CN113503271B - 一种农用通风机集风器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械应用装备领域，具体涉及一种农用通风机集风器及其设计方法，所述方法包括如下步骤：S1、测量农用通风机集风器的集风器出口(1)的直径X3；S2、确定通风量与通风能效比权重；S3、确定目标通风量或目标通风能效比；S4、求解集风器结构参数；S5、根据步骤S4得到的集风器结构参数，构造24英寸农用通风机集风器。本发明的农用通风机集风器通过一种通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型，显著提高农用通风机的通风量和通风能效比。本发明的农用通风机集风器能够将农用通风机的通风能效比提高1.3％～7％，通风量提高2.7％～6％。

Description

一种农用通风机集风器及其设计方法
技术领域
本发明属于机械应用装备领域，具体涉及一种农用通风机集风器及其设计方法。
背景技术
农用通风机作为一种抽吸、运送、增加气体能量的叶轮机械，随着现代化畜禽养殖业和温室设施农业的高速发展，得到了广泛的应用。
集风器作为农用通风机的重要进气部件，沿气流方向连接扩散器(扩压器)，内接百叶窗、电动机转子、叶片等，起着使气流在其中逐渐加速，在损失很小的情况下，得到一个均匀进气速度场的作用。集风器对风机性能影响很大，据《轴流式通风机实用技术》(昌泽舟等编著，机械工业出版社，2005.03)介绍，设计良好的集风器相比没有集风器的通风机，可使风机效率及全压分别提高10％～15％及10％～12％。
截止目前，对于农用通风机集风器的结构参数设计大多依赖经验，并未有现成的成果可供本领域普通技术人员使用，基于上述背景提出本发明。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种农用通风机集风器及其设计方法，通过一种通风量、通风能效比与集风器结构参数的函数模型，得到农用通风机集风器的进口段长度、圆角半径、出口段直径的最佳取值，从而显著提高通风机的通风量及通风能效比，改善集风器内部流态，减少因涡流造成的湍动能损失，增大正涡量对叶轮做功的增益。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种农用通风机集风器的设计方法，所述农用通风机集风器为24英寸农用通风机集风器；其中，
农用通风机集风器包括集风器出口1、叶片环3及集风器进深段5；
集风器进深段5为集风器进口段，依次与叶片环3和集风器出口1连接；
集风器进深段5包括进口直线段4和集风器变截面段8；进口直线段4包括形状为正方形且相互平行的进口截面和出口截面；所述进口直线段4的进口截面的侧边为进口侧边6；所述进口直线段4的进口截面和出口截面之间的距离为进口直线段4的长度X1；
集风器变截面段8包括进口截面和终止截面；集风器变截面段8的进口截面和终止截面的形状为正方形；集风器变截面段8的进口截面的边长与进口侧边6相同；所述集风器变截面段8的终止截面的侧边为出口直线段2，出口直线段2的长度小于进口侧边6，相邻的出口直线段2之间通过与其相切且平滑连接的集风器圆角7连接；集风器圆角7为1/4圆弧，所述圆弧的半径为集风器圆角7的半径X2；
集风器出口1内接通风机叶片，集风器出口1的出口截面为圆形，所述圆形的直径为集风器出口1的直径X3；集风器出口1外切于出口直线段2；
所述方法包括如下步骤：
S1、测量农用通风机集风器的集风器出口1的直径X3
借助测量工具，测量农用通风机集风器的集风器出口1的直径X3；
S2、确定通风量与通风能效比权重
S3、确定目标通风量或目标通风能效比
S4、求解集风器结构参数
对于24英寸农用通风机集风器，通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型为：
通风量＝9531.11-67.62X1+205.46X2-601.40X3 公式1
Figure BDA0003210149020000032
其中，X1为进口直线段4的长度，单位为mm；X2为集风器圆角7的半径，单位为mm；X3为集风器出口1的直径，单位为mm；
使用步骤S1中测量得到的集风器出口1的直径X3，步骤S2中得到的通风量与通风能效比权重以及步骤S3中得到的目标通风量或目标通风能效比，利用公式1和公式2的函数模型求解集风器结构参数，即进口直线段4的长度X1和集风器圆角7的半径X2；
S5、根据步骤S4得到的集风器结构参数，构造24英寸农用通风机集风器。
