CN115717604A - 一种带襟叶的后向离心风轮及其叶片叶型设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带襟叶的后向离心风轮，包括前盖板(1)、后盖板(2)、主叶(3)、襟叶(4)、所述主叶(3)和所述襟叶(4)分割前的外轮廓叶(5)，所述外轮廓叶(5)包括压力面曲线(6)、吸力面曲线(7)、中弧线(8)、叶弦(9)。所述主叶(3)尾缘曲线和所述襟叶(4)前缘曲线各设置不少于3个的控制点；所述襟叶(4)前缘曲线段的几何中心在所述中弧线(8)上，记几何中心与所述襟叶(4)尾缘点连线与该几何中心与所述外轮廓叶(5)尾缘点连线之间的夹角为θ，所述襟叶(4)可通过所述前缘几何中心旋转，从而改变θ角，满足多设计点要求。本发明通过对所给的关键形状参数进行优选，拓宽该后向离心风轮的适用工况。

Description

一种带襟叶的后向离心风轮及其叶片叶型设计方法
技术领域
本发明属于风轮领域，更具体地，涉及一种带襟叶形式的后向离心风叶及其叶片叶型设计方法，尤其适用于空调天花机的后向离心风叶。
背景技术
离心式通风机具有小流量和高压力的特点，被广泛应用于各个工业部门，主要包括矿业、石油化工、建筑通风、电厂和民用空调等领域。其主要特征为气体沿轴向进入，经叶片旋转做功，使气体在叶轮内沿径向流动，进而把机械能转化为气体的势能。然而，由于离心式通风机的内部流场存在流动分离、二次流、射流-尾迹等流动现象，并且来流气体会对叶轮底盘进行冲击，使得离心式通风机的内部流动损失相较于其他型式的叶轮更大，也更为复杂。随着离心式通风机的应用越来越广泛，需要对其结构进行进一步的改进，减少流动损失，提高工作效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对空调天花机后向离心风叶抗压性差、易失速等问题，提出了一种带襟叶结构的风叶，采用控制点加分段可控二次曲线方法构建两段叶型外形，并对风叶关键参数进行改进，包括弦长、前缘进口角、尾缘出口角、叶型相对弯度，以减少流道内的流动损失，能够有效抑制叶片尾缘处的流动分离和二次流，提高出口静压及效率。
为实现上述目的，按照本发明提供了一种带襟叶结构的后向离心风轮，该后向离心风轮包括前盖板、后盖板、主叶、襟叶，主叶和襟叶分割前的外轮廓叶，所述外轮廓叶包括压力面曲线、吸力面曲线、中弧线、叶弦。其中，
标准设计工况时，先设计单叶片叶型，再通过切割将单叶片切割为两段叶，前段为所述主叶，后段为所述襟叶，记该初始设计的单叶片为所述外轮廓叶，所述前盖板中心与所述后盖板中心的连线为旋转轴，如图3所示，在叶高50％处垂直旋转轴截一平面，该平面与旋转轴的交点为O，叶片与该平面的相交曲线为所述外轮廓叶的叶型，叶型先接触气流的部分为前缘，气流脱离叶型处为尾缘，记前缘最靠前的点为前缘点A，尾缘最靠后的点为尾缘点B，所述外轮廓叶的叶型由连接前缘点A和尾缘点B的两条曲线构成，上方为所述压力面曲线，下方为所述吸力面曲线，与所述压力面曲线和所述吸力面曲线距离相同的曲线为所述中弧线，所述外轮廓叶前缘点A与尾缘点B的连线为所述叶弦，记其长度为L，以所述叶弦作为平面直角坐标系的X轴，前缘点A指向尾缘点B的方向为X轴正方向，垂直于X轴且与旋转方向相同的方向为Y轴正方向。所述襟叶前缘曲线段前缘点为O’，点O’在所述中弧线上，记O’与所述襟叶尾缘点B’的连线与O’与所述外轮廓叶尾缘点B的连线之间的夹角为θ，记为襟叶角，襟叶角可根据风轮运行的工况进行旋转调整以改变叶片出口角以达到多目标工况运行的设计目的。
进一步地，当为标准设计工况时，襟叶角θ＝0°；当工作工况压力更高时，襟叶角0°≤θ≤15°。
在所述外轮廓叶的基础上通过在所述主叶尾缘曲线和所述襟叶前缘曲线关键位置各设置不少于3个的控制点，通过可控二次曲线调整点的位置以将单叶片切割为所述主叶和所述襟叶两段叶。
