CN114233662A - 一种轴流风叶结构、轴流风机及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴流风叶结构、轴流风机及其制备方法，通过在轴流风机外缘设置凹陷结构，使叶片与导风圈相互作用较强的区域叶顶间隙增大，相互作用较弱的区域叶顶间隙减小，在维持风叶面积、风量不变的情况下改善内部流场，使气流在流经叶片吸力面后在叶片外缘中部的流动状态改善，有效控制该区域的叶顶泄露涡，降低叶顶附近的湍动能强度；同时使叶片外缘尾部气流脱落远离叶片吸力面，改善叶片表面局部压力脉动，通过控制叶顶间隙处的叶顶泄露涡及尾缘处脱落涡方向，降低内部流场湍动能强度，减弱叶片、导风圈表面压力脉动，有效改善风机噪声。

Description

一种轴流风叶结构、轴流风机及其制备方法

技术领域

本发明涉及风机技术领域，具体为一种轴流风叶结构、轴流风机及其制备方法。

背景技术

轴流风机作为一种传统流体机械，在厂区换气、矿井通风、家用电器等多方面具有广泛应用。随着当前社会的环保要求及人们的生活品质不断提升，轴流风机噪声问题受到了越来越多设计研发者的关注。

空调设备噪声主要由震动噪声、气动噪声、电磁噪声等组成，其中外机用轴流风机的气动噪声占有较大比重。轴流风机气动噪声主要是由流体作用于旋转叶片及静止部件如导风圈等结构引起的。在叶顶区域，由于叶片外缘与导风圈的相互作用，使气流周期性冲击导风圈，引起风机旋转噪声。同时，由于叶片压力面与吸力面之间存在压力差，气流在叶片外缘处自压力面卷向吸力面形成叶顶泄露涡，使得该区域涡流噪声较大。此外，风叶攻角设计、轮毂设计等也会对轴流风机噪声有一定影响。

通过降低风机转速控制风机旋转噪声是常用的噪声控制方式，但该方法对风机风量性能有影响；在空调内部添加隔音棉一定程度能够改善噪声性能，但会造成产品成本提升；调整风叶外缘与导风圈的叶顶间隙能够有效控制叶顶泄露涡，但会影响风机整体性能，且该方法对加工精度要求较高。因此，需要对轴流风叶进行进一步改进，从而改善轴流风机叶顶处流动状态，抑制风机内部涡流发展，降低风机噪声，需要提供一种新的风叶结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴流风叶结构、轴流风机及其制备方法，以克服现有技术的不足，本申请能够控制叶顶处风叶与导风圈相互作用，抑制叶顶泄露涡的发展，改善风机气动性能，降低风机噪声。

一种轴流风叶结构，包括叶片本体，叶片本体的外缘曲线为特征曲线S0，特征曲线S0为内凹曲线，叶片本体的外缘曲线两端分别为轴流风叶外缘前缘点A和轴流风叶外缘尾缘点B，特征曲线S0的两端分别与轴流风叶外缘前缘点A和轴流风叶外缘尾缘点B重合，轴流风叶外缘前缘点A为叶片前缘线与圆R＝R2交点，尾缘点B为叶片尾缘线与圆R＝R2交点，圆R＝R2为外缘均匀无凹陷的轴流风机叶片半径。

进一步的，特征曲线S0为仿蝶翼外沿型线。

进一步的，以轴流风叶外缘前缘点A和轴流风叶外缘尾缘点B连线为x向，垂直于连线为y向，特征曲线S0方程为：

其中，k为非零实数。

进一步的，R2/R3＝0.96-0.98，R3为导风圈半径。

进一步的，轴流风叶外缘最大半径与最小半径差为t，t/R3的范围为 0.01～0.05。

一种轴流风机，包括风叶轮毂、叶片本体和导风圈，叶片本体周向阵列固定于风叶轮毂外圈，导风圈套设于叶片本体外圈，风叶轮毂的轴线与叶片本体旋转轴、导风圈中心线重合，导风圈的端部与风机外壳连接。

进一步的，导风圈包括依次连接的圆弧段、竖直段和出口段，圆弧段为渐缩结构，竖直段的一端与圆弧段的最小圆弧半径端连接。

一种轴流风叶结构的制备方法，包括以下步骤：

S1，根据蝶蝶翼外沿轮廓数据，采用方程拟合建立仿蝶翼外沿型线；

S2，取蝶翼外沿前缘点及尾缘点连线方向为x方向，连线垂直方向为y方向，形成仿蝶翼外沿型线方程，将仿蝶翼外沿型线进行整体缩放使其两端点分别与轴流风叶外缘前缘点及轴流风叶外缘尾缘点重合，得到叶片本体的外缘曲线为特征曲线，根据叶片本体的外缘曲线为特征曲线成型得到轴流风叶结构。

