CN112464413A - 一种周向弯式轴流风扇及其设计方法 - Google Patents

一种周向弯式轴流风扇及其设计方法 Download PDF

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杨筱沛
肖千豪
李志昂
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Abstract

本发明属于风扇领域，并具体公开了一种周向弯式轴流风扇及其设计方法。该方法具体为：每个轴流叶片的前缘进口角β1为18.0°～26.0°，尾缘出口角β2为18.0°～30.0°，叶型相对弯度f为0.06～0.10；当(r‑RH)/(RT‑RH)＝0％时，叶型安装角β为37.0°～42.0°，叶弦l为70.0mm～80.0mm；当(r‑RH)/(RT‑RH)＝100％时，叶型安装角β为21.0°～26.0°，叶弦l为315.0mm～335.0mm；利用上述参数确定轴流叶片的截面型线，然后确定轴流叶片的形状。本发明能够适应空调室外机的流动情况，减少流动损失，增强抗压性能、提高效率的同时降低噪声。

Description

一种周向弯式轴流风扇及其设计方法
技术领域
本发明属于风扇领域，更具体地，涉及一种周向弯式轴流风扇及其设计方法。
背景技术
随着人类生活水平的提高，空调设备已经广泛地应用在住宅、商场、办公等区域，而且需求还在不断增加。如何生产能效高、运行噪声低的空调一直都是各空调生产商需要解决的问题。
运用于空调外室外机中的半开式轴流风扇，与常见的闭式风机不同之处在于其导流圈只覆盖靠近尾缘的局部区域，造成该区域存在极为复杂的涡流场。同时由于电机支架和换热器的影响，其进气包含正面和侧面两部分，使得进气条件变得更为复杂和不均匀，进而造成流动效率较低。
有实验表明，采用叶根后弯、叶顶前弯形式的轴流风扇可以提高其抗压性能，从而提高效率，特别适用于结构复杂、风道阻力较大的空调室外机。现有的轴流风扇设计方法采用投影方式，其设计空间较小且效率较低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种周向弯式轴流风扇及其设计方法，其中该设计方法通过确定轴流叶片的截面型线和轴流叶片的形状，能够更好地适应流动情况，减少流动损失，增强轴流风扇的抗压性能，有效提高轴流风扇的效率并降低噪声。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种周向弯式轴流风扇的设计方法，该方法具体为：
S1所述周向弯式轴流风扇包括多个形状相同，沿中心圆柱体均匀分布的轴流叶片，将中心圆柱体的轴线记为Z轴，将轴流叶片的叶顶曲面和叶根曲面所对应的圆柱体半径分别记为RT和RH，RH指向RT的方向记为Y轴，O为原点，并将与YOZ平面垂直的轴记为X轴，以此建立该轴流叶片的空间直角坐标系；
S2将所述轴流叶片与圆柱体的截面作为叶型，该叶型的中弧线由P0、P1、P2和P3组成，其中P0为前缘点，P3为尾缘点，将直线P0P3记为叶弦l，所述中弧线在P0点处的切线P0P1与叶弦l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l的夹角记为尾缘出口角β2，X轴负方向与叶弦l的夹角记为叶型安装角β，所述中弧线与所述叶弦l的最大间距记为弯度F，所述弯度F与叶弦l的比值记为叶型相对弯度f；所述前缘进口角β1的取值为18.0°～26.0°，所述尾缘出口角β2的取值为18.0°～30.0°，所述叶型相对弯度f的取值为0.06～0.10；
S3沿叶高方向选取预设数量的等距截面，每个截面到原点O的距离记为r，当(r-RH)/(RT-RH)＝0％时，对应截面的所述叶型安装角β的取值为37.0°～42.0°；当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，对应截面的所述叶型安装角β的取值为21.0°～26.0°，其他截面的叶型安装角β根据线性关系计算得到；
S4当(r-RH)/(RT-RH)＝0％时，对应截面的所述叶弦l的取值为70.0mm～80.0mm；当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，对应截面的所述叶弦l的取值为315.0mm～335.0mm，其他截面的叶弦l根据指数函数关系计算得到；
