CN115949619A - 带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法及叶轮 - Google Patents

带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法及叶轮 Download PDF

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CN115949619A CN202310231093.8A CN202310231093A CN115949619A CN 115949619 A CN115949619 A CN 115949619A CN 202310231093 A CN202310231093 A CN 202310231093A CN 115949619 A CN115949619 A CN 115949619A
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Abstract

本发明公开了带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法及叶轮，涉及风机技术领域。方法包括：确定单位中弧线；对单位中弧线叠加相应厚度分布，得到单位叶型；确定基准弦长和叶型安装位置，根据基准弦长与单位中弧线的比例对应缩放单位叶型，得到二维基准叶型；确定在叶轮轴向方向周期变化的弦长分布系数；根据弦长分布系数确定轴向方向各个二维基准叶型的缩放系数，并根据对应的缩放系数对各个二维基准叶型进行缩放，得到三维叶型。在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，使叶片本体的吸力面形成凸脊结构，实现通过表面结构的改变来破坏流场中的湍流涡结构，干扰湍流大涡的形成，抑制湍流猝发，有效地减少多翼离心风机流动损失，降低气动噪声。

Description

带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法及叶轮
技术领域
本发明涉及风机技术领域，特别是一种带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法及叶轮。
背景技术
随着人民生活水平和健康意识的大幅提升，以及对室内空气污染问题的日渐重视，空气净化器、新风系统等设备的销量近年来不断攀升，多翼离心风机在这些设备中如何高效、稳定、安静地运行是相关产品设计和工程优化中的关键问题。
现有多翼离心风机的叶片的吸力面大多为光滑弧面，在运作中，风叶的吸力面容易出现湍流结构，形成湍流大涡，从而诱发湍流，增大摩擦阻力，不利于多翼离心风机高效、稳定地运行。此外，现有的风机叶片锯齿尾缘采用直接切除的方式，这样导致叶片尾缘处的出口角发生变化，不利于风机安静运行。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法及叶轮，以提高风机在高效、稳定、安静三大方面的性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明第一方面公开了带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法，用于设计带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶，尾缘锯齿型风叶包括叶片本体，所述叶片本体在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，以在所述叶片本体的尾缘形成锯齿，并在所述叶片本体的吸力面形成凸脊，所述凸脊沿所述叶片本体的弧长方向延伸设置，所述凸脊与所述锯齿的波峰对应设置；所述方法包括如下步骤：
根据输入的翼型设计参数确定单位中弧线；
根据输入的厚度分布设计参数确定厚度分布，并对所述单位中弧线叠加相应厚度分布，得到单位叶型；
根据输入的叶轮设计参数确定基准弦长和叶型安装位置，并根据所述基准弦长与单位中弧线的比例对应缩放单位叶型，得到二维基准叶型；
根据输入的锯齿设计参数确定在叶轮轴向方向周期变化的弦长分布系数；根据所述弦长分布系数确定轴向方向各个所述二维基准叶型的缩放系数，并根据对应的缩放系数对各个所述二维基准叶型进行缩放，得到三维叶型。
作为一种可选的实施例，本发明第二方面中，所述根据输入的翼型设计参数确定单位中弧线包括如下步骤：
定义第一指数中弧线方程和第二指数中弧线方程：
Figure SMS_1
（1）；
Figure SMS_2
(2)；
公式（1）和公式（2）中，
Figure SMS_12
为第一指数中弧线方程；
Figure SMS_13
为第二指数中弧线方程；
Figure SMS_14
为第一指数中弧线和第二指数中弧线在坐标系的横坐标，
Figure SMS_15
为第一指数中弧线与第二指数中弧线的连接点的横坐标，
Figure SMS_16
的范围为0.3~0.7；第一指数中弧线与第二指数中弧线的连接点为两段曲线的拐点，则有
Figure SMS_17
；
Figure SMS_18
、
Figure SMS_3
、
Figure SMS_4
、
Figure SMS_5
、
Figure SMS_6
、
Figure SMS_7
、
Figure SMS_9
、
Figure SMS_10
分别为待求解的参数；限定第一指数中弧线的起始点与坐标系圆点重合，则有
