CN114607641B - 一种轴流风机的导叶结构和轴流风机 - Google Patents
一种轴流风机的导叶结构和轴流风机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种轴流风机的导叶结构和轴流风机,导叶结构包括:轮毂、导叶叶片和外圈,二维导叶翼型的中线或骨线为ML,ML上的任一点的横坐标X与弦长L之间的比值为翼型相对弦长X1,X1=X/L,ML上的该一点的纵坐标Y与弦长L之间的比值为翼型骨线相对高度Y1,Y1=Y/L,并满足关系式①:Y1=a3X1 3+a2X1 2+a1X1①,其中a3=‑0.005~‑0.015,a2=‑0.4~‑0.48,a1=0.4~0.5。通过本发明能够有效控制风机出口气流速度旋转分量,改变风机出口速度分布,抑制风叶尾缘边界层分离现象,相对于原有技术在静压相同(尤其是高压区)的情况下能够提高静压效率,提高做功效率。
Description
技术领域
本发明属于风机技术领域,具体涉及一种轴流风机的导叶结构和轴流风机。
背景技术
风机货舱冷凝风道入口通常设置在风机的迎风方向,以便利用迎面的高压气体进行内部换热使用。货舱冷凝风道的入口通常很小,以便减少飞机飞行过程中机外高压气体进入飞机货舱内部的流量。但是当飞机处于地面状态时,冷凝单元的换热则需要风机进行气流驱动。由于货舱冷凝风道的入口极小,导致此处产生较大的气体流速,进而导致气流损失极大(通常需要高静压来克服损失)。因此,风机货舱辅冷冷凝单元需要高压、高效轴流风机。原有轴流风机在高负荷区域工作时,风叶叶片尾缘流动紊乱、风机出口气流旋转速度分量过大,风机做功能力及静压效率均会大幅下降。
由于现有技术中的轴流风机在高压区域工作的静压效率低,导致做功能力低等技术问题,因此本发明研究设计出一种轴流风机的导叶结构和轴流风机机。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的轴流风机存在高压区域工作时的静压效率低,导致做功能力低的缺陷,从而提供一种轴流风机的导叶结构和轴流风机。
本发明提供一种轴流风机的导叶结构,其包括:
轮毂、导叶叶片和外圈,所述外圈位于所述轮毂的外周,且所述导叶叶片的一端连接于所述轮毂上、另一端连接于所述外圈上,所述导叶叶片被轴向平面截取所得的三维曲面为叶片在该处的三维曲面,所述轴向平面与所述轮毂的轴线平行且与轮毂的径向方向垂直;
所述三维曲面沿圆周方向展平后形成二维导叶翼型,导叶翼型前缘与尾缘中点的连线为翼型弦长L,其与气流方向的夹角即为导叶气流角或者称为导叶安装角α1,气流方向沿着所述轴线的方向,二维导叶翼型的中线或骨线为ML,以二维导叶翼型的前端为二维坐标的原点O,尾端为X轴上的点A,OA连线为X轴方向,与OA垂直的为Y轴,且二维导叶翼型位于第一象限,ML上的一点的横坐标X与弦长L之间的比值为翼型相对弦长X1,X1=X/L,ML上的一点的纵坐标Y与弦长L之间的比值为翼型骨线相对高度Y1,Y1=Y/L,并满足关系式①:Y1=a3X1 3+a2 X1 2+a1X1,其中a3=-0.015~-0.005,a2=-0.48~-0.4,a1=0.4~0.5。
在一些实施方式中,其中a3=-0.0109109747,a2=-0.4340616148,a1=0.4445641673,即:
在一些实施方式中,在点(X1,Y1)处作翼型骨线的切线S,再在点(X1,Y1)处作S的法线,法线与翼型上线轮廓线的交点分别为m、n,这两点的连线即为翼型的法向厚度δ,翼型的法向厚度与弦长的关系满足式②:δ/L=b5X1 5+b4X1 4+b3 X1 3+b2 X1 2+b1X1+b0,其中b5=-0.25~0.2,b4=-1.26~-1.18,b3=2.1~2.2,b2=-2~-1.1,b1=0.45~0.56,b0=0.005~0.016。
在一些实施方式中,其中b5=-0.2260936281,b4=-1.2152275306,b3=2.1675971059,b2=-1.6903302740,b1=0.5148102906,b0=0.0124376208,即:
在一些实施方式中,所述二维导叶翼型的前缘及尾缘均采用相对半径r/L=0.008234进行圆角处理,其中r为前缘或尾缘处的弧面半径。
