CN113027815B - 一种包括局部台阶状叶片的叶轮及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括局部台阶状叶片的叶轮及其设计方法，在目前广泛应用的后向离心通风机闭式叶轮内，离心通风机的闭式叶轮流道内，气流的边界层分离随直径的增大不断发展恶化，在其叶片进出口角度、进出口直径、叶片数和叶道进口宽度不改变的前提下，通过在叶片外周部位设置一系列局部的微小台阶状，从而试图减弱叶道内的边界层分离及其持续发展的程度及其导致的损失，以提高叶轮对气体做功的效率进而提高叶轮及通风机的气动性能和效率，而叶轮主要结构尺寸和进出口安装角度保持不变。

Description

一种包括局部台阶状叶片的叶轮及其设计方法

技术领域

本发明涉及通风机技术领域，特别是涉及一种包括局部台阶状叶片的叶轮及其设计方法。

背景技术

通常，后向离心通风机叶轮多为闭式叶轮，主要包括后盘3、前盘2及设置于其间的若干叶片1，其中前盘的内孔为叶轮入口，如图1所示。闭式叶轮的叶片流道为相邻叶片和叶轮前盘及叶轮后盘围成的通道。叶道的进口宽度是一个重要的结构参数，是指叶片进口侧的流道宽度。叶片的进出口直径、叶片形状、安装位置和叶片数决定了叶道的形状，叶道的形状好坏，决定了叶片表面边界层分离的严重程度，对叶轮的做功效率和做功能力有较大的影响。

闭式离心叶轮内，由于叶片数不是无限多而是一定数量的有限多个叶片，因而叶道截面上沿周向的速度分布是不均匀的，这种不均匀的周向速度分布是由旋转叶道内的轴向涡流引起的，使得有限叶片数时的叶轮理论压力必定小于无限叶片数时的理论压力，前者与后者之比即为环流系数或滑移系数。由于气体介质具有粘性，在叶道内流动会产生边界层，其厚度虽然小，对流动状态的影响却很大，气体流动时的摩擦力即产生在边界层内。边界层的存在，使叶道有效通流截面积减小，因而主气流的速度略有增加，对主气流形成了干扰，更重要的是，粘性和边界层的持续发展，贴近壁面处可能会出现倒流使边界层脱离壁面而分离，形成一定的涡区，引起较大的损失。边界层对主气流的干扰及边界层分离并形成较大的损失，降低了叶轮对气体的做功效率和做功能力。

发明内容

本发明是在目前广泛应用的后向离心通风机闭式叶轮内，通过在叶片外周部位设置一系列局部的微小台阶状，从而试图减弱叶道内的边界层分离及其持续发展的程度及其导致的损失，以提高叶轮对气体做功的效率进而提高叶轮及通风机的气动性能和效率，而叶轮主要结构尺寸和进出口安装角度保持不变。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种包括局部台阶状叶片的叶轮，所述叶轮包括若干个弧形状后向叶片，所述叶片的工作面包括平滑段和台阶段；所述台阶段靠近叶片外缘；所述台阶段的内边缘为：以叶轮中心为圆心，直径为ΦD_n的圆弧段；所述台阶段包括n个连续的逐渐向外凸的台阶。

进一步地，相邻所述叶片的流道入口宽度为W，所述叶片工作面弧线的进、出口直径分别对应的叶片母线的c点和a点，W为c点至相邻的另一个叶片非工作面的最小距离，对应非工作面c’点，cc’延长线与所述叶片工作面的交点为c’’点；以c’’点与所述叶轮中心的连线为半径做第一圆，所述第一圆直径为ΦD_W；所述ΦD_n=（1.015～1.045）×ΦD_w。

进一步地，所述台阶的斜面高度小于叶片厚度。

进一步地，所述叶片出口直径为ΦD₂，所述台阶段为位于直径ΦD_n和ΦD₂之间。

本申请还提出了一种包括局部台阶状叶片的叶轮的设计方法，所述叶轮包括若干个均匀分布的弧形状后向叶片，所述叶片进、出口直径分别为ΦD₁和ΦD₂，所述叶片母线的端点为c点和a点，叶片包角为φ；

