠设计的轴流叶片能够以牺牲少量的全压为代价，降低了功率，有效地提高了效率，而在小流量工况下性能提升尤为显著，广泛适用于各种不同工况。
附图说明
图1是本发明优选实施例的轴流叶轮立体示意图；
图2是图1的主视图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2的仰视图；
图5是图1中轴流叶片造型的三维曲面构成示意图；
图6是图5中的轴流叶片截面形状示意图；
图7是沿叶高方向控制叶片弦长示意图，以x正方向为叶高方向；
图8是叶片前掠示意图；
图9是叶片前弯示意图；
图10是本发明优选实施例的轴流叶轮轴向安装示意图；
图11是具体实施方式中的轴流风机原型和实施例1～3的数值模拟全压特性曲线；
图12是具体实施方式中的轴流风机原型和实施例1～3的数值模拟全压效率特性曲线。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-等厚度弯掠轴流叶片，2-铆钉，3-叶托，11-上曲面，12-下曲面，13-前缘曲面，14-尾缘曲面，15-压力曲面，16-吸力曲面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～4所示，本发明中的等厚度弯掠轴流叶片用于传输气流，该轴流叶片的表面属于空间三维曲面，包括上曲面、下曲面、压力曲面、吸力曲面、前缘曲面和尾缘曲面。其中，
如图5所示，所述上曲面和所述下曲面与两个同轴圆柱体的侧面相重合，将所述圆柱体的轴线记为Z轴，将所述上曲面和所述下曲面对应的圆柱体半径分别记为RS和RH，且RS>RH，记X轴正方向为从RH指向RS(所述下曲面指向所述上曲面)，与XOZ平面垂直的轴为Y轴，O为此空间直角坐标系的原点；
所述压力曲面与所述上曲面、所述下曲面均相交，相交线记为压力面曲线，所述吸力曲面与所述上曲面、所述下曲面均相交，相交线记为吸力面曲线，与所述压力面曲线和所述吸力面曲线间距相等的线记为中弧线。所述Z轴正方向由所述吸力曲面指向所述压力曲面；
所述前缘曲面与所述上曲面、所述下曲面均相交，相交线记为前缘曲线，所述尾缘曲面与所述上曲面、所述下曲面均相交，相交线记为尾缘曲线。所述Y轴正方向由所述尾缘曲面指向前缘曲面。
如图5、图6所示，以半径r从RH到RS变化的一系列同轴圆柱体的侧面与所述轴流叶片相交得到一系列截面(即RH≤r≤RS)，再将这一系列截面沿YOZ平面展开，每个截面由所述压力面曲线、所述吸力面曲线、所述前缘曲线和所述尾缘曲线组成。
以其中一个截面为例，如图6所示：所述中弧线由P0、P1、P2和P3控制的三次样条曲线生成，其中P0为前缘点，P3为尾缘点，将直线P0P3记为叶弦，其长度为l，所述中弧线在P0点处的切线P0P1与叶弦P0P3的夹角记为前缘进口角β1，所述中弧线在P3点处的切线P2P3与叶弦P0P3的夹角记为尾缘出口角β2，所述Y轴正方向与叶弦P0P3的夹角记为叶型安装角β，所述中弧线与所述叶弦的最大间距记为弯度f，其与所述弦长的比值记为相对弯度f/l。故此，所述四个控制点的位置由所述弦长、所述前缘进口角、所述尾缘出口角、所述叶型安装角和所述相对弯度确定。所述压力面曲线ab和所述吸力面曲线cd由所述中弧线沿弦长法向平移相同的距离得到，所述前缘曲线ac和所述尾缘曲线bd由圆弧生成，均与ac和bd相切。
由于该轴流叶片的压力曲面和吸力曲面的面积相对较大，为防止曲面的过度变形以及不光滑，则沿所述X轴正方向选取11个截面，即(r-RH)/(RS-RH)比值分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和100％。随着(r-RH)/(RS-RH)比值的变化，所述前缘进口角、所述尾缘出口角和所述相对弯度为固定的值，所述叶型安装角满足线性关系，所述弦长满足三次样条曲线关系，该三次样条曲线由五个点Q1～Q5控制，如图7所示，其变化范围为：
控制点Q1位于叶片高度0％处，其控制范围为80.0mm～100.0mm；
控制点Q2位于叶片高度10％～20％处，其控制范围为110.0mm～150.0mm；
控制点Q3位于叶片高度40％～50％处，其控制范围为140.0mm～180.0mm；
控制点Q4位于叶片高度80％～90％处，其控制范围为230.0mm～270.0mm；
控制点Q5位于叶片高度100％处，其控制范围为170.0mm～190.0mm。
取所述叶弦的中点作为积叠点，根据每个截面的所述积叠点可以形成一条空间积叠线，将该空间积叠线分别投影至XOZ平面和XOY平面，得到掠积叠线和弯积叠线，如图8和图9所示；
在XOZ平面上，(r-RH)/(RS-RH)＝100％的截面位置，所述空间直角坐标系的原点O到叶顶截面的积叠点的连线OA与X轴正方向的夹角记为掠角θ，记沿Z轴负方向为前掠，记沿Z轴正方向为为后掠；
