CN115111194B - 叶片及使用其的轴流叶轮 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种叶片及使用其的轴流叶轮。本申请提供一种叶片,叶片包括叶顶、叶根、前缘和尾缘,其中前缘和尾缘分别从叶顶延伸至叶根,叶片能够绕一旋转轴线X旋转,旋转轴线X与一法向平面相垂直。在叶片的法向平面的投影中,前缘和尾缘之间的周向夹角形成包角,从叶根至叶片的中间叶高处,包角逐渐减小,从中间叶高至叶顶处,包角逐渐增大。其中,中间叶高为叶顶和叶根沿径向的中心点所形成的圆弧线。本申请的叶片能够使得:在轴流叶轮的运行过程中,叶片的前缘与叶顶交接处的附近、以及叶片的尾缘与叶顶交接处的附近的湍流涡显著减少强度降低,气流在叶片上的负载被均匀地减轻,速度和压力分布更加均匀,速度和压力脉动减轻,降低噪音。
Description
技术领域
本申请涉及风机、泵和压缩机等旋转机械领域,更确切的说是一种叶片及使用其的轴流叶轮。
背景技术
传统的叶片的前缘和尾缘通常为单调光滑的曲线,由于叶片表面流动分离严重,形成涡流,因此噪声较大。
发明内容
本申请的示例性实施例可以解决至少一些上述问题。根据本申请的第一方面,本申请提供一种叶片,所述叶片包括叶顶、叶根、前缘和尾缘,其中所述前缘和所述尾缘分别从所述叶顶延伸至所述叶根,所述叶片能够绕一旋转轴线X旋转,所述旋转轴线X与一法向平面相垂直。在所述叶片的法向平面的投影中,所述前缘和所述尾缘之间的周向夹角形成包角φ,从所述叶根至所述叶片的中间叶高处,所述包角φ逐渐减小,从所述中间叶高至所述叶顶处,所述包角φ逐渐增大。其中,所述中间叶高为所述叶顶和所述叶根沿径向的中心点所形成的圆弧线。
根据上述第一方面的叶片,所述旋转轴线X与所述法向平面垂直相交于垂足O,所述前缘上的任意一点与所述垂足O的连线为第一连线,所述叶根与所述前缘的交点沿所述旋转轴线X方向在所述法向平面上的投影点A与所述垂足O的连线为第二连线,所述第一连线与所述第二连线的夹角称为起始角θ。其中,所述起始角θ从所述叶顶向所述叶根方向逐渐增大。
根据上述第一方面的叶片,所述起始角θ的取值范围为:θ∈[0°,90°]。
根据上述第一方面的叶片,所述叶片包括上表面和下表面。从所述中间叶高至所述叶顶处,在所述叶片的径向截面上,所述上表面和所述下表面向下弯曲。
根据上述第一方面的叶片,所述尾缘上的最高点至所述旋转轴线X的垂线为第一垂线,所述第一垂线在所述旋转轴线X上具有垂点,所述尾缘与所述叶顶的交点与所述垂点的连线为第三连线。在沿所述旋转轴线X的投影方向上,所述第一垂线与所述第三连线的夹角为小翼角α,所述小翼角α的取值范围为:α∈[1°,15°]。
根据上述第一方面的叶片,在沿所述旋转轴线X的投影方向上,所述叶根和所述前缘的交点与所述叶顶和所述前缘的交点的连线为第四连线。所述第四连线与所述法向平面的夹角为前掠角β,所述前掠角β的取值范围为:β∈[5°,30°];并且所述前缘位于所述前掠角绕所述旋转轴线X转动所形成的区域内。
根据本申请的第二方面,本申请提供一种轴流叶轮,其包括轮毂和至少两片上述叶片。所述轮毂具有旋转轴线X,所述轮毂能够绕所述旋转轴线X转动。所述至少两片叶片布置在所述轮毂的外圆周面上。
根据上述第二方面的轴流叶轮,所述包角φ与所述叶片的片数有关。
根据上述第二方面的轴流叶轮,当所述轴流叶轮中的叶片为三片时,所述包角φ的取值范围为:φ∈[80°,100°];当所述轴流叶轮中的叶片为四片时,所述包角φ的取值范围为:φ∈[60°,85°];当所述轴流叶轮中的叶片为五片时,所述包角φ的取值范围为:φ∈[40°,70°]。
本申请的叶片能够使得:在轴流叶轮的运行过程中,叶片的前缘与叶顶交接处的附近、以及叶片的尾缘与叶顶交接处的附近的湍流涡显著减小,气流在叶片上的负载被均匀地减轻,速度更加均匀,速度脉动减轻,降低噪音。
