CN112483465A - 复合弯掠式轴流风扇结构及其设计方法 - Google Patents

复合弯掠式轴流风扇结构及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合弯掠式轴流风扇结构及其设计方法，包括有轮毂和叶片；所述叶片的积叠方式为叶片截面弦长中点积叠，且弯积叠线为抛物线，掠积叠线为三次B样条曲线，所述叶片外缘设置为翻边结构；定义所述叶片叶高方向为Y轴正方向，所述轮毂轴心方向为X轴方向，记轮毂截面处的半径为RH，叶顶截面处的半径为RT，轮毂到叶顶之间任意截面处的半径为；通过采用将叶片外缘翻边结构设计分开参数化设计，有利于提高轴流风扇叶片的设计效率，同时保证叶片外缘翻边结构设计更合理，有利于减少流动损失，能有效提高轴流风扇的效率、降低噪声。

Description

复合弯掠式轴流风扇结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及轴流风扇技术领域，特别是一种复合弯掠式轴流风扇结构及其设计方法。
背景技术
轴流风扇是一类重要和量大的风机，在煤矿、矿山、隧道、化工、能源、纺织等行业中大量使用轴流风扇，发挥其通风除尘作用。由于空调室外机内风道结构的特殊性，此类轴流风扇靠近轮毂的弦长小、叶顶的弦长大，轴流风扇的效率受到叶片弯掠效果影响很大。
目前此类轴流风扇在三维建模软件里采用投影的方式完成弯掠设计，这种方法设计效率较低，而且弯掠角和积叠线不易控制，影响轴流风扇的出风效率和静音效果。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种复合弯掠式轴流风扇结构及其设计方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种复合弯掠式轴流风扇设计方法，包括有轮毂和叶片；所述叶片的积叠方式为叶片截面弦长中点积叠，且弯积叠线为抛物线，掠积叠线为三次B样条曲线，所述叶片外缘设置为翻边结构；定义所述叶片叶高方向为Y轴正方向，所述轮毂轴心方向为X轴方向，记轮毂截面处的半径为RH，叶顶截面处的半径为RT，轮毂到叶顶之间任意截面处的半径为r，沿Y轴正方向选取若干个截面，对应取值K＝(r-RH)/(RT-RH)，当K为90％～100％时对应所述翻边结构，当K为0％～90％时对应所述叶片的其它位置；以每个截面弦长的中点作为积叠点，由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XOY平面和YOZ平面，得到弯积叠线和掠积叠线；在XOY平面上，空间直角坐标系的原点O到叶顶截面，当K＝100％时，积叠点的连线与Y轴正方向的夹角记为弯角δ；在YOZ平面上，空间直角坐标系的原点O到叶顶截面，当K＝100％时，积叠点的连线与Y轴正方向的夹角称为掠角θ。
根据本发明所提供的轴流风扇设计方法，通过采用将叶片外缘翻边结构设计分开参数化设计，有利于提高轴流风扇叶片的设计效率，同时保证叶片外缘翻边结构设计更合理，有利于减少流动损失，能有效提高轴流风扇的效率、降低噪声。
作为本发明的一些优选实施例，所述K的取值分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、92.5％、95％、97.5％、100％。
一种复合弯掠式轴流风扇结构，采用上述的复合弯掠式轴流风扇设计方法；
所述弯积叠线为抛物线，所述抛物线的控制方程定义为，
y＝A[x-a(RT-RH)-RH]2+B
Figure BDA0002777165790000021
其中所述A、所述B为二次函数的系数，
HS＝RT tanδ
Figure BDA0002777165790000022
其中所述HS为叶顶积叠点到径向线的距离，所述H为弯积叠线径向最大弯度处到径向线的距离；所述弯角的取值为20.0°～25.0°，所述弯因子的取值为0.1～0.2；所述掠积叠线为三次B样条曲线，所述三次B样条曲线由四个控制点P0～P3控制生成，其中直线P0P3和直线P1P2互相平行；掠积叠线在叶根控制点P0处的切线与径向线Y轴的夹角称为叶根掠控制角θH，在叶顶控制点P3处的切线与径向线Y轴的夹角称为叶顶掠控制角θT，掠积叠线的最大弯度F与直线P0P3长度的比值称为掠积叠线相对弯度f；所述掠角的取值为4.0°～8.0°，所述叶根掠控制角θH的取值为10.0°～20.0°，所述叶顶掠控制角θT的取值为75.0°～85.0°，所述掠积叠线相对弯度f的取值为0.1～0.2。
根据本发明所提供的轴流风扇，通过采用叶片的结构改良，减少流动损失，能有效提高轴流风扇的效率、降低噪声。
本发明的有益效果是：
1.通过控制弯角、弯因子、掠角、叶根掠控制角、叶顶掠控制角和掠积叠线相对弯度来调整叶片形状，使叶片外缘向吸力面呈现翻边结构，减少流动损失，能有效提高轴流风扇的效率、降低噪声；
