CN105756975B - 一种叶片前缘带凹槽结构和叶根吹气的轴流风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片前缘带凹槽结构和叶根吹气的轴流风机，包括网罩、叶轮、导叶、内筒、外筒、电机；所述网罩是有铁丝编织而成，固定在外筒上；所述叶轮包括轮毂和叶片，叶片前缘有凹槽结构，叶片顶部尾缘有凸起结构，在叶轮轮毂上有吹气槽；所述叶片是通过等环量孤立翼型法设计的翼型叶片，叶片顶端尾缘加凸起结构和导叶吸力面加导流板，可以减小叶根部分边界层厚度；抑制叶片前缘点边界层分离；控制叶顶间隙涡的大小和涡的脱落频率；减小导叶径向二次流动；抑制导叶尾迹涡噪声。通过对轴流风机不同位置的改进使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。

Description

一种叶片前缘带凹槽结构和叶根吹气的轴流风机

技术领域

本发明属于风机技术领域，特别涉及一种叶片前缘带凹槽结构和叶根吹气的轴流风机。

背景技术

轴流风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械。它广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气的推进等，在国民经济各行业均有非常重要的应用。据统计，风机用电约占全国发电量的10%，煤矿主要通机平均电耗约占矿井电耗的16%；金属矿山的风机用电量占采矿用电的30%；钢铁工业的风机用电量占其生产用电的20% ；煤炭工业的风机用电量占煤炭工业用电的17%。由此可见，风机节能在国民经济各部门中的地位和作用是举足轻重的。由于，轴流风机的比转速较高，这样它具有流量大、全压低的特点，在这些行业中都占有不可替代的地位。

因此设计优化出效率高、性能好、噪声低、节能的轴流式通风机是很重要的。但是轴流风机中流动非常复杂性，主要体现在：1）流动的三维性；2）流体的粘性；3）流动的非定常性。在传统的风机设计中很难考虑到上面三点，就算现代设计方法中用了CFD做辅助设计，但是无法完全控制上面三个因素对风机性能的影响，其中最关键的因素是流体的粘性，粘性不仅仅影响到叶片出口边为满足库塔-茹科夫斯基条件而形成的叶片尾迹旋涡。由于粘性，叶片表面以及环壁通道表面均会存在粘性边界层，它们之间以及与主流之间有强烈的相互作用，产生所谓的“二次流”现象。二次流动是轴流风机损失上升、效率下降的主要根源。同时，由于粘性的影响，使轴流风机中存在空气动力噪声，轴流风机的空气动力噪声主要由两部分组成：旋转噪声和涡流噪声。如果风机出口直接排入大气，还有排气噪声。

综上所述，要想设计优化出效率高、性能好、噪声低、节能的轴流式通风机，就是要控制和减小二次流动、控制和减小边界层厚度、防止涡脱落、或是控制涡的形成。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足无法通过传统设计很好的控制轴流风机中的边界层厚度、二次流和涡流噪声，提供了一种叶片前缘带凹槽结构和叶根吹气的轴流风机，在叶片前缘加工出凹槽结构，在靠近叶片吸力面的轮毂上开吹气槽，叶片顶端尾缘加凸起结构和导叶吸力面加导流板，可以减小叶根部分边界层厚度；抑制叶片前缘点边界层分离；控制叶顶间隙涡的大小和涡的脱落频率；减小导叶径向二次流动；抑制导叶尾迹涡噪声。通过对轴流风机不同位置的改进使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。

