CN115596707B - 一种带涡流发生器的轴流式叶轮 - Google Patents

一种带涡流发生器的轴流式叶轮 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风机技术领域，尤其涉及一种带涡流发生器的轴流式叶轮，其包括轮毂以及多个叶片，在各个叶片的吸力面上均设置有涡流发生器；涡流发生器为中部凸起结构，该中部凸起结构的最高点所连成的曲线为脊线，涡流发生器在吸力面上的投影包括前轮廓线、后轮廓线、内轮廓线和外轮廓线，内轮廓线、外轮廓线和脊线在吸力面上的投影均为圆弧线且它们的圆心均与叶轮的圆心重合；脊线与吸力面之间的法向距离从前端往后端逐渐减少至0并与吸力面相切，脊线的型线为样条曲线；涡流发生器的顶部轮廓与吸力面之间的法向距离从中部往两侧逐渐减少至0并与吸力面相切，该顶部轮廓的型线为样条曲线；其可以有效抑制抑制轴流风机的旋转失速。

Description

一种带涡流发生器的轴流式叶轮
技术领域
本发明涉及风机技术领域，尤其涉及一种带涡流发生器的轴流式叶轮。
背景技术
轴流风机因其结构简单、流量大、噪声水平低、体积小等特点，在通风机械中占有十分重要的位置，是矿井、厂房、地下隧道等通风、发电厂的送风引风、以及各种条件下高温和腐蚀性气体的送风的关键设备。
在实际使用中，由于管网条件变化多样，轴流风机运行时容易偏离设计工况点而进入失速工况，并在叶轮流道内产生失速团，失速团会导致叶片尾缘处产生流动分离和二次流，进而导致轴流风机的全压下降，效率降低，影响使用效果。而且叶轮旋转时还会受到失速团的扰动，若扰动的激振频率与叶轮的固有频率相等或接近时还会引发叶轮的共振，导致叶轮疲劳损坏，缩短叶轮的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带涡流发生器的轴流式叶轮，可以有效抑制轴流风机的旋转失速，解决因轴流风机进入失速工况而导致的全压下降和效率低的问题。
为了达到上述的目的，本发明提供了一种带涡流发生器的轴流式叶轮，其包括轮毂以及连接在轮毂的外周的多个叶片，在各个叶片的吸力面上均设置有多个从叶片前缘往叶片后缘方向延伸的涡流发生器，多个涡流发生器沿叶片的径向方向排布；涡流发生器为中部凸起结构，该中部凸起结构的最高点所连成的曲线为脊线，涡流发生器在吸力面上的投影包括前轮廓线、后轮廓线、内轮廓线和外轮廓线，内轮廓线、外轮廓线和脊线在吸力面上的投影均为圆弧线且它们的圆心均与叶轮的圆心重合；脊线与吸力面之间的法向距离从前端往后端逐渐减少至0并与吸力面相切，脊线的型线为样条曲线；在以经过涡流发生器的子午面对叶片进行截取所得的截面上，涡流发生器的顶部轮廓与吸力面之间的法向距离从中部往两侧逐渐减少至0并与吸力面相切，该顶部轮廓的型线为样条曲线。
进一步地，涡流发生器的轮廓面具有两条位于脊线的两侧的腰线，该两条腰线在吸力面上的投影分别位于脊线在吸力面上的投影与内轮廓线之间和脊线在吸力面上的投影与外轮廓线之间，该两条腰线在吸力面上的投影均为圆弧线且它们的圆心均与叶轮的圆心重合；在所述截面上，腰线所对应的点与吸力面之间的法向距离为脊线所对应的点与吸力面之间的法向距离的一半。
进一步地，脊线的型线为六控制点的三阶B样条曲线控制。
进一步地，以脊线的后端与吸力面的交点为坐标系原点、以脊线的各点在吸力面上的投影点与坐标系原点之间的距离为x坐标值、和以脊线的各点与吸力面之间的法向距离为y坐标值建立直角坐标系，在该直角坐标系中，所述六控制点从坐标系原点出发依次为P0、P1、P2、P3、P4、P5，P0与P1的连线与x坐标轴重合，P4与P5的连线与x坐标轴平行，P1、P2、P3、P4共线。