相邻叶片的流道入口宽度为W，W为c点至相邻叶片非工作面的最小距离，对应所述相邻叶片非工作面c’点，cc’延长线与所述叶片工作面的交点为c’’点；

所述设计方法包括：

1）以c’’点与叶轮中心的连线为半径做第一圆，所述第一圆直径为ΦD_W；以所述叶轮中心为圆点，沿所述叶片弧线上直径小于ΦD_W的部分为内端弧线，大于ΦD_W的部分为外端弧线；

2）选取直径ΦD_n，ΦD_n=（1.015～1.045）×ΦD_w；

3）沿叶轮径向方向，将直径ΦD_n和ΦD₂之间的叶片外端弧线分为n段弧线；

4）以叶轮中心为中心，将所述n段弧线各自以一定的旋转角度向外旋转，将旋转后得到的相邻的弧线段依次连接，从而在叶片表面形成一系列微小台阶。

进一步地，所述叶片母线上与直径ΦD_n相对应的点为a_n ，划分方式为：D_i=D₂-(D₂-D_n)×i/n，其中i=[1,n]，n=[3,20]，从直径ΦD₂到ΦD_n的每一同心圆与叶片母线上的交点依次为：a₁,…，a_i,…，a_(n-1),a_n，即叶片外端母线上从a点到a_n点的母线段被划分为：aa₁,a₁a₂,…，a_(i-1)a_i，…，a_(n-1)a_n共n段。

进一步地，所述aa₁,a₁a₂,…，a_(i-1)a_i，…，a_(n-1)a_n的n段弧线分别旋转到新的位置，aa₁旋转为bb₁，a₁a₂旋转为c₁b₂,…，a_(i-1)a_i旋转为c_(i-1)b_i，…，a_(n-1)a_n旋转为c_(n-1)b_n ；a_(n-1)a_n段的旋转角度为θ_n=θ，a_(n-2)a_(n-1)段的旋转角度为θ_(n-1)=2×θ，…，a_(i-1)a_i段的旋转角度为θ_i=(n-i+1) ×θ，…， a₁a₂段的旋转角度为θ₂= (n-1)×θ，aa₁段的旋转角度为θ₁=n×θ；经过上述各弧段分别旋转，叶片的包角φ减小为φ₁，φ₁=φ-n×θ。

进一步地，所述将旋转后得到的相邻的弧线段依次连接，连接方式为：直线连接c_i点和b_i点，i=[1,n],过其中点e_i作线段c_ib_i的垂线f_ig_i，与弧线段c_(i-1)b_i相交于f_i，与弧线段c_ib_(i+1)相交于g_i，以e_i点作为中心，将直线f_ig_i向叶轮旋转方向的反方向旋转一个角度γ，其中γ=[5°，40°],与叶片弧线段c_(i-1)b_i相交于u_i，与叶片弧线段c_ib_(i+1)相交于v_i，γ=[5°，40°],从而形成u₁v₁，u₂v₂，…，u_iv_i，…，u_nv_n共n个局部台阶形状。

进一步地，包括n个局部台阶形状的复合弧线“bu₁v₁u₂v₂…u_iv_i…u_nv_nc”作为叶片工作面的弧面型线。

进一步地，θ=[0.05°,0.25°]。

进一步地，所述台阶的斜面高度小于叶片厚度。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：离心通风机的闭式叶轮流道内，气流的边界层分离随直径的增大不断发展恶化，在其叶片进出口角度、进出口直径、叶片数和叶道进口宽度不改变的前提下，通过在叶片出口段加设一系列的局部微小台阶状，在一定程度上抑制了边界层分离的连续发展恶化，从而减小了边界层分离所导致的主气流通道面积减小和较大的损失，故能在一定程度上提高叶轮的做功能力和做功效率。