进一步地，切割线由两条曲线组成，即点P1～点P3曲线段、点P4～点P6曲线段，其中，点P1～点P3曲线段构成所述主叶尾缘曲线，点P4～点P6曲线段构成所述襟叶前缘曲线段，且点P1、P4只能在所述吸力面曲线上移动，点P3、P6只能在所述压力面曲线上移动。记点P1～点P6在X轴方向上的相对位置为x/L；其中，点P1～点P3曲线段、点P4～点P6曲线段的二次曲线控制方程表达式为：y2+ax2+bxy+cx+dy+e＝0，该二次曲线可为椭圆、双曲线和抛物线，其中点P1、P3、P4、P6根据其相对位置x/L和所述外轮廓叶的曲线函数确定其坐标，点P2、点P5在所述中弧线上，可根据其相对位置x/L及所述中弧线的方程确定，则该二次曲线的系数由点P1～点P6反推确定；记点P1与点P5的连线和点P4与点P5的连线之间的夹角为α，其中α＞θ。
进一步地，控制点P2在X轴方向上的相对位置为68％～72％。
进一步地，控制点P5在X轴方向上的相对位置为72％～75％。
进一步地，点P4与点P5连线之间的夹角α为85°～125。
所述外轮廓叶按以下方法设计完成，记以O为圆心OA为半径的圆为內圆，记内圆半径为R1，以O为圆心OB为半径的圆为外圆，记外圆半径为R2，本文所述中弧线采用前、后两段指数函数曲线相切连接而成，两段曲线连接点H处的相对位置xc为拐点，此时xc为中弧线最大弯度位置，拐点距弦长的垂直距离即为中弧线最大弯度，记为f，其中f/L记为相对弯度。记以O为圆心OH为半径的圆为拐点圆，记拐点圆半径为Rc，有xc＝(Rc-R1)/(R2-R1)。所述中弧线点H处沿气流流动方向的切线与拐点圆H点与旋转方向相反的切线的夹角为切向角
Figure SMS_1
并给定连接点处的切向角
Figure SMS_2
来控制叶型前缘进口区的曲率。在前缘点A处沿气流流动方向的切线AC与內圆A点处与旋转方向相反的切线AD的夹角记为叶片进口角βb1，在尾缘点B处沿气流流动方向的切线BE与外圆B点处与旋转方向相反的切线BF的夹角记为叶片出口角βb2。所述中弧线的形状为指数函数
Figure SMS_3
的形式,其中系数a、b、c、d由设计的叶型进口角、出口角以及连接点处的切向角、相对弯度反求得到。
所述叶型厚度分布采用4控制点的3次B样条曲线，B样条曲线具有良好的切矢性，曲线在T0点与线段T1T0相切，在T3点与线段T2T3相切。当线段T1T2与线段T0T3平行时，两线段的距离为B样条最大厚度tmax的4/3。如图所示，其中x是与叶型前缘距离相对于弦长的百分比，t是x位置对应的厚度大小，通过最大厚度tmax、前缘厚度构造角ε1(线段T1T0与线段T0T3夹角)、尾缘厚度构造角ε2(线段T2T3与线段T0T3夹角)即可构造叶型厚度分布函数。
所述压力面曲线和所述吸力面曲线由沿所述中弧线叠加不同叶型厚度分布得到。
进一步地，外轮廓叶的进口角为75°-90°。
进一步地，外轮廓叶的出口角30°-45°。
进一步地，外轮廓叶的最大相对弯度位置20％-70％。
进一步地，外轮廓叶的相对弯度0.03～0.18。
进一步地，外轮廓叶的弦长90mm～130mm。
进一步地，最大厚度4％～10％。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有的设计技术相比，能够取得如下有益效果：
本发明通过采用控制点加分段可控二次曲线方法构建两段叶型外形，并对风叶关键参数进行改进，包括弦长、前缘进口角、尾缘出口角、叶型相对弯度，以减少流道内的流动损失，能够有效抑制叶片尾缘处的流动分离和二次流，提高出口静压及效率，能有效解决空调天花机后向离心风叶抗压性差、易失速等问题。
附图说明
图1是本发明带襟叶后向离心风轮立体示意图；
图2是本发明带襟叶后向离心风轮在标准工况时单叶片的立体示意图；
图3是图2在叶高50％处截面关于θ角的示意图；
图4是图2在叶高50％处截面关于α角的示意图；
图5是图2在叶高50％处截面关于关键参数的示意图；
图6是图2在叶高50％处截面叶型厚度分布曲线图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1-前盖板、2-后盖板、3-主叶、4-襟叶、5-外轮廓叶、6-压力面曲线，7-吸力面曲线，8-中弧线，9-叶弦。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中带襟叶的后向离心风轮用于传输气流，所述后向离心风轮包括前盖板(1)、后盖板(2)、主叶(3)、襟叶(4)，主叶和襟叶分割前的外轮廓叶(5)，所述外轮廓叶包括压力面曲线(6)、吸力面曲线(7)、中弧线(8)、叶弦(9)。其中，
