CN116398471A - 一种前掠式叶片叶轮及构成轴流风机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高效轴流风机叶轮领域，具体为一种前掠式叶片叶轮及构成轴流风机，叶轮包括叶片和轮毂，叶片呈放射状设置在轮毂上，叶片前缘为前掠形，从叶轮的轴向看，沿半径方向叶片分割为若干截面，截面叶片从根部中心到前端中心连线为弯曲形状，叶片根部中心和轮毂的圆心连成半径线，各截面中心与叶根中心连线和半径线之间夹角γ为15°‑25°。采用这种前掠式叶片叶轮的轴流风机为前掠式轴流风机。本发明风机叶片的设计采用掠形技术，能有效地改变空气流动状态，减少湍流强度，降低噪音，提高性能。

Description

一种前掠式叶片叶轮及构成轴流风机
技术领域
本发明涉及一种轴流风机叶轮，具体涉及一种前掠式轴流风机叶轮，属于高效轴流风机叶轮领域。
背景技术
目前在舰船、空调、通风等行业使用轴流风机的领域，普遍存在噪音大、效率低的问题，噪音过大直接影响到舰船的隐蔽性，并对人体健康产生危害，效率低也造成能源的巨大浪费。掠形技术最先用于军事飞机的设计运用，随着对弯掠叶片理论和实验研究的开展，弯掠叶片作为螺旋桨和压气机叶片，在气动性能和声学性能上的优点被研究人员证实。
经查阅现有专利技术公开号(CN211174768U)提出一种前弯前掠式叶片，叶片采用中上部弯掠，弯掠靠近前缘位置，且起始点大概位于叶片长度的40％-50％之间，叶片相对宽度减少，节省材料，保证风量风压的同时，有降噪效果，降低风压损耗，提高风机性能。通过设置多种结构的连接头，可拆卸连接，可调安装角度，匹配不同的安装方式。但是前弯式叶片在低风速下风机启动更容易，高风速下容易失速。
为解决上述问题，本申请文件提出一种高效低噪型前掠式叶片叶轮，对叶片进行了全新的三元流设计，其风机叶片的设计采用后弯前掠式，叶片从叶根到叶尖逐渐加宽，能有效地改变空气流动状态，减少湍流强度，降低噪音，并能在高风速下稳定运行，提高性能。
发明内容
本发明目的是提供了一种前掠式叶片叶轮及构成轴流风机，解决了普通轴流风机叶轮存在噪音大、效率低、高风速易失速等问题。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种叶片叶轮，包括叶片和轮毂，叶片呈放射状设置在轮毂上，其特征在于：叶片前缘为前掠形，从叶轮的轴向看，沿半径方向叶片分割为若干截面，截面叶片从根部中心到前端中心连线为弯曲形状，叶片根部中心和轮毂的圆心连成半径线，各截面中心与叶根中心连线和半径线之间夹角γ为15°-25°。
优选的，叶根至叶片最外缘叶宽逐渐变大，以叶根截面叶片宽度b0为参考，不同位置叶片截面宽度为b，轮毂比为0.45～0.6，叶片宽度比b'＝b/b0为1.5～2.5。
优选的，截面叶型相对厚度即叶片厚度t与叶片截面宽度b比为4％～12％之间，叶尖厚度由前端到根部逐渐增厚。
优选的，叶尖与叶根相对扭角θ为15-35.8°。
优选的，叶片各截面相对弯度即截面叶型弦高f与叶片厚度t比，弯度范围4.23％～9.85％，弯度由叶根到叶尖逐渐减小。
优选的，轮毂设为两片对称结构，叶片根部与轮毂交接面为球面。
优选的，叶片数量为6～12片，且叶片根部设置与轮毂连接的叶柄。
优选的，采用该叶片叶轮的轴流风机为前掠式轴流风机。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过优化叶片前掠角度、叶片宽度、扭曲规律、叶型厚度、叶型弯度等参数，提高了叶轮效率，有效地降低了气动噪音。
(2)本发明设计的叶轮叶片根部窄、角度可调、叶片数可调，适用于叶轮多叶片安装，风量、压力覆盖范围广，可广泛应用于不同行业的需求。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提出的一种轴流风机叶轮的主视图；
图2为本发明提出的一种轴流风机叶轮叶片的立体图；
图3为本发明提出的一种轴流风机叶轮全叶片布局及轮毂的主视图；
图4为本发明提出的一种轴流风机叶轮叶片的主视图；
图5为本发明提出的一种轴流风机叶轮叶片的截面图；
图6为本发明提出的一种轴流风机叶轮叶片流体仿真图；
图7为本发明提出的一种轴流风机叶轮叶片应力分布图；
图8为本发明提出的一种轴流风机叶轮叶片压力与效率曲线图
图中：1、叶片 2、轮毂 3、叶根 4、叶柄 5、叶片根部 6、叶尖。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例以叶轮直径为800mm，轮毂比57.5％作为设计的技术基础。
实施例一：
参照附图1，本发明公开了一种用于轴流风机的叶片叶轮，包括叶片1和轮毂2，叶片呈放射状设置在轮毂上，叶片前缘为前掠形，从叶轮的轴向看，沿半径方向叶片分割为若干截面，截面叶片从根部中心到前端中心连线为弯曲形状，叶片根部5中心和轮毂2的圆心连成半径线，各截面中心与叶根中心连线和半径线之间夹角γ为15°-25°。