Figure SMS_11
；限定第二指数中弧线的终止点的横坐标为
Figure SMS_8
，即第二指数中弧线的终止点的坐标为
Figure SMS_19
，则有
Figure SMS_20
，
Figure SMS_21
为第二指数中弧线的终止点的纵坐标；
第一指数中弧线和第二指数中弧线构成的单位中弧线的弦长通过公式（3）计算得出：
Figure SMS_22
（3）；
公式（3）中的
Figure SMS_23
为单位中弧线的弦长；
单位中弧线的安装角通过公式（4）计算得出：
Figure SMS_24
（4）；
公式（4）中的
Figure SMS_25
为安装角；
根据输入的翼型设计参数求解第一指数中弧线方程和第二指数中弧线方程中的
Figure SMS_27
、
Figure SMS_28
、
Figure SMS_29
、
Figure SMS_30
、
Figure SMS_31
、
Figure SMS_32
、
Figure SMS_33
、
Figure SMS_26
方程参数；所述翼型设计参数包括第一指数中弧线与第二指数中弧线的连接点的横坐标、前缘的几何进口角、尾缘的几何出口角以及两段指数中弧线连接点处的切向角，即有如下函数关系式：
Figure SMS_34
，
Figure SMS_35
，
Figure SMS_36
；
其中，
Figure SMS_37
为前缘的几何进口角，
Figure SMS_38
为两段指数中弧线连接点处的切向角，
Figure SMS_39
为尾缘的几何出口角，
Figure SMS_40
的范围为45°~75°，
Figure SMS_41
的范围为40°~65°，
Figure SMS_42
的范围为30°~55°，为了让气流在叶型表面加速，保证
Figure SMS_43
；
此外，所述翼型设计参数还包括用于控制叶片前缘区域的弯度的叶型前缘控制系数
Figure SMS_44
和用于控制尾缘出口角的叶型尾缘控制系数
Figure SMS_45
，
Figure SMS_46
、
Figure SMS_47
的范围为0.2~0.8；
根据上述第一指数中弧线方程满足的条件，得到如下关系式：
Figure SMS_48
（5）；
根据上述第二指数中弧线方程满足的条件，得到如下关系式：
Figure SMS_49
（6）；
采用牛顿迭代法求出
Figure SMS_51
、
Figure SMS_52
，根据公式（5）和根据公式（6）对应求解出
Figure SMS_53
、
Figure SMS_54
、
Figure SMS_55
、
Figure SMS_56
、
Figure SMS_57
、
Figure SMS_50
。
作为一种可选的实施例，本发明第二方面中，所述厚度分布设计参数包括前缘点相对厚度、尾缘点相对厚度以及阻尼因子；
根据输入的厚度分布设计参数确定厚度分布包括如下步骤：
根据公式（7）确定厚度分布函数；
Figure SMS_58
（7）；
公式（7）中
Figure SMS_59
为阻尼因子，
Figure SMS_60
的范围为0.2~2.0；
使单位中弧线任意横坐标的相对厚度分布满足：
Figure SMS_61
（8）；
其中，
Figure SMS_62
为
Figure SMS_63
处的厚度，
Figure SMS_64
为前缘点相对厚度，
Figure SMS_65
的范围为0.03~0.06，
Figure SMS_66
为尾缘点相对厚度，
Figure SMS_67
的范围为0.02~0.04，
Figure SMS_68
为厚度分布函数。
作为一种可选的实施例，本发明第二方面中，所述对所述单位中弧线叠加相应厚度分布包括如下步骤：
过弦线上一点
Figure SMS_69
做垂直于弦线的直线交单位中弧线于
Figure SMS_70
点，得到
Figure SMS_71
点的坐标
Figure SMS_72
后，作出过
Figure SMS_73
点的切线和法线，在法线方向有：
吸力面坐标
Figure SMS_74
Figure SMS_75
（9）；
以及压力面坐标
Figure SMS_76
Figure SMS_77
（10）；
对叶型前缘和叶型尾缘进行圆形倒角，根据公式（11）得到叶型前缘直径；
Figure SMS_78
（11）；
公式（11）中，
Figure SMS_79
为叶型前缘直径，
Figure SMS_80
为前缘点相对厚度；
根据公式（12）得到叶型尾缘直径；
Figure SMS_81
（12）；
公式（12）中，
Figure SMS_82
为叶型尾缘直径，
Figure SMS_83
为尾缘点相对厚度。
作为一种可选的实施例，本发明第二方面中，所述叶轮设计参数包括叶轮内径、叶轮外径和叶轮轴向宽度；
所述确定基准弦长包括如下步骤：
根据公式（13）计算出基准弦长；
Figure SMS_84
（13）；
公式（13）中，
Figure SMS_85
为基准弦长，
Figure SMS_86
为叶轮内径、
Figure SMS_87
为叶轮外径，
Figure SMS_88
为安装角；
所述确定叶型安装位置包括如下步骤：
定义一个半径为
Figure SMS_89
的圆，将二维基准叶型的中弧线的前缘点均匀分布于半径为
Figure SMS_90
的圆上，定义叶型安装系数表征叶型的安装位置，根据公式（14）计算叶型安装系数；
Figure SMS_91
（14）；
公式（14）中，
Figure SMS_92
为叶型安装系数，
