一种叶片前缘带凹槽结构和叶根吹气的轴流风机的制作方法
【专利摘要】本实用新型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。
【专利说明】
-种叶片前缘带凹槽结构和叶根吹气的轴流风机
技术领域
[0001] 本实用新型属于风机技术领域，特别设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】
[0002] 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;锅炉和工业炉害的通风和 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;风桐风源和气垫 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口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，运样它具有流量大、全压低的特点，在运些行业中都占有不可替代的 地位。
[0003] 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=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S点，就算现代设计方法中用了WD做辅助设 计，但是无法完全控制上面=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满。由于 粘性，叶片表面W及环壁通道表面均会存在粘性边界层，它们之间W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:旋转噪声和满流噪声。如果风机出口直接排入大气，还有排气噪声。
[0004] 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、防止满脱落、或是控制满的形成。
【发明内容】
[0005] 本实用新型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、二次流和满流噪声，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穀上开吹气槽，叶片顶端尾缘 加凸起结构和导叶吸力面加导流板，可W减小叶根部分边界层厚度;抑制叶片前缘点边界 层分离;控制叶顶间隙满的大小和满的脱落频率;减小导叶径向二次流动;抑制导叶尾迹满 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。
[0006] 本实用新型采用的技术方案是运样的：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;所述网罩是有铁丝编织而成，固定在外筒 上;其特征在于:所述叶轮包括轮穀和叶片，叶片前缘有凹槽结构，叶片顶部尾缘有凸起结 构，在叶轮轮穀上有吹气槽;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 变径的增大而减小，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，中屯、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，位于轮穀上，靠近叶片的吸力面一 次，吹气槽是有叶片也轮穀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-lOmm，吹气槽完全贯穿轮穀壁，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 没有扭转导叶数量为7-17个，导叶叶轮与叶轮的轴向间隙的大小为5-lOmm，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= 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。
[0007] 本实用新型的有益效果：
[0008] 本实用新型通过在叶轮轮穀上开有吹气槽，可W减小和抑制边界层的厚度，控制 住了边界层的分离，使满流区域减小，减缓了满流的脱落频率，降低了能量损失和满流噪 声；同时在叶片的前缘加有圆柱形凹槽结构，可W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W有效的控制叶顶区域边界层分离和满的脱落频率，减小了风机尾迹损失和满流噪声； 在导叶吸力面加后部分导流板，可W很好的控制由于流体的压力和离屯、力不平衡导致的径 向流动，同时还可W控制叶片流道中一对通道满的尺寸，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、控制满脱落，抑制了由于导叶尾迹引起 的满流噪声。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】
[0009] 图1为本实用新型的轴流风机S维图。
[0010] 图2为本实用新型的叶轮结构图。
[0011] 图3为本实用新型的轮穀吹气结构示意图。
[0012] 图4为本实用新型的叶轮前缘凹槽结构示意图。
[0013] 图5为本实用新型的前缘凹槽位置示意图。
[0014] 图6为本实用新型的叶片顶端尾缘凸起结构图。
[0015] 图7为本实用新型的导叶级S维图。
[0016] 图8为本实用新型的导流板位置示意图。
[0017] 图9为本实用新型的叶片翼型截面设计示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
[0019] 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72化/min，功率为4KW;叶轮1通过轴套固定在电机4轴上，叶轮1的轮穀与 内筒3的间隙为IOmm;网罩6安装在外筒5上，有整流和防止异物进入的作用。
[0020] 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，扭速随着变径的增大而减小，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%。
[0021 ]叶轮叶片设计具体方法如下：
[0022] 轴流式通风机内部流体简单的径向平衡方程：
[0023]
1.1)
[0024] 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屯、力平衡。
(2)
[0025] 锡.
