CN106762820B - 一种直叶片径流风机叶轮的设计方法 - Google Patents
一种直叶片径流风机叶轮的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，包括1、创建叶轮的hub曲线和shroud曲线；2、创建叶片的基准曲线和基准点；3、建中弧面的前缘控制曲线，通过光顺曲线连接叶片的基准曲线起点与shroud上定义的基准点，创建中弧面的前缘控制曲线，将前缘控制曲线绕Z轴旋转一周，创建叶片中弧面的前缘裁剪曲面；4、创建叶片中弧面根部曲线；5、创建最终的叶片中弧面；6、创建叶片曲面；7、创建叶轮，该设计为全参数化设计，在少量的控制参数驱动下，就能对模型进行最大范围内的变形，采用本方法避开了模型设计和优化时候的盲目性和不确定性，直接节省了大量的人力和时间，为直叶片径流风机叶轮的设计研究提供了更科学的途径。
Description
技术领域
本发明属于风机技术领域，尤其涉及一种直叶片径流风机叶轮的设计方法。
背景技术
风机的功能主要在于引导空气流动进而达到散热的目的，因此，为使散热效率良好，风机对于空气的引导效能必须良好，目前，以风机工作时空气的流动方向划分，风机有轴流和径流式两种。径流式风机是根据动能转换为势能的原理，利用高速旋转的叶轮将气体加速，然后减速、改变流向，使动能转换成势能。当电动机带动叶轮工作时，气体从轴向进入叶轮，气体流经叶轮时改变成径向，然后进入扩压器。由于空气在风机中由轴向流动变成径向流动，所以称径流式风机，径流风机的性能更多的体现在叶轮及风道的结构上，所以在行业探索中也多集中在结构、材质等方面。径流风机作为工业的重要配套设备，更多地应用于电力、水泥、石油化工、煤炭、矿山和环保等领域，在新的经济发展形势下，未来径流风机行业将继续保持较快的增长。
径流风机的叶轮设计，市场上主要采用的依据设计手册，根据风量、风压、转速等需求数据，通过大量的计算推导，设计出一个大致满足需求的基础叶轮结构。设计得到的叶轮性能如何，还需要进一步的验证，而后续的叶轮改进，却是传统设计方法很难解决的问题，大多数设计单位采用的是依据经验局部修改模型，但是此种方法存在很大的盲目性和不确定性，还很有可能降低风机的性能，总之，在叶轮结构设计上，目前严重存在效率低、成本高昂等问题。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，只需对模型创建少量的参数，就能使径流风机的叶轮结构***，后续结合CFD仿真分析，能够测试出每种结构的性能，再根据分析结果对模型局部优化寻优，能够迅速的得到性能更好的直叶片径流风机叶轮模型。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，包括以下步骤：1、一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1：创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，在Y-X-Z平面上创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，将hub曲线和shroud曲线分别绕Z轴旋转一周，创建hub曲面和shroud曲面，设置hub曲线和shroud曲线的控制点参数；2：创建叶片的基准曲线和基准点，在hub曲线上选择其中的一段作为叶片的基准曲线，在shroud曲线上定义一个点作为叶片最高位置的基准点，设置叶片基准曲线起止位置的参数以及shroud曲线上基准点位置的参数；3：创建中弧面的前缘控制曲线，通过光顺曲线连接叶片的基准曲线起点与shroud上定义的基准点，创建中弧面的前缘控制曲线，将前缘控制曲线绕Z轴旋转一周，创建叶片中弧面的前缘裁剪曲面；4：创建叶片中弧面根部曲线，通过中弧面形状的方程控制曲线，控制叶片基准曲线沿叶轮周向进行变化，创建叶片中弧面的根部曲线，设置方程控制曲线A的控制点参数和形状参数；5：创建最终的叶片中弧面，在shroud曲线上的基准点位置放置平面，将叶片中弧面根部曲线投影到平面上，然后使用根部曲线与投影曲线相连来创建中弧面初始曲面，用中弧面的前缘裁剪曲面裁剪中弧面初始曲面，得到真实的叶片中弧面；6：创建叶片曲面，使用叶片截面厚度的方程控制曲线，使中弧面内部的每一条型线都向两侧偏移，生成叶片的截面轮廓曲线，将所有的截面轮廓曲线组合成一个叶片曲面，设置方程控制曲线B的控制点参数和形状参数；7：创建叶轮，使用中弧面的尾缘边线绕Z轴旋转一周生成叶片尾缘裁剪曲面，与hub曲面和shroud曲面一起对叶片进行裁剪，创建叶片实体，将叶片实体绕Z轴圆周阵列后，与hub和shroud曲面布尔运算，创建整个叶轮，设置叶片数目参数。
