CN210484188U - 一种前弯前掠偏装式叶片、叶轮及其轴流风机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种前弯前掠偏装式叶片、叶轮及其轴流风机，特别是叶片，其基型为轴流风机叶片，包括叶根、叶中、叶尖；所述叶中位于所述叶片叶高的0.4‑0.7部位；(1)所述叶中至叶尖部位进行前掠偏转，偏转采用正弦弧度进行逐渐偏转；(2)所述叶片的叶根至叶尖处整体进行偏装，偏装方向为与前掠偏转方向相反；(3)所述叶片的叶根至叶中部位逐渐进行前弯，前弯方向为叶片的迎风面方向。由上述叶片构成的叶轮、轴流风机，在常规轴流风机叶片的基础上，对叶型进行重新设计，采用等环量+变环量设计叶轮廓，并在叶高方向上对叶片进行前弯、前掠、偏转等措施，在提高风机运行效率的同时，提高叶片强度，降低风机运行噪音。

Description

一种前弯前掠偏装式叶片、叶轮及其轴流风机

技术领域

本实用新型涉及一种纺织用轴流风机的叶片，特别是一种偏装式的前弯前掠设计叶片而形成的叶轮，以及相应的轴流风机。

背景技术

目前，在纺织行业中，轴流风机的使用较为普遍；通常在纺织车间里需要通过安装轴流风机进行通风、排尘。以前，由于纺织设备水平较差，噪音较大，故车间里使用的轴流风机即使噪音较大，也没有太大关系，不会对工作人员产生多大影响。而随着纺织设备的改进升级，其噪音已经大大降低；在这种情况下，纺织行业所用的轴流风机，就需要降低噪音，来满足纺织企业的车间噪音控制需求。

随着轴流风机行业的研究发展，目前轴流风机的叶片有多种叶型可选，其中前掠设计叶片就可以降低风机整体的噪声，并提高风机运行效率；但也由于其叶型结构导致叶片强度较差，在工业应用上较难推广；部分工业应用场合，可以采用性能更好的材料来解决强度问题，但又会导致整个叶轮原材料成本的大幅增加，同时叶轮的制造难度也大大提高，增加了风机的整体制造成本。同时，纺织行业中，风机一般安装在室内，故对其降噪要求较高。

现有的前掠设计叶片式轴流风机，一般都对叶片的叶型进行了重新设计，如中国发明专利公开号为CN105065302B的一种高效前掠型地铁隧道轴流风机，即采用了“叶片的前缘尾端上具有一个前掠尖，所述叶片的叶尖与叶根之间具有一个扭转的迎角a，a＝5～15度，所述叶片的尾缘厚度为前缘厚度的1/5～1/2，所述叶片的叶根底端具有一个端弯”等技术手段，在保证强度的前提下，进一步提高风机的运行效率。

但针对纺织行业的工业应用，叶轮的强度、制造成本、噪音等因素均需要充分考虑，故需要进一步结合纺织行业用轴流风机的使用情况，针对前掠叶片的结构进行研究、改进，使之满足纺织行业用轴流风机的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供了一种前弯前掠偏装式叶片，并由该叶片形成叶轮，最好形成轴流风机，以期满足纺织行业的工业应用需求，在提高运行效率的同时，降低了结构应力强度，降低了运行噪音。

为达到上述实用新型的目的，本实用新型的第一方面提供了一种前弯前掠偏装式叶片，其特征在于，所述叶片基型为轴流风机叶片，包括叶根、叶中、叶尖；

所述叶中位于所述叶片叶高的0.4～0.7部位；所述叶中至叶尖部位进行前掠偏转，偏转采用正弦弧度进行逐渐偏转，最终叶尖部位的叶轮廓中心与叶中部位的叶轮廓中心连线，与叶根部位的叶轮廓中心与叶中部位的叶轮廓中心连线之间的偏转夹角为θ；θ≤20°；

所述叶片的叶根至叶尖处整体进行偏装，偏装方向为与前掠偏转方向相反；偏装后的叶中的叶轮廓中心至叶根的叶轮廓中心连线，与叶根的叶轮廓中心至叶片旋转轴心连线夹角为α；α＝5°～8°；