Figure SMS_93
的范围为0.05~0.10。
作为一种可选的实施例，本发明第二方面中，所述锯齿设计参数包括锯齿个数和锯深；
根据公式（15）确定轴向方向
Figure SMS_94
处的弦长分布系数；
Figure SMS_95
（15）；
公式（15）中，
Figure SMS_96
为叶轮轴向方向
Figure SMS_97
处的弦长分布系数，
Figure SMS_98
为锯深，
Figure SMS_99
为锯齿个数，
Figure SMS_100
为叶轮轴向方向的始点坐标；
根据公式（16）确定各个所述二维基准叶型的缩放系数；
Figure SMS_101
（16）；
公式（16）中，
Figure SMS_102
为缩放系数，
Figure SMS_103
为弦长分布系数，
Figure SMS_104
为基准弦长，
Figure SMS_105
为单位中弧线的弦长；
根据公式（17）确定锯齿距；
Figure SMS_106
（17）；
公式（17）中，
Figure SMS_107
为锯齿距，
Figure SMS_108
为叶轮轴向宽度，
Figure SMS_109
为锯齿个数，通过锯齿个数限定锯齿距的范围在12mm～18mm，限定锯深大小为0.8
Figure SMS_110
～1.2
Figure SMS_111
。
本发明第二方面公开了一种叶轮，包括边框、轮毂以及多个本发明第一方面公开的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法设计出的风叶；所述轮毂与所述边框同轴设置；多个叶片本体沿所述轮毂的轴线周向分布设置，并与所述轮毂和所述边框连接。
本发明第三方面公开了一种风叶设计装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机可读请求，所述计算机可读请求被所述处理器执行时实现本发明第一方面所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法。
本发明第四方面公开了一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法。
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
在发明提供的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法设计出的尾缘锯齿型风叶，叶片本体在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，使叶片本体的吸力面形成凸脊结构，实现通过表面结构的改变来破坏流场中的湍流涡结构，干扰湍流大涡的形成，抑制湍流猝发，以达到减少能量耗散，减小摩擦阻力的目的，有效地减少多翼离心风机流动损失，利于多翼离心风机高效、稳定地运行。
此外，本发明基于仿生原理，叶片本体的尾缘模拟猫头鹰翅膀尾缘的锯齿形羽毛。相对于现有的风机叶片锯齿尾缘采用直接切除的方式，本发明通过叶片本体在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，使叶片本体的尾缘形成锯齿，确保叶片本体在叶轮轴向方向各截面叶型的出口角均一致，改善叶片尾缘气流流动形态，利于降低多翼离心风机运作的噪音。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的叶片的结构示意图；
图2是本发明的一个实施例的叶轮的结构示意图；
图3是本发明的一个实施例的单位中弧线的示意图；
图4是本发明的一个实施例的单位叶型的示意图；
图5是本发明的一个实施例的叶型在不同阻尼系数下厚度分布趋势；
图6是本发明的一个实施例的叶片在叶轮的分布示意图；
图7是本发明的一个实施例的二维基准叶型在叶轮轴向方向缩放后的示意图；
附图中：100-叶片本体、110-凸脊、120-锯齿、200-边框、300-轮毂、400-前缘、500-尾缘、600-中弧线、700-吸力面、800-压力面。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
参照图1，本发明公开了一种带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶，包括叶片本体100，所述叶片本体100在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，以在所述叶片本体100的尾缘形成锯齿120，并在所述叶片本体100的吸力面形成凸脊110，所述凸脊110沿所述叶片本体100的弧长方向延伸设置，所述凸脊110与所述锯齿120的波峰对应设置。
在发明提供的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶中，叶片本体100在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，使叶片本体100的吸力面形成凸脊110结构，实现通过表面结构的改变来破坏流场中的湍流涡结构，干扰湍流大涡的形成，抑制湍流猝发，以达到减少能量耗散，减小摩擦阻力的目的，有效地减少多翼离心风机流动损失，利于多翼离心风机高效、稳定地运行。
