CN105736426A - 一种叶片压力面带小翼和叶顶有吹气结构的轴流风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片压力面带小翼和叶顶有吹气结构的轴流风机，包括网罩、叶轮、导叶、内筒、外筒、电机；所述网罩是有铁丝编织而成，固定在外筒上；所述叶轮包括轮毂和叶片，在叶片叶顶加叶顶吹气结构，叶片吸力面尾部加小翼结构，导叶级出口端的内筒上加工矩形孔，可以改善叶顶的流动情况；减小叶顶泄漏损失、涡流损失；降低间隙产生的噪声；控制径向运动的二次流；控制叶片表面边界层厚度；抑制了叶片尾迹引起的涡流噪声；减小涡导叶级涡脱落频率，降低了出口噪声。通过对轴流风机不同位置的改进使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。

Description

一种叶片压力面带小翼和叶顶有吹气结构的轴流风机

技术领域

本发明属于风机技术领域，特别涉及一种叶片压力面带小翼和叶顶有吹气结构的轴流风机。

背景技术

轴流风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械。它广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气的推进等，在国民经济各行业均有非常重要的应用。据统计，风机用电约占全国发电量的10%，煤矿主要通机平均电耗约占矿井电耗的16%；金属矿山的风机用电量占采矿用电的30%；钢铁工业的风机用电量占其生产用电的20%；煤炭工业的风机用电量占煤炭工业用电的17%。由此可见，风机节能在国民经济各部门中的地位和作用是举足轻重的。由于，轴流风机的比转速较高，这样它具有流量大、全压低的特点，在这些行业中都占有不可替代的地位。

因此设计优化出效率高、性能好、噪声低、节能的轴流式通风机是很重要的。但是轴流风机中流动非常复杂性，主要体现在：1）流动的三维性；2）流体的粘性；3）流动的非定常性。在传统的风机设计中很难考虑到上面三点，就算现代设计方法中用了CFD做辅助设计，但是无法完全控制上面三个因素对风机性能的影响，其中最关键的因素是流体的粘性，粘性不仅仅影响到叶片出口边为满足库塔-茹科夫斯基条件而形成的叶片尾迹旋涡。由于粘性，叶片表面以及环壁通道表面均会存在粘性边界层，它们之间以及与主流之间有强烈的相互作用，产生所谓的“二次流”现象。二次流动是轴流风机损失上升、效率下降的主要根源。同时，由于粘性的影响，使轴流风机中存在空气动力噪声，轴流风机的空气动力噪声主要由两部分组成：旋转噪声和涡流噪声。如果风机出口直接排入大气，还有排气噪声。

综上所述，要想设计优化出效率高、性能好、噪声低、节能的轴流式通风机，就是要控制和减小二次流动、控制和减小边界层厚度、防止涡脱落、或是控制涡的形成。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足无法通过传统设计很好的控制轴流风机中的边界层厚度、二次流和涡流噪声，提供一种叶片压力面带小翼和叶顶有吹气结构的轴流风机，在叶片叶顶加叶顶吹气结构，叶片吸力面尾部加小翼结构，和导叶级出口端的内筒上加工矩形孔，可以改善叶顶的流动情况；减小叶顶泄漏损失、涡流损失；降低间隙产生的噪声；控制径向运动的二次流；控制叶片表面边界层厚度；抑制了叶片尾迹引起的涡流噪声；减小涡导叶级涡脱落频率，降低了出口噪声。通过对轴流风机不同位置的改进使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。