进一步的，仿蝶翼外沿型线方程为：

其中，k为非零实数。

进一步的，轴流风叶外缘前缘点A为叶片前缘线与圆R＝R2交点，尾缘点 B为叶片尾缘线与圆R＝R2交点，圆R＝R2为外缘均匀无凹陷的轴流风机叶片半径，满足关系R2/R3＝0.96-0.98，R3为导风圈半径，轴流风叶外缘最大半径与最小半径差为t，t/R3的范围为0.01～0.05。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种轴流风叶结构，通过在轴流风机外缘设置凹陷结构，使叶片与导风圈相互作用较强的区域叶顶间隙增大，相互作用较弱的区域叶顶间隙减小，在维持风叶面积、风量不变的情况下改善内部流场，使气流在流经叶片吸力面后在叶片外缘中部的流动状态改善，有效控制该区域的叶顶泄露涡，降低叶顶附近的湍动能强度；同时使叶片外缘尾部气流脱落远离叶片吸力面，改善叶片表面局部压力脉动。

进一步的，特征曲线前后外凸特征弥补了凹入区域的叶片面积，使叶片整体做功面积不变。

本发明一种轴流风机，叶片本体周向阵列固定于风叶轮毂外圈，导风圈套设于叶片本体外圈，风叶轮毂的轴线与叶片本体旋转轴、导风圈中心线重合，导风圈的端部与风机外壳连接，叶片外缘中部附近凹入使局部叶顶间隙增大，减弱了该处叶片与导风圈相互作用，通过控制叶顶间隙处的叶顶泄露涡及尾缘处脱落涡方向，降低内部流场湍动能强度，减弱叶片、导风圈表面压力脉动，有效改善风机噪声。

附图说明

图1是本发明实例中所述仿蝶翼型线的数据拟合图。

图2是本发明实例中所述仿蝶翼轴流风叶的外形轮廓图。

图3是本发明实例中所述仿蝶翼轴流风叶的局部轮廓图。

图4是本发明实例中所述仿蝶翼轴流风叶的结构示意图。

图5是本发明实例中所述仿蝶翼轴流风叶的结构正视图。

图6是本发明实例中所述仿蝶翼轴流风叶的结构左视图。

图7是本发明实例中所述仿蝶翼轴流风机的结构示意图。

图8是本发明实施例中采用本发明仿蝶翼轴流风叶的空调室外机结构图。

图9a对比样机和图9b采用本发明仿蝶翼轴流风叶的空调室外机叶顶间隙处距导风圈2mm位置环面静压分布示意图。

图10a对比样机和图10b采用本发明仿蝶翼轴流风叶的空调室外机50％叶高截面湍动能分布云图。

图11a对比样机和图11b采用本发明仿蝶翼轴流风叶的空调室外机风叶表面分布声压脉动时均值示意图。

图12a对比样机和图12b采用本发明仿蝶翼轴流风叶的空调室外机导风圈表面声压脉动时均值示意图。

图13为采用本发明仿蝶翼轴流风叶的空调室外机声压级频谱对比图。

图中，1100—风叶轮毂；1200—叶片本体；1210—叶片前缘；1220—叶片尾缘；1230—叶片外缘；1231—前侧外凸特征；1232—后侧外凸特征；1300—风叶轴孔；1400—导风圈；1410—圆弧段；1420—竖直段；1430—出口段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图2所示，一种轴流风叶结构，包括叶片本体，叶片本体的外缘曲线为特征曲线S0，叶片本体的外缘曲线两端分别为轴流风叶外缘前缘点A和轴流风叶外缘尾缘点B，以轴流风叶外缘前缘点A和轴流风叶外缘尾缘点B连线为x向，垂直于连线为y向，特征曲线S0方程为：

