CN114412834A - 一种复合仿生翼型叶片及轴流风机叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风机叶片技术领域，尤其涉及一种复合仿生翼型叶片及轴流风机叶轮。复合仿生翼型叶片是通过把一翼型截面进行等比缩放、旋转并沿一空间曲线进行扫掠所得。翼型截面包括迎风线和背风线，迎风线为直线，背风线为下凸的曲线，迎风线与背风线交汇成前点和后点，经过扫掠后，迎风线、背风线、前点和后点分别扫掠成复合仿生翼型叶片的迎风面、背风面、前缘和后缘。在翼型截面从叶根到叶顶扫掠的过程中，缩放情况为先缩小再放大，旋转方向为逆时针，扫掠轨迹为先往后下方向偏移再往前下方向偏移。该种复合仿生翼型叶片能够使端部边界层减薄和清除近背风面的角隅区边界层堆积，改善端部区域的气流分层，从而改善气动性能，进而提高风机性能。

Description

一种复合仿生翼型叶片及轴流风机叶轮
技术领域
本发明涉及风机技术领域，尤其涉及一种复合仿生翼型叶片及轴流风机叶轮。
背景技术
传统的轴流风机叶轮的叶片一般都是钣金结构，钣金结构的叶片制造方便，但在噪声控制及气动性能上的表现较差。
为此，现有技术通过改进叶片翼型、叶片倾向和掠向、优化叶顶端板等方法来改善叶片及叶轮的性能，虽取得了一定的效果，但这些改进很多都是针对特定风机或特定工况需求所进行的，难以推广应用。
而近年，也有人尝试用仿生技术来改善叶片性能，例如在叶片上设置非光滑的前缘和锯齿状的后缘，这些仿生能够取得较好的降噪效果，但是在气动性能上的改进尝试却较少，而叶片的气动性能是风机最基础的性能，为此，有必要在改善气动性能的方向上对叶片进行仿生改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合仿生翼型叶片，其具有较佳的气动性能；同时，本发明还提供了一种基于上述的复合仿生翼型叶片的轴流风机叶轮。
为了达到上述的目的之一，本发明提供了一种复合仿生翼型叶片，其是通过把一翼型截面进行等比缩放、旋转并沿一空间曲线进行扫掠所得；所述翼型截面包括迎风线和背风线，所述迎风线为直线，所述背风线为下凸的曲线，所述迎风线与所述背风线交汇成前点和后点，所述迎风线、背风线、前点和后点分别扫掠成所述复合仿生翼型叶片的迎风面、背风面、前缘和后缘；在所述翼型截面中，以所述迎风线的无量纲长度为100来计算，以前点为坐标系原点且X轴位于迎风线来建立第一坐标系，所述背风线经过以下坐标点（0，0）、（-5，-3.55）、（-10，-4.27）、（-20，-5.77）、（-30，-6）、（-40，-5.95）、（-50，-5.77）、（-60，-5.24）、（-70，-4.48）、（-80，-3.43）、（-90，-2.21）、（-100，0），所述翼型截面的重心点坐标为（-44.61，-2.53）；当所述复合仿生翼型叶片的叶根处的翼型截面的迎风线水平且背风线下凸放置时，在所述翼型截面从叶根到叶顶扫掠的过程中，缩放情况为先缩小再放大，旋转方向为逆时针，扫掠轨迹为先往后下方向偏移再往前下方向偏移。
进一步地，以所述复合仿生翼型叶片的径向无量纲长度为132来计算，以垂直于位于叶根处的翼型截面且经过该翼型截面的重心点的法向为径向，在径向方向上从距离位于叶根处的翼型截面1、39、77和109的位置处，并以平行于位于叶根处的翼型截面的平面对该复合仿生翼型叶片分别截取得到特征截面一、特征截面二、特征截面三和特征截面四；在所述翼型截面从所述特征截面一往特征截面二再往特征截面三扫掠的过程中，缩放情况为逐渐缩小，扫掠轨迹为不断往后下方向偏移；在所述翼型截面从所述特征截面三往特征截面四扫掠的过程中，缩放情况为逐渐放大，扫掠轨迹为不断往前下方向偏移。
进一步地，所述特征截面一的迎风线长度为101-104，所述特征截面二的迎风线长度为97-100，所述特征截面三的迎风线长度为94-97，所述特征截面四的迎风线长度为96-99。
进一步地，所述特征截面一的迎风线长度为102，所述特征截面二的迎风线长度为100，所述特征截面三的迎风线长度为95，所述特征截面四的迎风线长度为98。