本发明采用的技术方案是这样的：一种叶片前缘带凹槽结构和叶根吹气的轴流风机，包括网罩、叶轮、导叶、内筒、外筒、电机；所述网罩是由铁丝编织而成，固定在外筒上；其特征在于：所述叶轮包括轮毂和叶片，叶片前缘有凹槽结构，叶片顶部尾缘有凸起结构，在叶轮轮毂上有吹气槽；所述叶片是通过等环量孤立翼型法设计的翼型叶片，扭速随着半径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片厚度分布与NACA四位数字翼型厚度分布相同，翼型相对厚度为10%—15%，叶片数量为5—9个，叶片叶顶间隙为叶片高度的1%—2%；所述叶片前缘凹槽结构，中心落在翼形截面的形线上，并且均匀分布，凹槽截面形状为圆弧形，凹槽贯穿整个叶片前缘，凹槽从前缘点开始，向两边等距边延伸，凹槽直径一样，凹槽的数量为4—10个，直径为弦长的1%—3%，凹槽之间的距离为弦长的3%—8%；所述叶片顶部尾缘凸起结构的形状为长方体，凸起结构垂直于叶片吸力面，凸起的宽度为叶高的3%—6%，长度是宽度的2—4倍，厚度是宽度是1/4—1/2；所述吹气槽结构，位于轮毂上，靠近叶片的吸力面一侧，吹气槽的轮廓线是由叶片与轮毂吸力面交线偏移得到，吹气槽的长度为叶根截面弦长的20%—30%，吹气槽的宽度为5—10mm，吹气槽完全贯穿轮毂壁，吹气槽尾部与叶根尾缘的距离为叶根弦长的20%—40%；所述导叶固定在内筒和外筒上面，导叶叶片为圆弧板型叶片，沿着径向设有扭转导叶，数量为7—17个，导叶叶轮与叶轮的轴向间隙的大小为5—10mm，导叶叶片的厚度为2—4mm，导叶靠近尾缘的吸力面有导流板；所述导流板均匀分布在吸力面尾缘部分，垂直于导叶表面，大小相等，与导叶尾缘距离相同，相对导叶高度的位置分别在20%、40%、60%和80%，导流板长度为导叶叶根弦长的20%—30%，导流板的高度为长度的1/3—1/2，导流板的厚度与导叶相同，导流板与叶片尾缘的距离为导叶叶根弦长的3%—5%；所述电机为三相异步电机，电机固定在内筒的腹板上，叶轮通过轴套与电机轴相连。

本发明的有益效果：

本发明通过在叶轮轮毂上开有吹气槽，可以减小和抑制边界层的厚度，控制住了边界层的分离，使涡流区域减小，减缓了涡流的脱落频率，降低了能量损失和涡流噪声；同时在叶片的前缘加有圆柱形凹槽结构，可以抑制前缘点边界层的分离，使流道中气流更加平稳，提高效率，降低整体噪声等级；在叶顶部分尾缘加垂直于叶片表面的凸起结构，可以有效的控制叶顶区域边界层分离和涡的脱落频率，减小了风机尾迹损失和涡流噪声；在导叶吸力面加后部分导流板，可以很好的控制由于流体的压力和离心力不平衡导致的径向流动，同时还可以控制叶片流道中一对通道涡的尺寸，和叶片表面附面层潜移流动，也就控制住了径向运动的二次流，减小速度的不均匀，减小射流尾迹损失，控制边界层厚度，使导叶吸力面边界层分离点向后运动，减小能量损失、控制涡脱落，抑制了由于导叶尾迹引起的涡流噪声。通过对轴流风机不同位置的改进使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。

附图说明

图1为本发明的轴流风机三维图。

图2为本发明的叶轮结构图。

图3为本发明的轮毂吹气结构示意图。

图4为本发明的叶轮前缘凹槽结构示意图。

图5为本发明的前缘凹槽位置示意图。

图6为本发明的叶片顶端尾缘凸起结构图。

图7为本发明的导叶级三维图。

图8为本发明的导流板位置示意图。

图9为本发明的叶片翼型截面设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，该轴流式通风机有6部分组成，包括1、叶轮2、导叶3、内筒4、电机5、外筒6、网罩；外筒5、导叶2和内筒3通过焊接固连在一起，电机4固定在内筒3的腹板上，其中电机4的工作参数为720r/min，功率为4KW;叶轮1通过轴套固定在电机4轴上，叶轮1的轮毂与内筒3的间隙为10mm；网罩6安装在外筒5上，有整流和防止异物进入的作用。

