CN105782130A - 支撑架为翼型叶片的无动力风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了支撑架为翼型叶片的无动力风机。现有无动力风机在板件支撑架后方会形成较强的涡流，加剧了流场的湍流程度。本发明的下端支撑架为多片下端翼型叶片，下端翼型叶片的一端固定在中心轴底部，另一端固定于变角管径内壁；上端支撑架为多片上端翼型叶片，上端翼型叶片的一端固定在定位套上，另一端固定于圆柱管径内壁；定位套通过轴承支承在中心轴上；上端翼型叶片的弦长大于下端翼型叶片的弦长；多片切风叶片的底部均焊接于圆柱管径顶部端面，顶部均与涡轮顶板焊接；中心轴的顶部通过轴承支承在涡轮顶板开设的支承孔内。本发明改善风机内部流场的流动扰动，减弱复杂湍流状况对风机造成的振动，延长风机的使用寿命。

Description

支撑架为翼型叶片的无动力风机

技术领域

本发明属于通风设备领域，涉及无动力风机，具体涉及一种支撑架为翼型叶片且带槽口的无动力风机。

背景技术

通风机是应用面广泛的一种通用机械，大至矿井通风、锅炉引送风和化工流程，小到工业炉鼓风以及空调、建筑物通风等无不采用通风机。精心设计制造和合理使用的通风机，对节能和减少噪声污染具有重要意义。

无动力通风机是屋顶通风机系列中常用的一种，主要用于小区顶楼、医院、餐厅、体育馆、大型厂房等需要进行屋顶换气的场合。无动力风机是利用自然风速推动风机的涡轮旋转，及利用室内外空气对流的原理，通过涡轮叶壳上的叶片捕捉住迎风面上风力，推动叶片，使涡轮叶壳旋转，同时因旋转产生离心力，将涡轮下方的空气由背风面的叶片间诱导排出，由于空气排出后，涡轮下方形成了低压区域，为了维持空气动态平衡，高压区域内的空气就会自然地向低压区域流动，随着屋顶处污浊的热空气不断排出，屋外新鲜空气不断通过窗户、门等通风口得以补充，以提高室内通风换气、排除热气和污浊气体效果。

无动力风机主要由涡轮、支架、底座三部分组成。作为主体部件的涡轮部分又由切风叶片，顶端涡轮头、中心轴、轴承、定位套等零件组成，作为安装部件的底座部分由变角管径和防水基板等零件组成。切风叶片设计有一定的扭曲角度，周向均匀排布，通过捕捉叶片上的风力为风机旋转提供主要动力来源。切风叶片的两端固定件是顶端涡轮头和叶片端的圆柱管径，以铆接的方式完成叶片的安装。厂房屋顶多有斜度，可以通过微调底座部分的变角管径来连接风机主体和倾斜的屋顶，以保证风机的水平安装要求。

在无动力风机内部有两层支撑架：上端支撑架位于上端圆柱管径内，用于连接轴承和圆柱管径，起到加固叶片强度，维持风机旋转的作用；下端支撑架位于下端变角管径内，用于连接中心轴和底端的变角管径。无动力风机中涡轮部分和底座部分不存在直接地外缘接触，即圆柱管径和变角管径不接触：底端的变角管径防水基板固定，其本身并不转动。涡轮头的圆柱管径随涡轮部分转动，作为固定件的上端翼型支撑架也是以相同的角速度转动的。

在无动力风机的入口处，气流主要沿中心轴轴向流动进入风机内部，进入叶轮后，气流逐渐沿中心轴径向流动。因此，在叶轮入口附近，气流参数变化较大，流动复杂，如何对叶轮入口气流进行优化是亟待解决的问题。

在现有的无动力风机中，风机支撑架多为平板件并且仅简单地作为紧固件使用。不仅没有对于无动力风机的气动性能做出改善，反而因为安装混乱加剧了对风机内部流体流动的扰动，增加了气流的湍流强度，使得风机内部的流场更易产生涡流。在板件支撑架的后方，甚至会形成较强的涡流，加剧了流场的湍流程度。随着风机内部湍流强度的增大容易造成机械振动，降低通风机的效率，使噪声升高。