此外，本发明基于仿生原理，叶片本体100的尾缘模拟猫头鹰翅膀尾缘的锯齿形羽毛。相对于现有的风机叶片锯齿尾缘采用直接切除的方式，本发明通过叶片本体100在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，使叶片本体100的尾缘形成锯齿120，确保叶片本体100在叶轮轴向方向各截面叶型的出口角均一致，改善叶片尾缘气流流动形态，利于降低多翼离心风机运作的噪音。
参照图3-7，本发明还公开了带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法，用于设计上述带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶，所述方法包括如下步骤：
根据输入的翼型设计参数确定单位中弧线。其中，所述翼型设计参数包括两段指数中弧线连接点的横坐标、前缘的几何进口角、尾缘的几何出口角以及两段指数中弧线连接点处的切向角。
根据输入的厚度分布设计参数确定厚度分布，并对所述单位中弧线叠加相应厚度分布，形成吸力面和压力面，得到单位叶型。所述厚度分布设计参数包括前缘点相对厚度、尾缘点相对厚度以及阻尼因子。
根据输入的叶轮设计参数确定基准弦长和叶型安装位置，并根据所述基准弦长与单位中弧线的比例对应缩放单位叶型，得到二维基准叶型。所述叶轮设计参数包括叶轮的内径尺寸、外径尺寸以及轴向宽度。
根据输入的锯齿设计参数确定在叶轮轴向方向周期变化的弦长分布系数。根据所述弦长分布系数确定轴向方向各个所述二维基准叶型的缩放系数，并根据对应的缩放系数对各个所述二维基准叶型进行缩放，得到三维叶型。其中，所述锯齿设计参数包括锯齿个数以及锯深。
在本发明提供带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法中，通过控制叶片本体100在叶轮轴向方向截面弦长周期性变化，在叶片本体100的吸力面设置凸脊110结构，实现通过表面结构的改变来破坏流场中的湍流涡结构，干扰湍流大涡的形成，抑制湍流猝发，以达到减少能量耗散，减小摩擦阻力的目的，有效地减少多翼离心风机流动损失，利于多翼离心风机高效、稳定地运行。
此外，本发明基于仿生原理，叶片本体100的尾缘模拟猫头鹰翅膀尾缘的锯齿形羽毛。相对于现有的风机叶片锯齿尾缘采用直接切除的方式，本发明通过控制轴向弦长的方式在叶片本体100的尾缘形成锯齿120，确保叶片本体100在叶轮轴向方向各截面叶型的出口角均一致，改善叶片尾缘气流流动形态，利于降低多翼离心风机运作的噪音。
此外，本发明提供的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法中，通过输入设计参数，便能得出相应的叶轮设计方案，实现叶轮设计过程在计算机上辅助设计，减少了人工误差并提高了设计效率，便捷地做到参数可调。
具体地，所述根据输入的翼型设计参数确定单位中弧线包括如下步骤：
定义第一指数中弧线方程和第二指数中弧线方程：
Figure SMS_112
（1）。
 
Figure SMS_113
（2）。
公式（1）和公式（2）中，
Figure SMS_114
为第一指数中弧线方程。
Figure SMS_115
为第二指数中弧线方程。
Figure SMS_116
为第一指数中弧线和第二指数中弧线在坐标系的横坐标，
Figure SMS_117
为第一指数中弧线与第二指数中弧线的连接点的横坐标，
Figure SMS_118
的范围为0.3~0.7。第一指数中弧线与第二指数中弧线的连接点为两段曲线的拐点，则有
Figure SMS_119
。
Figure SMS_120
、
Figure SMS_121
、
Figure SMS_122
、
Figure SMS_123
、
Figure SMS_124
、
Figure SMS_125
、
Figure SMS_126
、
Figure SMS_127
分别为待求解的参数。具体地，如图3所示，曲线 P 1 P 2 为第一指数中弧线方程确定的第一指数中弧线，曲线 P 2 P 3 为第二指数中弧线方程确定的第二指数中弧线，其中点 P 1 为第一指数中弧线的起始点，即单位中弧线的起始点。点 P 2 为第一指数中弧线与第二指数中弧线的连接点，点 P 3 为第二指数中弧线的终止点，即单位中弧线的终止点。
限定第一指数中弧线的起始点与坐标系圆点重合，则有
Figure SMS_128
。限定第二指数中弧线的终止点的横坐标为
Figure SMS_129
，即第二指数中弧线的终止点的坐标为
Figure SMS_130
，则有
Figure SMS_131
，
Figure SMS_132
为第二指数中弧线的终止点的纵坐标。
第一指数中弧线和第二指数中弧线构成的单位中弧线的弦长通过公式（3）计算得出：
Figure SMS_133
（3）。
公式（3）中的
Figure SMS_134
为单位中弧线的弦长。
单位中弧线的安装角通过公式（4）计算得出：
Figure SMS_135
（4）。
公式（4）中的
Figure SMS_136
为安装角。
据输入的翼型设计参数求解第一指数中弧线方程和第二指数中弧线方程中的
Figure SMS_140
、
Figure SMS_142
、
Figure SMS_143
、
Figure SMS_144
、
Figure SMS_145
、
Figure SMS_146
、
Figure SMS_147
、
Figure SMS_137
方程参数。所述翼型设计参数包括第一指数中弧线与第二指数中弧线的连接点的横坐标、前缘的几何进口角、尾缘的几何出口角以及两段指数中弧线连接点处的切向角，即有如下函数关系式：
Figure SMS_138