附图说明
本申请特征和优点可通过参照附图阅读以下详细说明得到更好地理解,在整个附图中,相同的附图标记表示相同的部件,其中:
图1是使用本申请的轴流叶轮的立体图;
图2是图1中的轴流叶轮的俯视图;
图3是图1中的轴流叶轮的立体图;
图4是图1中的第一方向的轴流叶轮的侧视图;
图5是图1中的第二方向的轴流叶轮的侧视图;
图6A是传统轴流叶轮的周围气流模拟图;
图6B是根据本申请的轴流叶轮的周围气流模拟图;
图7A是传统轴流叶轮的气流模拟俯视图;
图7B是根据本申请的轴流叶轮的气流模拟俯视图。
具体实施方式
下面将参考构成本说明书一部分的附图对本申请的各种具体实施方式进行描述。在以下的附图中,同样的零部件使用同样的附图号。
图1是使用本申请的轴流叶轮100的立体图,其中,仅示出一个叶片112。如图1所示,轴流叶轮100包括轮毂110和叶片112。轮毂110具有旋转轴线X,轮毂110垂直于旋转轴线X的截面为圆形。轴流叶轮100可以包括至少两个叶片112。至少两个叶片112均匀地布置在轮毂110的外圆周面上,并与轮毂110连接成一体。轮毂110和叶片112能够一同绕旋转轴线X进行旋转。作为一个示例,本申请的轴流叶轮100按逆时针方向(即图1中箭头所示旋转方向)绕旋转轴线X进行旋转。图1中的虚线箭头表示气流的流动方向。本领域的技术人员可以理解,虽然本申请中示出的轮毂110为圆柱体,但在其他实施例中,轮毂110也可以是其他形状。
图2是图1中的轴流叶轮100的俯视图。如图2所示,叶片112包括上表面242、下表面244(参见图3)、叶顶216、叶根218、前缘222和尾缘220。上表面242和下表面244相对设置。其中,“前缘222”表示沿叶片旋转方向的前端边缘。“尾缘220”表示沿叶片旋转方向的后端边缘。“叶根218”表示叶片112与轮毂110相交的边缘。“叶顶216”表示与叶根218相对的另一个边缘。叶顶216、叶根218、前缘222和尾缘220围绕在上表面242和下表面244的四周。也就是说,上表面242和下表面244分别从叶顶216延伸至叶根218,并且也分别从前缘222延伸至尾缘220。
如图2所示,叶片112能够绕旋转轴线X旋转,旋转轴线X与一法向平面相垂直。换句话说,图2所示的轴流叶轮100的俯视图,也是轴流叶轮100在法向平面上的投影图。在法向平面上的投影中,叶片112的叶顶216和叶根218呈圆弧形。叶片112从叶根218至叶顶216沿径向方向向外具有不同叶高。具体来说,叶根218的圆弧形所在的半径处称为“叶高为0%处”。叶顶216的圆弧形所在的半径处称为“叶高为100%处”。叶片112的叶顶216和叶根218在径向上每一处的中心点所在的连线呈圆弧形,称为“中间叶高L”,即“叶高为50%处”。前缘222和尾缘220之间的周向夹角形成包角φ。在本申请所示的叶片112中,从叶根218至中间叶高L处,包角φ逐渐减小,并且从中间叶高L处至叶顶216处,包角φ逐渐增大。当叶片112转动时,由于叶片112的中间叶高L的包角最小,因此中间叶高L处所承受的载荷越大。这能够减少叶根218处承载的载荷,从而增加叶根218的强度。此外,从中间叶高L处至叶顶216处,包角φ逐渐增大能够增加叶顶216处的做功面积,减轻了叶顶216位置的均布载荷。。包角φ的取值范围为:φ∈[40°,100°]。更具体地,包角φ的取值范围与轴流叶轮100包括的叶片112的片数有关。当轴流叶轮100包括的叶片112为三片时,包角φ的取值范围为:φ∈[80°,100°]。当轴流叶轮100包括的叶片112为四片时,包角φ的取值范围为:φ∈[60°,85°]。当轴流叶轮100包括的叶片112为三片时,包角φ的取值范围为:φ∈[40°,70°]。