进一步地，以脊线的型线在x坐标轴上的投影的长度为1来计算，P0与P1的连线的长度L1为0.1-0.4，P4与P5的连线的长度L2为0.1-0.4，P1与P4的连线与x坐标轴的夹角∠1为30°-60°。
进一步地，L1为0.4，L2为0.2，∠1为45°。
进一步地，在叶轮的径向向外的方向上，越靠外的涡流发生器的尺寸越小。
进一步地，叶片的叶顶半径为RS、叶根半径为RH、高度D=RS－RH，第n个涡流发生器的内轮廓线的长度为Cn、内轮廓线与外轮廓线之间的径向距离为Bn、脊线的前端与吸力面之间的法向距离为Hn，各个涡流发生器的尺寸满足：Cn=D*（a1*（1-（Rn－RH）/D）+b1）；Bn= D*（a2*（1-（Rn－RH）/D）+ b2）；Hn= D*（a3*（1-（Rn－RH）/D）+ b3）；其中，Rn代表第n个涡流发生器的脊线在吸力面上的投影的圆弧线的半径；a1的取值范围为0.02-0.2，b1的取值范围为0.15-0.25；a2的取值范围为0.01-0.1，b2的取值范围为0.02-0.06；a3的取值范围为0.001-0.005，b3的取值范围为0.015-0.045。
进一步地，在径向方向上，各组相邻的涡流发生器的间距相等；每个叶片的涡流发生器的数量为4-8个。
进一步地，涡流发生器的前侧面垂直于其所处位置的吸力面。
本发明所提供的一种带涡流发生器的轴流式叶轮，其具有以下优点：
1、吸力面上设置的涡流发生器能够有效地将叶轮流道内的失速团分割为多个小涡旋，失速团在叶片前缘处被分割后能够有效抑制叶片尾缘处的流动分离和二次流，有效提高全压及效率，且能一定程度上降低噪声。
2、涡流发生器的轮廓是基于样条曲线设计得到的，该设计方式使得涡流发生器在三个方向上的边缘与叶片的吸力面贴合紧密，这样可减少气流阻力，提高气动效率；同时这样的设计还能够在满足分割失速团的情况下尽可能地减少涡流发生器的体积，进而减轻叶轮的整体重量，降低生产成本。
3、在进一步的方案中，本发明还对各个涡流发生器的尺寸大小按照其所处的位置进行了适应性的调整，保证了涡流发生器在自身型阻最小的情况下还能对流道分离产生抑制作用，减小分离区域，避免激振频率与叶轮的固有频率相等或接近时所引发的共振，减少叶片因疲劳所造成的损坏几率。
附图说明
图1是本发明的带涡流发生器的轴流式叶轮的俯视图；
图2是本发明的带涡流发生器的轴流式叶轮的立体图；
图3是涡流发生器在吸力面上的投影的平面展开图；
图4是图2中A处的放大图，其中，在涡流发生器上还增加显示出其脊线和腰线；
图5是图2中B处的放大图；
图6是图2中C处的放大图；
图7是以经过涡流发生器的子午面对叶片进行截取所得的截面的局部视图；
图8是脊线的型线在直角坐标系中的示意图；
图9是对比例与本实施例的全压测试结果图；
图10是对比例与本实施例的全压效率测试结果图。
附图标记说明：
01、轮毂；02、叶片；021、前缘；03、子午面；
1、吸力面；
2、涡流发生器；21、脊线；211、前端；212、后端；22、前轮廓线；23、后轮廓线；24、内轮廓线；25、外轮廓线；26、腰线；27、前侧面；
31、脊线所对应的点；32、腰线所对应的点。
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，除另有明确规定和限定，当出现术语如“设置在”、“相连”、“连接”时，这些术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接或一体连接；可以是直接相连或通过一个或多个中间媒介相连。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。对于本发明中所出现的方向词，是为了能更好地对特征的特点及特征间的关系进行说明，应当理解的是，当本发明的摆放方向发生改变时，特征的特点及特征间的关系的方向也对应发生改变，因此方向词不构成对特征的特点及特征间的关系在空间内的绝对限定作用，仅起到相对限定作用。
