CN112483439B - 一种高压升风机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压升风机，包括中频电机、动叶轮、整流器、进气锥和风管组件，所述整流器固定在中频电机一侧端面上，所述动叶轮安装在中频电机的电机轴上，所述进气锥固定连接在动叶轮上，所述风管组件包括进气风管和排气风管，所述进气风管对应套接着进气锥和动叶轮，所述排气风管对应地套接着中频电机，所述动叶轮由第一轮毂、轮盘和动叶一体构成，且动叶为可控扩散的自主叶型，所述整流器由第二轮毂、静叶和机匣一体化构成，且静叶叶型为弯掠结构。其技术效果是：本设计中动叶没有改变基本的重心积叠特征，以使叶片在长期运作中具有最小的蠕变量，以适应径向间隙较小的设计，而流动的控制则通过静叶的弯掠加以保证，使叶轮能够保持高效率特征。

Description

一种高压升风机
技术领域
本发明属于风机应用领域，具体涉及到一种高压升风机，此风机的动叶和静叶适用于风压不低于2500Pa的轴流式通风机械。
背景技术
九十年代，美国研究的系列弯掠叶片叶轮，奠定了现代弯掠叶片三维设计的基础。优化的动、静叶弯掠综合设计是现代实际可用设计的发展方向，前掠具有的高裕度特征、后掠具有的高通流特征、静叶弯具有的二次流动控制特征，均使航空高速叶轮可以从流动机理层面指导应用于低速高效的风扇设计。
扩展迎角范围、降低流动损失、提高流量裕度的另一个手段是采用可控扩散叶型(CDA)。静子叶片的可控扩散研究始于七十年代末，但至今没有将其优势扩展到低速高速的风扇设计中，这与风机的制造成本有关。随着高负荷设计，整体叶轮制造变得无法避免，为此与此一致的可控扩散叶型设计也变得能够在低速风机中得到有效应用。
对于风机而言，叶轮动叶的气体动力学结构外形，是风机性能与能效的关键设计因素，然而对于高压升风机，风机整流器静叶的气体动力学结构外形则更为重要，是决定风机余速动能能否有效利用的关键，通常决定着风机的性能与能效。为此，以现代可控扩散叶型和弯掠综合几何结构为基本特征的航空叶轮机动、静叶流动控制技术，同样适用于高效率、高通流、高负荷轴流式通风机械。本发明就是在长期基础研究和航空叶轮机设计的基础上，通过反复设计优化和应用实践，形成了这类风压不低于2500Pa的风机设计技术。
现代设计中大量采用动叶弯掠手段以体现其先进性，但从我们三十年弯掠对流动控制的研究看，目前大量的动叶弯掠设计均属于过度设计，所产生的代价是降低了动叶的刚性、增加了动叶的变形，不利于叶尖间隙的控制。即使设计应力能够满足设计需求，但并不适应长时间小间隙运行，而径向间隙扩大所带来的损失远高于由过度弯掠所带来的收益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压升风机，这种风机通过优化叶轮弯掠动静叶，使之运作时，风压不低于2.5Kpa，且本发明中动叶没有改变基本的重心积叠特征，以使叶片在长期运作中具有最小的蠕变量，以适应径向间隙较小的设计，而流动的控制则通过静叶的弯掠加以保证，使叶轮能够保持高效率特征。
为了改进风机的气体动力学性能，摆脱高压升风机大量利用西方技术进行逆向设计的现状，将航空叶轮技术移植于现代风机的设计领域，提升国内自主设计的能力，本发明的提供一种具有更为适应流动控制的弯掠动叶和静叶，以实现高效率、高通流、高负荷的轴流式通风机械。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高压升风机，包括中频电机、动叶轮、整流器、进气锥和风管组件，所述整流器通过螺丝固定在中频电机一侧端面上，所述动叶轮安装在中频电机的电机轴上，并通过并帽限位，所述进气锥通过螺丝固定连接在动叶轮上，所述风管组件包括进气风管和排气风管，所述进气风管对应地套接着进气锥和动叶轮，所述排气风管对应地套接着中频电机，且所述进气风管和排气风管通过螺丝固定连接，所述动叶轮由第一轮毂、轮盘和动叶一体构成，且所述动叶为可控扩散的自主叶型，所述整流器由第二轮毂、静叶和机匣一体化构成，且所述静叶叶型为弯掠结构。