在一些实施方式中,所述导叶安装角α1的取值为26°~30°。
在一些实施方式中,还包括引流扩压结构,所述引流扩压结构连接设置在所述轮毂上且位于所述导叶叶片的沿气流流动方向的下游端。
本发明还提供一种轴流风机,其包括前任一项所述的轴流风机的导叶结构和轴流风叶。
在一些实施方式中,所述导叶叶片的数量与所述轴流风叶的数量之间的最小公倍数为77。
在一些实施方式中,所述轴流风叶的叶片数为7片,所述导叶叶片的数量为11片。
本发明提供的一种轴流风机的导叶结构和轴流风机具有如下有益效果:
本发明基于空气动力学理论,发明了一种高效轴流风机导叶结构,通过限定Y/L与X/L之间的关系,Y1=a3X1 3+a2X1 2+a1X1,其中a3=-0.015~-0.005,a2=-0.48~-0.4,a1=0.4~0.5,能够有效控制风机出口气流速度旋转分量,尤其是减小旋转分量,使得气流更容易直吹,而提高做功效率,极大改善风机下游出口气流形态,即改变风机出口速度分布,提高风机的抗压能力以及做功效率,同时还能抑制风叶尾缘边界层分离现象;最终大幅提高风机做功能力、流动效率,降低风机功率,相对于原有技术在静压相同(尤其是高压区)的情况下能够提高静压效率,从而提高了做功效率,提高做功能力,降低风叶功率。本发明还通过限定δ/L与X/L之间的关系,即δ/L=b5X1 5+b4 X1 4+b3 X1 3+b2 X1 2+b1 X1+b0,其中b5=-0.25~0.2,b4=-1.26~-1.18,b3=2.1~2.2,b2=-2~-1.1,b1=0.45~0.56,能够进一步的控制风机出口气流速度旋转分量,尤其是减小旋转分量,使得气流更容易直吹,而提高做功效率,极大改善风机下游出口气流形态,即改变风机出口速度分布,提高风机的抗压能力以及做功效率,同时还能抑制风叶尾缘边界层分离现象;最终大幅提高风机做功能力、流动效率,降低风机功率,相对于原有技术在静压相同(尤其是高压区)的情况下能够提高静压效率,从而提高了做功效率,提高做功能力,降低风叶功率。
附图说明
图1是本发明的轴流风机的正视结构图;
图2是本发明的轴流风机的侧视结构图;
图3是本发明的轴流风叶的正视图;
图4是本发明的轴流风机的导叶结构的正视结构图;
图5是本发明的轴流风机的导叶结构的侧视结构图;
图6是本发明的轴流风机的导叶结构的局部剖视图;
图7是本发明的导叶结构的安装示意图;
图8是本发明的导叶翼型的主要参数示意图;
图9是本发明的导叶翼型骨线分布趋势图;
图10是本发明的导叶翼型厚度分布趋势图。
图中附图标记表示为:
1、轮毂;2、导叶叶片;3、外圈;4、引流扩压结构;5、轴流风叶;6、机壳;7、电机。
具体实施方式
如图1-10所示,本发明提供一种轴流风机的导叶结构(优选为航空用高效轴流风机的导叶结构),其包括:
轮毂1、导叶叶片2和外圈3,所述外圈3位于所述轮毂1的外周,且所述导叶叶片2的一端连接于所述轮毂1上、另一端连接于所述外圈3上,所述导叶叶片2被轴向平面截取所得的三维曲面为叶片在该处的三维曲面,所述轴向平面与所述轮毂1的轴线平行且与轮毂的径向方向垂直;
所述三维曲面沿圆周方向展平后形成二维导叶翼型,导叶翼型前缘与尾缘中点的连线为翼型弦长L,其与气流方向的夹角即为导叶气流角或者称为导叶安装角a1,气流方向沿着所述轴线的方向,二维导叶翼型的中线或骨线为ML,以二维导叶翼型的前端为二维坐标的原点O,尾端为X轴上的点A,OA连线为X轴方向,与OA垂直的为Y轴,且二维导叶翼型位于第一象限,ML上的一点的横坐标X与弦长L之间的比值为翼型相对弦长X1,X1=X/L,ML上的一点的纵坐标Y与弦长L之间的比值为翼型骨线相对高度Y1,Y1=Y/L,并满足关系式①:Y1=a3X1 3+a2 X1 2+a1X1,其中a3=-0.015~-0.005,a2=-0.48~-0.4,a1=0.4~0.5。
本发明基于空气动力学理论,发明了一种高效轴流风机导叶结构,通过限定Y/L与X/L之间的关系,Y1=a3X1 3+a2 X1 2+a1X1①,其中a3=-0.015~-0.005,a2=-0.48~-0.4,a1=0.4~0.5,能够有效控制风机出口气流速度旋转分量,尤其是减小旋转分量,使得气流更容易直吹,而提高做功效率,极大改善风机下游出口气流形态,即改变风机出口速度分布,提高风机的抗压能力以及做功效率,同时还能抑制风叶尾缘边界层分离现象;最终大幅提高风机做功能力、流动效率,降低风机功率,相对于原有技术在静压相同(尤其是高压区)的情况下能够提高静压效率,从而提高了做功效率,提高做功能力,降低风叶功率。