本发明提供了一种带涡流发生器的轴流式叶轮，如图1至图7所示，其包括轮毂01以及连接在轮毂01的外周的多个叶片02，在各个叶片02的吸力面1上均设置有多个从叶片前缘021往叶片后缘方向延伸的涡流发生器2，多个涡流发生器2沿叶片02的径向方向排布。吸力面1上设置的涡流发生器2能够有效地将叶轮流道内的失速团分割为多个小涡旋，且区别于现有技术一般把涡流发生器2设置在尾缘的前方的做法，本实施例的涡流发生器2设置在前缘021的后方，失速团在叶片02的前缘021处被分割后能够有效抑制叶片02的尾缘处的流动分离和二次流，有效提高全压及效率，且能一定程度上降低噪声。
参照图1至图4所示，涡流发生器2为中部凸起结构，该中部凸起结构的最高点所连成的曲线为脊线21，涡流发生器2在吸力面1上的投影包括前轮廓线22、后轮廓线23、内轮廓线24和外轮廓线25，内轮廓线24、外轮廓线25和脊线21在吸力面1上的投影均为圆弧线且它们的圆心均与叶轮的圆心重合。上述的结构设置使得涡流发生器2的三维形状是长条圆弧状的，这可以减少涡流发生器2对吸力面1上的气流的阻碍，提高气动效率。
参照图1、图2和图4-7所示，脊线21与吸力面1之间的法向距离从前端211往后端212逐渐减少至0并与吸力面1相切，脊线21的型线为样条曲线；在以经过涡流发生器2的子午面03（子午面03有无数个，并不局限于图1所示的一个）对叶片02进行截取所得的截面上，涡流发生器2的顶部轮廓与吸力面1之间的法向距离从中部往两侧逐渐减少至0并与吸力面1相切，该顶部轮廓的型线为样条曲线。优选地，涡流发生器2的前侧面垂直于其所处位置的吸力面。基于上述的脊线21及顶部轮廓与吸力面1相切的设置，使得涡流发生器2在三个方向上的边缘与叶片02的吸力面1之间是贴合的且平滑过渡，上述的结构使得涡流发生器2的前端211是最突出于吸力面1的，该最突出的前端211点用于分割失速团，而涡流发生器2上其他的几个方向以阻力最小的方式与吸力面1平滑过渡，这样的设置可减少气流阻力，同样具有提高气动效率的好处。同时，这样的设计还能够在满足分割失速团的情况下尽可能地减少涡流发生器2的体积，进而减轻叶轮的整体重量，降低生产成本。
在本实施例中，参照图3、图4和图7所示，涡流发生器2的轮廓面具有两条位于脊线21的两侧的腰线26，该两条腰线26在吸力面1上的投影分别位于脊线21在吸力面1上的投影与内轮廓线24之间和脊线21在吸力面1上的投影与外轮廓线25之间，该两条腰线26在吸力面1上的投影均为圆弧线且它们的圆心均与叶轮的圆心重合；在所述截面上，腰线所对应的点32与吸力面1之间的法向距离为脊线所对应的点31与吸力面1之间的法向距离的一半。不同的腰线26的高度将构成不同形状的涡流发生器2，经试验，上述的结构特点的涡流发生器2对失速团分割的效果较佳。
在本实施例中，脊线21的型线为六控制点的三阶B样条曲线控制。参照图4和图8所示，以脊线21的后端212与吸力面1的交点为坐标系原点、以脊线21的各点在吸力面1上的投影点与坐标系原点之间的距离为x坐标值、和以脊线21的各点与吸力面1之间的法向距离为y坐标值建立直角坐标系，在该直角坐标系中，六控制点从坐标系原点出发依次为P0、P1、P2、P3、P4、P5，P0与P1的连线与x坐标轴重合，P4与P5的连线与x坐标轴平行，P1、P2、P3、P4共线。优选地，以脊线21的型线在x坐标轴上的投影的长度为1来计算，P0与P1的连线的长度L1为0.1-0.4，P4与P5的连线的长度L2为0.1-0.4，P1与P4的连线与x坐标轴的夹角∠1为30°-60°。不同的脊线21将构成不同形状的涡流发生器2，经试验，通过上述方式所确定出的涡流发生器2对失速团分割的效果较佳，气动性能较好。进一步地优选地，L1为0.4，L2为0.2，∠1为45°。