进一步地，所述特征截面二的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为6-7°，所述特征截面三的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为12-13°，所述特征截面四的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为17-18°。
进一步地，所述特征截面二的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为6.3°，所述特征截面三的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为12.4°，所述特征截面四的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为17.4°。
进一步地，以特征截面一的重心点为坐标系原点且X轴平行于特征截面一的迎风线来建立第二坐标系，所述特征截面二的重心点在所述第二坐标系上的投影坐标为（-2，-6），所述特征截面三的重心点在所述第二坐标系上的投影坐标为（-13,-10），所述特征截面四的重心点在所述第二坐标系上的投影坐标为（-15，-7）。
进一步地，所述复合仿生翼型叶片的叶根和叶顶处均为圆弧状，在所述复合仿生翼型叶片的叶根设置有转动安装头。
为了达到上述的目的之二，本发明还提供了一种轴流风机叶轮，包括轮毂，所述轮毂的外周环周地设置有如上所述的复合仿生翼型叶片。
进一步地，所述复合仿生翼型叶片相对于所述轮毂的旋转平面的扭角可调。
本发明所提供的一种复合仿生翼型叶片，其为采用翼型截面扫掠而得，该翼型截面为非常规设计，而在扫掠时是以猫头鹰羽翼的形状为基础并作进一步优化改进所得，在综合考虑了临界冲角、弯掠积叠、端区处理等因素后，在扫掠时不同位置处的翼型截面的迎风线长度（也即弦长）、翼型截面的扭角均不同，配合特殊走向的扫掠轨迹，得出了该种复合仿生翼型叶片。该种复合仿生翼型叶片能够使端部边界层减薄和清除近背风面的角隅区边界层堆积，改善端部区域的气流分层，从而改善气动性能，进而提高风机性能。
附图说明
图1是本发明的复合仿生翼型叶片的立体结构示意图一；
图2是本发明的复合仿生翼型叶片的立体结构示意图二；
图3是翼型截面的结构示意图；
图4是本发明的复合仿生翼型叶片的俯视图；
图5是图4中A-A截面的示意图；
图6是图4中B-B截面的示意图；
图7是图4中C-C截面的示意图；
图8是图4中D-D截面的示意图；
图9是本发明的复合仿生翼型叶片设置有转动安装头时的立体结构示意图；
图10是本发明的轴流风机叶轮的立体结构示意图；
图11是本发明的轴流风机叶轮的主视图；
图12是本发明的轴流风机叶轮的俯视图；
图13是图12中的E-E截面的示意图；
图14是图12中的F-F截面的示意图；
图15是图12中的G-G截面的示意图；
图16是图12中的H-H截面的示意图。
附图标记说明：
1-迎风面；
2-背风面；
3-前缘；
4-后缘；
5-叶根、51-位于叶根处的翼型截面；
6-叶顶；
71-迎风线、72-背风线、73-前点、74-后点、75-重心点；
8-转动安装头；
91-轮毂、92-复合仿生翼型叶片。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作详细说明。
在本发明中，当出现方位词时，对于方位词，是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
本发明提供了一种复合仿生翼型叶片，其是通过把一翼型截面进行等比缩放、旋转并沿一空间曲线进行扫掠所得。设计时，该种复合仿生翼型叶片采用了仿生和气动分析等技术，首先，其翼型截面为非常规设计，其次，其以猫头鹰的羽翼作为仿生基础，在扫掠时对翼型截面进行非常规的缩放、旋转和沿特殊轨迹进行扫掠，使其侧向观察像猫头鹰的羽翼，同时也具备轴流风机的叶片的使用特性，最终使得该复合仿生翼型叶片的气动性能得到大幅度改善。
如图3所示，翼型截面包括迎风线71和背风线72，迎风线71为直线，背风线72为下凸的曲线，迎风线71与背风线72交汇成前点73和后点74，经过扫掠后，迎风线71、背风线72、前点73和后点74分别扫掠成如图1和图2所示的复合仿生翼型叶片的迎风面1、背风面2、前缘3和后缘4。