如图2所示,在法向平面上的投影中,旋转轴线X与法向平面垂直相交于垂足O。前缘222上的任意一点与垂足O的连线为第一连线。叶根218与前缘222的交点沿旋转轴线X方向在法向平面上的投影点A与垂足O的连线为第二连线,第一连线与第二连线的夹角称为起始角θ。起始角θ从叶顶216向叶根218方向逐渐增大。作为一个示例,起始角θ的取值范围为:θ∈[0°,90°]。起始角θ有利于在兼顾气动性的同时降低噪声。
图3是图1中的轴流叶轮100的立体图,以展示叶片112在沿旋转轴线X的方向上的结构。如图3所示,从中间叶高L处至叶顶216,在径向截面上,上表面242和下表面244向下弯曲。
图4是图1中的从第一方向看的轴流叶轮100的侧视图,以示出尾缘220的具体结构。如图4所示,尾缘220沿旋转轴线X的方向的最高点M至旋转轴线X的垂线为第一垂线,第一垂线在旋转轴线X上具有垂点N,尾缘220和叶顶216的交点P与垂点N的连线为第三连线。在沿旋转轴线X的投影方向上,第一垂线和第三连线的夹角为小翼角α,小翼角α的取值范围为:α∈[1°,15°]。由此,在轴向上在叶顶216尾端向着下表面244的方向倾斜,减小了叶顶216处的相对速度。更具体地说,流体的绝对速度由相对速度和切向速度的向量合成。由于叶顶216处的相对速度被减小,因此流体的绝对速度被减小,从而控制了上表面242的壁面的湍流边界层的厚度,减缓了边界层的分离,达到延缓和抑制脱落涡的脱落。作为一个示例,在以第一垂线为x轴并且以旋转轴线X为y轴的坐标系中,尾缘220为光滑二次方曲线。具体来说,尾缘220上的每一点处都有切线,并且切线随切点的移动而连续转动。此外,尾缘220的曲线方程为y=ax2+bx+c,其中a≠0。
图5是图1中的从第二方向看的轴流叶轮100的侧视图,以示出前缘222的具体结构。如图5所示,叶根218与前缘222的交点T与叶顶216与前缘222的交点S的连线为第四连线。第四连线与法向平面的夹角为前掠角β。前掠角β的取值范围为:β∈[5°,30°],并且前缘222位于前掠角β绕旋转轴线X的转动形成的区域内。具体来说,前掠角β所包括的区域为一个扇形,其绕旋转轴线X的转动形成的区域形成一个环状的扇形体。前缘222位于该环状的扇形体中。这种设置能够在下表面244形成空穴,从而控制上表面242的脱落涡与叶片112的过早分离,以实现叶片112上的整体载荷分布,达到气动性能和声学性能的平衡。
本申请的发明人发现,传统叶片一般为扭曲的光滑流线型叶片,其表面流动分离严重,形成涡流,叶顶泄漏很难避免。而本申请的叶片112能够使叶顶216处承载的载荷较轻,并且使中间叶高处承载的载荷较重,降低流体的速度和压力峰值,减轻压力和速度的脉动(即,突变),减少脱落涡个数,降低脱落涡的强度,并且延缓和抑制脱落涡的脱落,从而使噪声得到有效的改善。作为一个示例,传统轴流叶轮与本申请的轴流叶轮100以900r/min运行时,本申请的轴流叶轮100比传统轴流叶轮的噪声降低2.5dB。
图6A是传统轴流叶轮的周围气流模拟图,图6B是根据本申请的轴流叶轮100的周围气流模拟图。如图6A所示,在轴流叶轮的运行过程中,叶片的前缘与叶顶交接处的附近、以及叶片的尾缘与叶顶交接处的附近的空气都会产生流动速度较高的湍流涡。然而,如图6B所示,在本申请的轴流叶轮的运行过程中,叶片的前缘与叶顶交接处的附近、以及叶片的尾缘与叶顶交接处的附近的湍流涡都有显著减小。
图7A是传统轴流叶轮的气流模拟俯视图,图7B是根据本申请的轴流叶轮100的气流模拟俯视图。如图7A所示,在轴流叶轮的运行过程中,气流从前缘流经叶片的上表面,会在靠近叶顶的部分形成速度较低的气流,从而形成负载,施加在靠近叶顶的叶片部分。然而,如图7B所示,在本申请的轴流叶轮的运行过程中,气流在叶片上的负载被均匀地减轻,从而使得气流在靠近叶顶的叶片的上表面的速度没有明显降低,速度更加均匀,速度脉动减轻,降低噪音。此外,叶顶靠近尾缘位置的速度的降低也能够减少噪音。
