CN115929688A

CN115929688A - 一种轴流风机的叶片及应用有该叶片的轴流风机

Info

Publication number: CN115929688A
Application number: CN202211540823.4A
Authority: CN
Inventors: 凌杰达
Original assignee: Ningbo Fotile Kitchen Ware Co Ltd
Current assignee: Ningbo Fotile Kitchen Ware Co Ltd
Priority date: 2022-12-02
Filing date: 2022-12-02
Publication date: 2023-04-07

Abstract

本发明公开了一种轴流风机的叶片及应用有该叶片的轴流风机，轴流风机的叶片整体前掠角度为θ，前掠的积叠线以span＝0.5为界进行分隔，包括第一叶顶积叠点、第一中间积叠点和第一叶根积叠点；span＝0.5之下的叶片的前掠角度为θ₁；将第一叶根积叠点和第一中间积叠点连线得到第一直线，将第一中间积叠点和第一叶顶积叠点连线得到第二直线，第一直线的长度为l₁，第二直线的长度为l₂；经过上述三个积叠点的前掠的积叠线为类弧线，第一下半积叠线与第一直线的最大距离为t₁，第一上半积叠线与第二直线的最大距离为t₂，通过限定上述各参数的范围确定积叠线。

Description

一种轴流风机的叶片及应用有该叶片的轴流风机

技术领域

本发明涉及动力装置，尤其是一种轴流风机的叶片，以及应用有该轴流风机的叶片的轴流风机。

背景技术

轴流风机的工作原理是，流体沿轴向流入叶片通道，当叶轮在电机的驱动下旋转时，旋转的叶片给绕流流体一个沿轴向的推力(叶片中的流体绕流叶片时，根据流体力学原理，流体对叶片作用有一个升力，同时由作用力和反作用力相等的原理，叶片也作用给流体一个与升力大小相等方向相反的力，即推力)，此叶片的推力对流体做功，使流体的能量增加并沿轴向排出。

目前轴流风机叶片的气动设计大多以基元级进行，即对叶片不同叶高处翼型的绕流进行设计。基于基元级进行气动设计的叶片，只考虑不同叶高处二维翼型的流动，而轴流风机叶道内实际上是复杂的三维流动，由此引起的流动损失较大，常常导致轴流风机效率低于理论设计效率。对大型风机、大规模机组群而言，耗费大量能源，不环保。

为提高风机性能，也有一些方案，对轴流风机的叶片进行弯掠设计。如申请号为202010699897.7的中国专利公开的一种等厚度轴流风机的叶片及轴流风机，该叶片包括压力曲面、吸力曲面、上曲面、下曲面、前缘曲面和尾缘曲面，上曲面和下曲面与两个同轴圆柱体的侧面重合，从半径RH到RS的一系列同轴圆柱体的侧面与该轴流叶片相交得到一系列截面，每个截面的压力面曲线和吸力面曲线由通过控制弦长、前缘进口角、尾缘出口角、叶型安装角和相对弯度的三次样条曲线生成，以每个截面弦长的中点作为积叠点得到积叠线，该积叠线沿轴向前掠、周向前弯。

这种轴流风机，叶片只简单地给定了弯掠角与抛物线型，而并未考虑其他对风机性能影响较大的因素，其最优实施例的叶轮数值模拟下最高全压效率为72.5％左右，可见效率不高，而且叶片弦长在叶高方向多变，制作加工复杂度与成本大大提高。

又如申请号为202120313080.1的中国专利公开的一种整体成型的弯掠组合叶片及矿用轴流通风机，多个弯掠组合叶片沿轮毂周向均匀安装构成叶轮，采用控制弯掠组合叶片的叶身形状的重心积叠线是二次Bezier曲线的弯掠组合叶片。

这种轴流风机，给定了叶片积叠线弯和掠的控制方程，对整条积叠线特征进行整体控制，因此叶片形状控制精度要求很高，相应制作成本很高。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种轴流风机的叶片，能够提高风机效率。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种应用有上述叶片的轴流风机。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种轴流风机的叶片，所述叶片整体前掠角度为θ，其特征在于：

所述叶片前掠的积叠线以span＝0.5为界进行分隔，，span为叶片径向上的相对位置，叶片的叶顶处span＝1，叶片的叶根处span＝0，叶片前掠的积叠线包括第一叶顶积叠点、第一中间积叠点和第一叶根积叠点，其中第一中间积叠点为前掠的积叠线在span＝0.5处的积叠点；