进一步地，在所述中频电机的一侧端部还设有用于安装连接加强杆的安装孔。
进一步地，所述动叶等间距分布在第一轮毂外周侧，所述静叶等间距分布在第二轮毂外周，且动叶和静叶均采用径向积叠叶片。
更进一步地，所述动叶和静叶为小展弦比设计结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.叶轮采用了可控扩散叶型，具有高效率增压能力，为实现高压升风机提供了高效节能的能量输入与压力势转换；动叶三维叶片几何具有明确的非弯掠特征，规避了近年来过于夸张的弯掠应用致使动叶变形量大、动叶叶尖间隙不易控制的设计思想，有利于旋转叶片的强度控制，同时也具有低噪声、耐腐蚀和制造成本低的优化特征。
2.整流器静叶具有明确的三维弯掠几何特征，配合可控扩散叶型对流动的合理控制，使得风机二次流动损失更低，更适合于高增压能力叶轮的排气整流，形成高效率、高通流和高负荷轴流式风机。
3.在整流器内部固定电机，通过风机高速流动实现电机的自然冷却，集成化设计有利于高压升风机的整体尺寸减小和重量降低。
4.风机动静叶均采用小展弦比设计，有利于风机直径的减小和制造成本的降低。所采用的端区圆角为控制角涡提供了不可或缺的帮助。
附图说明
图1是本发明中高压升风机总装图；
图2是本发明中动叶轮示意图；
图3是本发明中静叶轮示意图；
图4是本发明中风机全压特性曲线；
图5是本发明中风机效率特性曲线；
图6是本发明中风机功率特性曲线；
图7是本发明中风机设定转速设定流量下转子总压升；
图8是本发明中风机效率沿展向分布图；
图9是本发明中风机设计转速设计流量下整流器总压损失系数；
图10是本发明中风机出口气流角沿展高分布；
图11是本发明中设计转速设计流量相对/绝对速度等值线图；
图中：中频电机1、动叶轮2、第一轮毂2-1、轮盘2-2、动叶2-3、整流器3、第二轮毂3-1、静叶3-2、机匣3-3、进气锥4、风管组件5、进气风管5-1、排气风管5-2、安装孔6。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
实施例1：
请参阅图1-3，本发明提供了一种高压升风机，包括中频电机1、动叶轮2、整流器3、进气锥4和风管组件5，所述整流器3通过螺丝固定在中频电机1一侧端面上，所述动叶轮2安装在中频电机1的电机轴上，并通过并帽限位，所述进气锥4通过螺丝固定连接在动叶轮2上，所述风管组件5包括进气风管5-1和排气风管5-2，所述进气风管5-1对应地套接着进气锥4和动叶轮2，所述排气风管5-2对应地套接着中频电机1，且所述进气风管5-1和排气风管5-2通过螺丝固定连接，所述动叶轮2由第一轮毂2-1、轮盘2-2和动叶2-3一体构成，且所述动叶2-3为可控扩散的自主叶型，所述整流器3由第二轮毂3-1、静叶3-2和机匣3-3一体化构成，且所述静叶3-2叶型为弯掠结构。
本实施例中，为了后期提高产品结构强度，在所述中频电机1的一侧端部还设有用于安装连接加强杆的安装孔6。
本实施例中，为了保证叶尖间隙最小变化，所述动叶2-3等间距分布在第一轮毂2-1外周侧，所述静叶3-2等间距分布在第二轮毂3-1外周，且动叶2-3和静叶3-2均采用径向积叠叶片。
本实施例中，为了降低风机的制造成本，所述动叶2-3和静叶3-2为小展弦比设计结构。
本设计中，整流器静叶3-2采用基于可控扩散的自主叶型几何设计，为控制二次流动采用了明确的正弯设计，所采取优化设计的目标是使排气切向动能最小，有利于最大限度低将叶轮动能高效地转化为静压势能。动静叶端区均采用了圆角过渡，圆角半径为4-5mm。
所述的整流器静叶3-2的叶型是基于可控扩散的自主叶型和弯掠叶片几何设计，由流向环量分布设计规律和叶型厚度分布规律，通过自主开发的通流设计产生各截面基元叶型几何。