S5利用上述参数确定轴流叶片的截面型线，然后确定轴流叶片的形状，以此完成所述周向弯式轴流风扇的设计。
作为进一步优选地，步骤S2的中弧线由P0、P1、P2和P3控制的三次B样条曲线生成。
作为进一步优选地，步骤S3中，其他截面的叶型安装角β根据下式计算得到：
Figure BDA0002829788520000031
式中，βH为(r-RH)/(RT-RH)＝0％的叶型安装角，βT为(r-RH)/(RT-RH)＝100％的叶型安装角。
作为进一步优选地，步骤S4中，其他截面的叶弦l根据下式计算得到；
Figure BDA0002829788520000032
式中，lH为(r-RH)/(RT-RH)＝0％的叶弦，lT为(r-RH)/(RT-RH)＝100％的叶弦。
作为进一步优选地，步骤S5中确定轴流叶片的形状具体包括如下子步骤：
S51取所述叶弦l的中点作为积叠点，根据每个截面的积叠点形成一条空间积叠线，将该空间积叠线投影至XOY平面得到弯积叠线；
S52在XOY平面上，当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，原点O与该截面的积叠点的连线与所述Y轴正方向的夹角记为弯角δ，弯角δ的取值为20.0°～30.0°；
S53将叶根曲面(2)的弦长中点记为叶根控制点N，将叶顶曲面(1)的弦长中点记为叶顶控制点M，弯积叠线在叶根控制点N处的切线与Y轴正方向的夹角记为叶根弯控制角δH，叶顶控制点M处的切线与Y轴正方向的夹角记为叶顶弯控制角δT，弯积叠线的最大弯度F1与叶根叶顶控制点连线MN长度的比值记为弯积叠线相对弯度f1；所述叶根弯控制角δH的取值为30.0°～40.0°，所述叶顶弯控制角δT的取值为70.0°～80.0°，所述弯积叠线相对弯度f1的取值为0.06～0.10。
作为进一步优选地，步骤S51中，所述弯积叠线为三次B样条曲线。
作为进一步优选地，叶型尾缘厚度ΔTE的取值为2.0mm～4.0mm。
作为进一步优选地，当(r-RH)/(RT-RH)＝0％时，对应截面的叶型前缘厚度ΔLE的取值为7.0mm～9.0mm；当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，对应截面的所述叶型前缘厚度ΔLE的取值为2.0mm～4.0mm，其他截面的所述叶型前缘厚度ΔLE根据线性关系计算得到。
作为进一步优选地，其他截面的所述叶型前缘厚度根据下式计算得到：
Figure BDA0002829788520000041
式中，ΔLEH为(r-RH)/(RT-RH)＝0％的叶型前缘厚度，ΔLET为(r-RH)/(RT-RH)＝100％的叶型前缘厚度。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述设计方法获得的周向弯式轴流风扇。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供了一种周向弯式轴流风扇，其中通过对轴流叶片的前缘进口角、尾缘进口角、叶型相对弯度、叶型安装角以及叶弦的取值进行优选，以此确定轴流叶片的截面型线，然后再确定轴流叶片的形状，以此完成周向弯式轴流风扇的设计，使之能够更好地适应流动情况，减少流动损失，增强轴流风扇的抗压性能，有效提高轴流风扇的效率并降低噪声；
2.尤其是，本发明通过对轴流叶片的形状进行设计，获得叶根后弯、叶顶前弯形式的轴流风扇，有助于降低叶根和叶顶附面层低能流体的聚集，使得边界层减薄、流动损失减少，从而提高轴流风扇的抗压性能及效率；同时避免大量低能流体向叶片中部聚集，造成损失增大；
3.此外，由于轴流叶片根部弦长较小，需要通过增加厚度来提高其强度，本发明对叶型尾缘厚度和叶型前缘厚度的取值进行优选，能够有效提高周向弯式轴流风扇的强度。
附图说明
图1是本发明优选实施例提供的周向弯式轴流风扇的立体示意图；
图2是本发明优选实施例提供的周向弯式轴流风扇的主视图；
图3是本发明优选实施例提供的周向弯式轴流风扇的俯视图；
图4是本发明优选实施例提供的周向弯式轴流风扇的仰视图；
图5是本发明优选实施例中轴流叶片的三维曲面构成示意图；
图6是图5中轴流叶片的叶根截面形状示意图；
图7是图5中轴流叶片的周向弯示意图。
