一种轴流掠形叶片的制作方法

本发明属于风机叶轮组成部件技术领域，更具体地，涉及一种轴流掠形叶片，该叶片尤其适用于作为轴流风机的叶片。

背景技术：

目前，轴流风机广泛应用于冶金、石化、电力、交通、纺织、船舶、消防等领域，大多数采用原始设计方法，存在效率低下、噪声较高等缺点。在其运行过程中耗能大，影响周围环境，对能源浪费较大，不利于可持续发展。

掠形技术在20世纪40年代成功用于飞机机翼的设计，其后掠形叶片在航空发动机以及高压比的轴流压气机上广泛使用。研究表明掠形叶片能有效降低叶轮机械的噪声，提高其性能。将这一技术应用与工业风机，能有效改善现有叶片的缺点，具有非常大的应用价值。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种轴流掠形叶片，其中通过对其关键的形状参数(尤其掠角随叶片高度的具体变化形式等)进行改进，与现有技术相比能够有效解决轴流风机效率低、噪声大的问题，并且该轴流掠形叶片采用叶根后掠、叶尖前掠的混合掠形方式，使得叶片尾缘涡流的脱落方向与气流方向不一致，从而提高了轴流风机的气动性能，减小了气动噪声。

为实现上述目的，按照本发明提供了一种轴流掠形叶片，其特征在于，该轴流掠形叶片用于传输气流，该轴流掠形叶片的表面包括吸力曲面、压力曲面、上曲面和下曲面，其中，

所述上曲面和所述下曲面分别被两个圆柱体的侧面所覆盖，这两个圆柱体的中心对称轴线相互重合，记所述上曲面对应的所述圆柱体的半径为R2，所述下曲面对应的所述圆柱体的半径为R1，则R2>R1；建立空间直角坐标系，则这两个圆柱体的中心对称轴线为该空间直角坐标系的Z轴；

所述吸力曲面和所述压力曲面均与所述下曲面相交，其中，所述吸力曲面与所述下曲面相交形成的曲线相对于该轴流掠形叶片为外凸曲线，所述压力曲面与所述下曲面相交形成的曲线相对于该轴流掠形叶片为内凹曲线；所述Z轴的正方向由所述吸力曲面指向所述压力曲面；

所述吸力曲面还与所述压力曲面相交，在所述吸力曲面与所述压力曲面相交形成的两条曲线中，记先与所述气流接触的相交曲线为前缘线，另外一条相交曲线则为后缘线；

将所述下曲面沿平面展开得到下曲面铺展截面；记该下曲面铺展截面上，因所述下曲面与所述吸力曲面相交形成的对应曲线为下曲面第一曲线，因所述下曲面与所述压力曲面相交形成的对应曲线为下曲面第二曲线，因所述下曲面与所述前缘线相交形成的对应点为下曲面前缘点，因所述下曲面与所述后缘线相交形成的对应点为下曲面后缘点；则根据所述下曲面第一曲线与所述下曲面第二曲线得到下曲面中弧线，所述下曲面前缘点与所述下曲面后缘点为该下曲面中弧线的两个端点；记位于该下曲面中弧线上、且与所述下曲面前缘点之间的所述下曲面中弧线长度占整个所述下曲面中弧线长度为一定比例的点为下曲面积叠点，并且，记位于所述下曲面上、且与该下曲面积叠点对应的点为下曲面空间积叠点；记经过该下曲面空间积叠点、且与所述Z轴垂直的平面为所述空间直角坐标系的XOY平面，该XOY平面与所述Z轴的交点为所述空间直角坐标系的原点O；所述原点O与该下曲面空间积叠点所在的直线为所述空间直角坐标系的Y轴，该Y轴的正方向由所述原点O指向该下曲面空间积叠点；