，
Figure SMS_139
，
Figure SMS_141
。
其中，
Figure SMS_148
为前缘的几何进口角，
Figure SMS_149
为两段指数中弧线连接点处的切向角，
Figure SMS_150
为尾缘的几何出口角，
Figure SMS_151
的范围为45°~75°，
Figure SMS_152
的范围为40°~65°，
Figure SMS_153
的范围为30°~55°，为了让气流在叶型表面加速，保证
Figure SMS_154
。
此外，所述翼型设计参数还包括用于控制叶片前缘区域的弯度的叶型前缘控制系数
Figure SMS_155
和用于控制尾缘出口角的叶型尾缘控制系数
Figure SMS_156
，
Figure SMS_157
、
Figure SMS_158
的范围为0.2~0.8。
根据上述第一指数中弧线方程满足的条件，可得到如下关系式：
Figure SMS_159
（5）。
根据上述第二指数中弧线方程满足的条件，可得到如下关系式：
Figure SMS_160
（6）。
采用牛顿迭代法求出
Figure SMS_162
、
Figure SMS_163
，根据公式（5）和根据公式（6）对应求解出
Figure SMS_164
、
Figure SMS_165
、
Figure SMS_166
、
Figure SMS_167
、
Figure SMS_168
、
Figure SMS_161
。
本发明通过两段指数函数曲线确定出单位中弧线，后续按设计弦长对单位中弧线进行缩放即可。
具体地，所述厚度分布设计参数包括前缘点相对厚度、尾缘点相对厚度以及阻尼因子。
根据输入的厚度分布设计参数确定厚度分布包括如下步骤：
根据公式（7）确定厚度分布函数。
Figure SMS_169
（7）。
公式（7）中
Figure SMS_170
为阻尼因子，
Figure SMS_171
的范围为0.2~2.0。
使单位中弧线任意横坐标的相对厚度分布满足：
Figure SMS_172
（8）。
其中，
Figure SMS_173
为
Figure SMS_174
处的厚度，
Figure SMS_175
为前缘点相对厚度，
Figure SMS_176
的范围为0.03~0.06，
Figure SMS_177
为尾缘点相对厚度，
Figure SMS_178
的范围为0.02~0.04，
Figure SMS_179
为厚度分布函数。
具体地，所述对所述单位中弧线叠加相应厚度分布包括如下步骤：
过弦线上一点
Figure SMS_180
做垂直于弦线的直线交单位中弧线于
Figure SMS_181
点，得到
Figure SMS_182
点的坐标
Figure SMS_183
后，作出过
Figure SMS_184
点的切线和法线，在法线方向有：
吸力面坐标
Figure SMS_185
Figure SMS_186
（9）。
以及压力面坐标
Figure SMS_187
Figure SMS_188
（10）。
对叶型前缘和叶型尾缘进行圆形倒角，根据公式（11）得到叶型前缘直径。
Figure SMS_189
（11）。
公式（11）中，
Figure SMS_190
为叶型前缘直径，
Figure SMS_191
为前缘点相对厚度。
根据公式（12）得到叶型尾缘直径。
Figure SMS_192
（12）。
公式（12）中，
Figure SMS_193
为叶型尾缘直径，
Figure SMS_194
为尾缘点相对厚度。
具体地，所述叶轮设计参数包括叶轮轴向宽度、叶轮内径和叶轮外径。
所述确定基准弦长包括如下步骤：
根据公式（13）计算出基准弦长。
Figure SMS_195
（13）。
公式（13）中，
Figure SMS_196
为基准弦长，
Figure SMS_197
为叶轮内径、
Figure SMS_198
为叶轮外径，
Figure SMS_199
为安装角。
所述确定叶型安装位置包括如下步骤：
定义一个半径为
Figure SMS_200
的圆，将二维基准叶型的中弧线的前缘点均匀分布于半径为
Figure SMS_201
的圆上，定义叶型安装系数表征叶型的安装位置，根据公式（14）计算叶型安装系数。
Figure SMS_202
（14）。
公式（14）中，
Figure SMS_203
为叶型安装系数，
Figure SMS_204
的范围为0.05~0.10。
具体地，所述锯齿设计参数包括锯齿个数和锯深。
根据公式（15）确定轴向方向
Figure SMS_205
处的弦长分布系数。
Figure SMS_206
（15）。
公式（15）中，
Figure SMS_207
为叶轮轴向方向
Figure SMS_208
处的弦长分布系数，
Figure SMS_209
为锯深，
Figure SMS_210
为锯齿个数，
Figure SMS_211
为叶轮轴向方向的始点坐标。
根据公式（16）确定各个所述二维基准叶型的缩放系数。
Figure SMS_212
（16）。
公式（16）中，
Figure SMS_213
为缩放系数，
Figure SMS_214
为弦长分布系数，
Figure SMS_215
为基准弦长，
Figure SMS_216
为单位中弧线的弦长。
本发明为了保证叶片锯齿的完整性，通过输入锯齿个数，来确定锯距。具体地，根据公式（17）确定锯距。
Figure SMS_217
（17）。
公式（17）中，
Figure SMS_218
为锯齿距，