所述叶片的叶根至叶中部位逐渐进行前弯，前弯方向为叶片的迎风面方向；所述前弯自叶柄处沿所述叶片的叶轮廓中心连线进行弯曲，其弯曲角度终止在所述叶片的叶中部位，使所述叶片的前掠部位获得了固定角度β的前弯；β≤10°。

作为本实用新型的进一步改进，θ＝10°～20°；α＝5°～8°；β＝1°～3°。

作为本实用新型的进一步改进，所述叶中位于所述叶片叶高的0.5部位。

进一步的，θ＝3°～5°；α＝5°；β＝8°～10°。

作为本实用新型的进一步改进，所述叶片的叶根至叶中部位采用等环量截面设计。

进一步的，所述叶中至叶尖部位采用变环量截面设计。

本实用新型的第二方面提供了一种前弯前掠偏装式叶轮，包括如上所述的前弯前掠偏装式叶片；还包含一轮毂，其外圈设置有若干个叶柄安装固定装置，通过所述叶柄安装固定装置将若干个如上所述的前弯前掠偏装式叶片固定在所述轮毂的外缘上；

上述前弯前掠偏装式叶片的叶根距所述叶轮的旋转轴心的距离为R；上述前弯前掠偏装式叶片的整体高度为L，R＝0.43～0.66L。

进一步的，所述轮毂的迎风面方向还设有一外表面光滑平整的外毂壳。

本实用新型的第二方面提供了一种轴流风机，包括如上所述的前弯前掠偏装式叶轮；所述前弯前掠偏装式叶片的数量为8片。

一种前弯前掠偏装式叶片、叶轮及其轴流风机，在常规轴流风机叶片的基础上，对叶型进行重新设计，采用等环量+变环量设计叶轮廓，并在叶高方向上对叶片进行前弯、前掠、偏转等措施，在提高风机运行效率的同时，提高叶片强度，降低风机运行噪音。

本实用新型一种前弯前掠偏装式叶片、叶轮及其轴流风机与现有技术相比具有以下优点：

(1)未改变风机的现有结构，仅需重新制作叶片模具，既能生产；

(2)提高了风机的运行效率，节约了风机使用能耗；

(3)在不改变材质的情况下，改善了叶片强度，提高了风机的运行安全可靠性；

(4)有效降低了风机运行噪音，即降低了终端使用的环境噪音，改善了风机运行周边的作业环境。

附图说明

图1为叶片前掠翼型示意图；

图2为叶片偏转示意图；

图3为本实用新型的一种前弯前掠偏装式叶片整体结构示意图；

图4为本实用新型的叶轮整体机构图1；

图5为本实用新型的叶轮整体机构图2；

图6为本实用新型的轴流风机采用叶片1时的CFD模拟强度云图；

图7为本实用新型的轴流风机采用叶片4时的CFD模拟强度云图；

附图标记：叶片旋转轴心1；叶根2；叶尖3；叶中4；叶柄5；轮毂6；叶片7；

最大应力区8。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型做进一步说明。

本实用新型先提供了一种前弯前掠偏装式叶片，其在常规轴流风机叶片的基础上进行了改进，改进点包括二个方面。

实施例1：前弯前掠偏装式叶片1；为了充分提高风机的运行效率。

在叶片的叶高0.4～0.7以上，进行前掠偏转，最终叶端部位的前掠偏转角度为10°～20°，可以参考图1所示；叶片旋转轴心1即为叶轮的轮毂轴心，其通过轮毂安装有叶片，所述叶片的叶根2即为叶片的最宽处，叶片的叶尖3即为叶片的最窄处；相应的叶根2距叶片旋转轴心1的距离为R，即轮毂的半径加叶柄5长度尺寸；叶片整体高度为L，即叶根2距叶尖3的竖直高度；其中R＝0.43～0.66L；本实用新型的改进点在于，叶片的上部进行前掠偏转，具体来说a＝0.4～0.7，a×L高度处设为叶中4，叶片的叶根2至叶中4部位保持不变，该部位叶片采用等环量截面设计；而叶中4至叶尖3部位进行前掠偏转，该部位叶片采用变环量截面设计，偏转可以采用正弦弧度进行逐渐偏转，最终叶尖3部位的叶轮廓中心与叶中4部位的叶轮廓中心连线，与叶根2部位的叶轮廓中心与叶中4部位的叶轮廓中心连线之间的偏转夹角为θ，θ＝10°～20°；