本发明采用的技术方案是：一种叶片压力面带小翼和叶顶有吹气结构的轴流风机，包括网罩、叶轮、导叶、内筒、外筒、电机；所述网罩是有铁丝编织而成，固定在外筒上；其特征在于：所述叶轮包括轮毂和叶片，叶片吸力面尾部有小翼结构，叶片顶端有吹气孔结构；所述叶片是通过等环量孤立翼型法设计的翼型叶片，扭速随着变径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片厚度分布与NACA四位数字翼型厚度分布相同，翼型相对厚度为10%-15%，叶片数量为5-9个，叶片叶顶间隙为叶片高度的1%-2%；所述叶片吸力面小翼均匀分布在叶片上，相对于叶高的位置分别在20%、40%、60%和80%四个位置，小翼的尾端垂直于叶片表面，前缘与叶片表面有30-60°，中间通过样条曲线过度，各截面小翼的弦长相等，占平均半径出弦长的1/4-1/3左右，小翼厚度为4-8mm，小翼高度为其弦长的30%-60%，小翼的尾缘距离叶片尾缘有5%-10%的叶片平均弦长；所述叶顶吹气结构，是从叶片顶部压力面开孔，使高压气体能流经叶顶间隙，吹气孔平均分布在叶顶翼型截面的中弧线上,孔的直径为弦长的5-10%，小孔之间的距离为弦长的10%-20%，压力面小孔主要均匀分布在叶高的85%-90%的区域内；所述导叶固定在内筒和外筒上面，导叶叶片为圆弧板型叶片，沿着径向没有扭转,导叶数量为7-17个，导叶叶轮与叶轮的轴向间隙的大小为5-10mm，导叶叶片的厚度为2-4mm；所述内筒在处气段尾部，开有矩形孔；所述矩形孔结构均匀的分布在内筒整个圆周上，矩形孔的长为内筒圆周长度的3%-5%，矩形锯齿的长宽比为2-4，矩形孔的数量在10-30个之间；所述电机为三相异步电机，电机固定在内筒的腹板上，叶轮通过轴套与电机轴相连。

本发明的有益效果：

本发明通过在叶轮叶片的顶端加了叶顶吹气结构，能把压力面的高能气体吹进叶顶间隙的边界层区域，可以很好的控制边界层厚度，防止气体回流和叶尖涡的形成与脱落，从而可以有效地改善叶顶处的泄露流，减小流动损失，改善叶顶处由于泄露流而造成的低能流体聚集、堵塞流道的问题，从而降低噪音。同时该轴流式通风机在叶轮叶片的吸力面尾部上均匀的加了四个小翼，小翼可以引导气流沿着弦向运动，可以很好的控制由于流体的压力和离心力不平衡导致的径向流动，同时还可以控制叶片流道中一对通道涡的尺寸，和叶片表面附面层潜移流动，也就控制住了径向运动的二次流，减小速度的不均匀，减小射流尾迹损失，控制边界层厚度，使叶片吸力面边界层分离点向后运动，减小能量损失、控制涡脱落，抑制了由于叶片尾迹引起的涡流噪声。把导叶级的内筒后部也设计成矩形孔的形状，可以有效的控制边界层厚度和涡的脱落频率，同时该结构可以对大的通道涡进行切割、梳理成无数小涡流，并对风叶根的粘性气流进行有效分离、导向，致使成为理想气流，减小了风机尾迹损失和涡流噪声。通过对轴流风机不同位置的改进使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。

附图说明

图1为本发明的轴流风机三维图。

图2为本发明的叶轮结构图。

图3为本发明的叶轮叶片压力面示意图。

图4为本发明的叶轮叶片吸力面示意图。

图5为本发明的小翼截面图。

图6为本发明的导叶级叶轮结构图。

图7为本发明的叶片翼型截面设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，该轴流式通风机有6部分组成，包括1、叶轮2、内筒3、电机4、导叶5、外筒6、网罩；外筒5、导叶4和内筒2通过焊接固连在一起，电机3固定在内筒2的腹板上，其中电机3的工作参数为720r/min，功率为4KW；叶轮1通过轴套固定在电机3轴上，叶轮1的轮毂与内筒3的间隙为10mm；网罩6安装在外筒5上，有整流和防止异物进入的作用。

如图1、2、3、5所示，叶轮1有电机3带动给气体做功，提高气体的动压和静压，叶轮1上的叶片1-1是通过等环量孤立翼型法设计的翼型叶片，扭速随着变径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片相对厚度为10%，叶片数量为6个，叶片叶顶间隙为叶片高度的2%。叶轮叶片设计具体方法如下：

轴流式通风机内部流体简单的径向平衡方程：

其中P表示流体微团受到的压力，Cu为流体微团绕轴旋转的速度，r为流体微团的旋转半径。公式表示轴流风机内部假设没有径向流动，则任意位置流体微团在径向上受到的压力P和流体微团旋转运动产生的离心力平衡。