内部流体受到现有板件支撑架的涡流区影响，易形成较大的涡流区。涡流区的大小随支撑架位置的改变、风机流量的大小而不同，涡流的产生和湍流强度的加剧是无动力风机总压损失和噪声的主要来源之一。

湍流强度的增加不仅加剧了流动的不稳定性，使得风机的总压效率降低，噪声增加，并且加剧了风机内部结构的振动，对轴承的寿命以及风机的使用寿命都是极大的损害。

发明内容

本发明的目的是针对现有无动力风机有效气动面积小、风机内部支撑架不合理等现状，所引起的风机内部流动扰动大、湍流强度大等最终导致造成的静压效率低的问题，以及涡流区造成的噪声的问题，提供一种优化流场参数以及高效率、低噪声、支撑架为翼型叶片的无动力风机。

本发明由切风叶片、中心轴、轴承、定位套、圆柱管径、上端支撑架、变角管径、下端支撑架和涡轮顶板组成。所述的下端支撑架为多片下端翼型叶片，下端翼型叶片的一端固定在中心轴底部，另一端固定于变角管径内壁；所述的上端支撑架为多片上端翼型叶片，上端翼型叶片的一端固定在定位套上，另一端固定于圆柱管径内壁；定位套通过轴承支承在中心轴上；所述圆柱管径的内径大于变角管径的顶端内径；上端翼型叶片的弦长大于下端翼型叶片的弦长；多片切风叶片的底部均焊接于圆柱管径顶部端面，顶部均与涡轮顶板焊接；中心轴的顶部通过轴承支承在涡轮顶板开设的支承孔内。

所述的上端翼型叶片和下端翼型叶片的数量相等，根据圆柱管径的内径在3～9片之间选择，周向均布，且旋向均与切风叶片一致。上端翼型叶片的长度方向与该上端翼型叶片在定位套上的安装位置处切线之间的夹角为60～90°，下端翼型叶片的长度方向与该下端翼型叶片在中心轴上的安装位置处切线之间的夹角为60～90°；上端翼型叶片的安装角取值范围为30～60°，下端翼型支撑架的安装角取值范围为50～90°，且端翼型叶片的安装角大于下端翼型支撑架的安装角。

所述上端翼型叶片的尾缘开设有沿叶片长度方向等距排布的多个槽口；槽口的形状为半圆形；上端翼型叶片两端与定位套和圆柱管径内壁距离小于2C1处不开设槽口，相邻槽口的中心距为C1～3C1，C1为上端翼型叶片的弦长，槽口的直径为0.1C1～0.3C1。

下面通过ANSYS优化仿真软件建立支撑架为翼型叶片的无动力风机模型，根据无动力风机的静压效率、噪声、有效气动面积和流量对上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上、下端翼型叶片的叶片数、上端翼型叶片的槽口进行优化，具体如下：

1、将上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上端翼型叶片相邻槽口的中心距、槽口的直径作为设计变量优化静压效率和噪声，求解出上、下端翼型叶片的弦长及安装角的初选区间，以及上端翼型叶片相邻槽口的中心距、槽口直径的推荐区间。

2、以有效气动面积为优化目标缩小上、下端翼型叶片的弦长及安装角的初选区间，并初选上、下端翼型叶片的叶片数区间。

3、以流量为优化目标确定上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上、下端翼型叶片的叶片数的最优区间。

4、在上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上、下端翼型叶片的叶片数的最优区间内，上端翼型叶片相邻槽口的中心距、槽口直径的推荐区间内选值，使得综合考量气动性符合风机运行要求。综合考量气动性包括中心轴振动、轴承寿命、叶片启动速度、风机内部流体流线的平滑程度。

本发明的有益效果：

本发明主要是在风机效率、风机噪声、风机的流量以及产品使用寿命这几个角度做了设计，具体设计是：下端支撑架设计为截面尺寸较小的翼型叶片；上端支撑架设计为截面尺寸较大的翼型叶片，在翼型叶片的尾翼端有铣刀铣出的槽口，槽口可以降低尾缘处的边界层厚度。

改进之后的有益效果有：(1)提高风机的总压效率；(2)降低湍流强度，改善内部气流的稳定性，从而降低风机运行的噪声；(3)大大改善风机内部流场的流动扰动，减弱因为涡流区等复杂湍流状况对风机内部结构造成的振动，延长风机的使用寿命以及轴承的寿命。