如图1、2、3、4所示，叶轮1有电机4带动给气体做功，提高气体的动压和静压，叶轮1上的叶片1-1是通过等环量孤立翼型法设计的翼型叶片，扭速随着半径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片相对厚度为10%，叶片数量为6个，叶片叶顶间隙为叶片高度的2%。

叶轮叶片设计具体方法如下：

轴流式通风机内部流体简单的径向平衡方程：

其中P表示流体微团受到的压力，Cu为流体微团绕轴旋转的速度，r为流体微团的旋转半径。公式表示轴流风机内部假设没有径向流动，则任意位置流体微团在径向上受到的压力P和流体微团旋转运动产生的离心力平衡。

在公式（2）-（3）中，Pt为气体的总压，ρ为气体的密度，C为气体的合速度，Cu、Ca、Cr分别为气体的周向速度、周向速度、径向速度，但是有上面假设可知Cr=0，气体的总压等于动压加静压。

由公式（2）-（3）可以得到Pt、P、Cu、Ca的微分关系式如公式（4）.把公式（4）回代入公式（1）中就可以得到另一种更加通用的简单的径向平衡方程（5）。

等环量设计方法假设总压Pt沿径向不变，轴向速度Ca也沿径向为常数，代入公式（5）中可知：

由上面公式可知，等环量设计方法就是假设风机内部Cr=0，并且总压Pt沿径向不变，轴向速度Ca也沿径向为常数，周向速度随着半径的增大而减小。

公式（7）是由叶栅理论推导出来的，一个关于叶片稠度，叶片扭速，叶栅升力系数，和叶栅中平均相对速度之间的关系。

孤立翼型设计方法就是假设叶栅的升力系数不受叶栅之间叶片的干涉，也就是叶栅的升力系数孤立翼型的升力系数相同。

等环量孤立翼型设计方法就是如上所述，通过上面的方法就可以计算出叶片的各截面的弦长和安装角，叶片进口气流机和叶片出口气流机，由上面的参数加上一些经验公式就可以计算出中弧线的形状，取翼型相对厚度为10%，然后，在各截面的中弧线叠加NACA四位数字翼型厚度分布，得到各翼型截面。NACA翼型是美国国家航空资讯委员会（NationalAdvisory Committee for Aeronautics）所发表的翼型系列，四位数字翼型是其常用翼型系列，设计方法如下：

NACA四位数字翼型厚度分布函数方程为：

其中：t表示相对厚度，，b为弦长，以翼型玄线为X轴，坐标原点放在翼型叶片前缘点上，。

方法如下，首先，取相对厚度为10%，得到叶片不同截面厚度分布函数的N个离散点，然后，同时把各截面中弧线也进行等分得到N个离散点，并且通过差分法求取各点法线的斜率，然后求出倾斜角，这样就可以得到变换后翼型上下表面的坐标点然后用曲线光滑的连接起来就可以得到个截面所需翼型，如图9所示，a1为厚度分布函数，a4为叶片中弧线，a2和a3为中弧线任一点的法线和切线。

如图2、3、4、5所示，叶片1-1前缘有凹槽结构1-5，叶片1-1前缘凹槽结构1-5中心落在翼形截面的形线上，并且均匀分布，凹槽1-5截面形状为圆弧形，凹槽贯穿整个叶片1-1前缘，凹槽从前缘点A1开始，向两边等距延伸，前缘点是叶片型线与弦线A2的交点，凹槽直径一样，凹槽的数量为5个，吸力面有3个，压力面有1个，前缘点有1个，直径d1为叶顶弦长的1.5%，尺寸为3mm，凹槽之间的距离d2为叶顶弦长的4%，尺寸为8mm。