在公式（2）-（3）中，Pt为气体的总压，ρ为气体的密度，C为气体的合速度，Cu、Ca、Cr分别为气体的周向速度、周向速度、径向速度，但是有上面假设可知Cr=0，气体的总压等于动压加静压。

由公式（2）-（3）可以得到Pt、P、Cu、Ca的微分关系式如公式（4）.把公式（4）回代入公式（1）中就可以得到另一种更加通用的简单的径向平衡方程（5）。

等环量设计方法假设总压Pt沿径向不变，轴向速度Ca也沿径向为常数，代入公式（5）中可知：

由上面公式可知，等环量设计方法就是假设风机内部Cr=0，并且总压Pt沿径向不变，轴向速度Ca也沿径向为常数，周向速度随着半径的增大而减小。

公式（7）是由叶栅理论推导出来的，一个关于叶片稠度，叶片扭速，叶栅升力系数，和叶栅中平均相对速度之间的关系。

孤立翼型设计方法就是假设叶栅的升力系数不受叶栅之间叶片的干涉，也就是叶栅的升力系数孤立翼型的升力系数相同。

等环量孤立翼型设计方法就是如上所述，通过上面的方法就可以计算出叶片的各截面的弦长和安装角，叶片进口气流机和叶片出口气流机，由上面的参数加上一些经验公式就可以计算出中弧线的形状，取翼型相对厚度为10%，然后，在各截面的中弧线叠加NACA四位数字翼型厚度分布，得到各翼型截面。NACA翼型是美国国家航空资讯委员会（NationalAdvisoryCommitteeforAeronautics）所发表的翼型系列，四位数字翼型是其常用翼型系列，设计方法如下：

NACA四位数字翼型厚度分布函数方程为：

其中：t表示相对厚度，，b为弦长，以翼型玄线为X轴，坐标原点放在翼型叶片前缘点上，。

方法如下，首先，取相对厚度为10%，得到叶片不同截面厚度分布函数的N个离散点，然后，同时把各截面中弧线也进行等分得到N个离散点，并且通过差分法求取各点法线的斜率，然后求出倾斜角，这样就可以得到变换后翼型上下表面的坐标点然后用曲线光滑的连接起来就可以得到个截面所需翼型，如图7所示，a1为厚度分布函数，a4为叶片中弧线，a2和a3为中弧线任一点的法线和切线。

如图2、3所示，叶轮1上的叶片1-1的吸力面尾缘均匀分布着4个小翼1-2，B1、B2、B3、B4，图4为B2处翼型叶片1-1和小翼1-2的截面图，相对于叶高的位置分别在20%、40%、60%和80%四个位置，小翼1-2之间的距离d4为56mm，小翼1-2的尾端垂直于叶片1-1表面，前缘与叶片1-1表面法向的角度为30°，中间通过样条曲线过度，各截面小翼1-2的弦长相等，占叶片1-1平均半径出弦长d6的1/3左右，小翼1-1厚度d3为5mm，小翼1-2高度d5为其弦长的40%，小翼1-2的尾缘到叶片尾缘的距离d7为5%的叶片1-1平均弦长。

如图2、3、5所示，叶轮1上的叶片1-1顶端有顶端吹气结构1-3，所述叶顶吹气结构1-3，是从叶片顶部压力面开孔，使高压气体能流经叶顶间隙，吹气孔平均分布在叶顶翼型截面的中弧线A上，孔的直径d2为弦长的5%,大小为8mm，小孔之间的距离d1为弦长的15%，大小为30mm，压力面小孔主要均匀分布在叶高的85%-90%的区域内。

如图1、6所示，导叶4固定在内筒2和外筒5上面，导叶4为圆弧板型叶片，沿着径向没有扭转导叶数量为9个，导叶4叶轮与叶轮1的轴向间隙的大小为10mm，导叶4叶片的厚度为4mm；内筒2在出气端尾部，开有矩形孔2-1；所述矩形孔结构2-1均匀的分布在内筒整个圆周上，矩形孔的长为内筒圆周长度的3%,大小为60mm，矩形锯齿的长宽比为2，矩形孔的数量在14个。