附图说明

图1为本发明的局部剖切立体图。

图2为图1中I部分的局部放大图。

图3为图1中II部分的局部放大图。

图4-1为上端支撑架的安装角示意图。

图4-2为下端支撑架的安装角示意图。

图5为上端翼型叶片横截面上的受力分析图。

图中：1、切风叶片，2、中心轴，3、定位套，4、圆柱管径，5、上端支撑架，6、变角管径，7、下端支撑架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2和3所示，支撑架为翼型叶片的无动力风机，由切风叶片1、中心轴2、轴承、定位套3、圆柱管径4、上端支撑架5、变角管径6、下端支撑架7和涡轮顶板组成。下端支撑架7为多片下端翼型叶片，下端翼型叶片的一端固定在中心轴2底部，另一端固定于变角管径6内壁；上端支撑架5为多片上端翼型叶片，上端翼型叶片的一端固定在定位套3上，另一端固定于圆柱管径4内壁；定位套3通过轴承支承在中心轴2上；圆柱管径4的内径大于变角管径6的顶端内径；上端翼型叶片的弦长大于下端翼型叶片的弦长；多片切风叶片1的底部均焊接于圆柱管径4顶部端面，顶部均与涡轮顶板焊接；中心轴2的顶部通过轴承支承在涡轮顶板开设的支承孔内。

如图4-1和4-2所示，上端翼型叶片和下端翼型叶片的数量相等，根据圆柱管径4的内径在3～9片之间选择，周向均布，且旋向均与切风叶片一致。上端翼型叶片的长度方向与该上端翼型叶片在定位套3上的安装位置处切线之间的夹角为60～90°。下端翼型叶片的长度方向与该下端翼型叶片在中心轴2上的安装位置处切线之间的夹角为60～90°。上端翼型叶片的安装角A取值范围为30～60°，下端翼型支撑架的安装角B取值范围为50～90°，且端翼型叶片的安装角大于下端翼型支撑架的安装角。翼型叶片的安装角定义为中心轴2的侧面展开面上，翼型叶片的弦线与该翼型叶片安装位置处切线之间的夹角。因为流体在进入下端变角管径时流动主要沿轴向，流速较低，流动较为平稳，此处底层的翼型叶片的安装角应选取小的安装角度，以保证流体在流入时流线顺滑；流体流入后，沿着轴线方向流动一段距离进入扩大的风机腔体，此时流场复杂，动压收到切风叶片的影响而变大，此处的上层翼型叶片的安装角应选取较大值，起到平滑流线、减小涡流区以及降低湍流强度的作用。

上端翼型叶片的尾缘开设有沿叶片长度方向等距排布的多个槽口。为了进一步抑制表面的边界层分离，减小分离漩涡，使槽口更加符合气流运动的特点，槽口的形状选为半圆形；上端翼型叶片两端与定位套和圆柱管径内壁距离小于2C1处不开设槽口，相邻槽口的中心距为C1～3C1，C1为上端翼型叶片的弦长，槽口的直径为0.1C1～0.3C1。

下面通过ANSYS优化仿真软件建立支撑架为翼型叶片的无动力风机模型，根据无动力风机的静压效率η_st、噪声、有效气动面积F和流量Q对上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上、下端翼型叶片的叶片数、上端翼型叶片的槽口进行优化；流量Q包括对流流量Q_S、虹吸流量Q_W和复合流量Q_c。

1、将上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上端翼型叶片相邻槽口的中心距、槽口的直径作为设计变量优化静压效率η_st和噪声L_A，求解出上、下端翼型叶片的弦长及安装角的初选区间，以及上端翼型叶片相邻槽口的中心距、槽口直径的推荐区间。

风机的效率一般用全压效率和静压效率表示，人们有效利用的是静压效率，即静压在总压中占的比值。

风机的静压效率其中，Q为风机的流量，N为风机功率，风机的静压P_st＝P-P_d，P为风机的总压，风机中未被利用的动压C为流过风机叶片流道的平均速度，ρ为所输送气体的密度。可以看出，总压P一定时，降低动压P_d，提升静压P_st就会提高风机的静压效率。