步骤S2中，通风量与通风能效比为1:2或1:3或2:3。
步骤S3中，所述目标通风量或目标通风能效比为目标性能的125％；目标性能为设计工况下现有集风器的通风量或通风能效比。
步骤S4中，农用通风机集风器各权重下的集风器参数为：
Figure BDA0003210149020000031
Figure BDA0003210149020000041
参数单位为毫米(mm)。
步骤S4中，由于函数模型属于曲面方程，采用Design-Expert 10软件辅助求解。
采用上述方法构造的24英寸农用通风机集风器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明的农用通风机集风器，通过一种通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型，显著提高农用通风机的通风量和通风能效比。
2)本发明的农用通风机集风器，能够将农用通风机的通风能效比提高1.3％～7％，通风量提高2.7％～6％。
3)本发明的农用通风机集风器，能够有效改善集风器内部流态，减少涡流和叶顶内泄漏流，增大正涡量对叶轮做功的增益。
附图说明
图1a为本发明的农用通风机集风器的实施例的正等测结构图；
图1b为本发明的农用通风机集风器的实施例的左视结构图；
图1c为本发明的农用通风机集风器的实施例的俯视结构图；
图2a为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器风量对比曲线图；
图2b为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器通风能效比对比曲线图；
图2c为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器轴向速度对比曲线图；
图3为本发明的农用通风机集风器的实施例1沿Y轴切片位置示意图；
图4a为现有集风器中Y＝0mm处的切片流线图；
图4b为本发明的农用通风机集风器的实施例1中Y＝0mm处切片流线图。
其中的附图标记为：
1集风器出口 2出口直线段
3叶片环 4进口直线段
5集风器进深段 6进口侧边
7集风器圆角 8集风器变截面段
9现有集风器叶顶间隙 10现有集风器进口左侧旋涡
11现有集风器进口右侧旋涡 12本发明集风器叶顶间隙
13本发明集风器进口左侧旋涡 14本发明集风器进口右侧旋涡
具体实施方式
为使本发明的技术特点更加清晰，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1a、图1b和图1c示出本发明农用通风机集风器实施例的结构。所述农用通风机集风器包括集风器出口1、叶片环3及集风器进深段5。其中，
集风器进深段5为集风器进口段，依次与叶片环3和集风器出口1连接。集风器出口1、叶片环3及集风器进深段5均采用模压成型，无缝一体连接。
集风器进深段5包括进口直线段4和集风器变截面段8。进口直线段4包括形状为正方形且相互平行的进口截面和出口截面。所述进口直线段4的进口截面的侧边为进口侧边6。所述进口直线段4的进口截面和出口截面之间的距离为进口直线段4的长度X1。
集风器变截面段8包括进口截面和终止截面。集风器变截面段8的进口截面和终止截面的形状为正方形。集风器变截面段8的进口截面的边长与进口侧边6相同。所述集风器变截面段8的终止截面的侧边为出口直线段2，出口直线段2的长度小于进口侧边6，相邻的出口直线段2之间通过与其相切且平滑连接的集风器圆角7连接。集风器圆角7为1/4圆弧，所述圆弧的半径为集风器圆角7的半径X2。
集风器出口1内接通风机叶片，集风器出口1的出口截面为一定直径的圆形，所述圆形的直径为集风器出口1的直径X3。集风器出口1外切于出口直线段2。
风机性能的工况点常用设计工况和全工况来表征，其中本发明所述设计工况点为风机进口静压等于12.25Pa，全工况为风机进口静压范围在0～80Pa。
一种农用通风机集风器的设计方法，包括如下步骤：
S1、测量24英寸农用通风机集风器的集风器出口1的直径X3
借助测量工具，测量24英寸农用通风机集风器的集风器出口1的直径X3。
当集风器出口1的直径确定以后，即可开展进口直线段4的长度X1和集风器圆角7的半径X2的参数求解。
S2、确定通风量与通风能效比权重
为保证有效提高农用轴流通风机的性能，一般设置通风能效比权重大于通风量。优选地，通风量与通风能效比为1:2或1:3或2:3。
S3、确定目标通风量或目标通风能效比