Figure SMS_219
为叶轮轴向宽度，
Figure SMS_220
为锯齿个数。如此，可通过锯齿个数保证齿距的范围在12mm～18mm。限定锯深大小为0.8
Figure SMS_221
～1.2
Figure SMS_222
。
本发明还了公开一种叶轮，包括边框200、轮毂300以及多个本发明上述公开的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法设计出的风叶。所述轮毂300与所述边框200同轴设置。多个叶片本体100沿所述轮毂300的轴线周向分布设置，并与所述轮毂300和所述边框200连接。
一些可选的实施例中，如图2所示，两个边框200对应与叶片本体100的两端连接，轮毂300设置在两个边框200之间与叶片本体100的中部连接。当然，在另一些可选的实施例中，边框200的数量可以只有一个，叶片本体100的一端与边框200连接，叶片本体100的另一端与轮毂300连接。
本发明还公开了一种风叶设计装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机可读请求，所述计算机可读请求被所述处理器执行时实现本发明上述公开的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法。
本发明还公开了一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明上述公开的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法。
通过以上的实施例的具体描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存储器（Random Access Memory，RAM）、可编程只读存储器（Programmable Read-only Memory，PROM）、可擦除可编程只读存储器（ErasableProgrammable Read Only Memory，EPROM）、一次可编程只读存储器（One-timeProgrammable Read-Only Memory，OTPROM）、电子抹除式可复写只读存储器（Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）、只读光盘（CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM）或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。
以下给出具体实施例：
实施例1
本实例中的叶轮内径为133.8mm，叶轮外径为165.1mm，叶轮轴向宽度为208.0mm，叶片数为60。两段指数中弧线连接点的横坐标
Figure SMS_223
，前缘的几何进口角
Figure SMS_224
，两段指数中弧线的连接点处的切向角
Figure SMS_225
，尾缘的几何出口角
Figure SMS_226
。叶型前缘控制系数和尾缘控制系数均为0.6。前缘点相对厚度
Figure SMS_227
为0.05，尾缘点的相对厚度
Figure SMS_228
为0.02，阻尼因子
Figure SMS_229
的设为1.2，叶型安装系数为0.08，锯齿个数为15，锯齿深度为11.4mm。
实施例2
本实例中的叶轮内径为133.8mm，叶轮外径为165.1mm，叶轮轴向宽度为208.0mm，叶片数为60。两段指数中弧线连接点的横坐标
Figure SMS_230
，前缘的几何进口角
Figure SMS_231
，连接点处的切向角
Figure SMS_232
，尾缘的几何出口角
Figure SMS_233
。叶型前缘控制系数和尾缘控制系数均为0.6。前缘点相对厚度
Figure SMS_234
为0.03，尾缘点的相对厚度
Figure SMS_235
为0.02，阻尼因子
Figure SMS_236
的设为1.2，叶型安装系数为0.08，锯齿个数为14，锯齿深度为12.3mm。
实施例3
本实例中的叶轮内径为133.8mm，叶轮外径为165.1mm，叶轮轴向宽度为208.0mm，叶片数为60。两段指数中弧线连接点的横坐标
Figure SMS_237
，前缘的几何进口角
Figure SMS_238
，连接点处的切向角
Figure SMS_239
，尾缘的几何出口角
Figure SMS_240
。叶型前缘控制系数和尾缘控制系数均为0.6。前缘点相对厚度
Figure SMS_241
为0.03，尾缘点的相对厚度
Figure SMS_242
为0.02，阻尼因子
Figure SMS_243
的设为1.2，叶型安装系数为0.08，锯齿个数为12，锯齿深度为13.8mm。
对比例
与实施例1相比，不采用锯齿尾缘与脊状表面结构，即叶片弦长沿轴向不变。
对实施例1、实施例2、实施例3和对比例用现有的测试方法进行风量、功率和噪声的测试，测试结果如下表1所示：
Figure SMS_244
表1实施例和对比例性能测试结果