其中，k为非零实数，用以控制仿生外缘范围。

轴流风叶外缘前缘点A为叶片前缘线与圆R＝R2交点，尾缘点B为叶片尾缘线与圆R＝R2交点。圆R＝R2为外缘均匀无凹陷的轴流风机叶片半径。

如图1、图3所示，本申请对叶片本体的外缘进行优化，获取外缘曲线，外缘曲线两端分别为轴流风叶外缘前缘点A和轴流风叶外缘尾缘点B，轴流风叶外缘前缘点A和轴流风叶外缘尾缘点B之间设置凹陷的凹入分布点C，ACB 曲线为叶片外缘特征曲线S0。特征曲线S0在C点处向叶片内部凹入，形成前侧外凸特征曲线AC及后侧外凸特征曲线CB，其型线为仿蝶翼外沿型线变形获得。

取仿蝶翼型线两端点分别为a点和b点，仿蝶翼型线中部凹点为c。

本申请采用仿蝶翼外沿结构，通过提取大绢斑蝶蝶翼外沿轮廓数据，采用方程拟合仿蝶翼外沿型线；取蝶翼外沿前缘点及尾缘点连线方向为x方向，连线垂直方向为y方向，形成仿蝶翼外沿型线方程为：

其中，k为非零实数。

蝶翼整体形状接近三角形，而轴流风叶外侧更接近圆弧，故需对蝶翼外沿型线变形处理。将仿蝶翼外沿型线进行整体缩放使两端点a、b分别与轴流风叶外缘前缘点A及轴流风叶外缘尾缘点B重合，使圆弧AB内圈与圆R＝R1外圈相切，圆R＝R1用以控制蝶翼型线基线的相对位置，当R1取最小值时AB为直线；R1取最大值时圆弧AB落在圆R＝R2上。R2为外缘均匀无凹陷的轴流风机叶片半径，即叶片外缘最大半径，满足关系R2/R3＝0.96-0.98，R3为导风圈半径。

将仿蝶翼型线弦ab弯曲变形并与圆弧AB重合，型线各点随弦线变形，使曲线ACB上各点到圆弧AB上的距离与曲线acb上各点到弦线ab的距离一致，从而构建叶片仿蝶翼外缘。调节参数k使满足R1取最大值时，曲线ACB 与圆R＝R3相切。轴流风叶外缘最大半径与最小半径差为t，t/R3的范围为 0.01～0.05。

通过在轴流风机外缘设置仿蝶翼凹凸结构，使叶片与导风圈相互作用较强的区域叶顶间隙增大，相互作用较弱的区域叶顶间隙减小，在维持风叶面积、风量不变的情况下改善内部流场。采用本设计，使气流在流经叶片吸力面后在叶片外缘中部的流动状态改善，有效控制该区域的叶顶泄露涡，降低叶顶附近的湍动能强度；同时使叶片外缘尾部气流脱落远离叶片吸力面，改善叶片表面局部压力脉动。前后外凸特征弥补了凹入区域的叶片面积，使叶片整体做功面积不变。

一种轴流风机，包包括风叶轮毂1100、叶片本体1200和导风圈1400，叶片本体1200周向阵列固定于风叶轮毂1100外圈，导风圈1400套设于叶片本体 1200外圈，风叶轮毂1100的轴线与叶片本体1200旋转轴、导风圈1400中心线重合，导风圈1400的端部与风机外壳连接，导风圈包括依次连接的圆弧段 1410、竖直段1420和出口段1430，圆弧段1410为渐缩结构，竖直段1420的一端与圆弧段1410的最小圆弧半径端连接。通过控制叶顶间隙处的叶顶泄露涡及尾缘处脱落涡方向，降低内部流场湍动能强度，减弱叶片、导风圈表面压力脉动，有效改善风机噪声。

斑蝶科绢斑蝶属的大绢斑蝶具有长途迁徙习性，其单日飞行最高距离可达200km，具有较强飞行能力。在飞行过程中，大绢斑蝶翅膀扑动频率较低，主要依靠自身外形结构特征有效利用海面气流进行滑翔。由于大绢斑蝶飞行速度与空调用轴流风机入口气流速度处于相同量级，因此可以通过仿生研究提取大绢斑蝶翅膀外沿凹入结构特征，进行重构优化后应用于轴流风机叶片设计，调节风机叶顶附近流动状态。

通过在轴流风机外缘设置仿蝶翼凹凸结构，使叶片与导风圈相互作用较强的区域叶顶间隙增大，相互作用较弱的区域叶顶间隙减小，在维持风叶面积、风量不变的情况下改善内部流场。采用本设计，使气流在流经叶片吸力面后在叶片外缘中部的流动状态改善，有效控制该区域的叶顶泄露涡，降低叶顶附近的湍动能强度；同时使叶片外缘尾部气流脱落远离叶片吸力面，改善叶片表面局部压力脉动。前后外凸特征弥补了凹入区域的叶片面积，使叶片整体做功面积不变。