对叶片进行前掠设计，可以提高最终叶轮及风机的出风效率；但同样由于叶尖3部位切风角度更大，导致了叶片强度降低；

现有前掠叶片在设计时普遍采用整体前掠，但经CFD模拟及实物实验测试，叶根2至叶中4部位进行前掠偏转，由于相对靠近旋转中心，对风的切量影响有限，而主要还是由叶中4至叶尖3部位进行切风，来提高效率。

(2)将叶片整体在叶柄5处进行偏装，使整个叶片偏装角度为5°～8°，偏装方向为与前掠偏转方向相反，可以参考图2所示；具体来说，叶片的叶根2至叶尖3处整体进行旋转角度α，即偏装后的叶中4的叶轮廓中心至叶根2的叶轮廓中心连线，与叶根2的叶轮廓中心至叶片旋转轴心1连线夹角为α，α＝5°～8°。

对叶片整体进行偏装后，使叶尖向切风方向进行回旋一定角度，即叶尖3的叶轮廓中心重新靠近所述叶根2的叶轮廓中心至叶片旋转轴心1连线；

采用偏装，可以提高叶片的强度，来弥补由于前述前掠偏转而导致的强度降低。

(3)对叶片进行1°-3°的前弯，使叶片更冲向迎风面，从而使叶片的气流切割更加平顺，从而一定程度上降低噪音。该前弯自叶柄5处沿所述叶片的叶轮廓中心连线进行弯曲，其弯曲角度终止在叶片前掠起始高度，这样叶片的前掠部位均获得了固定角度β的前弯。

如图3所示，为本实用新型的一种前弯前掠偏装式叶片整体结构示意图，其在叶根2处设有叶柄5，通过叶柄5固定在叶轮的轮毂上，整个叶片通过叶柄5进行偏装α角度，叶片的叶中4至叶尖3部位采用前掠偏转，最终叶尖3部位的前掠偏转θ角度；同时叶片在叶根2至叶中4的部位采用前弯偏转，使叶中4至叶尖3部位整体获得前弯偏转β角度。

采用该设计后，由此构成的轴流风机，可以获得更佳的效率，且噪音也有一定的降低，综合性能较佳，能够满足纺织行业风机的使用需求。

实施例2：前弯前掠偏装式叶片2；为了充分降低风机的运行噪音。

(1)对叶片进行β角度的前弯，使叶片冲向迎风面，使叶片的气流切割更加平顺，有效降低噪音。所述前弯自叶柄5处沿所述叶片的叶轮廓中心连线进行弯曲，其弯曲角度终止在叶片的高度一半部位，使叶片的上半部位获得整体的前弯β角度，所述β角度为8°～10°。

(2)在叶片的叶高a＝0.5以上，进行前掠偏转，最终叶端部位的前掠偏转角度θ为3°～5°。

(3)将叶片整体在叶柄5处进行偏装，使整个叶片偏装角度α为5°，偏装方向为与前掠偏转方向相反。

采用该设计后，由此构成的轴流风机，可以获得极佳的低噪音，同时一定程度上提高了风机运行效率，综合性能较佳，同样能够满足纺织行业风机的低噪音使用需求。

实施例3：前弯前掠偏装式叶轮。

本实用新型的第二部分，在提供了一种前掠偏装式叶片的基础上，还提供一种叶轮，该叶轮整体结构如图4、图5所示，包含一轮毂6，其外圈设置有若干个叶柄安装固定装置，通过所述叶柄安装固定装置将若干个前掠偏装式叶片7固定在所述轮毂6的外缘上，从而形成本实用新型所提供的叶轮。图4展示了本实用新型的叶轮安装内部结构，进一步的，作为正式叶轮时，其在迎风面还设有一外表面光滑平整的外毂壳，来降低阻力，提高输风效率。