本发明首先在该轴流风机在叶轮1叶片1-1的顶端加了叶顶吹气结构1-2，可以很好的控制边界层厚度，防止气体回流和叶尖涡的形成与脱落，从而可以有效地改善叶顶处的泄露流，减小流动损失，改善叶顶处由于泄露流而造成的低能流体聚集、堵塞流道的问题，从而降低噪音。同时在该轴流式通风机在叶轮1叶片1-1的吸力面尾部上均匀的加了四个小翼1-2，原因是吸力面边界层比压力面边界层厚得多，导致吸力面流动相当复杂，而且随着流体从前缘到后缘的过程中，吸力面逆压梯度不断增大，导致吸力面边界层不断加厚，所以控制吸力面后半部分流体的流动情况，对提高风机性能是很关键的，小翼1-2的作用是引导气流沿着弦向运动，可以很好的控制由于流体的压力和离心力不平衡导致的径向流动，同时还可以控制叶片1-1流道中一对通道涡的尺寸，和叶片1-1表面附面层潜移流动，也就控制住了径向运动的二次流，减小速度的不均匀，减小射流尾迹损失，控制边界层厚度，使叶片吸力面边界层分离点向后运动，减小能量损失、控制涡脱落，抑制了由于叶片1-1尾迹引起的涡流噪声。最后在导叶4级的内筒2后部也设计成矩形孔的形状2-1，经过优化设计，发现该结构可以有效降低导叶4尾迹噪声，原因是导叶4处在动叶的后面由于叶片1-1尾迹和导叶4边界层的叠加使的导叶4级通道中流动非常的复杂，并且靠近轮毂和内筒2侧的气流边界层会进一步增大，也就是在导叶4级的靠近内筒2侧出口气流中存在很大的涡流区。故在内筒2的出口加工出矩形孔2-1，可以有效的控制边界层厚度和涡的脱落频率，同时该结构可以对大的通道涡进行切割、梳理成无数小涡流，并对风叶根的粘性气流进行有效分离、导向，致使成为理想气流，减小了风机尾迹损失和涡流噪声。通过对轴流风机不同位置的改进使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。

Claims (1)

1.一种叶片压力面带小翼和叶顶有吹气结构的轴流风机，包括网罩、叶轮、导叶、内筒、外筒、电机；所述网罩是有铁丝编织而成，固定在外筒上；其特征在于：所述叶轮包括轮毂和叶片，叶片吸力面尾部有小翼结构，叶片顶端有吹气孔结构；所述叶片是通过等环量孤立翼型法设计的翼型叶片，扭速随着变径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片厚度分布与NACA四位数字翼型厚度分布相同，翼型相对厚度为10%-15%，叶片数量为5-9个，叶片叶顶间隙为叶片高度的1%-2%；所述叶片吸力面小翼均匀分布在叶片上，相对于叶高的位置分别在20%、40%、60%和80%四个位置，小翼的尾端垂直于叶片表面，前缘与叶片表面有30-60°，中间通过样条曲线过度，各截面小翼的弦长相等，占平均半径出弦长的1/4-1/3左右，小翼厚度为4-8mm，小翼高度为其弦长的30%-60%，小翼的尾缘距离叶片尾缘有5%-10%的叶片平均弦长；所述叶顶吹气结构，是从叶片顶部压力面开孔，使高压气体能流经叶顶间隙，吹气孔平均分布在叶顶翼型截面的中弧线上,孔的直径为弦长的5-10%，小孔之间的距离为弦长的10%-20%，压力面小孔主要均匀分布在叶高的85%-90%的区域内；所述导叶固定在内筒和外筒上面，导叶叶片为圆弧板型叶片，沿着径向没有扭转,导叶数量为7-17个，导叶叶轮与叶轮的轴向间隙的大小为5-10mm，导叶叶片的厚度为2-4mm；所述内筒在处气段尾部，开有矩形孔；所述矩形孔结构均匀的分布在内筒整个圆周上，矩形孔的长为内筒圆周长度的3%-5%，矩形锯齿的长宽比为2-4，矩形孔的数量在10-30个之间；所述电机为三相异步电机，电机固定在内筒的腹板上，叶轮通过轴套与电机轴相连。