以半径从R1变为R2的一系列同轴圆柱体的侧面与该轴流掠形叶片相交形成一系列相交面，再将所述一系列相交面均沿平面展开得到一系列铺展截面，所述一系列同轴圆柱体的中心对称轴线均为Z轴；对于任意一个所述铺展截面，记与该铺展截面对应的同轴圆柱体的半径为r，R1≤r≤R2，并且，记该铺展截面上，因所述同轴圆柱体与所述吸力曲面相交形成的对应曲线为第一曲线，因所述同轴圆柱体与所述压力曲面相交形成的对应曲线为第二曲线，因所述同轴圆柱体与所述前缘线相交形成的对应点为前缘点，因所述同轴圆柱体与所述后缘线相交形成的对应点为后缘点，此外，根据所述第一曲线与所述第二曲线得到中弧线，所述前缘点与所述后缘点为该中弧线的两个端点，并且，记位于该中弧线上、且与所述前缘点之间的所述中弧线长度占整个所述中弧线长度为所述一定比例的点为积叠点，并且，记位于所述相交面上、且与该积叠点对应的点为空间积叠点；

随着((r-R1)/(R2-R1))比值的变化，根据一系列所述空间积叠点即得到空间积叠线；将该空间积叠线向所述空间直角坐标系的YOZ平面上进行投影即得到该空间积叠线在子午面上的投影线；对于位于该投影线上的任意一个投影点，该投影点对应一个所述空间积叠点、以及一个所述相交面，记该投影点位置处的所述投影线的切线正方向与所述空间直角坐标系的Z轴正方向两者的夹角为投影掠角，所述切线正方向与所述空间直角坐标系的Y轴正方向两者的夹角不超过90°；

则所述投影线为三次样条曲线。

作为本发明的进一步优选，当r＝R1时，对应的所述投影掠角的角度小于90°；当r＝R2时，对应的所述投影掠角的角度大于90°。

作为本发明的进一步优选，当r＝R1时，对应的所述投影掠角的角度为75.95°～85.95°；

当((r-R1)/(R2-R1))＝1/5时，对应的所述投影掠角的角度为80.73°～90.73°；

当((r-R1)/(R2-R1))＝2/5时，对应的所述投影掠角的角度为85.57°～95.57°；

当((r-R1)/(R2-R1))＝3/5时，对应的所述投影掠角的角度为90.40°～100.40°；

当((r-R1)/(R2-R1))＝4/5时，对应的所述投影掠角的角度为95.15°～105.15°；

当r＝R2时，对应的所述投影掠角的角度为99.77°～109.77°。

作为本发明的进一步优选，所述一定比例为40％～60％或100％；优选的，该一定比例为45％。

本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过控制掠角(即对应投影掠角)随叶片高度的变化，能够在随叶片高度变化的空间积叠点上叠加翼型构成掠形叶片，并优选采用根部后掠、尖部前掠(即，叶片根部即下曲面对应的投影掠角角度小于90°，并且叶片尖部即上曲面对应的投影掠角角度大于90°)的混合掠形结构，使叶片尾缘涡流的脱落方向与气流方向不一致，从而提高了轴流风机的气动性能，减小了气动噪声。

本发明中的轴流掠形叶片，对应不同叶片高度比位置处的叶片空间积叠点上的掠角(即对应投影掠角)按照由6个控制点形成的三次样条曲线变化(这6个控制点分别对应6个不同的叶片高度比，即，6个同轴圆柱体)，通过合理的配置叶片的掠(不考虑叶片的弯度，所谓弯度即对应叶片在XOY平面上的投影情况)在叶片高度上的变化形式，得到一款在较大流量范围内都具有高效率的叶片。放大或缩小此叶片，并将其应用到单叶轮形式轴流风机中，均具有良好的使用效果。

附图说明

图1是本发明轴流掠形叶片的三视图；

图2是本发明轴流掠形叶片的三维立体示意图；

图3是本发明轴流掠形叶片的积叠线子午掠角(即，投影掠角)示意图；

图4是本发明实施例2中的轴流掠形叶片应用在轴流风机所得到的实验特性曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中的轴流掠形叶片用于传输气流，该轴流掠形叶片的表面包括吸力曲面、压力曲面、上曲面和下曲面，其中，