2.通过本发明技术方案设计轴流风扇，可以将叶片外缘翻边结构设计参数化，有利于提高轴流风扇叶片的设计效率，也便于后期开展轴流风扇的优化设计。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的立体图；
图2是本发明的俯视图；
图3是图1中轴流风扇叶片造型的三维曲面构成示意图；
图4是本发明的叶片周向弯示意图；
图5是本发明的叶片轴向掠示意图。
附图标记：轮毂100、叶片200。
具体实施方式
为了使本申请的目的、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。为透彻的理解本发明创造，在接下来的描述中会涉及一些特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明创造仍可实现，即所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员可更有效的介绍他们的工作本质。此外需要说明的是，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向，相关技术人员在对上述方向作简单、不需要创造性的调整不应理解为本申请保护范围以外的技术。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定实际保护范围。而为避免混淆本发明创造的目的，由于熟知的制造方法、控制程序、部件尺寸、材料成分、管路布局等的技术已经很容易理解，因此它们并未被详细描述。
图1是本发明一个实施方式的立体图，参照图1，本发明的一个实施方式提供了一种复合弯掠式轴流风扇设计方法，包括有轮毂100和叶片200，叶片200的积叠方式为叶片截面弦长中点积叠，且弯积叠线为抛物线，掠积叠线为三次B样条曲线，叶片外缘设置为翻边结构。
参照图2、图3，定义叶片叶高方向为Y轴正方向，所述轮毂轴心方向为X轴方向，记轮毂截面处的半径为RH，叶顶截面处的半径为RT，轮毂到叶顶之间任意截面处的半径为r，沿Y轴正方向选取若干个截面，对应取值K＝(r-RH)/(RT-RH)，当K为90％～100％时对应翻边结构，当K为0％～90％时对应叶片的其它位置。即区分叶片主体部分和翻边结构，分别针对性地选取K对应的截面。
以每个截面弦长的中点作为积叠点，由积叠点形成一条空间积叠线，将该空间积叠线分别投影至XOY平面和YOZ平面，得到弯积叠线和掠积叠线。
在XOY平面上，空间直角坐标系的原点O到叶顶截面(当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时)积叠点的连线与Y轴正方向的夹角记为弯角δ。
在YOZ平面上，空间直角坐标系的原点O到叶顶截面(当(r-RH)/(RT-RH)＝100％时)积叠点的连线与Y轴正方向的夹角称为掠角θ。
这种设计就能针对叶片不同位置，尤其是翻边结构位置针对性设计，通过控制对应弯积叠线和掠积叠线的参数，即可设计合适的形状。
参照图2、图3，本发明的一个实施方式提供了一种复合弯掠式轴流风扇，采用上述的复合弯掠式轴流风扇设计方法。
参照图4，弯积叠线为抛物线，抛物线的控制方程定义为，
y＝A[x-a(RT-RH)-RH]2+B
Figure BDA0002777165790000051
其中A、B为二次函数的系数，
HS＝RT tanδ
Figure BDA0002777165790000052
其中HS为叶顶积叠点到径向线的距离，H为弯积叠线径向最大弯度处到径向线的距离。
弯角的取值为20.0°～25.0°，弯因子的取值为0.1～0.2。弯角δ一定，弯因子a增大，弯积叠线最大弯度位置往叶顶方向偏移，且最大弯度处到径向线的距离H增大。当弯因子a为0时，叶片在整个径向线上为前弯形式，当弯因子a为(0，0.5)之间的值时，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，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。
参照图5，掠积叠线为三次B样条曲线，三次B样条曲线由四个控制点P0～P3控制生成，其中直线P0P3和直线P1P2互相平行；
掠积叠线在叶根控制点P0处的切线与径向线Y轴的夹角称为叶根掠控制角θH，在叶顶控制点P3处的切线与径向线Y轴的夹角称为叶顶掠控制角θT，掠积叠线的最大弯度F与直线P0P3长度的比值称为掠积叠线相对弯度f。
掠角的取值为4.0°～8.0°，叶根掠控制角θH的取值为10.0°～20.0°，叶顶掠控制角θT的取值为75.0°～85.0°，掠积叠线相对弯度f的取值为0.1～0.2。