一体化设计的动叶轮，大幅度减少了叶轮的零件数，有利于控制动叶叶尖间隙，一体化设计的整流器则能够在中频电机运作时，降低振动；进气锥随叶轮旋转，具有优化的进气流动控制型面；采用基于可控扩散的自主叶型几何设计，具有低线速度、高增压能力的气动优化特征，为减少结构特征的不确定性而采用径向积叠叶片，以保证应用过程中动叶叶尖间隙的最小变化，为控制二次流动采用了可控涡扭向规律；整流器静叶采用基于可控扩散的自主叶型几何设计，为控制二次流动采用了明确的正弯设计，所采取优化设计的目标是使排气切向动能最小，有利于最大限度地将叶轮动能高效转化为静压势能。
所述的叶轮动叶叶型是基于可控扩散的自主叶型几何设计，由流向功分布设计规律和叶型厚度分布规律，通过自主开发的通流设计与造型软件生成最终的三维几何转子叶片。
所述的流向功分布设计规律由一个多项式函数拟合产生，设计公式为：
a＝0.5208c3-1.875c2+2.354c-8×10-14
其中，c为百分比弦长，a为流向功分布系数。通过该分布系数生成各截面叶型的中弧线，并通过可控涡扭向规律的给定确定不同截面的各个叶型中弧线。扭向规律由多项式函数拟合产生，设计公式为：
w＝-0.3110l4+0.6449l3-0.4972l2+0.1685l+0.9852
其中，l为百分比展向高度，w为展向功分布系数。
所述的叶型厚度分布规律是基于现代可控扩散叶型的厚度分布特征，由适应气动优化和制造可行的多项式函数拟合产生，设计公式为：
t＝-1.6429m6+5.2490m5-6.3468m4+3.8447m3-1.4833m2+0.38275m+0.0061748
其中，m为中弧线相对长度，t为相对半厚度。
所述的整流器静叶叶型是基于可控扩散的自主叶型和弯掠叶片几何设计，由流向环量分布设计规律和叶型厚度分布规律，通过自主开发的通流设计产生各截面基元叶型几何，并通过造型软件施加弯掠几何变化规律，生成最终的三维几何静子叶片。
所述的流向环量分布设计规律由一个多项式函数拟合产生，设计公式为：
a＝-0.5208c3+1.875c2-2.354c+1.0
所述的叶型厚度分布规律与动叶一致。
所述的弯掠叶片几何设计是以各叶型重心偏移量产生空间弯掠，其设计控制规律的多项式拟合曲线设计公式为：
yc＝001907l4-0.03813l3+0.03184l2-0.01278l+0.001999
本发明中，风机参数为：
额定环境：293.15K、101325Pa；
体积流量：5250m3/h；
风机全压：不小于2800Pa；
额定功率：不大于6.6kW；
额定转速：5500～6000rpm；
转速范围：1500～7200rpm；
风管直径：300mm；
完成叶片造型之后即可利用获得的叶片几何参数进行三维数值模拟。然而用三维数值模拟的结果进行设计是极度危险的，因为，目前所有的三维数值模拟软件都存在着三个方面的重大缺陷：第一、湍流模型；第二、网格Re数；第三、转静界面处理。这里不深入讨论相关的问题，但如何正确利用数值模拟是十分重要的内容。简而言之，与流动机理一致的就可信，与机理不一致的就不可信。因此，必须对流动机理有深入而清醒的认知，利用三维才可以提高设计成功率。这给叶轮机设计人员提出了很高的要求。如果降低一些要求，就是对所采用的软件进行充分的考核，以确保对设计所能达到性能及不确定性具有清醒的认识和相对准确的判断。本设计团队长期利用商用数值模拟软件进行设计，对其开展过数十个设计案例的考核，加上对流动控制机理的深入研究，才敢于采用其结果进行分析以指导设计。
三维数值模拟采用转子叶轮叶尖间隙为0.75mm。从数值模拟基本原理看，由于粘性掺混的模拟缺陷，通常应该以小间隙模拟实际的大间隙。因此，这里采用0.75mm径向间隙进行模拟，以代表实际给定的0.75-1.25mm的径向间隙设计。