通过控制叶顶间隙处的叶顶泄露涡及尾缘处脱落涡方向，降低内部流场湍动能强度，减弱叶片、导风圈表面压力脉动，有效改善风机噪声。

实施例：

如图2至图7所示，轴流风叶结构，包括风叶轮毂1100、轴流叶片1200和风叶轴孔1300，风叶轮毂、风叶轴孔的中心线与轴流叶片旋转轴重合。轴流叶片均匀连接在轮毂圆周方向，轴流叶片三条边线分别为叶片前缘1210、叶片尾缘1220、叶片外缘1230。叶片外缘存在凹入特征将外缘分为前侧外凸特征1231 和后侧外凸特征1232。

如图7所示，一种轴流风机，包括风叶轮毂1100、轴流叶片1200、和导风圈1400。导风圈包括圆弧段1410、竖直段1420、出口段1430。圆弧段1410沿圆弧线向内延伸半径缩小并与竖直段1420连接，竖直段1420垂直向后延伸至出口段1430。风叶轮毂、导风圈中心线与轴流叶片旋转轴重合。

气流经导风圈1400收集经圆弧段1410进入叶片旋转区域，冲击叶片前缘 1210后沿上下两侧通过叶片吸力面、压力面。在叶顶位置，部分气流在流过前侧外凸特征1231后从压力面转向吸力面，冲击抑制该处吸力面脱落涡发展。叶片外缘中部附近凹入使局部叶顶间隙增大，减弱了该处叶片与导风圈相互作用。

选取空调室外机对比样机，其内部轴流风机结构参数如表1。针对该对比样机结构设置仿蝶翼轴流风叶实施例建立对比组。该实施例风叶外缘最大半径和最小半径差t选取0.021。对比样机和实施例除轴流风叶外缘特征外完全相同。

采用CFD软件建立全三维流体域模型，根据室外机风道***将流体域划分为进口延伸区、进口箱体区、换热器区、箱体主体区、叶轮旋转区、出口网罩区、出口延伸区七部分如图8所示。为控制边界条件设置，进、出口延伸区分别向上游、下游延伸2倍特征长度。对计算域进行非结构网格划分，为保证数值计算的准确性和有效性，对网格进行无关性验证，最终选定叶轮区网格数为 453万，总网格数为1074万。

表1对比样机结构参数

叶轮直径/mm	407	风圈直径/mm	416
				叶轮高度/mm	131	风圈高度/mm	70
轮毂直径/mm	90	叶片分布方式	均布
				轮毂高度/mm	50	叶片数	3

采用ANSYS Fluent软件对该风机内部流场进行数值计算，控制方程为 Navier-Stokes方程，湍流计算采用Realizable k-e模型，近壁方程采用标准壁面函数，压力速度耦合采用SIMPLE算法，压力离散格式采用PRESTO！格式，动量方程、能量方程和湍流耗散方程均采用二阶迎风格式，计算收敛残差设置为 10^-4。进出口均给定压力边界条件，进口总压设置为1个大气压，出口静压设置为1个大气压。叶轮区设置为旋转区域，定常计算采用FrameMotion模型，设定旋转区域转速为954rpm。以定常计算结果作为初值进行非定常计算，设置时间步长为0.0001s，使叶轮转动10个周期并监测导风圈壁面静压及进出口流量趋于稳定，判断计算收敛。在非定常收敛基础上求解FW-H方程以计算气动噪声，以叶轮、电机、导风圈、网罩等结构壁面为噪声源，按照国标要求设置监测接收点。

对比样机和本发明实施例叶顶间隙处距导风圈2mm位置环面静压分布如图9a和图9b所示。从图9a和图9b中可以看出，本发明实施例在该区域低压面积小于对比样机，即有效控制了该处叶顶泄露涡；同时，采用本发明实施例叶顶泄露涡发展轨迹与叶片间夹角增大，也使泄露涡远离叶片吸力面。图10a 和图10b为50％叶高截面湍动能分布云图对比，本发明实施例叶顶位置湍动能强度明显降低，即该区域涡流强度降低，与静压分布特征一致。叶顶附近泄露涡强度降低能够有效改善风道***噪声性能。图11a、图11b、图12a和图12b 分别为轴流风叶表面、导风圈表面声压脉动时均值分布，从图中可以看出，采用本发明实施例的轴流风叶表面、导风圈表面声压脉动时均值均有所降低，这是由于该区域附近的内部涡流减弱，其产生的不规律的局部压力脉动减弱，局部声源强度随之减弱。