在XOY平面上，(r-RH)/(RS-RH)＝100％的截面位置，所述空间直角坐标系的原点O到叶顶截面的积叠点的连线OB与X轴正方向的夹角记为弯角δ，记沿Y轴正方向为前弯，记沿Y轴负方向为后弯；
本发明均采用前掠和前弯，所述掠积叠线和所述弯积叠线为抛物线。
本发明的叶型应用于带叶托结构的轴流风机中，图10为轴流叶轮的示意图，1为等厚度弯掠轴流叶片，2为铆钉，3为叶托结构。轴流叶片铆接在叶托上，可以节约轮毂材料，降低成本。不同于钣金型式的轴流叶片，本发明结合基于基元级的方法和弯掠技术来设计该轴流叶片，可以提高带叶托结构的轴流风机的气动性能。
以下给出具体实施例。
实施例1：
本实例中的叶轮直径为400mm，叶片数为4，沿叶高方向每个截面的弦长随着叶高百分比呈三次样条曲线的变化关系，该三次样条曲线由(0％，100.0mm)，(10％，130.0mm)，(40％，140.0mm)，(80％，250.0mm)，(100％，180.0mm)这5个控制点生成，前缘进口角为22.0°，尾缘出口角为22.0°，相对弯度为0.06，叶高0％处的叶型安装角为39.0°，叶高100％处的叶型安装角为32.0°，其他截面的叶型安装角呈线性变化关系，前掠角为15.0°，前弯角为7.5°。
实施例2：
本实例中的叶轮直径为400mm，叶片数为4，沿叶高方向每个截面的弦长随着叶高百分比呈三次样条曲线的变化关系，该三次样条曲线由(0％，100.0mm)，(13.2％，140.0mm)，(45.5％，180.0mm)，(89.8％，238.9mm)，(100％，182.6mm)这5个控制点生成，前缘进口角为15.0°，尾缘出口角为19.0°，相对弯度为0.06，叶高0％处的叶型安装角为45.0°，叶高100％处的叶型安装角为30.6°，其他截面的叶型安装角呈线性变化关系，前掠角为16.0°，前弯角为4.0°。
实施例3：
本实例中的叶轮直径为400mm，叶片数为4，沿叶高方向每个截面的弦长随着叶高百分比呈三次样条曲线的变化关系，该三次样条曲线由(0％，90.0mm)，(12％，150.0mm)，(50％，180.0mm)，(80％，231.0mm)，(100％，190.0mm)这5个控制点生成，前缘进口角为17.0°，尾缘出口角为28.0°，相对弯度为0.08，叶高0％处的叶型安装角为45.0°，叶高100％处的叶型安装角为34.2°，其他截面的叶型安装角呈线性变化关系，前掠角为20.0°，前弯角为5.0°。
通过对原型、实施例1、实施例2和实例3的数值模拟，如图8和图9所示，与原型机钣金叶片相比，在大流量工况下，基于基元级和弯掠设计的实例1、实例2和实例3以牺牲少量全压为代价，降低了功率，有效地提高了效率，在小流量工况下性能提升尤为显著。其中，实例3的工作性能最优，可作为该型号轴流风机的优化机。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种等厚度弯掠轴流叶片，其特征在于，该轴流叶片的表面为空间三维曲面，包括上曲面(11)、下曲面(12)、压力曲面(15)、吸力曲面(16)、前缘曲面(13)和尾缘曲面(14)，其中：
所述上曲面(11)和所述下曲面(12)与两个同轴圆柱体的侧面相重合，将所述两个同轴圆柱体的轴线记为Z轴，将所述上曲面(11)和所述下曲面(12)各自对应的圆柱体的半径分别记为RS和RH，且RS>RH，记X轴正方向为从所述下曲面指向所述上曲面的方向，与XOZ平面垂直的轴为Y轴，O为此空间直角坐标系的原点；
所述压力曲面(15)与所述上曲面(11)、所述下曲面(12)均相交，相交线记为压力面曲线ab；所述吸力曲面(16)与所述上曲面(11)、所述下曲面(12)均相交，相交线记为吸力面曲线cd；与所述压力面曲线ab和所述吸力面曲线cd共面且间距相等的线记为中弧线；所述Z轴正方向由所述吸力曲面(16)指向所述压力曲面(15)；
所述前缘曲面与所述上曲面(11)、所述下曲面(12)均相交，相交线记为前缘曲线；所述尾缘曲面与所述上曲面(11)、所述下曲面(12)均相交，相交线记为尾缘曲线；所述Y轴正方向由所述尾缘曲面指向所述前缘曲面；
沿所述X轴正方向以半径r从RH到RS变化的一系列同轴圆柱体的侧面与所述轴流叶片相交得到一系列截面，该系列截面按照(r-RH)/(RS-RH)＝0％～100％之间的不同比值选取，再将这一系列截面沿YOZ平面展开；