所述掠积叠线的形状由所述掠角θ、所述叶根掠控制角θH、所述叶顶掠控制角θT、所述掠积叠线相对弯度f确定。当叶根掠控制角为0°时，叶片在整个径向线上为前掠形式，当叶根控制角为某一确定的角度时，叶片在叶根处为后掠形式、叶顶处仍然为前掠形式。对于气动性能较好的轴流风扇，其前掠角度小于前弯角度，合适的叶根后掠、叶顶前掠可以调整叶片的形状，解决前弯角度较大而带来的叶片翘曲程度过大的问题。
按照本发明中的设计方法，较大的掠积叠线相对弯度f使得叶片外缘向吸力面呈现翻边结构，且f越大，外缘翻边程度越大，当f大于0.1时，叶片外缘出现翻边结构，具有外缘翻边结构的叶片可以减少叶尖涡的生成、发展，降低气动噪声。
合适的叶片弯掠程度除了能提高轴流风扇的气动性能，还可以降低叶片的等效应力，减少变形量，提高轴流风扇的疲劳强度，延长使用寿命。
以下结合实施例进行说明。
实施例1，K的取值分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、92.5％、95％、97.5％、100％，即沿叶高方向(Y轴正方向)选取14个截面，其中0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％对应叶片的主体部分，而92.5％、95％、97.5％则针对叶片外缘翻边结构处曲面变形较大，而对在叶高90％～100％之间均匀选取3个截面。这样就更能针对叶片外缘翻边结构。
实施例2，叶轮直径为420mm，叶片数为3，弯角为20.0°，弯因子为0.15。掠角为7.5°，叶根掠控制角为10.0°，叶顶掠控制角为75.0°，掠积叠线相对弯度为0.15。通过原型机与实施例在转速870rpm环境下进行数值模拟结果对比，结果如下。
Figure BDA0002777165790000071
表格所示为转速870rpm下原型机与实施例的数值模拟结果。在给定较大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，尤其在小流量工况下效率提升最为明显。说明通过采用本发明的轴流风扇设计方法，能有效改善其气动性能和声学性能。
根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种复合弯掠式轴流风扇设计方法，包括有轮毂(100)和叶片(200)，其特征在于：
所述叶片(200)的积叠方式为叶片截面弦长中点积叠，且弯积叠线为抛物线，掠积叠线为三次B样条曲线，所述叶片外缘设置为翻边结构；
定义所述叶片叶高方向为Y轴正方向，所述轮毂轴心方向为X轴方向，记轮毂截面处的半径为RH，叶顶截面处的半径为RT，轮毂到叶顶之间任意截面处的半径为r，沿Y轴正方向选取若干个截面，对应取值K＝(r-RH)/(RT-RH)，当K为90％～100％时对应所述翻边结构，当K为0％～90％时对应所述叶片的其它位置；
以每个截面弦长的中点作为积叠点，由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XOY平面和YOZ平面，得到弯积叠线和掠积叠线；
在XOY平面上，空间直角坐标系的原点O到叶顶截面，当K＝100％时，积叠点的连线与Y轴正方向的夹角记为弯角δ；
在YOZ平面上，空间直角坐标系的原点O到叶顶截面，当K＝100％时，积叠点的连线与Y轴正方向的夹角称为掠角θ。
2.根据权利要求1所述的一种复合弯掠式轴流风扇设计方法，其特征在于，所述K的取值分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、92.5％、95％、97.5％、100％。
3.一种复合弯掠式轴流风扇结构，其特征在于：采用权利要求1所述的复合弯掠式轴流风扇设计方法；
所述弯积叠线为抛物线，所述抛物线的控制方程定义为，
y＝A[x-a(RT-RH)-RH]2+B
其中所述A、所述B为二次函数的系数，
Figure FDA0002777165780000021
HS＝RT tanδ
Figure FDA0002777165780000022
其中所述HS为叶顶积叠点到径向线的距离，所述H为弯积叠线径向最大弯度处到径向线的距离；
所述弯角的取值为20.0°～25.0°，所述弯因子的取值为0.1～0.2；
所述掠积叠线为三次B样条曲线，所述三次B样条曲线由四个控制点P0～P3控制生成，其中直线P0P3和直线P1P2互相平行；
掠积叠线在叶根控制点P0处的切线与径向线Y轴的夹角称为叶根掠控制角θH，在叶顶控制点P3处的切线与径向线Y轴的夹角称为叶顶掠控制角θT，掠积叠线的最大弯度F与直线P0P3长度的比值称为掠积叠线相对弯度f；
所述掠角的取值为4.0°～8.0°，所述叶根掠控制角θH的取值为10.0°～20.0°，所述叶顶掠控制角θT的取值为75.0°～85.0°，所述掠积叠线相对弯度f的取值为0.1～0.2。
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