在本实施例中，在叶轮的径向向外的方向上，越靠外的涡流发生器2的尺寸越小。对于涡流发生器2的尺寸确定，在参考了论文《涡流发生器设计参数对某40%厚度翼型性能影响的实验研究》（文章编号0254-0096（2022）06-0212-07）、论文《涡流发生器弦向位置对翼型动态失速的影响机理》（文章编号0254-0096（2022）11-0253-06）等现有技术的设计思路，结合对轴流风机的工作特点的理解和经过大量的改进设计及模拟分析后，总结出本实施例的涡流发生器2的较佳尺寸确定方式。参照图1、图3和图7所示，叶片02的叶顶半径为RS、叶根半径为RH、高度D=RS－RH，第n个涡流发生器2的内轮廓线24的长度为Cn、内轮廓线24与外轮廓线25之间的径向距离为Bn、脊线21的前端211与吸力面1之间的法向距离为Hn，各个涡流发生器2的尺寸满足Cn=D*（a1*（1-（Rn－RH）/D）+b1）；Bn= D*（a2*（1-（Rn－RH）/D）+ b2）；Hn= D*（a3*（1-（Rn－RH）/D）+ b3）；其中，Rn代表第n个涡流发生器2的脊线21在吸力面1上的投影的圆弧线的半径。基于上述的计算方式，D、RH的值是固定的，而位置不同的涡流发生器2所对应的Rn不同，按照Rn的值可分别计算出各个涡流发生器2的尺寸。优选地，a1的取值范围为0.02-0.2，b1的取值范围为0.15-0.25；a2的取值范围为0.01-0.1，b2的取值范围为0.02-0.06；a3的取值范围为0.001-0.005，b3的取值范围为0.015-0.045。本实施例对各个涡流发生器2的尺寸大小按照其所处的位置进行了适应性的调整，以线形关联的方式根据叶片02的高度D及涡流发生器2所处的相对叶高来确定涡流发生器2的大小，保证了涡流发生器2在自身型阻最小的情况下还能对流道分离产生抑制作用，减小分离区域，避免激振频率与叶轮的固有频率相等或接近时所引发的共振，减少叶片02因疲劳所造成的损坏几率。进一步优选地，a1的取值为0.03，b1的取值为0.2；a2的取值为0.05，b2的取值为0.03；a3的取值为0.002，b3的取值范围为0.015。
在本实施例中，在径向方向上，各组相邻的涡流发生器2的间距相等；当然，涡流发生器2不等距地布置也是可以的。每个叶片02的涡流发生器2的数量为4-8个，优选地涡流发生器2的数量为4个。
为了对本实施例进行验证，采用传统的型号为POG-3A的轴流风机作为对比例，对比例的叶片02的叶顶半径为150mm，叶根半径为68mm。本实施例采用同样的叶轮作为基础结构，但区别点在于还在叶轮的各叶片上按照上述的结构限定增设了涡流发生器2。每个叶片02上涡流发生器2的数量为4个，把叶片02沿其径向方向等分为5份，4个涡流发生器2分别设置在4个等分点处。对于涡流发生器2的脊线21的型线，控制参数L1为0.4，L2为0.2，∠1为45°。对于涡流发生器2的尺寸控制参数，a1的取值为0.03，b1的取值为0.2；a2的取值为0.05，b2的取值为0.03；a3的取值为0.002，b3的取值为0.015。对对比例和本实施例进行性能测试，得到如图9和图10所示测试数据，经过对比可看出，本实施例相对比对比例在全压数据上大幅度提高，最高全压效率点提高6%左右，优化效果明显。