该复合仿生翼型叶片在采用翼型截面进行扫掠的过程中，翼型截面需要同时进行等比例缩放，为此本实施例中采用无量纲的方式对翼型截面的形状进行说明，也即基于该无量纲的基础形状，在扫掠得到该复合仿生翼型叶片时各位置处的截面形状是基于该基础形状进行等比例缩放所得。
翼型截面由上下两条线段组成，且由于迎风线71为直线，背风线72为下凸的曲线，把翼型截面置于坐标系中并通过对线段的关键位置取样并标记坐标位置，便能对翼型截面的形状进行说明。如图3所示，以迎风线71的无量纲长度为100来计算，为了方便说明，以前点73为坐标系原点且X轴位于迎风线71来建立第一坐标系xOy1，背风线72经过以下坐标点（0，0）、（-5，-3.55）、（-10，-4.27）、（-20，-5.77）、（-30，-6）、（-40，-5.95）、（-50，-5.77）、（-60，-5.24）、（-70，-4.48）、（-80，-3.43）、（-90，-2.21）、（-100，0），翼型截面的重心点75坐标为（-44.61，-2.53）。基于叶片的惯常设计理念，背风线72的坐标点之间为平滑过渡，在上述坐标点的限定下，得到本实施例的翼型截面。
当复合仿生翼型叶片的叶根5处的翼型截面的迎风线71水平且背风线72下凸放置时，在翼型截面从叶根5到叶顶6扫掠的过程中，缩放情况为先缩小再放大，旋转方向为逆时针，扫掠轨迹为先往后下（X轴的正向为前反向为后，Y轴的正向为上反向为下）方向偏移再往前下方向偏移。根据空气动力学理论和实验研究，叶片随着冲角的增加，升力系数也将增加，但当增加到某一个极限后再增加冲角的话，升力系数反而减小，这个极限处的冲角就是临界冲角。本发明在选用了特定的翼型截面后，基于对临界冲角及叶片径向方向上气流特性的研究，设计出如上所述的翼型截面先缩小再放大、不断弯扭且有特殊扫掠路径的复合仿生翼型叶片，经测试，该种复合仿生翼型叶片能够使端部边界层减薄和清除近背风面的角隅区边界层堆积，改善端部区域的气流分层，从而改善气动性能，进而提高风机性能。
在实际制造过程中，由于风机规格各异，使用在不同直径的风机（或叶轮）中的叶片大小也不同，本实施例所提供的一种复合仿生翼型叶片是可整体等比例缩放后适配各种直径的风机（或叶轮）的，为此，本实施例中采用无量纲的方式对复合仿生翼型叶片的形状进行说明。
如图4至8所示，以复合仿生翼型叶片的径向无量纲长度为132（图4中的R1）来计算，以垂直于位于叶根处的翼型截面51且经过该翼型截面的重心点的法向为径向（图4中虚线箭头所指方向），在径向方向上从距离位于叶根处的翼型截面1（图4中的H1）、39（图4中的H2）、77（图4中的H3）和109（图4中的H4）的位置处，并以平行于位于叶根处的翼型截面51的平面对该复合仿生翼型叶片分别截取得到特征截面一（A-A）、特征截面二（B-B）、特征截面三（C-C）和特征截面四（D-D）；在翼型截面从特征截面一（A-A）往特征截面二（B-B）再往特征截面三（C-C）扫掠的过程中，旋转方向为不断逆时针旋转，缩放情况为逐渐缩小，扫掠轨迹为不断往后下方向偏移；在翼型截面从特征截面三（C-C）往特征截面四（D-D）扫掠的过程中，旋转方向为不断逆时针旋转，缩放情况为逐渐放大，扫掠轨迹为不断往前下方向偏移。在除上特征截面以外，其他位置处的叶型可根据叶片的惯常设计理念进行设计，如图9所示，在叶根5和叶顶6处均为圆弧状以匹配轮毂91和风筒，如在该复合仿生翼型叶片的叶根5设置有转动安装头8，使叶片以组装并可调的方式安装在轮毂91，适应不同的工况需求。
在本实施例中，在复合仿生翼型叶片的径向无量纲长度为132的情况下，特征截面一（A-A）的迎风线长度L1为101-104，特征截面二（B-B）的迎风线长度L2为97-100，特征截面三（C-C）的迎风线长度L3为94-97，特征截面四（D-D）的迎风线长度L4为96-99。进一步优选地，如图5至图8所示，特征截面一（A-A）的迎风线长度L1为102，特征截面二（B-B）的迎风线长度L2为100，特征截面三（C-C）的迎风线长度L3为95，特征截面四（D-D）的迎风线长度L4为98。