尽管本文中仅对本申请的一些特征进行了图示和描述,但是对本领域技术人员来说可以进行多种改进和变化。因此应该理解,所附的权利要求旨在覆盖所有落入本申请实质精神范围内的上述改进和变化。
Claims (9)
1.一种轴流叶轮的叶片(112),包括:
叶顶(216)、叶根(218)、前缘(222)和尾缘(220),其中所述前缘(222)和所述尾缘(220)分别从所述叶顶(216)延伸至所述叶根(218),所述叶片(112)能够绕一旋转轴线(X)旋转,所述旋转轴线(X)与一法向平面相垂直;
其特征在于:
在所述叶片(112)的法向平面的投影中,所述前缘(222)和所述尾缘(220)之间的周向夹角形成包角φ,从所述叶根(218)至所述叶片(112)的中间叶高处,所述包角φ逐渐减小,从所述中间叶高至所述叶顶(216)处,所述包角φ逐渐增大;
其中,所述中间叶高为所述叶顶(216)和所述叶根(218)在径向上每一处的中心点所形成的圆弧线。
2.如权利要求1所述的轴流叶轮的叶片(112),其特征在于:
所述旋转轴线(X)与所述法向平面垂直相交于垂足(O),所述前缘(222)上的任意一点与所述垂足(O)的连线为第一连线,所述叶根(218)与所述前缘(222)的交点沿所述旋转轴线(X)方向在所述法向平面上的投影点(A)与所述垂足(O)的连线为第二连线,所述第一连线与所述第二连线的夹角称为起始角θ;
其中,所述起始角θ从所述叶顶(216)向所述叶根(218)方向逐渐增大。
3.如权利要求2所述的轴流叶轮的叶片(112),其特征在于:
所述起始角θ的取值范围为:θ∈[0°,90°]。
4.如权利要求1所述的轴流叶轮的叶片(112),其特征在于:
所述叶片(112)包括上表面(242)和下表面(244);
从所述中间叶高至所述叶顶(216)处,在所述叶片(112)的径向截面上,所述上表面(242)和所述下表面(244)向下弯曲。
5.如权利要求4所述的轴流叶轮的叶片(112),其特征在于:
所述尾缘(220)上的最高点至所述旋转轴线(X)的垂线为第一垂线,所述第一垂线在所述旋转轴线(X)上具有垂点,所述尾缘(220)与所述叶顶(216)的交点与所述垂点的连线为第三连线;
在沿所述旋转轴线(X)的投影方向上,所述第一垂线与所述第三连线的夹角为小翼角α,所述小翼角α的取值范围为:α∈[1°,15°]。
6.如权利要求1所述的轴流叶轮的叶片(112),其特征在于:
在沿所述旋转轴线(X)的投影方向上,所述叶根(218)和所述前缘(222)的交点与所述叶顶(216)和所述前缘(222)的交点的连线为第四连线;
所述第四连线与所述法向平面的夹角为前掠角β,所述前掠角β的取值范围为:β∈[5°,30°];并且
所述前缘(222)位于所述前掠角β绕所述旋转轴线(X)转动所形成的区域内。
7.一种轴流叶轮(100),其特征在于包括:
轮毂(110),所述轮毂(110)具有旋转轴线(X),所述轮毂(110)能够绕所述旋转轴线(X)转动;和
至少两片根据权利要求1-6中任意一项所述的轴流叶轮的叶片(112),所述至少两片叶片(112)布置在所述轮毂(110)的外圆周面上。
8.如权利要求7所述的轴流叶轮(100),其特征在于:
所述包角φ与所述叶片(112)的片数有关。
9.如权利要求8所述的轴流叶轮(100),其特征在于:
当所述轴流叶轮(100)中的叶片(112)为三片时,所述包角φ的取值范围为:φ∈[80°,100°];
当所述轴流叶轮(100)中的叶片(112)为四片时,所述包角φ的取值范围为:φ∈[60°,85°];
当所述轴流叶轮(100)中的叶片(112)为五片时,所述包角φ的取值范围为:φ∈[40°,70°]。
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