新型叶轮叶片的轴流风机的制作方法

本发明属于轴流风机技术领域，具体涉及一种新型叶轮叶片的轴流风机。

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。轴流风机具有低压头、大流量的特点，因轴流风机相对于离心风机具有体积小，安装简单，广泛应用于国民经济各领域，如电动工具、工程机械、空调、电力、冶金、能源、医药卫生等领域，具有很大的应用价值和广阔的市场前景。在节能减排、可持续发展的大背景下，作为能耗的大户，风机能量消耗占用了全国机械行业12％，大量的市场需求对轴流风机的效率和运行稳定性提出了更高的要求，降低轴流风机噪声，增大轴流风机流量、提高轴流效率是轴流风机设计的重要技术指标。目前，对轴流式通风机的研究主要集中在流型系数的选择和采用孤立翼型还是叶栅设计方法的选择上面，多数研究轴流式通风机的设计中主要关注比转速、叶片安装角、叶轮进出口气流角等关键设计要素对风机性能的影响。但是叶轮机械内部流动复杂，存在边界层分离、尾迹和漩涡运动等多种形式，具有黏性、可压缩性和非定常性等特点，因此对其展开气动设计十分困难。轴流风机的传统设计是采用准三维的设计方法和工程试验相节后的方法，对设计者的设计经验有很高的要求，而且还要进行大量的试验验证，再根据试验结果对结构进行改进设计，最终找出可行方案。因此在传统设计的基础上，对轴流风机进行优化设计，进一步提高其效率成为目前亟须解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有轴流风机存在的压力低、效率低、叶顶间隙泄露量大的现象，提供新型叶轮叶片的轴流风机。

本发明包括叶轮、导叶、外筒、内筒、电机、轴套和网罩；所述的外筒、导叶和内筒通过焊接固连在一起；电机的底座固定在内筒上，叶轮通过轴套固定在电机的输出轴上；网罩固定在外筒上；叶轮结构为将sdf-11.2型号风机叶轮的叶片上六个截面的截面安装角分别设计成βa-a、βa-b、βa-c、βa-d、βa-e、βa-f后的结构，其中，βa-a、βa-b、βa-c、βa-d、βa-e、βa-f分别代表截面a、b、c、d、e、f的截面安装角，βa-a＝49.37°，βa-b＝47.05°，βa-c＝41.15°，βa-d＝38.57°，βa-e＝44.66°，βa-f＝42.65°。六个截面中，截面a为叶片与轮毂的相交面，截面f为叶顶截面，截面b、c、d、e分别为与截面a距离20％、40％、60％、80％的叶片位置处。

其中，叶轮叶片的优化设计过程具体如下：

步骤一、引入六个影响因素，即六个截面，六个截面均匀分布在原始叶片上，其中，截面a为原始叶片与轮毂的相交面，截面f为叶顶截面，截面b、c、d、e分别为与截面a距离20％、40％、60％、80％的叶片位置处；截面a、b、c、d、e、f的截面安装角分别定义为βa-a、βa-b、βa-c、βa-d、βa-e、βa-f。每个因素取五个水平，分别在原始叶片的基础上变化-10％、-5％、0％、+5％、+10％，表1为具体的因素水平表，水平1表示叶片截面安装角在原始叶片的基础上减小10％，水平2表示截面安装角减小5％，水平3表示截面安装角与原始叶片一致，水平4表示截面安装角增大5％，水平5表示截面安装角增大10％。由于是6因素5水平的正交试验，所以选取l25(5⁶)的正交表进行正交优化，做25组试验，优化目标是全压和效率。具体试验组合见表2中试验方案及数值模拟结果。

表1因素水平

表2试验方案及数值模拟结果

步骤二、进行全压极差分析，具体如下：如表3所示，设定均值1、2、3、4和5分别表示每个因素包含水平1、水平2、水平3、水平4和水平5的五组试验全压之和的平均值，某因素下某水平全压之和的均值越大表示越利于提高全压。极差表示每个因素在各水平均值中最大值减去最小值的差值。从极差中看出re>rf>rb>ra>rd>rc，re、rf、rb、ra、rd、rc分别代表βa-e、βa-f、βa-b、βa-a、βa-d、βa-c对应的极差，rmax代表re、rf、rb、ra、rd、rc中的最大值，将叶片各截面安装角按照对全压影响的主次顺序进行排列得：βa-e、βa-f、βa-b、βa-a、βa-d、βa-c，从而得出最能提高全压的组合是a1、b2、c3、d5、e5、f5。a1代表截面a在水平1的截面安装角，b2代表截面b在水平2的截面安装角、c3代表截面c在水平3的截面安装角、d5代表截面d在水平5的截面安装角、e5代表截面e在水平5的截面安装角、f5代表截面f在水平5的截面安装角。