在本实施例中，特征截面二（B-B）的迎风线与特征截面一（A-A）的迎风线间的夹角∠2为6-7°，特征截面三（C-C）的迎风线与特征截面一（A-A）的迎风线间的夹角∠3为12-13°，特征截面四（D-D）的迎风线与特征截面一（A-A）的迎风线间的夹角∠4为17-18°。进一步优选地，如图6至图8所示，特征截面二（B-B）的迎风线与特征截面一（A-A）的迎风线间的夹角∠2为6.3°，特征截面三（C-C）的迎风线与特征截面一（A-A）的迎风线间的夹角∠3为12.4°，特征截面四（D-D）的迎风线与特征截面一（A-A）的迎风线间的夹角∠4为17.4°。
在本实施例中，如图5至图8所示，为了方便说明，以特征截面一（A-A）的重心点为坐标系原点且X轴平行于特征截面一（A-A）的迎风线来建立第二坐标系xOy2，在复合仿生翼型叶片的径向无量纲长度为132的情况下，特征截面二（B-B）的重心点在第二坐标系xOy2上的投影坐标为（-2，-6），特征截面三（C-C）的重心点在第二坐标系xOy2上的投影坐标为（-13,-10），特征截面四（D-D）的重心点在第二坐标系xOy2上的投影坐标为（-15，-7）。应当能理解的是，当特征截面一（A-A）发生旋转时，由于扫掠轨迹会一起发生旋转，因此其他特征截面的重心点坐标也对应发生变化。该实施例所给的坐标数据仅为了表明扫掠轨迹的走向，并不构成对扫掠轨迹上的点的严格坐标限定。
本发明还提供了一种轴流风机叶轮，如图10至图16所示，其包括轮毂91，轮毂91的外周环周地设置有如上的复合仿生翼型叶片92。优选地，复合仿生翼型叶片92相对于轮毂91的旋转平面的扭角可调。
测试对比
对比例采用规格型号为POG-4A的轴流风机，电机型号为YS711-4-0.25KW，叶片为该规格型号的轴流风机的原叶片，叶轮半径为200mm，轮毂半径为68mm，叶片数量为6，对比例的关键性能测试结果如表1所示。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAA
测试例采用规格型号同为POG-4A的轴流风机，电机型号同为YS711-4-0.25KW，不同点在于测试例采用本发明所提供的复合仿生翼型叶片组成叶轮，叶片数量为6，叶轮半径R2为200mm，轮毂半径R3为68mm，也即叶片长度R1为132mm。叶轮结构如图10至图12所示。
对应地，在径向方向上从距离叶根处的翼型截面1mm（图12中的H5）、39mm（图12中的H6）、77mm（图12中的H7）和109mm（图12中的H8）的位置处，并以平行于位于叶根处的翼型截面的平面对叶片分别截取得到特征截面一（E-E）、特征截面二（F-F）、特征截面三（G-G）和特征截面四（H-H），各特征截面的关键数据如下：
如图13至图16所示，特征截面一（E-E）的迎风线长度L5为102mm，特征截面二（F-F）的迎风线长度L6为100mm，特征截面三（G-G）的迎风线长度L7为95mm，特征截面四（H-H）的迎风线长度L8为98mm。
在图13至图16中，为了表示各特征截面的重心的位置及走向，采用十字标记来表示特征截面一（E-E）的重心点的位置。
如图13所示，特征截面一（E-E）的迎风线相对于轮毂的旋转平面的扭角∠5为46°。特征截面二（F-F）的迎风线与特征截面一（E-E）的迎风线间的夹角为6.3°（如图14所示，也即特征截面二（F-F）的迎风线相对于轮毂的旋转平面的扭角∠6为39.7°）。特征截面三（G-G）的迎风线与特征截面一（E-E）的迎风线间的夹角为12.4°（如图15所示，也即特征截面三（G-G）的迎风线相对于轮毂的旋转平面的扭角∠7为33.6°）。特征截面四（H-H）的迎风线与特征截面一（E-E）的迎风线间的夹角为17.4°（如图16所示，也即特征截面四（H-H）的迎风线相对于轮毂的旋转平面的扭角∠8为28.6°）。测试例的关键性能测试结果如表2所示。
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
对比得到，测试例相比于对比例流量提高18~20%，压力提高46~62%，效率提高32%，比A声级降低5dB。可见，基于该种复合仿生翼型叶片所得到的叶轮具有较佳的气动性能，能够提高风机的性能。
在不冲突的情况下，上述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种复合仿生翼型叶片，其特征在于：其是通过把一翼型截面进行等比缩放、旋转并沿一空间曲线进行扫掠所得；