附图说明

图1是叶轮剖面示意图；

图2是本申请叶轮的立体示意图；

图3是叶轮叶片圆周面视图；

图4是叶片外周弧线分段图；

图5是叶片外周弧线等分后的偏转示意图；

图6是图5之Ⅰ部放大图；

图7是图6之Ⅱ部放大图；

图8是外周叶片台阶状形成过程图一；

图9是外周叶片台阶状形成过程图二；

图10是外周叶片台阶状形成过程图三；

图11是外周叶片台阶状形成过程图四；

图12是图11之Ⅲ部放大图；

图13是叶片立体示意图；

图14是实施例一与对比样机一的静压对比曲线图；

图15 实施例一与对比样机一的静压效率对比曲线图；

图16是实施例二与对比样机二的静压对比曲线图；

图17 实施例二与对比样机二的静压效率对比曲线图；

图18是实施例三与对比样机三的静压对比曲线图；

图19实施例三与对比样机三的静压效率对比曲线图。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一种包括局部台阶状叶片的叶轮，叶轮包括7个弧形状后向叶片，叶片的工作面包括平滑段和台阶段，台阶段靠近叶片外缘。台阶段的内边缘为：以叶轮中心为圆心，直径为ΦD_n的圆弧段；台阶段包括n个连续的逐渐向外凸的台阶。相邻叶片的流道入口宽度为W，叶片工作面弧线的进、出口直径分别对应的叶片母线的c点和a点，W为c点至相邻的另一个叶片非工作面的最小距离，对应非工作面c’点，cc’延长线与叶片工作面的交点为c’’点；以c’’点与叶轮中心的连线为半径做第一圆，第一圆直径为ΦD_W；ΦD_n=（1.015～1.045）×ΦD_w。

叶片出口直径为ΦD₂，台阶段为位于直径ΦD_n和ΦD₂之间。

如图2所示，叶片进、出口直径分别为ΦD₁和ΦD₂，即以叶轮中心为圆心o，到达叶片工作面进口处的长度为D₁/2，到达叶片工作面出口处的长度为D₂/2，叶片母线的端点为c点和a点，叶片包角为φ，即oc与oa的夹角为φ。

相邻叶片的流道入口宽度为W，W为c点至相邻的相邻叶片非工作面的最小距离，对应相邻叶片非工作面c’点，cc’延长线与叶片工作面的交点为c’’点。

局部台阶状叶片的叶轮的设计方法包括：

1）以c’’点与叶轮中心的连线为半径做第一圆，第一圆直径为ΦD_W；以叶轮中心为圆点，沿叶片弧线上直径小于ΦD_W的部分为内端弧线，大于ΦD_W的部分为外端弧线。

2）选取直径ΦD_n，ΦD_n=（1.015～1.045）×ΦD_w。

3）沿叶轮径向方向，将直径ΦD_n和ΦD₂之间的叶片外端弧线分为n段弧线，如图3所示。

之所以要选取将直径ΦD_n和ΦD₂之间的叶片外端弧线分为n段弧线，是因为W是相邻叶片间流道进口宽度，其大小对叶道内的流动状态影响较大，台阶段的起始位置处直径ΦDn大于进口宽度W对应的直径ΦD_W，可以确保进口宽度W不会因为叶片外周弧线的分段及其偏转而有所改变。

叶片母线上与直径ΦD_n相对应的点为a_n ，划分方式为：D_i=D₂-(D₂-D_n)×i/n，其中i=[1,n]，n=[3,20]，从直径ΦD₂到ΦD_n的每一同心圆与叶片母线上的交点依次为：a₁,…，a_i,…，a_(n-1),a_n，即叶片外端母线上从a点到a_n点的母线段被划分为：aa₁,a₁a₂,…，a_(i-1)a_i，…，a_(n-1)a_n共n段。