所述上曲面和所述下曲面分别被两个圆柱体的侧面所覆盖(即，上曲面和下曲面分别属于这两个圆柱体的侧面的一部分)，这两个圆柱体的中心对称轴线相互重合，记所述上曲面对应的所述圆柱体的半径为R2，所述下曲面对应的所述圆柱体的半径为R1，则R2>R1；建立空间直角坐标系，则这两个圆柱体的中心对称轴线为该空间直角坐标系的Z轴；

所述吸力曲面和所述压力曲面均与所述下曲面相交，其中，所述吸力曲面与所述下曲面相交形成的曲线相对于该轴流掠形叶片为外凸曲线，所述压力曲面与所述下曲面相交形成的曲线相对于该轴流掠形叶片为内凹曲线；所述Z轴的正方向由所述吸力曲面指向所述压力曲面；

所述吸力曲面还与所述压力曲面相交，在所述吸力曲面与所述压力曲面相交形成的两条曲线中，记先与所述气流接触的相交曲线为前缘线，另外一条相交曲线则为后缘线(也称为尾缘线)；

将所述下曲面沿平面展开得到下曲面铺展截面(即，将下曲面沿上述与其对应的圆柱体的周向展开在一个平面内，从而得到下曲面铺展截面)；记该下曲面铺展截面上，因所述下曲面与所述吸力曲面相交形成的对应曲线为下曲面第一曲线，因所述下曲面与所述压力曲面相交形成的对应曲线为下曲面第二曲线，因所述下曲面与所述前缘线相交形成的对应点为下曲面前缘点，因所述下曲面与所述后缘线相交形成的对应点为下曲面后缘点；则根据所述下曲面第一曲线与所述下曲面第二曲线得到下曲面中弧线，所述下曲面前缘点与所述下曲面后缘点为该下曲面中弧线的两个端点；记位于该下曲面中弧线上、且与所述下曲面前缘点之间的所述下曲面中弧线长度占整个所述下曲面中弧线长度为一定比例的点为下曲面积叠点，并且，记位于所述下曲面上、且与该下曲面积叠点对应的点为下曲面空间积叠点；记经过该下曲面空间积叠点、且与所述Z轴垂直的平面为所述空间直角坐标系的XOY平面，该XOY平面与所述Z轴的交点为所述空间直角坐标系的原点O；所述原点O与该下曲面空间积叠点所在的直线为所述空间直角坐标系的Y轴，该Y轴的正方向由所述原点O指向该下曲面空间积叠点；

以半径从R1变为R2的一系列同轴圆柱体的侧面与该轴流掠形叶片相交形成一系列相交面，再将所述一系列相交面均沿平面展开得到一系列铺展截面(即，对于任一相交面，将该相交面沿与该相交面对应的同轴圆柱体的周向展开在一个平面内，从而得到铺展截面)，所述一系列同轴圆柱体的中心对称轴线均为Z轴；对于任意一个所述铺展截面，记与该铺展截面对应的同轴圆柱体的半径为r，R1≤r≤R2，并且，记该铺展截面上，因所述同轴圆柱体与所述吸力曲面相交形成的对应曲线为第一曲线，因所述同轴圆柱体与所述压力曲面相交形成的对应曲线为第二曲线，因所述同轴圆柱体与所述前缘线相交形成的对应点为前缘点，因所述同轴圆柱体与所述后缘线相交形成的对应点为后缘点，此外，根据所述第一曲线与所述第二曲线得到中弧线，所述前缘点与所述后缘点为该中弧线的两个端点，并且，记位于该中弧线上、且与所述前缘点之间的所述中弧线长度占整个所述中弧线长度为所述一定比例的点为积叠点，并且，记位于所述相交面上、且与该积叠点对应的点为空间积叠点；

随着((r-R1)/(R2-R1))比值的变化，根据一系列所述空间积叠点即得到空间积叠线；将该空间积叠线向所述空间直角坐标系的YOZ平面上进行投影即得到该空间积叠线在子午面上的投影线；对于位于该投影线上的任意一个投影点，该投影点对应一个所述空间积叠点、以及一个所述相交面，记该投影点位置处的所述投影线的切线正方向与所述空间直角坐标系的Z轴正方向两者的夹角为投影掠角，所述切线正方向与所述空间直角坐标系的Y轴正方向两者的夹角不超过90°；