通过θ和第一叶根积叠点确定第一叶顶积叠点的位置，span＝0.5之下的叶片的前掠角度为θ₁，通过θ₁和第一叶根积叠点确定第一中间积叠点的位置；

将第一叶根积叠点和第一中间积叠点连线得到第一直线，将第一中间积叠点和第一叶顶积叠点连线得到第二直线，所述第一直线的长度为l₁，所述第二直线的长度为l₂；

经过上述三个积叠点的前掠的积叠线为类弧线，包括在第一中间积叠点和第一叶根积叠点之间构成的第一下半积叠线以及在第一叶顶积叠点和第一中间积叠点之间构成的第一上半积叠线，所述第一下半积叠线与第一直线的最大距离为t₁，所述第一上半积叠线与第二直线的最大距离为t₂；

上述各参数满足：

通过使用叶片分段定义(上下部)的方式，精确地把握叶片不同部位、以及关键部位的前掠特点和结构参数范围，充分考虑多参数对于风机性能的影响，从而使得流阻更低，全压效率更高；不控制整条积叠线形状，重点在叶片上下两半部分各自的积叠线始尾端连线的夹角θ(即叶顶和叶根两点)，以及中间“凸起”的最高点位置(以t₁表征)，因此积叠线形状控制的可实现性更强，叶片成型成本较低。

为进一步提高性能，所述叶片为弯掠叶片。

优选的，所述叶片整体前弯角度为θ’；

所述叶片前弯的积叠线以span＝0.5为界进行分隔，所述叶片前弯的积叠线包括第二叶顶积叠点、第二中间积叠点和第二叶根积叠点，其中第二中间积叠点为前弯的积叠线在span＝0.5处的积叠点；

通过θ’和第二叶根积叠点确定第二叶顶积叠点的位置，span＝0.5之下的叶片前弯角度为θ₁’，通过θ₁’和第二叶根积叠点确定第二中间积叠点的位置；

将第二叶根积叠点和第二中间积叠点连线得到第三直线，将第二中间积叠点和第二叶顶积叠点连线得到第四直线，所述第三直线的长度为l₁’，所述第四直线的长度为l₂’；

经过上述三个积叠点的前弯的积叠线为类弧线，包括在第二中间积叠点和第二叶根积叠点之间构成的第二下半积叠线以及在第二叶顶积叠点和第二中间积叠点之间构成的第二上半积叠线，所述第二下半积叠线与第三直线的最大距离为t₁’，所述第二上半积叠线与第四直线的最大距离为t₂’；

上述各参数满足：

满足上述参数的弯掠叶片，在数值模拟下最高全压效率为81％以上(叶轮直径900mm体量下，一级能效线76％)，流阻更低，使得全压效率更高。

优选的，所述第二叶顶积叠点在周向上位于叶片的叶顶所在圆上，所述第二中间积叠点在周向上位于叶片的叶中所在圆上。

所述叶片沿叶高径向为等弦长，由此制作加工简便、成本较低。

优选的，本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种轴流风机，其特征在于：应用有如上所述的轴流风机的叶片。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过使用叶片分段定义(上下部)的方式，精确地把握叶片不同部位、以及关键部位的前掠特点和结构参数范围，充分考虑多参数对于风机性能的影响，从而使得流阻更低，全压效率更高；不控制整条积叠线形状，重点在叶片上下两半部分各自的积叠线始尾端连线的夹角θ(即叶顶和叶根两点)，以及中间“凸起”的最高点位置(以t₁表征)，因此积叠线形状控制的可实现性更强，叶片成型成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例的轴流风机的正视图；

图2为本发明实施例的轴流风机的侧视图；

图3为本发明实施例的轴流风机的叶片的尖掠积叠线示意图；

图4为本发明实施例的轴流风机的叶片的尖弯积叠线示意图；

图5为现有技术的叶片(无弯掠)和本发明实施例的叶片的性能比较曲线；

图6为现有技术的叶片(无弯掠)和本发明实施例的叶片的性能比较曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

参见图1和图2，一种轴流风机，包括至少两个叶片1以及轮毂2，各叶片1在轮毂2的外周沿轮毂2的轴向间隔地布置。本发明的轴流风机，主要用于隧道、矿井、地铁等通风，当然也可以借鉴用于吸油烟机、集成灶、公共烟道后端助排等。