所述翼型截面包括迎风线和背风线，所述迎风线为直线，所述背风线为下凸的曲线，所述迎风线与所述背风线交汇成前点和后点，所述迎风线、背风线、前点和后点分别扫掠成所述复合仿生翼型叶片的迎风面、背风面、前缘和后缘；
在所述翼型截面中，以所述迎风线的无量纲长度为100来计算，以前点为坐标系原点且X轴位于迎风线来建立第一坐标系，所述背风线经过以下坐标点（0，0）、（-5，-3.55）、（-10，-4.27）、（-20，-5.77）、（-30，-6）、（-40，-5.95）、（-50，-5.77）、（-60，-5.24）、（-70，-4.48）、（-80，-3.43）、（-90，-2.21）、（-100，0），所述翼型截面的重心点坐标为（-44.61，-2.53）；
当所述复合仿生翼型叶片的叶根处的翼型截面的迎风线水平且背风线下凸放置时，在所述翼型截面从叶根到叶顶扫掠的过程中，缩放情况为先缩小再放大，旋转方向为逆时针，扫掠轨迹为先往后下方向偏移再往前下方向偏移。
2.根据权利要求1所述的复合仿生翼型叶片，其特征在于：以所述复合仿生翼型叶片的径向无量纲长度为132来计算，以垂直于位于叶根处的翼型截面且经过该翼型截面的重心点的法向为径向，在径向方向上从距离位于叶根处的翼型截面1、39、77和109的位置处，并以平行于位于叶根处的翼型截面的平面对该复合仿生翼型叶片分别截取得到特征截面一、特征截面二、特征截面三和特征截面四；
在所述翼型截面从所述特征截面一往特征截面二再往特征截面三扫掠的过程中，缩放情况为逐渐缩小，扫掠轨迹为不断往后下方向偏移；在所述翼型截面从所述特征截面三往特征截面四扫掠的过程中，缩放情况为逐渐放大，扫掠轨迹为不断往前下方向偏移。
3.根据权利要求2所述的复合仿生翼型叶片，其特征在于：所述特征截面一的迎风线长度为101-104，所述特征截面二的迎风线长度为97-100，所述特征截面三的迎风线长度为94-97，所述特征截面四的迎风线长度为96-99。
4.根据权利要求3所述的复合仿生翼型叶片，其特征在于：所述特征截面一的迎风线长度为102，所述特征截面二的迎风线长度为100，所述特征截面三的迎风线长度为95，所述特征截面四的迎风线长度为98。
5.根据权利要求2所述的复合仿生翼型叶片，其特征在于：所述特征截面二的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为6-7°，所述特征截面三的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为12-13°，所述特征截面四的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为17-18°。
6.根据权利要求5所述的复合仿生翼型叶片，其特征在于：所述特征截面二的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为6.3°，所述特征截面三的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为12.4°，所述特征截面四的迎风线与所述特征截面一的迎风线间的夹角为17.4°。
7.根据权利要求2至6中任意一项所述的复合仿生翼型叶片，其特征在于：以特征截面一的重心点为坐标系原点且X轴平行于特征截面一的迎风线来建立第二坐标系，所述特征截面二的重心点在所述第二坐标系上的投影坐标为（-2，-6），所述特征截面三的重心点在所述第二坐标系上的投影坐标为（-13,-10），所述特征截面四的重心点在所述第二坐标系上的投影坐标为（-15，-7）。
8.根据权利要求1所述的复合仿生翼型叶片，其特征在于：所述复合仿生翼型叶片的叶根和叶顶处均为圆弧状，在所述复合仿生翼型叶片的叶根设置有转动安装头。
9.一种轴流风机叶轮，包括轮毂，其特征在于：所述轮毂的外周环周地设置有如权利要求1至8中任意一项所述的复合仿生翼型叶片。
10.根据权利要求9所述的轴流风机叶轮，其特征在于：所述复合仿生翼型叶片相对于所述轮毂的旋转平面的扭角可调。
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