如图2、3、4所示，叶轮1的轮毂1-2上有吹气槽结构1-3，吹气槽结构1-3是在叶片的吸力面一侧，吹气槽1-3是由叶片与轮毂吸力面交线偏移得到，吹气槽的长度为叶根截面弦长的25%，长度为70mm，吹气槽1-3的宽度为7mm，吹气槽1-3完全贯穿轮毂壁，吹气槽1-3尾部与叶根尾缘的距离为叶根弦长的30%。

如图2、3、4、6所示，在叶片1-1的顶端尾缘加有凸起结构1-4，凸起结构1-4的形状为长方体，凸起结构1-4垂直于叶片吸力面，凸起的宽度d5为叶高的4%，为10mm，高度d4是宽度的2倍，厚度d3是宽度是1/2。

如图2、3、4、6所示，导叶2固定在内筒3和外筒5上面，导叶2为圆弧板型叶片，沿着径向设有扭转导叶数量为9个，导叶2叶轮与叶轮的轴向间隙的大小为10mm，导叶2叶片的厚度为4mm，导叶2靠近尾缘的吸力面有导流板2-1；所述导流板2-1均匀分布在吸力面尾缘部分，垂直于导叶表面，大小相等，与导叶尾缘距离相同，相对导叶高度的位置分别在20%、40%、60%和80%，间距a3为53mm，导流板长度a2为导叶叶根弦长的25%，长度为80mm，导流板的高度a4为长度a2的1/3，导流板的厚度a5与导叶相同为4mm，导流板与叶片尾缘的距离a1为导叶叶根弦长的3%，尺寸为10mm。

本发明首先在叶轮1轮毂1-2上开有吹气槽1-3，吹气槽1-3位于叶根处叶片1-1吸力面的一侧，由于叶轮1旋转的过程中，使叶片1-1的吸力面产生负压，这样气体就可以通过轮毂1-2轴向面吹进叶根处的吸力面一侧。叶根开槽吹气的原因是吸力面的流体是在一个逆压梯度的环境中流动，而且沿着弦向逆压梯度不断增大，这样会导致吸力面边界层比压力面边界层厚得多，并且在叶根部分还有流体与轮毂圆弧面摩擦产生的端壁边界层，两种边界层在叶片叶根的吸力面混合，形成非常复杂的流动，而且随着边界层的加厚会导致边界层分离，转捩形成湍流涡流区，导致叶轮流道阻塞、能量损失和尾涡脱落噪声。叶根压力面吹气，使较高能量的气体进入根部边界层区域，可以减小和抑制边界层的厚度，控制住了边界层的分离，使涡流区域减小，减缓了涡流的脱落频率，降低了能量损失和涡流噪声。然后在叶片1-1的前缘加有圆柱形凹槽结构1-5，凹槽1-5从前缘点A1开始，中心落在翼形截面的型线上，向两边距边延伸，凹槽1-5直径一样。前缘加凹槽结构1-5是因为气流进入叶道大多带有一定的冲击，特别是随着流量的减小气流冲角不断增大，这样会导致前缘点A1与前驻点A3不重合，并且前驻点A3在压力面上，前缘小圆的半径很小，前缘叶型的曲率很大，产生了角加速度很大的绕前缘小圆的加速绕流流动，从前驻点A3绕向吸力面的气流绕流的角度大，产生了更大的加速，这样容易导致气体在前缘点发生分离，严重影响叶片后部主流的流动，甚至会导致旋转失速和喘震，引起很大的噪声和损失。前缘加凹槽结构1-5会抑制前缘点边界层的分离，使流道中气流更加平稳，提高效率，降低整体噪声等级。再在叶顶部分尾缘加垂直于叶片1-1表面的凸起结构1-4，原因是叶片1-1顶部同时存在端壁环形边界层和翼形表面的绕流边界层还有叶顶间隙流动导致叶顶区域的流动非常的复杂，并且由于在轴流风机中叶顶旋转速度最大，是加功量最大的一个区域，必须控制好这部分的能量损失才能提高风机的效率和压强。凸起结构1-4可以很好的减小这部分损失，因为叶顶区域流动复杂边界层增长速度快，极易发生边界层分离，形成涡流区，特别是在吸力面一侧，通过这个凸起结构1-4可以有效的控制叶顶区域边界层分离和涡的脱落频率，同时该结构可以对大的间隙涡进行切割、梳理成无数小涡流，减小了风机尾迹损失和涡流噪声。最后在导叶2级的凸面后靠近后部分加了矩形导流板2-1，因为导叶2不光受到自身边界层的影响，还要受到前面叶轮尾迹干涉的影响，同时由于气体在叶轮1中的流动非常复杂，导致导叶2进口气流角沿径向和周向波动很大，流体在导叶2流道中很不稳定并且吸力面边界层比压力面边界层厚得多，导致吸力面流动更为复杂，而且随着流体从导叶2前缘到后缘的过程中，边界层不断加厚，所以控制导叶2吸力面后半部分流体的流动情况，对提高风机性能也很重要，导流板2-1的作用是引导气流沿着弦向运动，可以很好的控制由于流体的压力和离心力不平衡导致的径向流动，同时还可以控制叶片流道中一对通道涡的尺寸，和叶片表面附面层潜移流动，也就控制住了径向运动的二次流，减小速度的不均匀，减小射流尾迹损失，控制边界层厚度，使导叶吸力面边界层分离点向后运动，减小能量损失、控制涡脱落，抑制了由于导叶尾迹引起的涡流噪声。通过对轴流风机不同位置的改进使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。