上述方案中，优选的，所述hub曲线控制点参数包括hub曲线起点的半径、高度，hub曲线终点的半径、高度，hub曲线起始端的角度。
上述方案中，优选的，所述shroud曲线控制点参数包括shroud曲线起点的半径、高度，shroud曲线终点的半径、高度，shroud曲线起始端的角度和终止端的角度，shroud曲线中部圆角的半径。
上述方案中，优选的，所述叶片基准曲线起止位置的参数，包括叶片基准曲线起始位置在hub曲线上所处的比率、叶片基准曲线终止位置在hub曲线上所处的比率。
上述方案中，优选的，所述shroud曲线上基准点位置的参数包括shroud曲线上基准点位置在shroud曲线上所处的比率。
上述方案中，优选的，所述步骤4中方程控制曲线A的控制点参数包括方程控制曲线A的起点高度和终点高度。
上述方案中，优选的，所述步骤4中方程控制曲线A的形状参数包括方程控制曲线A的起始端曲率和终止端曲率。
上述方案中，优选的，所述步骤6中方程控制曲线B的控制点参数包括方程控制曲线B的起点高度、终点高度。
上述方案中，优选的，所述步骤6中方程控制曲线B的形状参数包括方程控制曲线B的起始端曲率和终止端曲率。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：本直叶片径流径流风机叶轮的结构设计，采用与传统设计方法截然不同的思路，该设计为全参数化设计，能够在任何想要控制的位置添加参数来控制模型，也可以使用模型的方程控制曲线来控制模型，能够简洁快速的创建一个直叶片径流风机叶轮，而且在少量的控制参数驱动下，就能对模型进行最大范围内的变形，之后使用CAESES等驱动工具，批量控制CFD分析，并将CFD的分析结果归纳判断，再使模型的控制参数按照一定的规律重新变化，使模型最终达到一个最理想的状态，采用本方法避开了模型设计和优化时候的盲目性和不确定性，直接节省了大量的人力和时间，为直叶片径流风机叶轮的设计研究提供了更科学的途径。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：以叶片数为5片的直叶片径流径流风机叶轮为例，设计方法为：1、创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，在Y-X-Z平面上创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，将hub曲线和shroud曲线分别绕Z轴旋转一周，创建hub曲面和shroud曲面，设置hub曲线起点半径45mm、高度10mm，hub曲线终点半径125mm、高度0mm，hub曲线起始端角度20°；shroud曲线起点半径90mm、高度100mm，shroud曲线终点半径125mm、高度60mm；shroud曲线起始端的角度50°以及终止端的角度10°，shroud曲线中部圆角的半径10mm；2、创建叶片的基准曲线和基准点，在hub曲线上选择其中的一段作为叶片的基准曲线，在shroud曲线上定义曲线长度方向的shroud曲线总长0.15倍位置点作为叶片最高位置的基准点，设置叶片基准曲线起始位置在hub曲线上所处的比率为0.15、叶片基准曲线终止位置在hub曲线上所处的比率0.88，shroud曲线上基准点位置在shroud曲线上所处的比率0.4；3、创建中弧面的前缘控制曲线，通过光顺曲线连接步骤2中设置的叶片的基准曲线起点与shroud曲线上的基准点，创建中弧面的前缘控制曲线，将前缘控制曲线绕Z轴旋转一周，创建