CN113883092A

CN113883092A - 一种叶尖小翼的设计方法

Info

Publication number: CN113883092A
Application number: CN202111060992.3A
Authority: CN
Inventors: 李龙婷
Original assignee: Suzhou Inspur Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Inspur Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2041-09-10
Also published as: CN113883092B

Abstract

本发明公开了一种叶尖小翼的设计方法，包括如下步骤：(1)、根据叶顶截面的气动负荷值沿着风扇叶型压力面从前缘到尾缘沿程分别选取5个控制点，确定叶尖小翼不同位置的宽度。(2)、叶尖小翼与风扇叶片之间的连接方式采用圆弧过渡形式，对于不同控制点小翼宽度的不同取决于过渡圆弧半径R的大小。(3)、当小翼5个控制点的宽度尺寸确定后，采用样条拟合的方式，连接扇叶顶截面叶型前缘点、5个控制点及扇叶顶截面叶型尾缘点，完成叶尖小翼边缘形状设计。从叶尖泄露涡形成本质原因出发，提出一种针对服务器用高转速散热风扇更高效、更简单的叶尖小翼设计方法，解决了小翼设计过程需反复迭代引起的设计周期较长问题。

Description

一种叶尖小翼的设计方法

技术领域

本发明涉及散热风扇领域，具体的说是一种叶尖小翼的设计方法。

背景技术

对于扇叶来说，由旋转机械径向平衡方程可知，其固有属性之一为压力面侧流体静压大于吸力面侧，因此，当气流流过扇叶时，这种静压差的存在会导致叶顶间隙处的气流从压力面一侧向吸力面一侧泄漏，并产生旋涡，带来气动损失，因而，降低叶顶间隙尺寸是一种行之有效可以抑制叶顶泄漏流的方法，这也是目前散热轴流风扇设计者所广泛采用的一种方法且不断在追求间隙极限。目前，对于通用服务器所用40mm、60mm及80mm风扇来说，其叶顶间隙大小分别约为0.4～0.5mm、0.6mm以及0.8mm，根据风扇流场分析结果，对于40mm风扇来说，间隙需要达到0.2mm，对于60mm/80mm风扇来说，间隙需要降低到0.3mm，才可实现和零间隙一样的效果，而由于当前服务器用风扇转速较高，范围普遍位于15000～35000rpm之间，且扇叶均采用塑胶材质加工而成，在扇叶高速旋转过程中会发生相对较大变形，若叶尖间隙太小会产生剐蹭，引起故障，因而风扇设计者也在不断探求发展具有更高抗变形能力的塑胶材料，但采用更小间隙设计是否可行还有待进一步评估，因此，目前所采用的通过新型材料探索来降低叶顶间隙尺寸的传统方法仍然无法解决叶顶泄漏所带来的气动损失及气动噪声问题，仍需探索一些其余新型可行的抑制叶顶泄漏流的新技术。

近年来，在风力发电机及风机领域，一些学者提出了一种采用叶尖小翼设计来控制叶顶泄漏流的技术方案，研究结果表明这种设计可有效降低叶尖涡的尺寸和强度，从而提高气动效率并降低气动噪声。发明专利CN103485973A提出了一种用于风力发电机叶片的叶尖小翼设计，发明专利CN101255873A提出了一种用于轴流压气机转子的叶尖小翼设计。从背景技术来看，与风力发电机相比，由于叶片不受到扇框/机匣约束，其所采用小翼形状无法直接用于风扇；与压气机相比，电子产品所用散热风扇属于微型轴流风机，径向尺寸较小，属于小展弦比风机，同时压气机比较关注气体总压及静压提升，而电子风扇较关注气体速度提升，这些均导致这两种风机在工作机理、特性曲线、噪声源等方面有明显区别。此外，上述专利中仅仅阐述了叶尖小翼对于各自研究对象叶顶泄漏流的抑制作用机理，并未提及小翼尺寸设计方法。发明专利CN111425451及CN112901555中均针对斜流风机提出了叶尖小翼的设计方法，但是其设计方法存在以下弊端：(1)并没有从小翼控制叶顶泄漏流的根本原理上来考虑小翼尺寸的设计，且设计方法较为复杂，为获得具有较好效果尺寸小翼，设计过程需要反复迭代，导致设计周期较长，同时可能会因为局部尺寸设计不合理在没有获得收益的情况下，反倒因为扇叶质量的增加对于结构强度产生附件影响；(2)在进行叶尖小翼设计过程中没有将扇叶改型设计结合起来，如果依托叶尖小翼在减少泄漏损失方面的优势，在叶片顶截面造型过程中，在传统设计经验的基础上增加该截面气动负荷以提高风扇的风压、风量，可以达到更优提升扇叶性能效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种叶尖小翼的设计方法，解决了小翼设计过程需反复迭代引起的设计周期较长问题，同时提出在采用小翼设计基础上，增加扇叶顶截面叶型负荷，从而对扇叶顶截面进行改型设计，进一步提升扇叶气动性能。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种叶尖小翼的设计方法，包括如下步骤：