标准设计工况时，先设计单叶片叶型，再通过切割将单叶片切割为两段叶，前段为所述主叶，后段为所述襟叶，记该初始设计的单叶片为所述外轮廓叶，所述前盖板中心与所述后盖板中心的连线为旋转轴，在叶高50％处垂直旋转轴截一平面，该平面与旋转轴的交点为O，叶片与该平面的相交曲线为所述外轮廓叶的叶型，叶型先接触气流的部分为前缘，气流脱离叶型处为尾缘，如图3所示，记前缘最靠前的点为前缘点A，尾缘最靠后的点为尾缘点B，所述外轮廓叶的叶型由连接前缘点A和尾缘点B的两条曲线构成，上方为所述压力面曲线，下方为所述吸力面曲线，与所述压力面曲线和所述吸力面曲线距离相同的曲线为所述中弧线，所述外轮廓叶前缘点A与尾缘点B的连线为所述叶弦，记其长度为L，以所述叶弦作为平面直角坐标系的X轴，前缘点A指向尾缘点B的方向为X轴正方向，垂直于X轴且与旋转方向相同的方向为Y轴正方向。所述襟叶前缘曲线段前缘点为O’，点O’在所述中弧线上，记O’与所述襟叶尾缘点B’的连线与O’与所述外轮廓叶尾缘点B的连线之间的夹角为θ，该θ的值可根据风轮运行的工况进行旋转调整以改变叶片出口角以达到多目标工况运行的设计目的。
在所述外轮廓叶的基础上通过切割线将所述外轮廓叶切割为所述主叶和所述襟叶两段叶。切割线由两条曲线组成，两条曲线关键位置各设置不少于3个的控制点，如图4所示，即点P1～点P3曲线段、点P4～点P6曲线段，其中，点P1～点P3曲线段构成所述主叶尾缘曲线，点P4～点P6曲线段构成所述襟叶前缘曲线段，且点P1、P4只能在所述吸力面曲线上移动，点P3、P6只能在所述压力面曲线上移动。记点P1～点P6在X轴方向上的相对位置为x/L；其中，点P1～点P3曲线段、点P4～点P6曲线段的二次曲线控制方程表达式为：y2+ax2+bxy+cx+dy+e＝0，该二次曲线可为椭圆、双曲线和抛物线，其中点P1、P3、P4、P6根据其相对位置x/L和所述外轮廓叶的曲线函数确定其坐标，点P2、点P5在所述中弧线上，可根据其相对位置x/L及所述中弧线的方程确定，则该二次曲线的系数由点P1～点P6反推确定；记点P1与点P5的连线和点P4与点P5的连线之间的夹角为α，其中α＞θ。
所述外轮廓叶按以下方法设计完成。如图5所示，记以O为圆心OA为半径的圆为內圆，记内圆半径为R1，以O为圆心OB为半径的圆为外圆，记外圆半径为R2，本文所述中弧线采用前、后两段指数函数曲线相切连接而成，两段曲线连接点H处的相对位置xc为拐点，此时xc为中弧线最大弯度位置，拐点距弦长的垂直距离即为中弧线最大弯度，记为f，其中f/L记为相对弯度。记以O为圆心OH为半径的圆为拐点圆，记拐点圆半径为Rc，有xc＝(Rc-R1)/(R2-R1)。所述中弧线点H处沿气流流动方向的切线与拐点圆H点与旋转方向相反的切线的夹角为切向角
Figure SMS_4
并给定连接点处的切向角
Figure SMS_5
来控制叶型前缘进口区的曲率。在前缘点A处沿气流流动方向的切线AC与內圆A点处与旋转方向相反的切线AD的夹角记为叶片进口角βb1，在尾缘点B处沿气流流动方向的切线BE与外圆B点处与旋转方向相反的切线BF的夹角记为叶片出口角βb2。所述中弧线的形状为指数函数
Figure SMS_6
的形式,其中系数a、b、c、d由设计的叶型进口角、出口角以及连接点处的切向角、相对弯度反求得到。
所述叶型厚度分布采用如图6所示的4控制点的3次B样条曲线。从图中可以看出，B样条曲线具有良好的切矢性，曲线在T0点与线段T1T0相切，在T3点与线段T2T3相切。当线段T1T2与线段T0T3平行时，两线段的距离为B样条最大厚度tmax的4/3。如图所示，其中x是与叶型前缘距离相对于弦长的百分比，t是x位置对应的厚度大小，通过最大厚度tmax、前缘厚度构造角ε1(线段T1T0与线段T0T3夹角)、尾缘厚度构造角ε2(线段T2T3与线段T0T3夹角)即可构造叶型厚度分布函数。所述压力面曲线和所述吸力面曲线由沿所述中弧线叠加不同叶型厚度分布得到。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有的设计技术相比，能够取得如下有益效果：