从表1可以看出，通过脊状表面的锯齿尾缘设计得到的多翼离心风轮，在相同的设计转速下，实施例1测得的噪声比对比例的噪音小。在相同的设计转速下，风量比对比例大的实施例2和实施例3测出的噪声也比对比例的噪音小，显然带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶可有效降低风机的噪音。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法，其特征在于：用于设计带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶，所述尾缘锯齿型风叶包括叶片本体，所述叶片本体在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，以在所述叶片本体的尾缘形成锯齿，并在所述叶片本体的吸力面形成凸脊，所述凸脊沿所述叶片本体的弧长方向延伸设置，所述凸脊与所述锯齿的波峰对应设置；
所述方法包括如下步骤：
根据输入的翼型设计参数确定单位中弧线；
根据输入的厚度分布设计参数确定厚度分布，并对所述单位中弧线叠加相应厚度分布，得到单位叶型；
根据输入的叶轮设计参数确定基准弦长和叶型安装位置，并根据所述基准弦长与单位中弧线的比例对应缩放单位叶型，得到二维基准叶型；
根据输入的锯齿设计参数确定在叶轮轴向方向周期变化的弦长分布系数；根据所述弦长分布系数确定轴向方向各个所述二维基准叶型的缩放系数，并根据对应的缩放系数对各个所述二维基准叶型进行缩放，得到三维叶型。
2.根据权利要求1所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法，其特征在于，所述根据输入的翼型设计参数确定单位中弧线包括如下步骤：
定义第一指数中弧线方程和第二指数中弧线方程：
Figure QLYQS_1
（1）；
Figure QLYQS_2
   （2）；
公式（1）和公式（2）中，
Figure QLYQS_12
为第一指数中弧线方程；
Figure QLYQS_13
为第二指数中弧线方程；
Figure QLYQS_14
为第一指数中弧线和第二指数中弧线在坐标系的横坐标，
Figure QLYQS_15
为第一指数中弧线与第二指数中弧线的连接点的横坐标，
Figure QLYQS_16
的范围为0.3~0.7；第一指数中弧线与第二指数中弧线的连接点为两段曲线的拐点，则有
Figure QLYQS_17
；
Figure QLYQS_18
、
Figure QLYQS_3
、
Figure QLYQS_4
、
Figure QLYQS_5
、
Figure QLYQS_6
、
Figure QLYQS_7
、
Figure QLYQS_9
、
Figure QLYQS_10
分别为待求解的参数；限定第一指数中弧线的起始点与坐标系圆点重合，则有
Figure QLYQS_11
；限定第二指数中弧线的终止点的横坐标为
Figure QLYQS_8
，即第二指数中弧线的终止点的坐标为
Figure QLYQS_19
，则有
Figure QLYQS_20
，
Figure QLYQS_21
为第二指数中弧线的终止点的纵坐标；
第一指数中弧线和第二指数中弧线构成的单位中弧线的弦长通过公式（3）计算得出：
Figure QLYQS_22
（3）；
公式（3）中的
Figure QLYQS_23
为单位中弧线的弦长；
单位中弧线的安装角通过公式（4）计算得出：
Figure QLYQS_24
（4）；
公式（4）中的
Figure QLYQS_25
为安装角；
根据输入的翼型设计参数求解第一指数中弧线方程和第二指数中弧线方程中的
Figure QLYQS_30
、
Figure QLYQS_31
、
Figure QLYQS_32
、
Figure QLYQS_33
、
Figure QLYQS_34
、
Figure QLYQS_35
、
Figure QLYQS_36
、
Figure QLYQS_26
方程参数；所述翼型设计参数包括第一指数中弧线与第二指数中弧线的连接点的横坐标、前缘的几何进口角、尾缘的几何出口角以及两段指数中弧线连接点处的切向角，即有如下函数关系式：
Figure QLYQS_27
，
Figure QLYQS_28
，
Figure QLYQS_29
；
其中，
Figure QLYQS_37
为前缘的几何进口角，
Figure QLYQS_38
为两段指数中弧线连接点处的切向角，
Figure QLYQS_39
为尾缘的几何出口角，
Figure QLYQS_40
的范围为45°~75°，
Figure QLYQS_41
的范围为40°~65°，
Figure QLYQS_42
的范围为30°~55°，且
Figure QLYQS_43
；
所述翼型设计参数还包括用于控制叶片前缘区域的弯度的叶型前缘控制系数
Figure QLYQS_44
和用于控制尾缘出口角的叶型尾缘控制系数
Figure QLYQS_45
，
Figure QLYQS_46
、
Figure QLYQS_47
的范围为0.2~0.8；
根据上述第一指数中弧线方程满足的条件，得到如下关系式：
Figure QLYQS_48
（5）；
根据上述第二指数中弧线方程满足的条件，得到如下关系式：
Figure QLYQS_49
（6）；
采用牛顿迭代法求出
Figure QLYQS_50
、
Figure QLYQS_51
，根据公式（5）和根据公式（6）对应求解出
Figure QLYQS_52
、
Figure QLYQS_53
、
Figure QLYQS_54
、
Figure QLYQS_55
、
Figure QLYQS_56
、
Figure QLYQS_57
。
3.根据权利要求2所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法，其特征在于，所述厚度分布设计参数包括前缘点相对厚度、尾缘点相对厚度以及阻尼因子；