本实施例中叶片采用前掠结构，克服了传统叶片前缘一般在同一直线上导致涡流相互影响叠加产生较大噪音的设计缺陷，前掠部分首先与来流接触，能有效的引导气流，减少涡流产生，降低噪音，同样前掠角度越大引起叶片重心偏移，导致叶片根部5弯曲应力过大，综合考虑受力均匀性及气动噪声性能，所以本发明采用γ为18.3°。
参照附图2-5，在本实施例中，考虑叶根3所在圆周较小，叶片过宽导致叶片实度易过大、叶片重叠干涉的问题，本发明采用叶根3至叶片最外缘叶宽逐渐变大的方案，以叶根截面叶片宽度b0为参考，不同位置叶片截面宽度为b，轮毂比为0.45～0.6，叶片宽度比b'＝b/b0为1.5～2.5。
叶型是影响风机性能最重要的特征，包含截面翼型、宽度、厚度、弯度、叶片扭曲规律等关键参数，具体设计参数如下：
Figure BDA0004171886500000041
为了控制叶片厚度符合性能要求，本发明采用截面叶型相对厚度即叶片厚度t与叶片截面宽度b比为4％～12％之间，叶尖6厚度由前端到根部逐渐增厚的方案，该设计可有效降低重量、减小叶根3应力集中，同时降低产品制造成本。
本实施例以叶根截面为第一截面为参考，叶根3截面叶型扭角为0°，其他截面与其相对扭角为θ，本发明叶尖6与叶根3相对扭角θ的设计范围为15-35.8°。数据研究表明扭角变化规律是影响叶轮气动性能的关键参数，线速度沿半径方向线性变大，叶型扭角变大，扭角变化梯度变小。本发明风机叶尖6处存在间隙，形成叶尖6间隙回流，叶尖6前区域扭角梯度变小到0或负值，这种设计能降低叶轮噪音1～3dB(A)。
本发明叶片各截面相对弯度即截面叶型弦高f与叶片厚度t比，弯度范围4.23％～9.85％，弯度由叶根3到叶尖6逐渐减小，考虑叶根区域叶型窄，弯度大能有效的提升做功能力，叶尖6区域叶片宽、线速度高，弯度小能有效的减少涡流、降低气动噪声。
本实施例轮毂2设为两片对称结构，叶片根部5与轮毂2交接面为球面，叶片任意安装角叶根和轮毂间隙不会变化，减少间隙变化引起的损失，提高效率。叶片数量为6～12片，且叶片根部设置与轮毂连接的叶柄4，叶片与轮毂之间可进行任意角度调整，以得到想要的气动性能。
本实施例通过流体仿真进行了叶片的气动优化，优化后的叶片宽度、扭角、弯度、厚度等参数达到了较完美的匹配，见图7，叶片压力面压力分布均匀，吸力面等压力线分布平滑，因叶顶间隙回流，造成叶尖压力分布的均匀性被破坏，减小叶顶间隙能有效的减少压力损失，提高效率。性能曲线、效率曲线见图8，最高效率85％。
本实施例叶片叶柄4设计结合重力分布，使叶片重心在叶柄截面圆心附近，因叶片前掠，重心也相应的前移，示例叶柄中心在0-0叶型截面30％位置，常规叶片设计一般在40％位置，见图6，叶片整体重心和叶柄中心基本重合，最大应力43.537MPa，应力集中比常规设计降低30％左右。
实施例二
本实施例提供一种采用实施例一中的叶片叶轮的轴流风机，为前掠式轴流风机，其主要特点在于叶片为弦长叶，叶尖部宽、叶根部窄并沿叶展前缘渐向叶尖突出的前掠式扭曲形，剖面呈弯曲薄机翼形。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种叶片叶轮，包括叶片(1)和轮毂(2)，叶片(1)呈放射状设置在轮毂上，其特征在于：叶片(1)前缘为前掠形，从叶轮的轴向看，沿半径方向叶片分割为若干截面，截面叶片从根部中心到前端中心连线为弯曲形状，叶片根部(5)中心和轮毂的圆心连成半径线，各截面中心与叶根中心连线和半径线之间夹角γ为15°-25°。
2.根据权利要求1所述叶片叶轮，其特征在于：叶根(3)至叶片最外缘叶宽逐渐变大，以叶根截面叶片宽度b0为参考，不同位置叶片截面宽度为b，轮毂比为0.45～0.6，叶片宽度比b'＝b/b0为1.5～2.5。
3.根据权利要求1所述叶片叶轮，其特征在于：截面叶型相对厚度即叶片厚度t与叶片截面宽度b比为4％～12％之间，叶尖(6)厚度由前端到根部逐渐增厚。
4.根据权利要求1所述叶片叶轮，其特征在于：叶尖(6)与叶根(3)相对扭角θ为15-35.8°。
5.根据权利要求1所述叶片叶轮，其特征在于：叶片各截面相对弯度即截面叶型弦高f与叶片厚度t比，弯度范围4.23％～9.85％，弯度由叶根到叶尖逐渐减小。
6.根据权利要求1所述叶片叶轮，其特征在于：轮毂(2)设为两片对称结构，叶片根部(5)与轮毂(2)交接面为球面。
7.根据权利要求1所述叶片叶轮，其特征在于：叶片数量为6～12片，且叶片根部(5)设置与轮毂(2)连接的叶柄(4)。
8.一种轴流风机,其特征在于：包括如权利要求1至7任一项所述叶片叶轮。
9.根据权利要求8所述的轴流风机,其特征在于：轴流风机为前掠式轴流风机。
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