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-叶顶曲面，2-叶根曲面，3-前缘曲面，4-尾缘曲面，5-压力曲面，6-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所示，本发明实施例提供了一种周向弯式轴流风扇的设计方法，该方法具体为：
S1周向弯式轴流风扇包括多个形状相同，且沿中心圆柱体均匀分布的轴流叶片，该轴流叶片的表面属于空间三维曲面，如图1-4所示，包括叶顶曲面1、叶根曲面2、前缘曲面3、尾缘曲面4、压力曲面5、吸力曲面6；
如图5所示，叶顶曲面1和叶根曲面2与两个同轴圆柱体侧面重合，将中心圆柱体的轴线记为Z轴，将轴流叶片的叶顶曲面1和叶根曲面2所对应的圆柱体半径分别记为RT和RH，且RT>RH，RH指向RT的方向记为Y轴，O为原点，并将与YOZ平面垂直的轴记为X轴，以此建立该轴流叶片的空间直角坐标系；
S2将轴流叶片与圆柱体的截面作为叶型，该叶型的中弧线由P0、P1、P2和P3控制的三次B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l，中弧线在P0点处的切线P0P1与叶弦l的夹角记为前缘进口角β1，中弧线在P3点处的切线P2P3与叶弦l的夹角记为尾缘出口角β2，X轴负方向与叶弦l的夹角记为叶型安装角β，中弧线与叶弦l的最大间距记为弯度F，弯度F与叶弦l的比值记为叶型相对弯度f；前缘进口角β1的取值为18.0°～26.0°，尾缘出口角β2的取值为18.0°～30.0°，叶型相对弯度f的取值为0.06～0.10；
S3沿叶高方向选取预设数量的等距截面，每个截面到原点O的距离记为r，当(r-RH)/(RT-RH)＝0％时，对应截面的所述叶型安装角β的取值为37.0°～42.0°；当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，对应截面的所述叶型安装角β的取值为21.0°～26.0°，其他截面的叶型安装角β根据下式计算得到：
Figure BDA0002829788520000061
式中，βH为(r-RH)/(RT-RH)＝0％的叶型安装角，βT为(r-RH)/(RT-RH)＝100％的叶型安装角；
S4当(r-RH)/(RT-RH)＝0％时，对应截面的所述叶弦l的取值为70.0mm～80.0mm；当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，对应截面的所述叶弦l的取值为315.0mm～335.0mm，其他截面的叶弦l根据下式计算得到：
Figure BDA0002829788520000062
式中，lH为(r-RH)/(RT-RH)＝0％的叶弦，lT为(r-RH)/(RT-RH)＝100％的叶弦；
S5利用上述参数确定轴流叶片的截面型线，然后确定轴流叶片的形状，以此完成周向弯式轴流风扇的设计。
具体地，步骤S2中获得叶型的具体过程为：
压力曲面5与叶顶曲面1、叶根曲面2均相交，相交线为压力面曲线ab，吸力曲面6与叶顶曲面1、叶根曲面2均相交，相交线称为吸力面曲线cd，压力面曲线ab和吸力面曲线cd之间的中心线称为中弧线，三条线均为三次B样条曲线。Z轴正方向由吸力曲面指向压力曲面，即为气流方向。
前缘曲面3与叶顶曲面1、叶根曲面2均相交，相交线称为前缘曲线ac，尾缘曲面4与叶顶曲面1、叶根曲面2均相交，相交线称为尾缘曲线bd。X轴正方向由前缘曲面3指向尾缘曲面4。
以半径r从RH到RT的一系列同轴圆柱体的侧面与轴流叶片相交得到一系列截面，再将这一系列截面沿XOZ平面展开，每个截面由压力面曲线ab、吸力面曲线cd、前缘曲线ac和尾缘曲线bd组成。
进一步，步骤S5中确定轴流叶片的形状具体包括如下子步骤：
S51如图7所示，取叶弦l的中点作为积叠点，根据每个截面的积叠点形成一条空间积叠线，将该空间积叠线投影至XOY平面得到弯积叠线，弯积叠线为三次B样条曲线；
S52在XOY平面上，当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，原点O与该截面的积叠点的连线与Y轴正方向的夹角记为弯角δ，弯角δ的取值为20.0°～30.0°；