结合24英寸农用通风机的设计目标性能，确定预计达到的目标通风量或目标通风能效比。优选地，所述目标通风量或目标通风能效比为目标性能的125％。目标性能为设计工况下现有集风器的通风量或通风能效比。
S4、求解集风器结构参数
对于24英寸农用通风机集风器，通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型为：
通风量＝9531.11-67.62X1+205.46X2-601.40X3 公式1
Figure BDA0003210149020000072
其中，X1为进口直线段4的长度，单位为mm；X2为集风器圆角7的半径，单位为mm；X3为集风器出口1的直径，单位为mm。
使用步骤S1中测量得到的集风器出口1的直径X3，步骤S2中得到的通风量与通风能效比权重以及步骤S3中得到的目标通风量或目标通风能效比，利用公式1和公式2的函数模型求解集风器结构参数，即进口直线段4的长度X1和集风器圆角7的半径X2。
由于通风量与通风能效比权重取值会对集风器参数产生影响，下表示出本发明的农用通风机集风器常用通风量与通风能效比权重，包括各权重下的集风器参数，参数单位为毫米(mm)。
Figure BDA0003210149020000071
即：
当通风量与通风能效比为1:1时，进口直线段4的长度X1为148.88mm；集风器圆角7的半径X2为322.44mm；集风器出口1的直径X3为678mm。
当通风量与通风能效比为1:2时，进口直线段4的长度X1为149.27mm；集风器圆角7的半径X2为321.68mm；集风器出口1的直径X3为678mm。
当通风量与通风能效比为1:3时，进口直线段4的长度X1为151.54mm；集风器圆角7的半径X2为321.79mm；集风器出口1的直径X3为678.87mm。
当通风量与通风能效比为1:4时，进口直线段4的长度X1为153.06mm；集风器圆角7的半径X2为321.89mm；集风器出口1的直径X3为679.46mm。
当通风量与通风能效比为1:5时，进口直线段4的长度X1为154.10mm；集风器圆角7的半径X2为321.953mm；集风器出口1的直径X3为679.89mm。
当通风量与通风能效比为2:3时，进口直线段4的长度X1为149.14mm；集风器圆角7的半径X2为321.94mm；集风器出口1的直径X3为678mm。
当通风量与通风能效比为2:5时，进口直线段4的长度X1为150.47mm；集风器圆角7的半径X2为321.72mm；集风器出口1的直径X3为678.45mm。
当通风量与通风能效比为3:4时，进口直线段4的长度X1为149.06mm；集风器圆角7的半径X2为322.07mm；集风器出口1的直径X3为678mm。
当通风量与通风能效比为3:5时，进口直线段4的长度X1为149.19mm；集风器圆角7的半径X2为321.84mm；集风器出口1的直径X3为678mm。
当通风量与通风能效比为4:5时，进口直线段4的长度X1为149.03mm；集风器圆角7的半径X2为322.14mm；集风器出口1的直径X3为678mm。
当通风量与通风能效比为5:6时，进口直线段4的长度X1为190mm；集风器圆角7的半径X2为89.86mm；集风器出口1的直径X3为680.88mm。
S5、根据步骤S4得到的集风器结构参数，构造24英寸农用通风机集风器。
优选地，步骤S4中，由于函数模型属于曲面方程，求解最值问题工作量偏大，采用Design-Expert 10软件辅助求解。
实施例1
一种24英寸农用通风机集风器结构如图1a、图1b和图1c所示(该24英寸农用通风机以下称为原型机)。该风机转速为825r/min，集风器出口1的直径为683mm，进口直线段4的长度为130mm，进口侧边6的长度为762mm，集风器圆角7的半径为100mm。
该原型机在设计工况下，通风量为9352.698m3/h，通风能效比为18.76m3/(h·W)。
为了对上述24英寸农用通风机集风器进行改进，采用以下步骤：
S1、测量24英寸农用通风机集风器的集风器出口1的直径X3
经测量，集风器出口1的直径X3为683mm。
S2、确定通风量与通风能效比权重
设定通风量与通风能效比权重设为1:2。
S3、确定目标通风量或目标通风能效比
确定农用通风机集风器的通风量为9352.698×125％＝11690.873m3/h，通风能效比为18.76×125％＝23.45m3/(h·W)。
S4、求解集风器结构参数