导叶的局部剖面图见图6,SP为导叶翼型的剖面图,其获得方法为沿与气流平行的方向拉伸曲面,拉伸曲面与导叶曲面相交形成封闭的曲线,该曲线内的曲面即为SP。SP曲面以导叶中心为参照,沿圆周方向展平后形成二维导叶翼型,见图7。导叶翼型前缘与尾缘中点的连线为翼型弦长L,其与气流方向(假定气流方向与导叶安装平面垂直)的夹角即为导叶气流角或者称为导叶安装角α1,见图6。α1的数值为28°。图7中,二维翼型沿垂直于纸面的方向顺时针旋转118°(或者90°+α1)后见图8。图8中虚线曲线为翼型的中线或者骨线,ML(中线),其由翼型前缘中点开始做样条曲线经由多个翼型内切圆圆心至翼型尾缘中点结束。X1为翼型相对弦长,其取值范围为[0,1],Y1为X1对应的翼型骨线相对高度。本发明中导叶翼型骨线的分布规律见图10,进一步优选a3=-0.0109109747,a2=-0.4340616148,a1=0.4445641673,即:翼型的相对高度与相对弦长的关系优选进一步满足下式:
本发明的导叶叶片的结构满足上式能够进一步改善风机下游出口气流形态,即改变风机出口速度分布,提高风机的抗压能力以及做功效率,同时还能抑制风叶尾缘边界层分离现象;最终大幅提高风机做功能力、流动效率,降低风机功率,相对于原有技术在静压相同(尤其是高压区)的情况下能够提高静压效率,从而提高了做功效率,提高做功能力,降低风叶功率。
本申请的技术效果:
原有方案效果
本发明方案效果
本发明方案相对于原有技术在静压相同(尤其是高压区)的情况下能够大幅提高风叶的静压效率,提高风叶在高压区域的做功能力(风量提高84%)及静压效率,其提升幅度在高静压区域尤其明显,达到10.9个百分点。
在一些实施方式中,在点(X1,Y1)处作翼型骨线的切线S,再在点(X1,Y1)处作S的法线,法线与翼型上线轮廓线的交点分别为m、n,这两点的连线即为翼型的法向厚度δ,翼型的法向厚度与弦长的关系满足式②:δ/L=b5X1 5+b4 X1 4+b3X1 3+b2 X1 2+b1 X1+b0,其中b5=-0.25~0.2,b4=-1.26~-1.18,b3=2.1~2.2,b2=-2~-1.1,b1=0.45~0.56,b0=0.005~0.016。
本发明还通过限定δ/L与X/L之间的关系,即δ/L=b5X1 5+b4 X1 4+b3 X1 3+b2 X1 2+b1X1+b0②,其中b5=0.2~-0.25,b4=-1.26~-1.18,b3=2.1~2.2,b2=-1.1~-2,b1=0.45~0.56,能够进一步的控制风机出口气流速度旋转分量,尤其是减小旋转分量,使得气流更容易直吹,而提高做功效率,极大改善风机下游出口气流形态,即改变风机出口速度分布,提高风机的抗压能力以及做功效率,同时还能抑制风叶尾缘边界层分离现象;最终大幅提高风机做功能力、流动效率,降低风机功率,相对于原有技术在静压相同(尤其是高压区)的情况下能够提高静压效率,从而提高了做功效率,提高做功能力,降低风叶功率。
在一些实施方式中,图9中δ为X1对应的叶型法向厚度。其获得方法为,在点(X1,Y1)处作翼型骨线的切线S,再在点(X1,Y1)处作S的法线,法线与翼型上线轮廓线的交点分别为m、n,这两点的连线即为翼型的法向厚度。导叶翼型法向相对厚度的分布规律,见图10.翼型的相对厚度与相对弦长的关系满足下式其中b5=-0.2260936281,b4=-1.2152275306,b3=2.1675971059,b2=-1.6903302740,b1=0.5148102906,b0=0.0124376208,即:
本发明的导叶叶片的结构满足上式能够进一步改善风机下游出口气流形态,即改变风机出口速度分布,提高风机的抗压能力以及做功效率,同时还能抑制风叶尾缘边界层分离现象;最终大幅提高风机做功能力、流动效率,降低风机功率,相对于原有技术在静压相同(尤其是高压区)的情况下能够提高静压效率,从而提高了做功效率,提高做功能力,降低风叶功率。
在一些实施方式中,所述二维导叶翼型的前缘及尾缘均采用相对半径r/L=0.008234进行圆角处理,其中r为前缘或尾缘处的弧面半径。