S53将叶根曲面2的弦长中点记为叶根控制点N，将叶顶曲面1的弦长中点记为叶顶控制点M，弯积叠线在叶根控制点N处的切线与Y轴正方向的夹角记为叶根弯控制角δH，叶顶控制点M处的切线与Y轴正方向的夹角记为叶顶弯控制角δT，弯积叠线的最大弯度F1与叶根叶顶控制点连线MN长度的比值记为弯积叠线相对弯度f1；所述叶根弯控制角δH的取值为30.0°～40.0°，所述叶顶弯控制角的取值为70.0°～80.0°，所述弯积叠线相对弯度f1的取值为0.06～0.10。
更具体地，当叶根弯控制角δH为0°时，轴流叶片在整个径向线上为前弯形式，当叶根弯控制角δH为某一个确定的角度时，叶片在叶根处为后弯形式、叶顶处仍然为前弯形式。采用叶根后弯、叶顶前弯形式叶片的轴流风扇，有助于降低叶根和叶顶附面层低能流体的聚集，边界层减薄，流动损失减少，可以提高轴流风扇的抗压性能及效率，但是过大的叶根后弯、叶顶前弯程度使得大量的低能流体向叶片中部聚集，损失反而增大。此外，对于导流罩只覆盖叶片一部分的轴流风扇，前弯设计对轴流风扇的径向入流流量影响较大，因此选择合适的参数至关重要。
进一步，由于叶片根部弦长小，需要通过增加厚度来提高其强度。如图6所示，记直线ac的长度为叶型前缘厚度ΔLE，直线bd的长度为叶型尾缘厚度ΔTE。叶型尾缘厚度ΔTE的取值为2.0mm～4.0mm；当(r-RH)/(RT-RH)＝0％时，对应截面的叶型前缘厚度ΔLE的取值为7.0mm～9.0mm；当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，对应截面的前缘厚度的取值为2.0mm～4.0mm，其他截面的叶型前缘厚度根据下式计算得到：
Figure BDA0002829788520000081
式中，ΔLEH为(r-RH)/(RT-RH)＝0％的叶型前缘厚度，ΔLET为(r-RH)/(RT-RH)＝100％的叶型前缘厚度。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述设计方法获得的周向弯式轴流风扇。
本发明的轴流风扇应用于空调室外机中换热器的通风，轴流风扇的材料采用ABS塑料，其易成型，采用注塑的方式，可以加工成不同形状的风扇叶片，使得基于基元级的方法和周向弯技术设计的轴流风扇叶片更易实现加工。
在本发明的一个优选实施例中，轴流叶片直径为420mm，叶片数为3，叶高0％处的叶弦l为70mm，叶高100％处的叶弦l为320mm，其他截面的叶弦l呈指数函数变化关系。前缘进口角β1为21°，尾缘出口角β2为21°，叶型相对弯度f为0.06，叶高0％处的叶型安装角β为37°，叶高100％处的叶型安装角β为24°，叶高0％处的叶型前缘厚度ΔLE为7mm，叶高100％处的叶型前缘厚度ΔLE为2mm，叶型尾缘厚度ΔTE为2mm，其他截面的叶型安装角β、前缘厚度呈线性变化关系。弯角δ为20.0°，叶根弯控制角δH为35.0°，叶顶弯控制角δT为80.0°，弯积叠线相对弯度f1为0.1。
表1原型机与实施例数值模拟结果对比(转速870rpm)
Figure BDA0002829788520000091
表1为转速870rpm下原型机与实施例的数值模拟结果。在给定不同的静压条件下实施例流量略有降低，相对来说会降低噪声，而且功率减小、效率提升，说明通过采用本发明基于基元级和周向弯技术相结合的方法设计出来的轴流风扇能有效改善风扇气动性能和声学性能。
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 (10)

1.一种周向弯式轴流风扇的设计方法，其特征在于，该方法具体为：
S1周向弯式轴流风扇包括多个形状相同，沿中心圆柱体均匀分布的轴流叶片，将所述中心圆柱体的轴线记为Z轴，将轴流叶片的叶顶曲面(1)和叶根曲面(2)所对应的圆柱体半径分别记为RT和RH，RH指向RT的方向记为Y轴，O为原点，并将与YOZ平面垂直的轴记为X轴，以此建立该轴流叶片的空间直角坐标系；
S2将所述轴流叶片与圆柱体的截面作为叶型，该叶型的中弧线由P0、P1、P2和P3组成，其中P0为前缘点，P3为尾缘点，将直线P0P3记为叶弦l，所述中弧线在P0点处的切线P0P1与叶弦l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l的夹角记为尾缘出口角β2，X轴负方向与叶弦l的夹角记为叶型安装角β，所述中弧线与所述叶弦l的最大间距记为弯度F，所述弯度F与叶弦l的比值记为叶型相对弯度f；所述前缘进口角β1的取值为18.0°～26.0°，所述尾缘出口角β2的取值为18.0°～30.0°，所述叶型相对弯度f的取值为0.06～0.10；