为便于描述和理解本发明的方案，现进行以下定义(为本领域内较常用的定义方法)：

掠：在子午面视图角度下，不同叶高处的二维翼型在轴向的位移，翼型向来流方向位移为前掠，反之为后掠。

弯：在轴向视图角度下，不同叶高处的二维翼型在圆周方向绕当前叶片叶根处轴向为轴进行旋转，翼型向叶片压力面方向旋转为前弯，反之为后弯。

弯掠角度：在子午面视图角度下，叶根和叶顶积叠点的连线与径向夹角为掠角度；在轴向视图角度下，叶根和叶顶积叠点的连线与径向夹角为弯角度。

弯掠叶片：沿叶片展向(径向)不同叶高处二维翼型的积叠点的连线形成积叠线，轴流风机中的叶轮的叶片积叠线为直线，并与径向平行时，此时叶片没有进行弯掠处理，即叶片弯掠角度为0°。当叶根与叶顶积叠点的连线不与径向平行，或积叠线不为直线时，则为弯掠叶片。

尖掠：

本实施例的叶片1，其弯掠形式为尖掠与尖弯的结合型式。

尖掠：从叶根到叶顶，前掠速度逐渐变快的前掠类型，下文的尖弯同理。

参见图3，示出了叶片尖掠的积叠线(叶片积叠线以span＝0.5为界，分为上半积叠线和下半积叠线)示意，其中span是指在叶片1径向上的相对位置，叶顶处span＝1，叶根处span＝0，也就是说，具体的，设叶片径向截面所在半径为r_i，轴流风机外径为R₂，叶根的半径(轮毂径)为r_b，

积叠线的各参数分别为：

1)叶片1整体前掠角度为θ(图3中以轴流叶片前掠16°为例)，由此结合第一叶根积叠点为A(确定的点)可确定第一叶顶(翼型)积叠点C的位置(即轴向前移距离)，下半叶片前掠角度为θ₁，由此结合第一叶根积叠点为A可确定第一中间积叠点B(span＝0.5)的位置，；

2)将第一叶根积叠点A和第一中间积叠点B连线得到第一直线AB，将第一中间积叠点B和第一叶顶积叠点C连线得到第二直线BC，第一直线AB的长度为l₁，第二直线BC的长度为l₂；

3)经过上述三个积叠点的积叠线ABC为类弧线，第一下半积叠线AB(第一叶根积叠点A和第一中间积叠点B之间的积叠线)距离第一直线AB的最大距离为t₁，第一上半积叠线BC(第一中间积叠点B和第一叶顶积叠点之间的积叠线)距离第二直线BC的最大距离为t₂；

4)叶片各截面翼型积叠点位置优选为各截面翼型弦长l_i的40％-50％处；

上述各结构参数位于下述范围内：

优选的，

更为优选的，掠参数为：

θ＝16°

尖弯：

参见图4，示出了叶片尖弯的积叠线(叶片积叠线以span＝0.5为界分上半积叠线和下半积叠线)示意，积叠线形态符合下述规律：

1)叶片1整体前弯角度为θ’(图3中以轴流叶片前弯16°为例)，由此结合第二叶根积叠点为A’(确定的点)可确定第二叶顶(翼型)积叠点C’的位置(即在叶顶所在圆和θ’＝16°直线的交叉处)，下半叶片前弯角度θ₁’，由此结合第二叶根积叠点为A’可确定第二中间积叠点B’(span＝0.5)的位置，在叶中所在圆上；

2)将第二叶根积叠点A’和第二中间积叠点B’连线得到第三直线A’B’，将第二中间积叠点B’和第二叶顶积叠点C’连线得到第四直线B’C’，第三直线A’B’的长度为l₁’，第四直线B’C’的长度为l₂’；

3)经过上述三个积叠点的积叠线A’B’C’为类弧线，第二下半积叠线A’B’(第二叶根积叠点A’和第二中间积叠点B’之间的积叠线)距离第三直线A’B’的最大距离为t₁’，第三上半积叠线B’C’(第二中间积叠点B’和第二叶顶积叠点C’之间的积叠线)距离第四直线B’C’的最大距离为t₂’；

4)叶片各截面翼型积叠点位置优选为各截面翼型弦长l_i’的40％-50％处；

上述各结构参数位于下述范围内：

优选的，

叶片弯的积叠线形态参数与叶片掠相似，区别在于叶片弯是积叠线旋转所得，而非位移，因此第二叶顶积叠点C’在周向上位于叶顶所在圆上，第二中间积叠点B’在周向上位于叶中(沿叶片径向的中间位置)所在圆上。