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 (6)

1.一种带涡流发生器的轴流式叶轮，包括轮毂以及连接在轮毂的外周的多个叶片，其特征在于：在各个叶片的吸力面上均设置有多个从叶片前缘往叶片后缘方向延伸的涡流发生器，使失速团在叶片前缘处被涡流发生器分割，多个涡流发生器沿叶片的径向方向排布；
在叶轮的径向向外的方向上，越靠外的涡流发生器的尺寸越小；
涡流发生器为中部凸起结构，该中部凸起结构的最高点所连成的曲线为脊线，涡流发生器在吸力面上的投影包括前轮廓线、后轮廓线、内轮廓线和外轮廓线，内轮廓线、外轮廓线和脊线在吸力面上的投影均为圆弧线且它们的圆心均与叶轮的圆心重合；
脊线与吸力面之间的法向距离从前端往后端逐渐减少至0并与吸力面相切，脊线的型线为六控制点的三阶B样条曲线控制；以脊线的后端与吸力面的交点为坐标系原点、以脊线的各点在吸力面上的投影点与坐标系原点之间的距离为x坐标值、和以脊线的各点与吸力面之间的法向距离为y坐标值建立直角坐标系，在该直角坐标系中，所述六控制点从坐标系原点出发依次为P0、P1、P2、P3、P4、P5，P0与P1的连线与x坐标轴重合，P4与P5的连线与x坐标轴平行，P1、P2、P3、P4共线，以脊线的型线在x坐标轴上的投影的长度为1来计算，P0与P1的连线的长度L1为0.1-0.4，P4与P5的连线的长度L2为0.1-0.4，P1与P4的连线与x坐标轴的夹角∠1为30°-60°；
在以经过涡流发生器的子午面对叶片进行截取所得的截面上，涡流发生器的顶部轮廓与吸力面之间的法向距离从中部往两侧逐渐减少至0并与吸力面相切，该顶部轮廓的型线为样条曲线。
2.根据权利要求1所述的带涡流发生器的轴流式叶轮，其特征在于：涡流发生器的轮廓面具有两条位于脊线的两侧的腰线，该两条腰线在吸力面上的投影分别位于脊线在吸力面上的投影与内轮廓线中间和脊线在吸力面上的投影与外轮廓线中间，该两条腰线在吸力面上的投影均为圆弧线且它们的圆心均与叶轮的圆心重合；
在所述截面上，腰线所对应的点与吸力面之间的法向距离为脊线所对应的点与吸力面之间的法向距离的一半。
3.根据权利要求1所述的带涡流发生器的轴流式叶轮，其特征在于：L1为0.4，L2为0.2，∠1为45°。
4.根据权利要求1所述的带涡流发生器的轴流式叶轮，其特征在于：叶片的叶顶半径为RS、叶根半径为RH、高度D=RS－RH，第n个涡流发生器的内轮廓线的长度为Cn、内轮廓线与外轮廓线之间的径向距离为Bn、脊线的前端与吸力面之间的法向距离为Hn，各个涡流发生器的尺寸满足：
Cn=D*（a1*（1-（Rn－RH）/D）+b1）；
Bn= D*（a2*（1-（Rn－RH）/D）+ b2）；
Hn= D*（a3*（1-（Rn－RH）/D）+ b3）；
其中，Rn代表第n个涡流发生器的脊线在吸力面上的投影的圆弧线的半径；a1的取值范围为0.02-0.2，b1的取值范围为0.15-0.25；a2的取值范围为0.01-0.1，b2的取值范围为0.02-0.06；a3的取值范围为0.001-0.005，b3的取值范围为0.015-0.045。
5.根据权利要求1或2所述的带涡流发生器的轴流式叶轮，其特征在于：在径向方向上，各组相邻的涡流发生器的间距相等；每个叶片的涡流发生器的数量为4-8个。
6.根据权利要求1或2所述的带涡流发生器的轴流式叶轮，其特征在于：涡流发生器的前侧面垂直于其所处位置的吸力面。
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