所述中弧线由四个控制点P0～P3控制的三次样条曲线生成，其中P0为前缘点P0，P3为尾缘点，连线P0P3为叶弦，所述中弧线在前缘点P0处的切线P0P1与所述叶弦的夹角记为前缘进口角β1，所述中弧线在尾缘点P3处的切线P2P3与所述叶弦P0P3的夹角记为尾缘出口角β2，所述Y轴正方向与所述叶弦P0P3的夹角记为叶型安装角β，所述中弧线与所述叶弦P0P3的最大间距记为弯度f，其与所述叶弦P0P3的弦长l的比值记为相对弯度f/l；所述前缘曲线和所述尾缘曲线均为圆弧且均与所述压力面曲线和所述吸力面曲线相切；
随着(r-RH)/(RS-RH)比值的变化，将所述前缘进口角、所述尾缘出口角和所述相对弯度设为固定的值，而将所述叶型安装角设为满足线性关系，将所述弦长设为满足三次样条曲线关系；
其中，所述前缘进口角的取值为15.0°～25.0°；所述尾缘出口角的取值为18.0°～28.0°；所述相对弯度的取值为0.06～0.08；
当(r-RH)/(RS-RH)＝0％时，对应截面的所述叶型安装角的取值为39.0°～45.0°；
当(r-RH)/(RS-RH)＝100％时，对应截面的所述叶型安装角的取值为29.0°～35.0°。
2.如权利要求1所述的一种等厚度弯掠轴流叶片，其特征在于，(r-RH)/(RS-RH)的比值优选为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和100％共11个值，对应于11个截面。
3.如权利要求2所述的一种等厚度弯掠轴流叶片，其特征在于，当(r-RH)/(RS-RH)＝0％时，对应截面的所述弦长的取值为80.0mm～100.0mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝10％时，对应截面的所述弦长的取值为114.0mm～134.0mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝20％时，对应截面的所述弦长的取值为131.5mm～151.5mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝30％时，对应截面的所述弦长的取值为145.6mm～165.6mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝40％时，对应截面的所述弦长的取值为158.2mm～178.2mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝50％时，对应截面的所述弦长的取值为169.4mm～189.4mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝60％时，对应截面的所述弦长的取值为180.6mm～200.6mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝70％时，对应截面的所述弦长的取值为200.4mm～220.4mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝80％时，对应截面的所述弦长的取值为205.5mm～225.5mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝90％时，对应截面的所述弦长的取值为202.4mm～222.4mm；
当(r-RH)/(RS-RH)＝100％时，对应截面的所述弦长的取值为170.0mm～190.0mm。
4.如权利要求1～3任一项所述的一种等厚度弯掠轴流叶片，其特征在于，取所述叶弦P0P3的中点作为积叠点，根据每个截面的所述积叠点形成一条空间积叠线，将该空间积叠线分别投影至XOZ平面和XOY平面，得到掠积叠线和弯积叠线；
在XOZ平面上，所述空间直角坐标系的原点O到叶顶截面(当(r-RH)/(RS-RH)＝100％时)的所述积叠点的连线与所述X轴正方向的夹角记为掠角，记沿Z轴负方向为前掠，记沿Z轴正方向为为后掠；
在XOY平面上，所述空间直角坐标系的原点O到叶顶截面(当(r-RH)/(RS-RH)＝100％时)的所述积叠点的连线与所述X轴正方向的夹角记为弯角，记沿Y轴正方向为前弯，记沿Y轴负方向为后弯；
所述轴流叶片为前掠和前弯。
5.如权利要求4所述的一种等厚度弯掠轴流叶片，其特征在于，所述掠角的取值为15.0°～20.0°。
6.如权利要求4所述的一种等厚度弯掠轴流叶片，其特征在于，所述弯角的取值为4.0°～8.0°。
7.如权利要求4所述的一种等厚度弯掠轴流叶片，其特征在于，所述掠积叠线和所述弯积叠线均为抛物线。
8.一种轴流风机，其特征在于，包括如权利要求1～7任一项所述的等厚度弯掠轴流叶片。
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