(1)、首先给出风扇叶顶截面的气动负荷分布数值，根据叶顶截面的气动负荷值沿着风扇叶型压力面从前缘到尾缘沿程分别选取5个控制点，根据5个不同的控制点确定叶尖小翼不同位置的宽度；

(2)、叶尖小翼与风扇叶片之间的连接方式采用圆弧过渡形式，对于不同控制点小翼宽度的不同取决于过渡圆弧半径R的大小；

(3)、当小翼5个控制点的宽度尺寸确定后，采用样条拟合的方式，连接扇叶顶截面叶型前缘点、5个控制点及扇叶顶截面叶型尾缘点，完成叶尖小翼边缘形状设计。

进一步，完成叶尖小翼设计之后，还需针对扇叶顶截面叶型进行改型设计以增加其气动负荷，通过增加叶型折转角α角来实现气动负荷的提升。

进一步，选定控制点之后，在导圆角设计过程中，过渡圆弧半径R值越大或越小，小翼的宽度也越大或越小，负荷越高，过渡圆弧半径的取值就越大，从而对应的叶尖小翼设计宽度也越大。

进一步，所述叶尖小翼与扇叶的连接方式采用一体加工生成，也可以单独加工叶尖小翼，然后通过焊接方式与扇叶连接。

进一步，所述的5个控制点必须包含负荷最低点、负荷中间点及负荷最高点。

进一步，所述叶型折转角α的增加范围在2°～5°之间。

本发明的有益效果：

本发明的设计方法，可以更少迭代步骤获得最优小翼设计方案，节省了设计时间，同时还可尽量兼顾扇叶的结构强度性能，此外，结合扇叶顶截面叶型改型设计，在提高扇叶叶尖负荷的前提下，有效抑制了叶顶泄漏流的发展，可提高扇叶气动效率、降低气动噪声并提高有效风量。

依托叶尖小翼在减少泄漏损失方面的优势，还可以在叶片顶截面造型过程中可适当增加该截面气动负荷，从而在解决了叶顶泄漏流所带来的扇叶效率下降及气动噪声增加问题前提下，还增加了风扇风量及风压。

附图说明

图1为电子散热风扇扇叶与扇框之间叶顶间隙示意图；

图2为风扇95％叶高处对应气动载荷分布；

图3为叶尖小翼及小翼宽度示意图；

图4为压力面上不同位置小翼宽度示意图；

图5为不同控制点位置处扇叶剖面视图；

图6为不同控制点位置处过渡圆角半径正面视图；

图7为叶型折转角示意图。

具体实施方式

参照说明书附图对本发明的一种叶尖小翼的设计方法作以下详细说明。

如图1至图7所示，本发明的一种叶尖小翼的设计方法，以只在扇叶压力面PS一侧添加小翼设计为例，设计步骤为；

(1)、如图2所示，首先给出风扇叶顶截面的气动负荷分布数值，根据叶顶截面的气动负荷值沿着风扇叶型压力面PS从前缘LE到尾缘TE沿程分别选取5个控制点，5个控制点分别包含了负荷最低点、负荷中间点及负荷最高点，如图4所示，在扇叶顶截面叶型压力面PS上沿程所选取的5个控制点分别对应A、B、C、D及E，所述的5个控制点处所对应的小翼宽度分别为l_A、l_B、l_C、l_D及l_E。

(2)、叶尖小翼与风扇叶片之间的连接方式采用圆弧过渡形式，对于不同控制点，小翼宽度的不同取决于过渡圆弧半径的大小，负荷越高，过渡圆弧半径的取值就越大。

如图5所示，其中R表示过渡圆弧半径，对于不同控制点来说，小翼宽度的不同设计取值是通过变化R值来实现的，选定控制点之后，在导圆角设计过程中，R值越大或越小，小翼的宽度也越大或越小，根据本发明设计方法可知，负荷越高的位置，R的取值就应该越大，从而对应的小翼设计宽度也越大。

为进一步直观说明小翼宽度l与圆角半径R之间取值对应关系，如图6所示为5个不同控制点A～E所对应的圆角半径正面视图，可以明显看出，随着半径RA～RE尺寸的变化，小翼从控制点A～E的宽度也是变化的。具体小翼宽度或圆角半径尺寸的取值根据实际应用对象需求，并结合设计经验、结构强度仿真综合确定，不做具体的限定。

(3)、当小翼A～E控制点的宽度尺寸lA～lE确定之后，采用样条拟合的方式，连接扇叶顶截面叶型前缘点LE、A点、B点、C点、D点、E点及扇叶顶截面叶型尾缘点TE，完成叶尖小翼边缘形状设计。

为了提高扇叶叶尖负荷，抑制了叶顶泄漏流的发展，提高扇叶气动效率、降低气动噪声并提高有效风量，在完成叶尖小翼设计之后，还需针对扇叶顶截面叶型进行改型设计以增加其气动负荷。如图7所示，α定义为叶型折转角，表示叶型从前缘LE至尾缘TE的弯折程度，其变化趋势与叶型对于气流的折转能力即气动负荷正相关；因此，本方法中在对于扇叶顶截面、面进行改型设计过程中，通过增加叶型折转角α角来实现叶气动负荷的提升；所述叶型折转角α的增加范围在2°～5°之间。