则该投影线为三次样条曲线。

上述空间积叠点、空间积叠线均可在实际叶片上找到相应点或线；上述前缘点、后缘点、中弧线(包括下曲面中弧线)、第一曲线(包括下曲线第一曲线)、第二曲线(包括下曲线第二曲线)等均位于相应的铺展平面上；投影线是位于YOZ平面上的投影。

本发明中的轴流掠形叶片其表面形状可以是复杂的三维扭曲曲面，只要该叶片的投影掠角随高度比例(高度比例即((r-R1)/(R2-R1))比值)的变化满足要求即可。

本发明是采用一系列以Z轴为中心轴线的同轴圆柱面(同轴圆柱面的半径记为r)与叶片相交，获取相交线，再将相交线沿其所在圆柱面周向展开，得到相交线在平行于XOZ平面上的铺展图形；从而将叶片的三维表面形状曲面用一系列封闭的二维曲线来描述。当然，对于高度固定的叶片(叶片高度H＝R2-R1)，二维曲线越密(即，同轴圆柱面越多)，则构建出的叶片表面形状越精确。本发明中一系列以Z轴为中心轴线的同轴圆柱面，优选为6个同轴圆柱面(这6个同轴圆柱面的半径分别为R1、[R1+(R2-R1)/5]、[R1+2*(R2-R1)/5]、[R1+3*(R2-R1)/5]、[R1+4*(R2-R1)/5]、R2，对应的高度比例分别为0％、20％、40％、60％、80％和100％)。

尽管不同叶片高度的二维曲线的具体形状不同，但可用相同类型的参数进行描述，所用描述参数的具体数值随叶片高度不同而变化，任意描述参数随叶片高度变化规律不同，都会使三维叶片表面具有不同的形状，并对叶型性能造成不同的影响。本发明通过对参数类型、以及具体的参数随叶片高度的变化进行改进，使得叶型具有良好的性能。本发明通过合理配置投影掠角随叶高变化形式，可以获取具有高效率的叶片。

本发明叶片的空间积叠线在YOZ平面上的投影线为三次样条曲线(即该投影线满足三次样条关系)，投影线上的投影掠角随着叶片高度百分比的变化而变化，即随着((r-R1)/(R2-R1))比值的变化，投影线上相应空间积叠点对应的投影点位置处的投影掠角角度也发生变化；该投影线依次经过6个控制点(这6个控制点分别对应6个同轴圆柱面，即从叶片根部(即下曲面)到叶片顶部(即上曲面))，6个控制点(1-6)参数依次为：

控制点(1)对应叶片高度0％处，角度变化范围为75.95°～85.95°；

控制点(2)对应叶片高度20％处，角度变化范围为80.73°～90.73°；

控制点(3)对应叶片高度40％处，角度变化范围为85.57°～95.57°；

控制点(4)对应叶片高度60％处，角度变化范围为90.40°～100.40°；

控制点(5)对应叶片高度80％处，角度变化范围为95.15°～105.15°；

控制点(6)对应叶片高度100％处，角度变化范围为99.77°～109.77°。

图1所示为本发明轴流掠形叶片的主视图、侧视图和俯视图。图2所示为本发明轴流掠形叶片的三维造型示意图。

图3所示为本发明轴流掠形叶片的空间积叠线在空间坐标系中YOZ平面上的投影线示意图，图中，投影线的切线方向(即切线正方向，该切线正方向与Y轴正方向两者的夹角不超过90°)与Z轴正方向两者的夹角为即投影掠角；将不同叶片高度处(不同高度对应不同半径的同轴圆柱面，记同轴圆柱面的半径为r，则叶片高度H＝r-R1，高度百分比即为(100*(r-R1)/(R2-R1))％)的空间积叠点在YOZ平面上的投影可以通过三次样条曲线拟合形成空间积叠线在YOZ平面上的投影线，各个叶片高度处的对应掠角为α₁，α₂，α₃，α₄，α₅，α₆。