本发明通过采用控制点加分段可控二次曲线方法构建两段叶型外形，并对风叶关键参数进行改进，包括弦长、前缘进口角、尾缘出口角、叶型相对弯度，以减少流道内的流动损失，能够有效抑制叶片尾缘处的流动分离和二次流，提高出口静压及效率，能有效解决空调天花机后向离心风叶抗压性差、易失速等问题。
以下给出具体实施例。
实施例：
本实例中带襟叶的后向离心风轮直径为477mm，叶片数为7，外轮廓叶的进口角为88°，外轮廓叶的出口角为37°，外轮廓叶的最大相对弯度位置为32％，外轮廓叶的相对弯度0.1，对应的外轮廓叶的安装角为26°，最大厚度为8％，外轮廓叶的弦长为128mm。控制点P2在X轴方向上的相对位置为70％，控制点P5在X轴方向上的相对位置为72％，点P4与点P5连线之间的夹角α为90°。
表1原型机与实施例数值模拟结果对比(转速690rpm)
Figure SMS_7
表1为转速690rpm下原型机与实施例的数值模拟结果。在给定不同的静压条件下实施例流量增大，相对来说会降低噪声，而且功率减小、效率提升，说明通过采用本发明基于襟叶结构的后向离心风轮能有效改善风轮气动性能和声学性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，该后向离心风轮包括前盖板(1)、后盖板(2)、主叶(3)、襟叶(4)，主叶和襟叶分割前的外轮廓叶(5)，所述外轮廓叶(5)包括压力面曲线(6)、吸力面曲线(7)、中弧线(8)、叶弦(9)，其中：
标准设计工况时，先设计单叶片叶型，再通过切割将单叶片切割为两段叶，前段为所述主叶(3)，后段为所述襟叶(4)，记该初始设计的单叶片为所述外轮廓叶(5)，所述前盖板(1)中心与所述后盖板(2)中心的连线为旋转轴，在叶高50％处垂直旋转轴截一平面，该平面与旋转轴的交点为O，叶片与该平面的相交曲线为所述外轮廓叶(5)的叶型，叶型先接触气流的部分为前缘，气流脱离叶型处为尾缘，记前缘最靠前的点为前缘点A，尾缘最靠后的点为尾缘点B，所述外轮廓叶(5)的叶型由连接前缘点A和尾缘点B的两条曲线构成，上方为所述压力面曲线(6)，下方为所述吸力面曲线(7)，与所述压力面曲线(6)和所述吸力面曲线(7)距离相同的曲线为所述中弧线(8)，所述外轮廓叶(5)前缘点A与尾缘点B的连线为所述叶弦(9)，记其长度为L，以所述叶弦(9)作为平面直角坐标系的X轴，前缘点A指向尾缘点B的方向为X轴正方向，垂直于X轴且与旋转方向相同的方向为Y轴正方向，所述襟叶(4)前缘曲线段前缘点为O’，点O’在所述中弧线(8)上，记O’与所述襟叶(4)尾缘点B’的连线与O’与所述外轮廓叶(5)尾缘点B的连线之间的夹角为θ，记为襟叶角，襟叶角可根据风轮运行的工况进行旋转调整以改变叶片出口角以达到多目标工况运行的设计目的。
2.如权利要求1所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，当为标准设计工况时，襟叶角θ＝0°；当工作工况压力更高时，襟叶角0°≤θ≤15°。
3.如权利要求1所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，在所述外轮廓叶(5)的基础上通过在所述主叶(3)尾缘曲线和所述襟叶(4)前缘曲线关键位置各设置不少于3个的控制点，通过可控二次曲线调整点的位置以将单叶片切割为所述主叶(3)和所述襟叶(4)两段叶：
切割线由两条曲线组成，即点P1～点P3曲线段、点P4～点P6曲线段，其中，点P1～点P3曲线段构成所述主叶(3)尾缘曲线，点P4～点P6曲线段构成所述襟叶(4)前缘曲线段，且点P1、P4只能在所述吸力面曲线(7)上移动，点P3、P6只能在所述压力面曲线(6)上移动，记点P1～点P6在X轴方向上的相对位置为x/L，其中，点P1～点P3曲线段、点P4～点P6曲线段的二次曲线控制方程表达式为：y2+ax2+bxy+cx+dy+e＝0，该二次曲线可为椭圆、双曲线和抛物线，其中点P1、P3、P4、P6根据其相对位置x/L和所述外轮廓叶(5)的曲线函数确定其坐标，点P2、点P5在所述中弧线(8)上，可根据其相对位置x/L及所述中弧线(8)的方程确定，则该二次曲线的系数由点P1～点P6反推确定；记点P1与点P5的连线和点P4与点P5的连线之间的夹角为α，其中α＞θ。