实施例4：前弯前掠偏装式轴流风机。

本实用新型的第三部分，在提供了一种叶轮的基础上，还提供了一种轴流风机，如图4所示，在所述轮毂6的中心设有一旋转轴安装孔，通过联轴器安装到驱动电动机的输出轴上，从而形成一轴流风机；所述轴流风机根据轮毂6的外径、叶片7的叶根2部位截面尺寸，及风机性能要求，一般可以设置8个叶片，叶片数量过多能够提升风机输出风量，但同时所述叶柄5的叶柄安装固定装置尺寸紧缩，影响了叶柄5部位的安装强度；而叶片数量过少则降低了风机的输出风量。

轴流风机的叶轮及叶片性能校核

本实用新型分别对3种不同的前掠位置，利用控制变量法对该叶轮进行多组测试，实验结果根据计算流体力学方法(CFD)进行数值模拟，模拟出在转速980rpm下，直径为1600mm的前掠叶片轴流风机叶轮装置(R＝320mm，L＝480mm)的强度以及性能，其模拟结果如下。

下述表格中最高效率、噪音相对于同款叶片未采用前掠、偏装设计而言；其中，最高效率提升比例对应的现有叶片运行效率为79％；噪声下降对应的现有叶片噪音为104dB。

1、叶片未采用偏装，仅进行前掠时，CFD模拟

1.1、强度模拟：表1

如图6所示，为采用叶片1时的CFD模拟强度云图，其最大应力区8，在叶中4附近；

如图7所示，为采用叶片4时的CFD模拟强度云图，其最大应力区8，同样在叶中4附近；

通过CFD模拟可知，叶片的最大应力区8集中在叶中4部位，即开始前掠偏转的部位。

且相应的叶片强度均小于铝材的许用强度，能够满足轴流风机的安全运行需求。

1.2、性能模拟：表2

注：上述最高效率提升比例、噪声下降数值，相对于同款叶片未采用前掠设计而言。叶片采用前掠设计后，能够提高效率，而且噪声略有下降。

2、叶片采用前掠偏装后的CFD模拟情况

2.1、强度模拟：表3

由上表可知，当叶片采用偏装后，叶片的最大应力强度降低，即提高了叶片的强度。

2.2、性能模拟：表4

注：上述最高效率提升比例、噪声下降数值，相对于同款叶片未采用前掠、偏装设计而言。

由上表可知，叶片采用偏装后，相对于未偏装时(表2)，最高效率能够提升1％-2％，而噪音基本没变化。

3、叶片采用前弯前掠偏装后的CFD模拟情况

针对充分提高风机的运行效率的需求(对应实施例1)，设计了叶片21～叶片23；

针对充分降低风机的运行噪音的需求(对应实施例2)，设计了叶片24～叶片26；

叶片21～26采用LS翼型，叶根处截面弦长b＝236.11mm；叶根处相应设计安装角θ＝58.4°。

六款叶型截面的数据相同，但是由于前掠角度、偏装角度、前弯角度的不同导致叶片性能的不同。

采用叶片21～叶片26，组装成实施例3所述的前弯前掠偏装式叶轮，每个叶轮，采用8片同款叶片，均布在轮毂上；并进一步组装成实施例4所述的前弯前掠偏装式轴流风机，形成实施例5-实施例10。

实施例对照表：表5

对上述实施例5-实施例10的整机进行CFD模拟，结果如下：

3.1、强度模拟：表6

实施例序号	叶片序号	叶片最大应力强度MPa
			实施例5	叶片21	75
实施例6	叶片22	66
			实施例7	叶片23	24
实施例8	叶片24	56
			实施例9	叶片25	58
实施例10	叶片26	59

由上表可知，当叶片采用前弯前掠偏装后，叶片21-叶片26的最大应力强度基本不变，仍能满足铝合金叶片的强度要求。

3.2、性能模拟：表7

实施例序号	叶片序号	最高效率提升比例	噪声下降
				实施例5	叶片21	1.6～5％	1.5～6dB
实施例6	叶片22	1.6～4.6％	1.5～6dB
				实施例7	叶片23	0.9～3.3％	0.5～2.3dB
实施例8	叶片24	0.5％～2.3％	3.5～8dB
				实施例9	叶片25	0.4％～2.1％	4～7.5dB
实施例10	叶片26	0.5％～2.2％	4～8dB