4）以叶轮中心为中心，将n段弧线各自以一定的旋转角度向外旋转，将旋转后得到的相邻的弧线段依次连接，从而在叶片表面形成一系列台阶。

如图4-6所示，aa₁,a₁a₂,…，a_(i-1)a_i，…，a_(n-1)a_n的n段弧线分别旋转到新的位置，aa₁旋转为bb₁，a₁a₂旋转为c₁b₂,…，a_(i-1)a_i旋转为c_(i-1)b_i，…，a_(n-1)a_n旋转为c_(n-1)b_n ；a_(n-1)a_n段的旋转角度为θ_n=θ，a_(n-2)a_(n-1)段的旋转角度为θ_(n-1)=2×θ，…，θ_i=a_(i-1)a_i段的旋转角度为θ_i=(n-i+1) ×θ，…， a₁a₂段的旋转角度为θ₂= (n-1)×θ，aa₁段的旋转角度为θ₁=n×θ；经过上述各弧段分别旋转，叶片的包角φ减小为φ₁，φ₁=φ-n×θ。其中θ=[0.05°,0.25°]，因θ的数值较小，n的数量有限，故叶片包角减小的数值也是不显著，最外端弧线段经过旋转后，出口安装角保持不变。

如图7-13所示，将旋转后得到的相邻的弧线段依次连接，连接方式为：直线连接c_i点和b_i点，i=[1,n],过其中点e_i作线段c_ib_i的垂线f_ig_i，与弧线段c_(i-1)b_i相交于f_i，与弧线段c_ib_(i+1)相交于g_i，以e_i点作为中心，将直线f_ig_i向叶轮旋转方向的反方向旋转一个角度γ，其中γ=[5°，40°],与叶片弧线段c_(i-1)b_i相交于u_i，与叶片弧线段c_ib_(i+1)相交于v_i，从而形成u₁v₁，u₂v₂，…，u_iv_i，…，u_nv_n共n个局部台阶形状，将包括n个局部台阶形状的复合弧线“bu₁v₁u₂v₂…u_iv_i…u_nv_nc”作为叶片工作面的弧面型线。其中台阶状的斜面高度小于叶片板材厚度，即：δ_i＜t。

本专利的改进方案并未改变叶轮主要结构尺寸和进出口安装角度，叶片各弧线段的曲率也保持不变。叶片工作面一系列局部台阶状在一定程度上减弱了叶道内的边界层分离及其持续发展的程度以及其导致的损失，以提高叶轮对气体做功的效率进而提高通风机的气动性能和效率。

以下设置了三组实施例，以验证改进后的叶轮对于通风机静压和静压效率的影响。

表 1

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实施例

实施例一是在对比样机一的基础上设置了叶片外周台阶状改进而成，叶轮和通风机其它主要尺寸与对比样机一均保持一致，相关尺寸见表1。

实施例一和对比样机一的性能曲线对比见图14-图15；相同风量工况点性能参数对比见表2。

表 2

相同风量的工况下，实施例一与对比样机一相比，静压提高了49Pa，静压效率提高了1.19 %。

实施例

实施例二是在对比样机二的基础上设置了叶片外周台阶状改进而成，叶轮和通风机其它主要尺寸与对比样机二均保持一致。相关尺寸见表1。

实施例二和对比样机二的性能曲线对比见图16-图17；相同风量工况点性能参数对比见表3。

表 3

相同风量的工况下，实施例二与对比样机二相比，静压提高了24Pa，静压效率提高了1.2 %。

实施例

实施例三是在对比样机三的基础上设置了叶片外周台阶状改进而成，叶轮和通风机其它主要尺寸与对比样机三均保持一致。相关尺寸见表1。

实施例三和对比样机三的性能曲线对比见图18-图19；相同风量工况点性能参数对比见表4。

表 4

相同风量的工况下，实施例三与对比样机三相比，静压提高了28.5Pa，静压效率提高了1.14 %。

由此可见，本发明的改进方案，主要是在叶轮、进风口及通风机主要尺寸不改变的情况下，通过将叶片外端弧线段改进为包括一系列局部微小台阶状的曲折弧线，在一定程度上抑制了边界层分离和持续发展恶化，从而减小了边界层分离所导致的主气流通道面积减小和较大的损失，故在一定程度上提高了叶轮的做功能力和做功效率，提高了通风机的性能和效率、降低了能耗和噪声，具有积极的意义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种包括局部台阶状叶片的叶轮的设计方法，其特征在于，所述叶轮包括若干个均匀分布的弧形状后向叶片，所述叶片进、出口直径分别为ΦD1和ΦD2，所述叶片母线的端点为c点和a点，叶片包角为φ；