4.如权利要求3所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，控制点P2在X轴方向上的相对位置为68％～72％。
5.如权利要求3所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，控制点P5在X轴方向上的相对位置为72％～75％。
6.如权利要求3所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，点P4与点P5连线之间的夹角α为85°-125°。
7.如权利要求1所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，所述外轮廓叶(5)按以下方法设计完成：记以O为圆心OA为半径的圆为內圆，记内圆半径为R1，以O为圆心OB为半径的圆为外圆，记外圆半径为R2，本文所述中弧线(8)采用前、后两段指数函数曲线相切连接而成，两段曲线连接点H处的相对位置xc为拐点，此时xc为中弧线最大弯度位置，拐点距弦长的垂直距离即为中弧线最大弯度，记为f，其中f/L记为相对弯度；记以O为圆心OH为半径的圆为拐点圆，记拐点圆半径为Rc，有xc＝(Rc-R1)/(R2-R1)；所述中弧线(8)点H处沿气流流动方向的切线与拐点圆H点与旋转方向相反的切线的夹角为切向角
Figure QLYQS_1
并给定连接点处的切向角
Figure QLYQS_2
来控制叶型前缘进口区的曲率，在前缘点A处沿气流流动方向的切线AC与內圆A点处与旋转方向相反的切线AD的夹角记为叶片进口角βb1，在尾缘点B处沿气流流动方向的切线BE与外圆B点处与旋转方向相反的切线BF的夹角记为叶片出口角βb2，所述中弧线(8)的形状为指数函数
Figure QLYQS_3
的形式,其中系数a、b、c、d由设计的叶型进口角、出口角以及连接点处的切向角、相对弯度反求得到；
所述叶型厚度分布采用4控制点的3次B样条曲线，B样条曲线具有良好的切矢性，曲线在T0点与线段T1T0相切，在T3点与线段T2T3相切，当线段T1T2与线段T0T3平行时，两线段的距离为B样条最大厚度tmax的4/3，如图所示，其中x是与叶型前缘距离相对于弦长的百分比，t是x位置对应的厚度大小，通过最大厚度tmax、前缘厚度构造角ε1(线段T1T0与线段T0T3夹角)、尾缘厚度构造角ε2(线段T2T3与线段T0T3夹角)即可构造叶型厚度分布函数；
所述压力面曲线(6)和所述吸力面曲线(7)由沿所述中弧线(8)叠加不同叶型厚度分布得到。
8.如权利要求7所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，外轮廓叶的进口角为75°-90°。
9.如权利要求7所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，外轮廓叶的出口角30°-45°。
10.如权利要求7所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，外轮廓叶的最大相对弯度位置20％-70％。
11.如权利要求7所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，外轮廓叶的相对弯度0.03～0.18。
12.如权利要求7所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，外轮廓叶的弦长90mm～130mm。
13.如权利要求7所述的一种带襟叶的后向离心风轮，其特征在于，最大厚度4％～10％。
14.一种权利要求1～13任意一项所述的具有带襟叶结构的离心叶轮的应用，其特征在于，所述离心叶轮用于空调天花机。
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