注：上述最高效率提升比例、噪声下降数值，相对于同款叶片未采用前掠、偏装设计而言。

由上表可知，实施例5～实施例7，其效率提升明显；实施例8～实施例10，噪声降低明显，满足了设计要求。

综上所述：

经CFD仿真模拟测试，对叶片偏装，不仅可以提高叶片强度，还能提高风机性能。

叶片采用偏装形式安装，在不干涉的前提下，标准工况下0.4叶高前掠20°，风机运行效率与相同叶片不进行偏装相比可增加1.5％。

0.4叶高前掠20°叶片采用偏装后计算其强度，最大应力强度为62.6MPa；相比没有偏装大大减小，即提高了叶片的安全性。

本实用新型在高性能前掠轴流风机叶片的基础上，通过改变原有叶型，将叶片上部向来流方向偏转，偏转位置在叶高a×L处,偏转角度θ角度；同时，所述叶片向迎风面前弯β角度；同时，叶轮采用偏装α角度；具体来说，

(1)为了获得更加高效风机，a＝0.4～0.7，θ＝10°～20°，α＝5°～8°，β＝1°～3°；

(2)为了获得更加低噪风机，a＝0.5，θ＝3°～5°，α＝5°，β＝8°～10°。

采用本设计后，其相对于传统风机效率提高了2％～5％，同时噪声降低了2～5dB。

以上已对本实用新型创造的较佳实施例进行了具体说明，但本实用新型创造并不仅限于所述的的实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或替换，这些等同变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种前弯前掠偏装式叶片，其特征在于，所述叶片基型为轴流风机叶片，包括叶根、叶中、叶尖；

所述叶中位于所述叶片叶高的0.4～0.7部位；所述叶中至叶尖部位进行前掠偏转，偏转采用正弦弧度进行逐渐偏转，最终叶尖部位的叶轮廓中心与叶中部位的叶轮廓中心连线，与叶根部位的叶轮廓中心与叶中部位的叶轮廓中心连线之间的偏转夹角为θ；θ≤20°；

所述叶片的叶根至叶尖处整体进行偏装，偏装方向为与前掠偏转方向相反；偏装后的叶中的叶轮廓中心至叶根的叶轮廓中心连线，与叶根的叶轮廓中心至叶片旋转轴心连线夹角为α；α＝5°～8°；

所述叶片的叶根至叶中部位逐渐进行前弯，前弯方向为叶片的迎风面方向；所述前弯自叶柄处沿所述叶片的叶轮廓中心连线进行弯曲，其弯曲角度终止在所述叶片的叶中部位，使所述叶片的前掠部位获得了固定角度β的前弯；β≤10°。

2.据权利要求1所述的一种前弯前掠偏装式叶片，其特征在于，θ＝10°～20°；α＝5°～8°；β＝1°～3°。

3.据权利要求1所述的一种前弯前掠偏装式叶片，其特征在于，所述叶中位于所述叶片叶高的0.5部位。

4.据权利要求3所述的一种前弯前掠偏装式叶片，其特征在于，θ＝3°～5°；α＝5°；β＝8°～10°。

5.据权利要求1所述的一种前弯前掠偏装式叶片，其特征在于，所述叶片的叶根至叶中部位采用等环量截面设计。

6.据权利要求5所述的一种前弯前掠偏装式叶片，其特征在于，所述叶中至叶尖部位采用变环量截面设计。

7.一种前弯前掠偏装式叶轮，其特征在于，包括如权利要求1-6中任意一项所述的前弯前掠偏装式叶片；还包含一轮毂，其外圈设置有若干个叶柄安装固定装置，通过所述叶柄安装固定装置将若干个如上所述的前弯前掠偏装式叶片固定在所述轮毂的外缘上；

上述前弯前掠偏装式叶片的叶根距所述叶轮的旋转轴心的距离为R；上述前弯前掠偏装式叶片的整体高度为L，R＝0.43～0.66L。

8.据权利要求7所述的一种前弯前掠偏装式叶轮，其特征在于，所述轮毂的迎风面方向还设有一外表面光滑平整的外毂壳。

9.一种轴流风机，其特征在于，包括如权利要求7-8中任意一项所述的前弯前掠偏装式叶轮；所述前弯前掠偏装式叶片的数量为8片。

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