下端支撑架7相当于固定导流叶片，优化来流流体，使得风机的来流速度方向一致。在动压公式中可看出，降低流速C可以使风机的动压P_d降低。同时，风机上端支撑架的安装角A不仅顺滑了来流流体，也起到了部分缓解来流速度C的作用，使得来流气流在上端支撑架受到阻挡，减弱了动压，提高了静压，在上端支撑架尾端的静压P_st更大，为最终的工作部件—切风叶片提供来流动压低、静压高的流动稳定的气流。上端支撑架和下端支撑架相互作用，使得风机的静压效率η_st增高。

风机中的主要噪声来源有：(1)轴承的机械噪声，(2)驱动电机的噪声，(3)空气动力噪声。无动力风机不存在驱动电机，轴承的机械噪声，远远小于空气动力噪声，因此，主要考虑空气动力噪声(涡流噪声和边界层厚度)的影响。

涡流噪声主要是指气体发生扰动形成压缩和稀疏过程以及流体的不均匀气流周期性的作用在壁面上这两方面造成的。边界层噪声是指流体靠近壁面处气流形成湍流边界层，湍流边界层内流动复杂，伴随着涡的破碎和湍流的脉动压力形成的噪声。

这里，流体的湍流强度越低，流动的扰动越小，涡流区的涡流强度越低，相应的涡流噪声就会减小。上端支撑架开槽口后一定程度上减弱了其边界层的厚度，改善了尾流特性，减少了尾迹涡的大小，有利于降低噪声L_A。上端支撑架截面较大，边界层更厚以及涡流区会更大，槽口过小则槽口的存在对于降低边界层厚度没有很明显的作用，但槽口尺寸过大不仅会降低上端支撑架的强度，更会在槽口内形成小涡流区，恶化流动。

在设计支撑架安装角A、B时，上端支撑架选择安装角A为较大值，此时较为平滑的流道也使得经过上端支撑架的气体更平滑，涡流更小，湍流强度明显降低，噪声也会相应减小。

2、以有效气动面积为优化目标缩小上、下端翼型叶片的弦长及安装角的初选区间，并初选上、下端翼型叶片的叶片数区间。

风机的有效气动面积F＝C_d*A_t，A_t为变角管径的横截面积，C_d为风机排出系数。下端翼型叶片的安装角B越大，在喉部面(变角管径的横截面)上的投影越小，进而风机排出系数C_d增大。

随着上端翼型叶片的叶片数增多，两片叶片间的流道就会相应变小，流道的减小可以减弱叶道内轴向涡流的强度；下端支撑架在并不是主要的工作部件，下端支撑架的存在主要是为了为上端支撑架以及切风叶片提供流向单一的流动，下端翼型叶片的叶片数过多会减小喉部通气面积。

通过叶珊稠度经验公式求解翼型叶片的叶片数Z，r为变角管径的内径；叶珊稠度τ取值为0.2～0.3；支撑架叶片宽度b与翼型型号有关；求解得出的Z值取整得到叶片数，取整后的Z需在3～9的范围内，否则重新设计Z值。

3、以流量Q为优化目标确定上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上、下端翼型叶片的叶片数的最优区间。

无动力风机的气体流量主要包括对流流量和虹吸流量两部分；对流为无动力风机中的主要流动方式，对流流量为对流压力所产生的流量。式中，P_S为对流压力，P_w为虹吸压力，有效气动面积F＝C_d*A_t。

下端翼型叶片的安装角B越大，在喉部面(变角管径的横截面)上的投影越小，进而风机排出系数C_d增大。可参考对流流量公式和虹吸流量公式，风机排出系数C_d的增大使得无动力风机的对流压力和虹吸压力都有上升，进而使得对流流量和虹吸流量均有所增加。

4、在上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上、下端翼型叶片的叶片数的最优区间内，上端翼型叶片相邻槽口的中心距、槽口直径的推荐区间内选值，使得综合考量气动性符合风机运行要求。综合考量气动性包括中心轴振动、轴承寿命、叶片启动速度、风机内部流体流线的平滑程度。