S3沿叶高方向选取预设数量的等距截面，每个截面到原点O的距离记为r，当(r-RH)/(RT-RH)＝0％时，对应截面的所述叶型安装角β的取值为37.0°～42.0°；当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，对应截面的所述叶型安装角β的取值为21.0°～26.0°，其他截面的叶型安装角β根据线性关系计算得到；
S4当(r-RH)/(RT-RH)＝0％时，对应截面的所述叶弦l的取值为70.0mm～80.0mm；当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，对应截面的所述叶弦l的取值为315.0mm～335.0mm，其他截面的叶弦l根据指数函数关系计算得到；
S5利用上述参数确定轴流叶片的截面型线，然后确定轴流叶片的形状，以此完成所述周向弯式轴流风扇的设计。
2.如权利要求1所述的周向弯式轴流风扇的设计方法，其特征在于，步骤S2的中弧线由P0、P1、P2和P3控制的三次B样条曲线生成。
3.如权利要求1所述的周向弯式轴流风扇的设计方法，其特征在于，步骤S3中，其他截面的叶型安装角β根据下式计算得到：
Figure FDA0002829788510000021
式中，βH为(r-RH)/(RT-RH)＝0％的叶型安装角，βT为(r-RH)/(RT-RH)＝100％的叶型安装角。
4.如权利要求1所述的周向弯式轴流风扇的设计方法，其特征在于，步骤S4中，其他截面的叶弦l根据下式计算得到；
Figure FDA0002829788510000022
式中，lH为(r-RH)/(RT-RH)＝0％的叶弦，lT为(r-RH)/(RT-RH)＝100％的叶弦。
5.如权利要求1所述的周向弯式轴流风扇的设计方法，其特征在于，步骤S5中确定轴流叶片的形状具体包括如下子步骤：
S51取所述叶弦l的中点作为积叠点，根据每个截面的积叠点形成一条空间积叠线，将该空间积叠线投影至XOY平面得到弯积叠线；
S52在XOY平面上，当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，原点O与该截面的积叠点的连线与所述Y轴正方向的夹角记为弯角δ，弯角δ的取值为20.0°～30.0°；
S53将叶根曲面(2)的弦长中点记为叶根控制点N，将叶顶曲面(1)的弦长中点记为叶顶控制点M，弯积叠线在叶根控制点N处的切线与Y轴正方向的夹角记为叶根弯控制角δH，叶顶控制点M处的切线与Y轴正方向的夹角记为叶顶弯控制角δT，弯积叠线的最大弯度F1与叶根叶顶控制点连线MN长度的比值记为弯积叠线相对弯度f1；所述叶根弯控制角δH的取值为30.0°～40.0°，所述叶顶弯控制角δT的取值为70.0°～80.0°，所述弯积叠线相对弯度f1的取值为0.06～0.10。
6.如权利要求5所述的周向弯式轴流风扇的设计方法，其特征在于，步骤S51中，所述弯积叠线为三次B样条曲线。
7.如权利要求1所述的周向弯式轴流风扇的设计方法，其特征在于，叶型尾缘厚度ΔTE的取值为2.0mm～4.0mm。
8.如权利要求1所述的周向弯式轴流风扇的设计方法，其特征在于，当(r-RH)/(RT-RH)＝0％时，对应截面的叶型前缘厚度ΔLE的取值为7.0mm～9.0mm；当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时，对应截面的所述叶型前缘厚度ΔLE的取值为2.0mm～4.0mm，其他截面的所述叶型前缘厚度ΔLE根据线性关系计算得到。
9.如权利要求8所述的周向弯式轴流风扇的设计方法，其特征在于，其他截面的所述叶型前缘厚度根据下式计算得到：
Figure FDA0002829788510000031
式中，ΔLEH为(r-RH)/(RT-RH)＝0％的叶型前缘厚度，ΔLET为(r-RH)/(RT-RH)＝100％的叶型前缘厚度。
10.一种利用如权利要求1～9任一项所述的周向弯式轴流风扇的设计方法获得的周向弯式轴流风扇。
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