叶片中弧面的前缘裁剪曲面；4、创建叶片中弧面根部曲线，设置中弧面形状方程控制曲线A的起点高度为0.69mm、终点高度0.23mm、起始端角度-90°、终止端角度10°以及控制曲线影响因子60；5、创建最终的叶片中弧面，在shroud曲线上的基准点位置放置平面，将叶片中弧面根部曲线投影到平面上，然后使用根部曲线与投影曲线相连来创建中弧面初始曲面，用中弧面的前缘裁剪曲面裁剪中弧面初始曲面，得到真实的叶片中弧面；6、创建叶片曲面，设置叶片截面厚度方程控制曲线B的起点高度5mm、终点高度3mm、起始端角度0°和终止端角度0°，使中弧面内部的每一条型线都向两侧偏移，生成叶片的截面轮廓曲线，将所有的截面轮廓曲线组合成一个叶片曲面；7、创建叶轮，使用中弧面的尾缘边线绕Z轴旋转一周生成叶片尾缘裁剪曲面，与hub曲面和shroud曲面一起对叶片进行裁剪，创建叶片实体，将叶片实体绕Z轴圆周阵列后，与hub和shroud曲面布尔运算，创建整个叶轮，最后设置叶片数目参数为5，获得风机叶轮叶片为5片的风机叶轮。
实施例2：以叶片数为8片的直叶片径流径流风机叶轮为例，设计方法为：1、创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，在Y-X-Z平面上创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，将hub曲线和shroud曲线分别绕Z轴旋转一周，创建hub曲面和shroud曲面，设置hub曲线起点半径100mm、高度50mm，hub曲线终点的半径200mm、高度0mm，hub曲线起始端的角度50°，包括shroud曲线起点的半径150mm、高度160mm，shroud曲线终点的半径200mm、高度100mm，shroud曲线起始端的角度80°和终止端的角度20°，shroud曲线中部圆角的半径30mm；2、创建叶片的基准曲线和基准点，在hub曲线上选择其中的一段作为叶片的基准曲线，在shroud曲线上定义曲线长度方向的shroud曲线总长0.16倍位置点作为叶片最高位置的基准点，设置叶片基准曲线起始位置在hub曲线上所处的比率为0.16、叶片基准曲线终止位置在hub曲线上所处的比率0.92，shroud曲线上基准点位置在shroud曲线上所处的比率0.4；3、创建中弧面的前缘控制曲线，通过光顺曲线连接步骤2中设置的叶片的基准曲线起点与shroud曲线上的基准点，创建中弧面的前缘控制曲线，将前缘控制曲线绕Z轴旋转一周，创建叶片中弧面的前缘裁剪曲面；4、创建叶片中弧面根部曲线，设置中弧面形状方程控制曲线A的起点高度为0.9mm、终点高度0.3mm、起始端角度-80°、终止端角度30°以及控制曲线影响因子40；5、创建最终的叶片中弧面，在shroud曲线上的基准点位置放置平面，将叶片中弧面根部曲线投影到平面上，然后使用根部曲线与投影曲线相连来创建中弧面初始曲面，用中弧面的前缘裁剪曲面裁剪中弧面初始曲面，得到真实的叶片中弧面；6、创建叶片曲面，设置叶片截面厚度方程控制曲线B的起点高度7mm、终点高度5mm、起始端角度0°和终止端角度0°，使中弧面内部的每一条型线都向两侧偏移，生成叶片的截面轮廓曲线，将所有的截面轮廓曲线组合成一个叶片曲面；7、创建叶轮，使用中弧面的尾缘边线绕Z轴旋转一周生成叶片尾缘裁剪曲面，与hub曲面和shroud曲面一起对叶片进行裁剪，创建叶片实体，将叶片实体绕Z轴圆周阵列后，与hub和shroud曲面布尔运算，创建整个叶轮，最后设置叶片数目参数为8，获得叶片为8片的风机叶轮。