数值模拟的转速包括设计转速6000rpm、最大转速7200rpm和最小可用转速1500rpm。图4和图5是三维数值模拟计算所得的特性图。从图中可以看出，设计转速6000rpm时，流量5219.1m3/h对应的全压为2932.6Pa、风机效率为0.8228，分别满足全压2800Pa、效率0.75(一级能效)的设计需求。并且，转子效率高达0.8803，比设计预设的0.7915高9个百分点，说明转子达到性能的能力充足，不需要采用复杂的三维弯掠结构设计，但静子总压损失比设计的低，意味着转子的设计难度会转移到静子叶片设计上。最大、最小转速的模拟表明本设计的稳定工作范围能够满足设计需求，且效率均可接受，在宽广的转速范围内超出0.75的一级能效。
设计转速全流量范围内功率不超过5.5kW，如图6所示，远低于6.6kW的设计需求，与方案筛选和初步设计的结果一致。由于采用的调频电机，通过提升转速实现流量增加、全压增加的功率范围宽广。同时也表明能够完全替代过去的高能耗风机，实现应用过程中的节能增效。
图7和图8分别为设计转速设计流量下转子总压升和效率沿展向分布的三维数值模拟结果。计算结果表明全压和静压沿展向相对均匀，转子叶尖间隙对全压分布和效率分布的影响清晰可见。三维数值模拟采用了0.75mm的叶尖径向间隙，其影响区域约20％展向高度，无需通过前掠等更为复杂的叶片几何设计改善其影响，同时，三维数值模拟的影响大于实际情况，而通过制造装配控制间隙也可以改善其影响。
图9和图10分别为设计转速设计流量下整流器总压损失系数和出口气流角沿展高分布的三维数值模拟结果。结果表明转子叶尖间隙影响到静子内部甚至风机出口气流方向，这说明控制转子间隙对风机性能具有重要的影响，而采用叶盘整体制造是控制间隙最为有效的手段。对于航空叶轮机而言，这样尺寸的压气机通常将间隙控制在0.3-0.5mm，对于地面设备可以不严格要求间隙的大小，同时低速特征使该损失在整个风机系统中依然可接受。根部15％展高内同样存在着二次流影响区域，其影响同样在航空叶轮机中变得不可接受，于是近年来航空叶轮机的设计趋势是进一步有效控制二次流动及其损失。本设计的弯叶片正是对此流动的控制，结果显示该区域损失已经得到大幅度改善。这就是现代弯掠气动设计的根本需求所在。
从出口气流角看，流动方向基本控制在±3°以内，可以通过复杂的三维叶片几何进行二次流动控制，使出口气流更加趋于轴向，减小出口接管后的气动损失。从基元总压损失系数来看，该整流器仍然具有优化的空间，但对于需求的迫切性而言，目前的设计结果与国内外相应产品而言，已经是非常优秀的结果，若保证制造符合性，性能达标没有什么疑问。
图11为10％、50％和90％展向高度的基元流速等值线图。从图中看出，转子中部至尖区流动合理，无需前掠控制流动，而根区则因D因子较高具有比较厚的吸力面尾缘边界层，但总体没有明显的分离流动，结果可接受。同时，由于静子叶片采用正弯，端区二次流动均得到有效控制。就目前的设计结果，在制造达到设计几何精度、安装调试过程中方法正确的情况下，完全能够达到所期望的设计需求。
实施例1的方案筛选、通流设计和三维数值模拟均具有一致的总体性能结果，说明以较低的转速、更为节能的功率实现实施例1风机性能需求的目标是存在的。根据三维数值计算结果，本发明设计的风机达到了所提出的各项性能指标，可以开展结构设计和相关制造。风机功率明显低于6.6kW，结果完全满足了设计需求，其结果具备与国际同类产品竞争的绝对优势。
实施例1的风机设计难度因其负荷系数与流量系数的匹配关系而高于常规风机，必须通过三维几何叶片造型实现了对二次流的初步控制，由此产生的三维几何叶片仅适用于机加工制造，传统的方法难以实现流动控制的结果。本设计将三维几何特征集中在静子叶片中，将有利于降低制造成本和使用可靠性。
本设计是面向以现代转子叶盘、静子叶环整体加工为制造手段而开展的设计，若采用其他传统制造手段，将需要在设计过程中考虑制造所产生的不确定性，并以此为目标产生更为复杂的叶片几何结构形状，不然难以保证设计结果的一次成功。
实施例1的方案筛选、通流设计和三维数值模拟均具有一致的总体性能结果，说明以较低的转速、更为节能的功率实现实施例1风机性能需求的目标是存在的。根据三维数值计算结果，本发明设计的风机达到了所提出的各项性能指标，可以开展结构设计和相关制造。风机功率明显低于6.6kW，结果完全满足了设计需求，其结果具备与国际同类产品竞争的绝对优势。