根据输入的厚度分布设计参数确定厚度分布包括如下步骤：
根据公式（7）确定厚度分布函数；
Figure QLYQS_58
（7）；
公式（7）中
Figure QLYQS_59
为阻尼因子，
Figure QLYQS_60
的范围为0.2~2.0；
使单位中弧线任意横坐标的相对厚度分布满足：
Figure QLYQS_61
（8）；
其中，
Figure QLYQS_62
为
Figure QLYQS_63
处的厚度，
Figure QLYQS_64
为前缘点相对厚度，
Figure QLYQS_65
的范围为0.03~0.06，
Figure QLYQS_66
为尾缘点相对厚度，
Figure QLYQS_67
的范围为0.02~0.04，
Figure QLYQS_68
为厚度分布函数。
4.根据权利要求3所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法，其特征在于，所述对所述单位中弧线叠加相应厚度分布包括如下步骤：
过弦线上一点
Figure QLYQS_69
做垂直于弦线的直线交单位中弧线于
Figure QLYQS_70
点，得到
Figure QLYQS_71
点的坐标
Figure QLYQS_72
后，作出过
Figure QLYQS_73
点的切线和法线，在法线方向有：
吸力面坐标
Figure QLYQS_74
Figure QLYQS_75
（9）；
以及压力面坐标
Figure QLYQS_76
Figure QLYQS_77
（10）；
对叶型前缘和叶型尾缘进行圆形倒角，根据公式（11）得到叶型前缘直径；
Figure QLYQS_78
（11）；
公式（11）中，
Figure QLYQS_79
为叶型前缘直径，
Figure QLYQS_80
为前缘点相对厚度；
根据公式（12）得到叶型尾缘直径；
Figure QLYQS_81
（12）；
公式（12）中，
Figure QLYQS_82
为叶型尾缘直径，
Figure QLYQS_83
为尾缘点相对厚度。
5.根据权利要求4所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法，其特征在于：所述叶轮设计参数包括叶轮内径和叶轮外径；
所述确定基准弦长包括如下步骤：
根据公式（13）计算出基准弦长；
Figure QLYQS_84
（13）；
公式（13）中，
Figure QLYQS_85
为基准弦长，
Figure QLYQS_86
为叶轮内径、
Figure QLYQS_87
为叶轮外径，
Figure QLYQS_88
为安装角；
所述确定叶型安装位置包括如下步骤：
定义一个半径为
Figure QLYQS_89
的圆，将二维基准叶型的中弧线的前缘点均匀分布于半径为
Figure QLYQS_90
的圆上，定义叶型安装系数表征叶型的安装位置，根据公式（14）计算叶型安装系数；
Figure QLYQS_91
（14）；
公式（14）中，
Figure QLYQS_92
为叶型安装系数，
Figure QLYQS_93
的范围为0.05~0.10。
6.根据权利要求5所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法，其特征在于：所述锯齿设计参数包括锯齿个数和锯深；
根据公式（15）确定轴向方向
Figure QLYQS_94
处的弦长分布系数；
Figure QLYQS_95
（15）；
公式（15）中，
Figure QLYQS_96
为叶轮轴向方向
Figure QLYQS_97
处的弦长分布系数，
Figure QLYQS_98
为锯深，
Figure QLYQS_99
为锯齿个数，
Figure QLYQS_100
为叶轮轴向方向的始点坐标；
根据公式（16）确定各个所述二维基准叶型的缩放系数；
Figure QLYQS_101
（16）；
公式（16）中，
Figure QLYQS_102
为缩放系数，
Figure QLYQS_103
为弦长分布系数，
Figure QLYQS_104
为基准弦长，
Figure QLYQS_105
为单位中弧线的弦长；
根据公式（17）确定锯齿距；
Figure QLYQS_106
（17）；
公式（17）中，
Figure QLYQS_107
为锯齿距，
Figure QLYQS_108
为叶轮轴向宽度，
Figure QLYQS_109
为锯齿个数，通过锯齿个数限定锯齿距的范围在12mm～18mm，限定锯深大小为0.8
Figure QLYQS_110
～1.2
Figure QLYQS_111
。
7.一种叶轮，其特征在于，包括边框、轮毂以及多个如权利要求1-6任一项所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法设计出的风叶；所述轮毂与所述边框同轴设置；多个叶片本体沿所述轮毂的轴线周向分布设置，并与所述轮毂和所述边框连接。
8.一种风叶设计装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机可读请求，所述计算机可读请求被所述处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法。
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