可通过对不同设计参数的设置，获得不同参数下的叶片，风机模型构建成功后，初始模型一般都不会是性能最优的，只要通过微调参数，对每一个变种模型进行相同的CFD分析，结合适当的优化算法，最终能够在参数限定的范围内，寻找到性能最优的模型。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1：创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，在Y-X-Z平面上创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，将hub曲线和shroud曲线分别绕Z轴旋转一周，创建hub曲面和shroud曲面，设置hub曲线和shroud曲线的控制点参数；2：创建叶片的基准曲线和基准点，在hub曲线上选择其中的一段作为叶片的基准曲线，在shroud曲线上定义一个点作为叶片最高位置的基准点，设置叶片基准曲线起止位置的参数以及shroud曲线上基准点位置的参数；3：创建中弧面的前缘控制曲线，通过光顺曲线连接叶片的基准曲线起点与shroud曲线上定义的基准点，创建中弧面的前缘控制曲线，将前缘控制曲线绕Z轴旋转一周，创建叶片中弧面的前缘裁剪曲面；4：创建叶片中弧面根部曲线，通过中弧面形状的方程控制曲线A，控制叶片基准曲线沿叶轮周向进行变化，创建叶片中弧面的根部曲线，设置方程控制曲线A的控制点参数和形状参数；5：创建最终的叶片中弧面，在shroud曲线上的基准点位置放置平面，将叶片中弧面根部曲线投影到平面上，然后使用根部曲线与投影曲线相连来创建中弧面初始曲面，用中弧面的前缘裁剪曲面裁剪中弧面初始曲面，得到真实的叶片中弧面；6：创建叶片曲面，使用叶片截面厚度的方程控制曲线B，使中弧面内部的每一条型线都向两侧偏移，生成叶片的截面轮廓曲线，将所有的截面轮廓曲线组合成一个叶片曲面，设置方程控制曲线B的控制点参数和形状参数；7：创建叶轮，使用中弧面的尾缘边线绕Z轴旋转一周生成叶片尾缘裁剪曲面，与hub曲面和shroud曲面一起对叶片进行裁剪，创建叶片实体，将叶片实体绕Z轴圆周阵列后，与hub曲面和shroud曲面布尔运算，创建整个叶轮，设置叶片数目参数。
2.根据权利要求1所述的一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，其特征在于，所述hub曲线控制点参数包括hub曲线起点的半径、高度，hub曲线终点的半径、高度，hub曲线起始端的角度。
3.根据权利要求1所述的一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，其特征在于，所述shroud曲线控制点参数包括shroud曲线起点的半径、高度，shroud曲线终点的半径、高度，shroud曲线起始端的角度和终止端的角度，shroud曲线中部圆角的半径。
4.根据权利要求1所述的一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，其特征在于，所述叶片基准曲线起止位置的参数，包括叶片基准曲线起始位置在hub曲线上所处的比率、叶片基准曲线终止位置在hub曲线上所处的比率。
5.根据权利要求1所述的一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，其特征在于，所述shroud曲线上基准点位置的参数包括shroud曲线上基准点位置在shroud曲线上所处的比率。
6.根据权利要求1所述的一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，其特征在于，所述步骤4中方程控制曲线A的控制点参数包括方程控制曲线A的起点高度和终点高度。
7.根据权利要求1所述的一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，其特征在于，所述步骤4中方程控制曲线A的形状参数包括方程控制曲线A的起始端曲率和终止端曲率。
8.根据权利要求1所述的一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，其特征在于，所述步骤6中方程控制曲线B的控制点参数包括方程控制曲线B的起点高度、终点高度。
9.根据权利要求1所述的一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，其特征在于，所述步骤6中方程控制曲线B的形状参数包括方程控制曲线B的起始端曲率和终止端曲率。
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