所述叶尖小翼与扇叶的连接方式采用一体加工生成，也可以单独加工叶尖小翼，然后通过焊接方式与扇叶连接。

如图1所示，为一服务器用高转速风扇示意图，可明显看出，扇叶与扇框之间留有一定间隙，由于目前电子产品用散热风扇所用材质均为不同类型塑胶，塑胶的刚度、硬度与其余风机所用材料相比偏低，高速旋转过程中易发生较大变形，因此，散热风扇叶顶间隙较大，导致叶顶泄漏涡本身及其诱导其它涡系带来较大气动损失。本研究中采用压力面侧叶尖小翼设计来控制叶顶泄漏流，其机理如下：1、受到离心力作用，扇叶压力面侧涡系会由扇叶根部向顶部流动以下称为径向窜流，当径向窜流遇到小翼之后，会向相邻侧扇叶转向，由于其流动方向与自压力面向吸力面一侧流动的泄漏流体方向相反，削减了叶尖泄漏流强度；2、采用压力面侧小翼设计使得叶尖部分通道变长，泄漏流体摩擦力增加，引起流体流速降低，因而泄漏流量有所减少。

如上文中所述叶尖泄漏涡成因及小翼工作机理可知，泄漏涡强度与压力面和吸力面之间静压差正相关，即气动负荷高处需较宽尺寸小翼，气动负荷低处需较窄尺寸小翼，同时考虑到添加小翼给扇叶增加了额外重量，导致扇叶离心力增加，会影响扇叶强度，因此本研究提出根据叶片沿程不同位置气动负荷分配选用不同宽度小翼的设计方法，从而在达到更有针对性控制叶顶泄漏流情况下，还可尽量兼顾扇叶的结构强度性能。

图2所示为一散热风扇95％叶高处所对应的静压系数分布气动负荷示意图，以此为例进行本专利提出小翼设计方法简介：可以明显看出，对于该截面叶型来说，从前缘LE到尾缘TE，压力面PS与吸力面SS之间所围成的面积先增大后减小，这说明从前缘到尾缘，叶型沿程不同位置处对应的气动载荷也是先增加后减小的，该叶型属于典型的均匀加载叶型，最大气动负荷大概处于叶型中间位置。因而，基于本研究所提出的小翼设计方法，如图3所示，小翼的宽度l从前缘LE至尾缘TE应该是先增加，后减小，中间处最大。如果所研究风扇叶顶处叶型设计的负荷分配是前部加载或后部加载，那么小翼宽度最大的位置就应该是位于前缘附近或者尾缘附近。采用这种设计方法的益处在于不但可以更短的周期获得小翼的最优设计方案，有效抑制泄漏流带来的气动损失和气动噪声，同时还可最大限度的兼顾扇叶的结构强度性能。此外，考虑到对于任何领域的风机叶片来说，由于扇叶顶部均存在着一定叶尖间隙，为了抑制泄漏涡的发展，叶顶截面气动负荷通常较低，这也一定程度地抑制了扇叶叶顶区域的做功能力，体现在风扇的总体性能上就是会限制风量和风压的提升。因此，在本研究中，在采用叶尖小翼设计基础上，在进行扇叶设计过程中，提高顶截面叶型的气动载荷，进一步提升风扇性能。对于叶型来讲，其气动负荷与叶型对于气流所产生折转能力正相关，因而，本研究中采用提高叶型折转角方式来提升气动负荷。该设计方法可以使得风扇扇叶气动效率提高5％～10％、噪音整体降低2～4dB，功耗降低1％～3％，同时节省50％以上的设计时间。

本发明的设计方法缩短了小翼设计周期，同时可尽量兼顾扇叶结构性能；此外，依托叶尖小翼在减少泄漏损失方面的优势，在叶片顶截面造型过程中，提出可在传统设计经验的基础上，增加该截面气动负荷，可达到同时降低风扇功耗、降低气动噪声及增加风量目的。

以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术。

Claims

1.一种叶尖小翼的设计方法，其特征是，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种叶尖小翼的设计方法，其特征是，完成叶尖小翼设计之后，还需针对扇叶顶截面叶型进行改型设计以增加其气动负荷，通过增加叶型折转角α角来实现气动负荷的提升。

3.根据权利要求1或2所述的一种叶尖小翼的设计方法，其特征是，选定控制点之后，在导圆角设计过程中，过渡圆弧半径R值越大或越小，小翼的宽度也越大或越小，负荷越高，过渡圆弧半径的取值就越大，从而对应的叶尖小翼设计宽度也越大。

4.根据权利要求1或2所述的一种叶尖小翼的设计方法，其特征是，所述叶尖小翼与扇叶的连接方式采用一体加工生成，也可以单独加工叶尖小翼，然后通过焊接方式与扇叶连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种叶尖小翼的设计方法，其特征是，所述的5个控制点必须包含负荷最低点、负荷中间点及负荷最高点。

6.根据权利要求2所述的采用小翼设计并结合扇叶顶截面改型的扇叶设计方法，其特征是，所述顶截面叶型折转角α的增加范围在2°～5°之间。