Claims (1)

1.一种叶片前缘带凹槽结构和叶根吹气的轴流风机，包括网罩、叶轮、导叶、内筒、外筒、电机；所述网罩是由铁丝编织而成，固定在外筒上；其特征在于：所述叶轮包括轮毂和叶片，叶片前缘有凹槽结构，叶片顶部尾缘有凸起结构，在叶轮轮毂上有吹气槽；所述叶片是通过等环量孤立翼型法设计的翼型叶片，扭速随着半径的增大而减小，压强沿径向不变，叶片厚度分布与NACA四位数字翼型厚度分布相同，翼型相对厚度为10%—15%，叶片数量为5—9个，叶片叶顶间隙为叶片高度的1%—2%；所述叶片前缘凹槽结构，中心落在翼形截面的型线上，并且均匀分布，凹槽截面形状为圆弧形，凹槽贯穿整个叶片前缘，凹槽从前缘点开始，向两边等距边延伸，凹槽直径一样，凹槽的数量为4—10个，直径为弦长的1%—3%，凹槽之间的距离为弦长的3%—8%；所述叶片顶部尾缘凸起结构的形状为长方体，凸起结构垂直于叶片吸力面，凸起的宽度为叶高的3%—6%，长度是宽度的2—4倍，厚度是宽度是1/4—1/2；所述吹气槽结构，位于轮毂上，靠近叶片的吸力面一侧，吹气槽的轮廓线是由叶片与轮毂吸力面交线偏移得到，吹气槽的长度为叶根截面弦长的20%—30%，吹气槽的宽度为5—10mm，吹气槽完全贯穿轮毂壁，吹气槽尾部与叶根尾缘的距离为叶根弦长的20%—40%；所述导叶固定在内筒和外筒上面，导叶叶片为圆弧板型叶片，沿着径向设有扭转导叶，数量为7—17个，导叶叶轮与叶轮的轴向间隙的大小为5—10mm，导叶叶片的厚度为2—4mm，导叶靠近尾缘的吸力面有导流板；所述导流板均匀分布在吸力面尾缘部分，垂直于导叶表面，大小相等，与导叶尾缘距离相同，相对导叶高度的位置分别在20%、40%、60%和80%，导流板长度为导叶叶根弦长的20%—30%，导流板的高度为长度的1/3—1/2，导流板的厚度与导叶相同，导流板与叶片尾缘的距离为导叶叶根弦长的3%—5%；所述电机为三相异步电机，电机固定在内筒的腹板上，叶轮通过轴套与电机轴相连。