相邻叶片的流道入口宽度为W，W为c点至相邻叶片非工作面的最小距离，最小距离对应所述相邻叶片非工作面c’点，cc’延长线与所述相邻叶片工作面的交点为c’’点；

所述设计方法包括：

1）以c’’点与叶轮中心的连线为半径做第一圆，所述第一圆直径为ΦD_W；以所述叶轮中心为圆点，沿所述叶片弧线上直径小于ΦD_W的部分为内端弧线，大于ΦD_W的部分为外端弧线；

2）选取直径ΦD_n，ΦD_n=（1.015～1.045）×ΦD_w；

3）沿叶轮径向方向，将直径ΦD_n和ΦD₂之间的叶片外端弧线分为n段弧线；

4）以叶轮中心为旋转中心，将所述n段弧线各自以一定的旋转角度向外旋转，将旋转后得到的相邻的弧线段依次连接，从而在叶片表面形成一系列台阶；

其中，所述叶片的工作面包括平滑段和台阶段；所述台阶段靠近叶片外缘；所述台阶段包括n个连续的逐渐向叶轮旋转方向凸出的台阶；所述叶片工作面弧线的进、出口分别对应的叶片母线的c点和a点，所述台阶段位于直径ΦD_n和ΦD₂之间。

2.根据权利要求1所述的包括局部台阶状叶片的叶轮的设计方法，其特征在于，所述叶片母线上与直径ΦD_n相对应的点为a_n ，所述n段弧线的划分方式为：D_i=D₂-(D₂-D_n)×i/n，其中i=[1,n]，n=[3,20]，从直径ΦD₂到ΦD_n的每一同心圆与叶片母线上的交点依次为：a₁,…，a_i,…，a_(n-1),a_n，即叶片外端母线上从a点到a_n点的母线段被划分为：aa₁,a₁a₂,…，a_(i-1)a_i，…，a_(n-1)a_n共n段。

3.根据权利要求2所述的包括局部台阶状叶片的叶轮的设计方法，其特征在于，所述aa₁,a₁a₂,…，a_(i-1)a_i，…，a_(n-1)a_n的n段弧线分别旋转到新的位置，aa₁旋转为bb₁，a₁a₂旋转为c₁b₂,…，a_(i-1)a_i旋转为c_(i-1)b_i，…，a_(n-1)a_n旋转为c_(n-1)b_n ；a_(n-1)a_n段的旋转角度为θ_n=θ，a_(n-2)a_(n-1)段的旋转角度为θ_(n-1)=2×θ，…，a_(i-1)a_i段的旋转角度为θ_i= (n-i+1) ×θ，…，a₁a₂段的旋转角度为θ₂= (n-1)×θ，aa₁段的旋转角度为θ₁=n×θ；经过上述各弧线分别旋转，叶片的包角φ减小为φ₁，φ₁=φ-n×θ。

4.根据权利要求3所述的包括局部台阶状叶片的叶轮的设计方法，其特征在于，所述将旋转后得到的相邻的弧线段依次连接，连接方式为：直线连接c_i点和b_i点，i=[1,n-1],过其中点e_i作线段c_ib_i的垂线f_ig_i，与弧线段c_(i-1)b_i相交于f_i，与弧线段c_ib_(i+1)相交于g_i，以e_i点作为中心，将直线f_ig_i向叶轮旋转方向的反方向旋转一个角度γ，其中γ=[5°，40°],与叶片弧线段c_(i-1)b_i相交于u_i，与叶片弧线段c_ib_(i+1)相交于v_i，从而形成u₁v₁，u₂v₂，…，u_iv_i，…，u_{n- 1}v_n-1共n-1个局部台阶形状，同理，直线连接a_n点和b_n点,并通过同样的方式形成台阶u_nv_n。

5.根据权利要求4所述的包括局部台阶状叶片的叶轮的设计方法，其特征在于，包括n个局部台阶形状的复合弧线“bu₁v₁u₂v₂…u_iv_i…u_nv_nc”作为叶片工作面的弧面型线。

6.根据权利要求5所述的包括局部台阶状叶片的叶轮的设计方法，其特征在于，θ=[0.05°,0.25°]。

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