在上端支撑架与下端支撑架重新做了结构设计，采用气动性能较好的翼型叶片，可有效地改善无动力风机内部的流场状况。下端支撑架不旋转，气体经下端支撑架进入无动力风机，在下端支撑架的导流作用下，流畅的流入风机内部。上端支撑架随叶片一起旋转，起到分割顺滑流场的作用。因此，无动力通风机的内部流场的湍流强度有了明显的降低，改善了流场的涡流强度，减弱了风机结构振动，同时也一定程度上延长了轴承的寿命以及风机的使用寿命。

上端翼型叶片的安装角较大，此时流体对叶片不只有升力F₂，而且还有旋转方向的推力F₁作用。如图5所示，上端支撑架处的来流方向的气体会在垂直于叶片的方向给叶片以推力，从而使得叶片启动速度更低。

两层翼型支撑架的结构设计使得流体的流线更光顺，增大了静压P_st，降低了动压P_d，提高了静压效率η_st，动压P_d的降低也使得风机稳定的抽气。

同时，带有灰尘和潮湿热气的空气因为在风机内部流动更合理，涡结构更小、流线更光顺，使得灰层能够顺滑的出去而不是落到轴承等部件里，不仅提高了换气效率，也使得轴承里的灰尘降低，轴承寿命更长，极大地减缓了机械内部结构之间的震动，风机更耐用。

Claims (1)

1.支撑架为翼型叶片的无动力风机，由切风叶片、中心轴、轴承、定位套、圆柱管径、上端支撑架、变角管径、下端支撑架和涡轮顶板组成，其特征在于：所述的下端支撑架为多片下端翼型叶片，下端翼型叶片的一端固定在中心轴底部，另一端固定于变角管径内壁；所述的上端支撑架为多片上端翼型叶片，上端翼型叶片的一端固定在定位套上，另一端固定于圆柱管径内壁；定位套通过轴承支承在中心轴上；所述圆柱管径的内径大于变角管径的顶端内径；上端翼型叶片的弦长大于下端翼型叶片的弦长；多片切风叶片的底部均焊接于圆柱管径顶部端面，顶部均与涡轮顶板焊接；中心轴的顶部通过轴承支承在涡轮顶板开设的支承孔内；

所述的上端翼型叶片和下端翼型叶片的数量相等，根据圆柱管径的内径在3～9片之间选择，周向均布，且旋向均与切风叶片一致；上端翼型叶片的长度方向与该上端翼型叶片在定位套上的安装位置处切线之间的夹角为60～90°，下端翼型叶片的长度方向与该下端翼型叶片在中心轴上的安装位置处切线之间的夹角为60～90°；上端翼型叶片的安装角取值范围为30～60°，下端翼型支撑架的安装角取值范围为50～90°，且端翼型叶片的安装角大于下端翼型支撑架的安装角；

所述上端翼型叶片的尾缘开设有沿叶片长度方向等距排布的多个槽口；槽口的形状为半圆形；上端翼型叶片两端与定位套和圆柱管径内壁距离小于2C1处不开设槽口，相邻槽口的中心距为C1～3C1，C1为上端翼型叶片的弦长，槽口的直径为0.1C1～0.3C1；

下面通过ANSYS优化仿真软件建立支撑架为翼型叶片的无动力风机模型，根据无动力风机的静压效率、噪声、有效气动面积和流量对上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上、下端翼型叶片的叶片数、上端翼型叶片的槽口进行优化，具体如下：

1、将上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上端翼型叶片相邻槽口的中心距、槽口的直径作为设计变量优化静压效率和噪声，求解出上、下端翼型叶片的弦长及安装角的初选区间，以及上端翼型叶片相邻槽口的中心距、槽口直径的推荐区间；

2、以有效气动面积为优化目标缩小上、下端翼型叶片的弦长及安装角的初选区间，并初选上、下端翼型叶片的叶片数区间；

3、以流量为优化目标确定上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上、下端翼型叶片的叶片数的最优区间；

4、在上、下端翼型叶片的弦长及安装角，上、下端翼型叶片的叶片数的最优区间内，上端翼型叶片相邻槽口的中心距、槽口直径的推荐区间内选值，使得综合考量气动性符合风机运行要求；综合考量气动性包括中心轴振动、轴承寿命、叶片启动速度、风机内部流体流线的平滑程度。