对比组在954rpm工况下风量、噪声参数对比见表2，声压级频谱对比见图 13。

表2对比样机和本发明实施例风量、噪声对比结果

	转速/rpm	风量m<sup>3</sup>/h	功率/W	噪声dB
					对比样机	954	2038	33.5	58.9
实施例	954	2033	33.1	56.0
					相对差值	/	-0.3％	-1.2％	-4.9％

在相同转速条件下，实施例与对比样机风量基本相同，功率下降1.2％，噪声降低2.9dB。相比于现行轴流风机噪声控制方案，本发明采用仿蝶翼式轴流风叶设计有效改善了叶顶间隙附近泄露涡，减弱了叶片、风圈表面压力脉动强度，在控制风机风量基本不变的情况下改善了风机气动性能，降低风机功率及风机涡流噪声。

Claims (10)

1.一种轴流风叶结构，其特征在于，包括叶片本体，叶片本体的外缘曲线为特征曲线S0，特征曲线S0为内凹曲线，叶片本体的外缘曲线两端分别为轴流风叶外缘前缘点A和轴流风叶外缘尾缘点B，特征曲线S0的两端分别与轴流风叶外缘前缘点A和轴流风叶外缘尾缘点B重合，轴流风叶外缘前缘点A为叶片前缘线与圆R＝R2交点，尾缘点B为叶片尾缘线与圆R＝R2交点，圆R＝R2为外缘均匀无凹陷的轴流风机叶片半径。

2.根据权利要求1所述的一种轴流风叶结构，其特征在于，特征曲线S0为仿蝶翼外沿型线。

3.根据权利要求1或所述的一种轴流风叶结构，其特征在于，以轴流风叶外缘前缘点A和轴流风叶外缘尾缘点B连线为x向，垂直于连线为y向，特征曲线S0方程为：

其中，k为非零实数。

4.根据权利要求1所述的一种轴流风叶结构，其特征在于，R2/R3＝0.96-0.98，R3为导风圈半径。

5.根据权利要求1所述的一种轴流风叶结构，其特征在于，轴流风叶外缘最大半径与最小半径差为t，t/R3的范围为0.01～0.05。

6.一种基于权利要求1所述轴流风叶结构的轴流风机，其特征在于，包括风叶轮毂(1100)、叶片本体(1200)和导风圈(1400)，叶片本体(1200)周向阵列固定于风叶轮毂(1100)外圈，导风圈(1400)套设于叶片本体(1200)外圈，风叶轮毂(1100)的轴线与叶片本体(1200)旋转轴、导风圈(1400)中心线重合，导风圈(1400)的端部与风机外壳连接。

7.根据权利要求6所述的的轴流风机，其特征在于，导风圈包括依次连接的圆弧段(1410)、竖直段(1420)和出口段(1430)，圆弧段(1410)为渐缩结构，竖直段(1420)的一端与圆弧段(1410)的最小圆弧半径端连接。

8.一种轴流风叶结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据蝶蝶翼外沿轮廓数据，采用方程拟合建立仿蝶翼外沿型线；

S2，取蝶翼外沿前缘点及尾缘点连线方向为x方向，连线垂直方向为y方向，形成仿蝶翼外沿型线方程，将仿蝶翼外沿型线进行整体缩放使其两端点分别与轴流风叶外缘前缘点及轴流风叶外缘尾缘点重合，得到叶片本体的外缘曲线为特征曲线，根据叶片本体的外缘曲线为特征曲线成型得到轴流风叶结构。

9.根据权利要求8所述的一种轴流风叶结构的制备方法，其特征在于，仿蝶翼外沿型线方程为：

其中，k为非零实数。

10.根据权利要求9所述的一种轴流风叶结构的制备方法，其特征在于，轴流风叶外缘前缘点A为叶片前缘线与圆R＝R2交点，尾缘点B为叶片尾缘线与圆R＝R2交点，圆R＝R2为外缘均匀无凹陷的轴流风机叶片半径，满足关系R2/R3＝0.96-0.98，R3为导风圈半径，轴流风叶外缘最大半径与最小半径差为t，t/R3的范围为0.01～0.05。

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