对于24英寸农用通风机集风器，通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型为：
通风量＝9531.11-67.62X1+205.46X2-601.40X3 公式1
Figure BDA0003210149020000101
其中，X1为进口直线段4的长度，单位为mm；X2为集风器圆角7的半径，单位为mm；X3为集风器出口1的直径，单位为mm。
使用步骤S1中测量得到的集风器出口1的直径X3，步骤S2中得到的通风量与通风能效比权重以及步骤S3中得到的目标通风量或目标通风能效比，利用公式1和公式2的函数模型求解集风器结构参数，即进口直线段4的长度X1和集风器圆角7的半径X2。
故本发明的农用通风机集风器参数设定为进口直线段4的长度为149.271mm，集风器圆角7的半径为321.682mm，集风器出口1的直径为678mm。
采用本发明的农用通风机集风器，在设计工况下，农用通风机集风器的通风量为9900.54m3/h，通风能效比为20.03m3/(h·W)，相比原型机，通风量可提高5.86％，通风能效比可提高6.79％。
为详细说明本发明的农用通风机集风器在全工况下的性能情况，现从通风量、通风能效比和轴向速度角度定量进行分析。
图2a为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器通风量对比曲线图，可见通风量随着进口静压的增大呈逐渐减小趋势，本发明的农用通风机集风器在全工况下均优于现有集风器。
图2b为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器通风能效比对比曲线图，可见通风能效比随着进口静压的增大呈逐渐减小趋势，在进口静压在60Pa附近时，现有集风器优于本发明的农用通风机集风器，在其他进口静压的情况下，本发明的农用通风机集风器优于现有风机集风器。
图2c为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器轴向速度对比曲线图，可见本发明的农用通风机集风器的轴向速度在叶高10％～95％之间均大于现有集风器。在叶高小于20％的轴向速度近似为0，原因是该位置处于轮毂位置，无空气流通；叶高大于90％的负轴向速度最大为6.61m/s。轴向速度沿叶高分布曲线的斜率在数值上可理解为涡量值，在叶高小于75％时切线斜率基本大于0，且本发明的农用通风机集风器的切线斜率大于现有集风器，故风机叶轮因正涡量做功能力得到加强。
为进一步说明本发明的农用通风机集风器的益处，取集风器Y＝0mm处切片展示内部流场特征。其中，图3为本发明的农用通风机集风器的实施例1中沿Y轴切片位置示意图。
S1、集风器Y轴切片处理
为更为直观地了解集风器内部流场特征，需要对集风器垂直Y轴进行等间距切片处理。本发明所取间距为100mm，以Y＝0mm处切片为对称面，沿Y轴正方向和负方向分别等间距取3个切面。
所述Y轴属于以集风器进口平面建立的X、Y轴相互正交平面，该X、Y轴交点定义为Y＝0mm，Y＝0mm位于集风器进口平面几何中心点。
S2、切片流场分析
图4a为现有集风器在Y＝0mm处的切片流线图，图4b为本发明的农用通风机集风器的实施例1在Y＝0mm处的切片流线图。
由图4a可见，现有集风器叶顶间隙9处存在间隙内泄漏流，现有集风器进口左侧旋涡10呈逆时针旋转，现有集风器进口右侧旋涡11呈顺时针旋转。
由图4b可见，本发明集风器叶顶间隙12并无明显间隙内泄漏流，本发明集风器进口左侧旋涡13呈逆时针旋转且旋涡影响区域相比现有集风器进口左侧旋涡10明显减小，本发明集风器进口右侧旋涡14涡流强度明显减小。故，采用本发明的农用通风机集风器，可有效改善集风器内部流态，减少叶顶间隙内泄漏流及内部涡流，削弱旋涡对主流的影响及因涡旋存在造成的湍动能损失。
对于本领域普通技术人员而言，可根据工作需要，按图3其余切片位置进行更为详尽的分析。
实施例2
一种24英寸农用轴流风机，采用以下步骤：
S1、测量24英寸农用通风机集风器的集风器出口1的直径X3
经测量，集风器出口1的直径X3为685mm。
S2、确定通风量与通风能效比权重
设定通风量与通风能效比权重设为5:6。
S3、确定目标通风量或目标通风能效比
确定农用通风机集风器的通风量为9353.116×125％＝11691.395m3/h，通风能效比为19.01×125％＝23.76m3/(h·W)。
S4、求解集风器结构参数
对于24英寸农用通风机集风器，通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型为：