[00%] 在公式(2)-(3)中，Pt为气体的总压，P为气体的密度，C为气体的合速度，CuXa、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&=0,气体的总压等于 动压加静压。
[0027]
(4)
[0028] 由公式(2)-(3)可W得到Pt、P、CuXa的微分关系式如公式(4).把公式(4)回代入 公式(1)中就可W得到另一种更加通用的简单的径向平衡方程巧）。
[0029]
《5东
[0030] 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 巧）中可知：
[003U
.、B)
[0032]由上面公式可知，等环量设计方法就是假设风机内部Cr=O,并且总压Pt沿径向不 变，轴向速度化也沿径向为常数，周向速度随着半径的增大而减小。
[0033]
兔巧'
[0034] 公式(7)是由叶栅理论推导出来的，一个关于叶片稠度，叶片扭速繼I，叶栅升力 系数较；^，和叶栅中平均相对速度鶴^之间的关系。
[003引
（S)
[0036] 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设，也就 是叶栅的升力系数C',,孤立翼型的升力系数镑相同。
[0037] 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W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W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(National Advisory 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：
[0038] NACA四位数字翼型厚度分布函数方程为：
[0039]
頸第
[0040] 其中：t表示相对厚度，t e裤巧，b为弦长，W翼型玄线为X轴，坐标原点放在翼型叶 片前缘点上，Xe化bj。
[0041] 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 瞩1?, Ii,然后，同时把各截面中弧线也进行等分得到N个离散点芭:5?!，并且通过 差分法求取各点法线的斜率，然后求出倾斜角#，运样就可W得到变换后翼型上下表面的 坐标,与
然后用曲线光滑的连接起来就可W得到个截面所需翼型，如图9所示，al为厚度分布函数， 曰4为叶片中弧线，曰2和曰3为中弧线任一点的法线和切线。
[0042] 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中屯、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Al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dl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。
[0043] 如图2、3、4所示，叶轮1的轮穀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是有叶片与轮穀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完全贯穿轮穀壁，吹气槽1-3尾部 与叶根尾缘的距离为叶根弦长的30%。
[0044] 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。
[0045] 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 径向没有扭转导叶数量为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%，间距日3为53mm，导流板长度日2为导叶叶根弦长的25%，长度为80mm，导流板的 高度曰4为长度曰2的1/3,导流板的厚度曰5与导叶相同为4mm，导流板与叶片尾缘的距离al为 导叶叶根弦长的3%，尺寸为10mm。
[0046]本实用新型首先在叶轮1轮穀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，运样气体就可W 通过轮穀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，运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穀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，转换形成端流满流区，导致叶轮流道阻塞、能量损失和尾满脱落噪声。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W减小和抑制边界层的厚度，控制 住了边界层的分离，使满流区域减小，减缓了满流的脱落频率，降低了能量损失和满流噪 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Al开始，中屯、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，运样会导致前缘点 Al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，运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，必须控制好运部分的能 量损失才能提高风机的效率和压强。凸起结构1-4可W很好的减小运部分损失，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，形成满流区，特别是在吸力面一侧， 通过运个凸起结构1-4可W有效的控制叶顶区域边界层分离和满的脱落频率，同时该结构 可W对大的间隙满进行切割、梳理成无数小满流，减小了风机尾迹损失和满流噪声。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设的影响，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W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W很好的控制由于流体的压力和离 屯、力不平衡导致的径向流动，同时还可W控制叶片流道中一对通道满的尺寸，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、控制满脱落，抑 制了由于导叶尾迹引起的满流噪声。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。
【主权项】
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;所述网罩是有铁丝编织而成，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，扭速随着变径的增大而减小，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 一 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1/4一 1/2;所述吹 气槽结构，位于轮毂上，靠近叶片的吸力面一次，吹气槽是有叶片也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，沿着径向没有扭转导叶数量为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。
【文档编号】F04D29/54GK205639000SQ201620356976
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】徐金秋, 窦华书, 吴阳, 贾会霞, 张硕, 陈小平, 魏义坤, 杨徽
【申请人】浙江理工大学