在一些实施方式中,所述导叶安装角α1的取值为26°~30°。优选28°。
在一些实施方式中,还包括引流扩压结构4,所述引流扩压结构连接设置在所述轮毂1上且位于所述导叶叶片2的沿气流流动方向的下游端。
本发明还提供一种轴流风机,其包括前任一项所述的轴流风机的导叶结构和轴流风叶5。
在一些实施方式中,所述导叶叶片的数量与所述轴流风叶的数量之间的最小公倍数为77。本发明涉及高静压、高效轴流风机主要由轴流风叶5、导叶结构、机壳6以及电机7等主要部件组成,见图2、图3。气流由电机侧流入,再由导叶流出,见图6。
本发明中轴流风叶叶片数为7片,见图3、风叶旋转方向为逆时针(以电机出轴侧为参考)。导叶采取11片见图4,导叶的叶片数与风叶叶片的最小公倍数为77,这样可有效减少风机旋转噪音的谐波数,进而控制风机噪音。
在一些实施方式中,所述轴流风叶的叶片数为7片,所述导叶叶片的数量为9片、11片或13片。
考虑到导叶强度及气流流动的影响,本发明取导叶轮毂半径Rg与风叶轮毂半径Rf相等。导叶叶片下游中心位置处设有(注:该结构为导叶的附属结构,可以视作发明独创)引流扩压结构,见图6,这样可以避免气流剧烈扩压带来的损失。扩压结构采用圆弧状,其半径R与导叶轮毂半径Rg相等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种轴流风机的导叶结构,其特征在于:包括:
轮毂(1)、导叶叶片(2)和外圈(3),所述外圈(3)位于所述轮毂(1)的外周,且所述导叶叶片(2)的一端连接于所述轮毂(1)上、另一端连接于所述外圈(3)上,所述导叶叶片(2)被轴向平面截取所得的三维曲面为叶片在该处的三维曲面,所述轴向平面与所述轮毂(1)的轴线平行且与轮毂的径向方向垂直;
所述三维曲面沿圆周方向展平后形成二维导叶翼型,导叶翼型前缘与尾缘中点的连线为翼型弦长L,其与气流方向的夹角即为导叶气流角或者称为导叶安装角α1,气流方向沿着所述轴线的方向,二维导叶翼型的中线或骨线为ML,以二维导叶翼型的前端为二维坐标的原点O,尾端为X轴上的点A,OA连线为X轴方向,与OA垂直的为Y轴,且二维导叶翼型位于第一象限,ML上的一点的横坐标X与弦长L之间的比值为翼型相对弦长X1,X1=X/L,ML上的一点的纵坐标Y与弦长L之间的比值为翼型骨线相对高度Y1,Y1=Y/L,并满足关系式①:Y1=a3X1 3+a2 X1 2+a1X1,其中a3=-0.015~-0.005,a2=-0.48~-0.4,a1=0.4~0.5。
3.根据权利要求1所述的轴流风机的导叶结构,其特征在于:
在点(X1,Y1)处作翼型骨线的切线S,再在点(X1,Y1)处作S的法线,法线与翼型上线轮廓线的交点分别为m、n,这两点的连线即为翼型的法向厚度δ,翼型的法向厚度与弦长的关系满足式②:δ/L=b5X1 5+b4 X1 4+b3 X1 3+b2 X1 2+b1X1+b0,其中b5=-0.25~0.2,b4=-1.26~-1.18,b3=2.1~2.2,b2=-2~-1.1,b1=0.45~0.56,b0=0.005~0.016。
5.根据权利要求1所述的轴流风机的导叶结构,其特征在于:
所述二维导叶翼型的前缘及尾缘均采用相对半径r/L=0.008234进行圆角处理,其中r为前缘或尾缘处的弧面半径。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的轴流风机的导叶结构,其特征在于:
所述导叶安装角α1的取值为26°~30°。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的轴流风机的导叶结构,其特征在于:
还包括引流扩压结构(4),所述引流扩压结构连接设置在所述轮毂(1)上且位于所述导叶叶片(2)的沿气流流动方向的下游端。
8.一种轴流风机,其特征在于:包括:权利要求1-7中任一项所述的轴流风机的导叶结构和轴流风叶(5)。
9.根据权利要求8所述的轴流风机,其特征在于:
所述导叶叶片的数量与所述轴流风叶的数量之间的最小公倍数为77。
10.根据权利要求8或9所述的轴流风机,其特征在于:
所述轴流风叶的叶片数为7片,所述导叶叶片的数量为11片。
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