通风量＝9531.11-67.62X1+205.46X2-601.40X3 公式1
Figure BDA0003210149020000121
其中，X1为进口直线段4的长度，单位为mm；X2为集风器圆角7的半径，单位为mm；X3为集风器出口1的直径，单位为mm。
使用步骤S1中测量得到的集风器出口1的直径X3，步骤S2中得到的通风量与通风能效比权重以及步骤S3中得到的目标通风量或目标通风能效比，利用公式1和公式2的函数模型求解集风器结构参数，即进口直线段4的长度X1和集风器圆角7的半径X2。
故本发明的农用通风机集风器参数设定为进口直线段4的长度为190mm，集风器圆角7的半径为89.86mm，集风器出口1的直径为680.88mm。
在设计工况下，本发明的农用通风机集风器的通风量提高至9605.65m3/h，提高幅度为2.7％；通风能效比提高至19.26m3/(h·W)，提高幅度为1.3％。

Claims (6)

1.一种农用通风机集风器的设计方法，所述农用通风机集风器为24英寸农用通风机集风器；其中，
农用通风机集风器包括集风器出口(1)、叶片环(3)及集风器进深段(5)；
集风器进深段(5)为集风器进口段，依次与叶片环(3)和集风器出口(1)连接；
集风器进深段(5)包括进口直线段(4)和集风器变截面段(8)；进口直线段(4)包括形状为正方形且相互平行的进口截面和出口截面；所述进口直线段(4)的进口截面的侧边为进口侧边(6)；所述进口直线段(4)的进口截面和出口截面之间的距离为进口直线段(4)的长度X1；
集风器变截面段(8)包括进口截面和终止截面；集风器变截面段(8)的进口截面和终止截面的形状为正方形；集风器变截面段(8)的进口截面的边长与进口侧边(6)相同；所述集风器变截面段(8)的终止截面的侧边为出口直线段(2)，出口直线段(2)的长度小于进口侧边(6)，相邻的出口直线段(2)之间通过与其相切且平滑连接的集风器圆角(7)连接；集风器圆角(7)为1/4圆弧，所述圆弧的半径为集风器圆角(7)的半径X2；
集风器出口(1)内接通风机叶片，集风器出口(1)的出口截面为圆形，所述圆形的直径为集风器出口(1)的直径X3；集风器出口(1)外切于出口直线段(2)；
其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1、测量农用通风机集风器的集风器出口(1)的直径X3
借助测量工具，测量农用通风机集风器的集风器出口(1)的直径X3；
S2、确定通风量与通风能效比权重
S3、确定目标通风量或目标通风能效比
S4、求解集风器结构参数
对于24英寸农用通风机集风器，通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型为：
通风量＝9531.11-67.62X1+205.46X2-601.40X3 公式1
Figure FDA0003497304680000021
其中，X1为进口直线段(4)的长度，单位为mm；X2为集风器圆角(7)的半径，单位为mm；X3为集风器出口(1)的直径，单位为mm；
使用步骤S1中测量得到的集风器出口(1)的直径X3，步骤S2中得到的通风量与通风能效比权重以及步骤S3中得到的目标通风量或目标通风能效比，利用公式1和公式2的函数模型求解集风器结构参数，即进口直线段(4)的长度X1和集风器圆角(7)的半径X2；
S5、根据步骤S4得到的集风器结构参数，构造24英寸农用通风机集风器。
2.如权利要求1所述的农用通风机集风器的设计方法，其特征在于：步骤S2中，通风量与通风能效比为1:2或1:3或2:3。
3.如权利要求1所述的农用通风机集风器的设计方法，其特征在于：步骤S3中，所述目标通风量或目标通风能效比为目标性能的125％；目标性能为设计工况下现有集风器的通风量或通风能效比。
4.如权利要求1所述的农用通风机集风器的设计方法，其特征在于：步骤S4中，农用通风机集风器各权重下的集风器参数为：
Figure FDA0003497304680000031
参数单位为毫米(mm)。
5.如权利要求1所述的农用通风机集风器的设计方法，其特征在于：步骤S4中，由于函数模型属于曲面方程，采用Design-Expert 10软件辅助求解。
6.采用权利要求1～5任一项的方法构造的24英寸农用通风机集风器。
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