以下给出具体实施例。

实施例1

本实施例中的叶轮直径为352mm，轮毂比为0.27。该叶片的空间积叠线在YOZ平面(即子午面)上的投影线为三次样条曲线，投影线上的投影掠角随着叶片高度百分比的变化而变化，该投影线依次经过6个控制点(1～6)，这6个控制点的位置坐标依次为(坐标形式为(对应的叶片高度百分比，叶片积叠点子午掠角)，子午掠角即投影掠角)：(0％，84.11°)、(20％，87.39°)、(40％，90.68°)、(60％，93.96°)、(80％，97.23°)、(100％，100.44°)。

实施例2

本实施例中的叶轮直径为497mm，轮毂比为0.262。该叶片的空间积叠线在YOZ平面(即子午面)上的投影线为三次样条曲线，投影线上的投影掠角随着叶片高度百分比的变化而变化，该投影线依次经过6个控制点(1～6)，这6个控制点的位置坐标依次为(坐标形式为(对应的叶片高度百分比，叶片积叠点子午掠角))：(0％，80.95°)、(20％，85.73°)、(40％，90.57°)、(60％，95.40°)、(80％，100.15°)、(100％，104.77°)。

实施例3

本实施例中的叶轮直径为900mm，轮毂比为0.211。该叶片的空间积叠线在YOZ平面(即子午面)上的投影线为三次样条曲线，投影线上的投影掠角随着叶片高度百分比的变化而变化，该投影线依次经过6个控制点(1～6)，这6个控制点的位置坐标依次为(坐标形式为(对应的叶片高度百分比，叶片积叠点子午掠角))：(0％，80.68°)、(20％，85.70°)、(40％，90.78°)、(60％，95.85°)、(80％，100.82°)、(100％，105.64°)。

实施例4

本实施例中的叶轮直径为1120mm，轮毂比为0.254。该叶片的空间积叠线在YOZ平面(即子午面)上的投影线为三次样条曲线，投影线上的投影掠角随着叶片高度百分比的变化而变化，该投影线依次经过6个控制点(1～6)，这6个控制点的位置坐标依次为(坐标形式为(对应的叶片高度百分比，叶片积叠点子午掠角))：(0％，81.21°)、(20％，85.75°)、(40％，90.35°)、(60％，94.95°)、(80％，99.48°)、(100％，103.90°)。

图4是使用实施例2中的轴流掠形叶片作为风机叶片的一款风机的实验性能曲线图；可以看出这款风机远远超过国家标准GB/T 19761-2009《通风机能效限定值及能效等级》中规定的三级能效标准，且在较为宽广的流量范围内能保持高效率，同时具有较低的噪声。

本发明中的轴流掠形叶片，在设计阶段，可在空间积叠点上根据预先给定的需叠加的翼型以及其安装角、积叠位置(即，积叠点在翼型中弧线的位置，对应积叠点与前缘点之间的中弧线长度占整个中弧线长度的比例，该比例值可以为40％～60％或100％，只要选择某一固定的比例即可)等参数，确定不同高度处的叶片型线，然后依次连接不同高度处的叶片型线拟合为叶片表面，从而构成掠形叶片。本发明中的空间积叠线是根据控制其在YOZ平面上的投影线来控制的，投影线为三次样条曲线，投影线上某点的切线方向与Z轴正方向两者夹角形成的投影掠角的角度随与该点相对应的叶片高度比(对应同轴圆柱体的半径r)的变化而变化，尤其是通过控制叶根、叶尖(分别对应0、100％的叶片高度比)处的投影掠角，使叶根后掠(即，空间积叠线在YOZ平面上的投影在叶根处向来流方向的反方向偏，对应叶根处的投影掠角小于90°)、叶尖前掠(即，空间积叠线在YOZ平面上的投影在叶尖处向来流方向偏，对应叶尖处的投影掠角大于90°)；并且通过控制其他4个高度比(即对应20％、40％、60％、80％的叶片高度比)位置的具体投影掠角的角度，得到的轴流掠形叶片具有更佳的使用效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。