优选的，弯参数为：

θ’＝12°

本发明的叶片的其他优选的参数包括：

叶片弦长：沿叶高(径向)为等弦长，优选的为105～130mm。翼型安装角：叶根截面63°～67°，叶顶截面33°～36°；翼型弯曲角：叶根截面65°～75°，叶顶截面36°～44°。其中，“翼型”指沿径向的叶片截面所呈现的二维翼型(不同半径切出来的叶片翼型形状不一样)，“弯曲角”是指翼型前缘切线和尾缘切线所形成的夹角。

在上述参数下验证性能，参见图5和图6，为本发明实施例的叶片与无弯掠原型叶片的模拟性能比较，可见采用本发明给出的叶片弯掠型式与弯掠角度，和根据理论设计所得无弯掠叶片相比，能够有效提升轴流风机性能。

可替代的，也可采用分段定义法，如将叶片分为span＝0.5两侧的上下两部分，上半部分采用本发明的弯掠定义方式，下半叶片采用其他定义方式；或者叶片下半部分采用后掠(弯)、上半部分采用前掠(弯)等组合方式；或者，其他叶片积叠线弯掠坐标点连线符合本发明弯掠型式的函数定义的。

Claims

1.一种轴流风机的叶片，所述叶片整体前掠角度为θ，其特征在于：

所述叶片前掠的积叠线以span＝0.5为界进行分隔，span为叶片径向上的相对位置，叶片的叶顶处span＝1，叶片的叶根处span＝0，叶片前掠的积叠线包括第一叶顶积叠点(C)、第一中间积叠点(B)和第一叶根积叠点(A)，其中第一中间积叠点(B)为前掠的积叠线在span＝0.5处的积叠点；

通过θ和第一叶根积叠点(A)确定第一叶顶积叠点(C)的位置，span＝0.5之下的叶片的前掠角度为θ₁，通过θ₁和第一叶根积叠点(A)确定第一中间积叠点(B)的位置；

将第一叶根积叠点(A)和第一中间积叠点(B)连线得到第一直线(AB)，将第一中间积叠点(B)和第一叶顶积叠点(C)连线得到第二直线(BC)，所述第一直线(AB)的长度为l₁，所述第二直线(BC)的长度为l₂；

经过上述三个积叠点的前掠的积叠线为类弧线，包括在第一中间积叠点(B)和第一叶根积叠点(A)之间构成的第一下半积叠线(AB)以及在第一叶顶积叠点(C)和第一中间积叠点(B)之间构成的第一上半积叠线(BC)，所述第一下半积叠线(AB)与第一直线(AB)的最大距离为t₁，所述第一上半积叠线(BC)与第二直线(BC)的最大距离为t₂；

上述各参数满足：

2.根据权利要求1所述的轴流风机的叶片，其特征在于：所述叶片为弯掠叶片。

3.根据权利要求2所述的轴流风机的叶片，其特征在于：所述叶片整体前弯角度为θ’；

所述叶片前弯的积叠线以span＝0.5为界进行分隔，所述叶片前弯的积叠线包括第二叶顶积叠点(C’)、第二中间积叠点(B’)和第二叶根积叠点(A’)，其中第二中间积叠点(B’)为前弯的积叠线在span＝0.5处的积叠点；

通过θ’和第二叶根积叠点(A’)确定第二叶顶积叠点(C’)的位置，span＝0.5之下的叶片前弯角度为θ₁’，通过θ₁’和第二叶根积叠点(A’)确定第二中间积叠点(B’)的位置；

将第二叶根积叠点(A’)和第二中间积叠点(B’)连线得到第三直线(A’B’)，将第二中间积叠点(B’)和第二叶顶积叠点(C’)连线得到第四直线(B’C’)，所述第三直线(A’B’)的长度为l₁’，所述第四直线(B’C’)的长度为l₂’；

经过上述三个积叠点的前弯的积叠线为类弧线，包括在第二中间积叠点(B’)和第二叶根积叠点(A’)之间构成的第二下半积叠线(A’B’)以及在第二叶顶积叠点(C’)和第二中间积叠点(B’)之间构成的第二上半积叠线(B’C’)，所述第二下半积叠线(A’B’)与第三直线(A’B’)的最大距离为t₁’，所述第二上半积叠线(B’C’)与第四直线(B’C’)的最大距离为t₂’；

上述各参数满足：

4.根据权利要求3所述的轴流风机的叶片，其特征在于：所述第二叶顶积叠点(C’)在周向上位于叶片的叶顶所在圆上，所述第二中间积叠点(B’)在周向上位于叶片的叶中所在圆上。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的轴流风机的叶片，其特征在于：所述叶片沿叶高径向为等弦长。

6.一种轴流风机，其特征在于：应用有如权利要求1～5中任一项所述的轴流风机的叶片。