实施例1的风机设计难度因其负荷系数与流量系数的匹配关系而高于常规风机，必须通过三维几何叶片造型实现了对二次流的初步控制，由此产生的三维几何叶片仅适用于机加工制造，传统的方法难以实现流动控制的结果。本设计将三维几何特征集中在静子叶片中，将有利于降低制造成本和使用可靠性。
本设计是面向以现代转子叶盘、静子叶环整体加工为制造手段而开展的设计，若采用其他传统制造手段，将需要在设计过程中考虑制造所产生的不确定性，并以此为目标产生更为复杂的叶片几何结构形状，不然难以保证设计结果的一次成功。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种高压升风机，包括中频电机、动叶轮、整流器、进气锥和风管组件，其特征在于：所述整流器通过螺丝固定在中频电机一侧端面上，所述动叶轮安装在中频电机的电机轴上，并通过并帽限位，所述进气锥通过螺丝固定连接在动叶轮上，所述风管组件包括进气风管和排气风管，所述进气风管对应地套接着进气锥和动叶轮，所述排气风管对应地套接着中频电机，且所述进气风管和排气风管通过螺丝固定连接，所述动叶轮由第一轮毂、轮盘和动叶一体构成，且所述动叶为可控扩散的自主叶型，所述整流器由第二轮毂、静叶和机匣一体化构成，且所述静叶叶型为弯掠结构；
所述的叶轮动叶叶型是基于可控扩散的自主叶型几何设计，由流向功分布设计规律和叶型厚度分布规律，通过自主开发的通流设计与造型软件生成最终的三维几何转子叶片；
所述的流向功分布设计规律由一个多项式函数拟合产生，设计公式为：
a＝0.5208c3-1.875c2+2.354c-8×10-14
其中，c为百分比弦长，a为流向功分布系数；通过该分布系数生成各截面叶型的中弧线，并通过可控涡扭向规律的给定确定不同截面的各个叶型中弧线；扭向规律由多项式函数拟合产生，设计公式为：
w＝-0.3110l4+0.6449l3-0.4972l2+0.1685l+0.9852
其中，l为百分比展向高度，w为展向功分布系数；
所述的叶型厚度分布规律是基于现代可控扩散叶型的厚度分布特征，由适应气动优化和制造可行的多项式函数拟合产生，设计公式为：
t＝-1.6429m6+5.2490m5-6.3468m4+3.8447m3-1.4833m2+0.38275m+0.0061748
其中，m为中弧线相对长度，t为相对半厚度；
所述的整流器静叶叶型是基于可控扩散的自主叶型和弯掠叶片几何设计，由流向环量分布设计规律和叶型厚度分布规律，通过自主开发的通流设计产生各截面基元叶型几何，并通过造型软件施加弯掠几何变化规律，生成最终的三维几何静子叶片；
所述的流向环量分布设计规律由一个多项式函数拟合产生，设计公式为：
a＝-0.5208c3+1.875c2-2.354c+1.0
所述的叶型厚度分布规律与动叶一致；
所述的弯掠叶片几何设计是以各叶型重心偏移量产生空间弯掠，其设计控制规律的多项式拟合曲线设计公式为：
yc＝0.01907l4-0.03813l3+0.03184l2-0.01278l+0.001999
风机参数为：
额定环境：293.15K、101325Pa；
体积流量：5250m3/h；
风机全压：不小于2800Pa；
额定功率：不大于6.6kW；
额定转速：5500～6000rpm；
转速范围：1500～7200rpm；
风管直径：300mm。
2.根据权利要求1所述的一种高压升风机，其特征在于：在所述中频电机的一侧端部还设有用于安装连接加强杆的安装孔。
3.根据权利要求1或2所述的一种高压升风机，其特征在于：所述动叶等间距分布在第一轮毂外周侧，所述静叶等间距分布在第二轮毂外周，且动叶和静叶均采用径向积叠叶片。
4.根据权利要求1或2所述的一种高压升风机，其特征在于：所述动叶和静叶为小展弦比设计结构。
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