表3全压极差分析

步骤三、进行效率极差分析，具体如下：如表4所示，设定均值1’、2’、3’、4’和5’分别表示每个因素包含水平1、水平2、水平3、水平4和水平5的五组试验效率之和的平均值，从极差中看出rb>ra>rc>rd>rf>re，将叶片各截面安装角按照对效率影响的主次顺序进行排列得：βa-b、βa-a、βa-c、βa-d、βa-f、βa-e，从而得出最能提高效率的组合是a1、b2、c1、d1、e2、f2。c1代表截面c在水平1的截面安装角、d1代表截面d在水平1的截面安装角、e2代表截面e在水平2的截面安装角、f2代表截面f在水平2的截面安装角。

表4效率极差分析

步骤四、由步骤三得，最能提高全压的组合为a1、b2、c3、d5、e5、f5，最能提高效率的组合为a1、b2、c1、d1、e2、f2，对两个组合进行综合分析得出同时提高全压和效率的最优组合，综合分析过程具体如下：

引入相对量r/rmax，该相对量的含义是某因素的极差值与最大极差值之比。由于两个组合均选择a1、b2，则最优选择就是a1、b2；对于截面c，c截面安装角对全压的影响排在第6位，而且r/rmax只有0.1，但是c截面的安装角对效率的影响排在第3位，而且r/rmax有0.78，所以c截面的最优选择是c1；对于d截面，d截面安装角对全压的影响排在第5位，r/rmax只有0.27，d截面对效率的影响排在第4位，但是r/rmax达到0.66，d截面安装角对效率影响更大，而对全压的影响不大，所以最优选择为d1；对于e截面，e截面安装角对全压的影响排在第1位，r/rmax为1，而e截面对效率的影响排在第6位，r/rmax只有0.25，e截面安装角对全压的影响更大，而对风机效率的影响小，所以e截面的最优选择是e5；对于f截面，f截面安装角对全压的影响排在第2位，r/rmax为0.5，f截面安装角对效率的影响排在第5位，r/rmax为0.31，所以f截面安装角对全压影响大，对效率影响小，所以f截面的最优选择是f5。因此，提高全压和效率的最优组合为a1、b2、c1、d1、e5、f5。

步骤五、对最优组合a1、b2、c1、d1、e5、f5进行数值模拟，并在sdf-11.2型号风机叶轮的额定工况下与sdf-11.2型号风机叶轮进行静压、全压以及效率的对比，验证该最优组合对风机全压和效率的提升效果。

所述电机的额定转速为720r/min，额定功率为4kw。

所述叶轮的轮毂外侧面与内筒内侧面直径的径向间隙为10mm。

所述叶轮叶片的数量为6片，叶片叶顶间隙为叶片高度的2％。

所述导叶的数量为7～17个，导叶的厚度为2～4mm。

本发明的有益效果：

1、本发明以从叶根到叶顶6个均匀分布的截面的安装角为优化参数对叶片进行正交优化，大大提高了叶轮气动性能，使得叶轮在整个流量区间，静压、全压、效率都有大幅提高，具体为：叶轮减小了叶片中下部的全压，增加了叶顶部份的全压，同时叶轮整个叶高静压都得到了提高，使叶轮中下部流动得到了非常大的改善，达到了同时提高叶轮全压和效率的目的；

2、本发明的叶片叶根处涡的尺寸得到了明显的抑制，涡所在位置的速度明显增大，涡流造成的损失减小；

3、本发明减小了叶顶间隙的泄露量，而且使主要的泄露区域也有所减小。

4、本发明给轴流风机的优化设计提供了新思路，也适用于其它型号轴流风机的优化。

附图说明

图1为本发明优化后的风机剖视图；

图2为sdf-11.2型号风机的原始叶轮叶片示意图；

图3为叶轮叶片各优化截面的位置分布图；

图4为本发明优化后的叶轮叶片示意图。

具体实施方式

如图1所示，新型叶轮叶片的轴流风机，包括叶轮1、导叶2、外筒3、内筒4、电机5、轴套6和网罩7；外筒3、导叶2和内筒4通过焊接固连在一起，电机5的底座固定在内筒4的腹板上，其中电机5的额定转速为720r/min，额定功率为4kw；叶轮1通过轴套6固定在电机5的输出轴上；叶轮1的轮毂外侧面与内筒4内侧面直径的径向间隙为10mm；网罩7固定在外筒3上，有整流和防止异物进入的作用。

如图1所示，叶轮1由电机5带动给气体做功，提高气体的动压和静压，叶轮1上的叶片是根据sdf-11.2型号的风机的叶轮原始叶片优化而来，叶片数量为6片，叶片叶顶间隙为叶片高度的2％。

叶轮叶片的优化设计过程具体如下：

叶片截面安装角的定义如图2所示，叶片截面安装角是叶片截面弦线与额线的夹角βa。为对叶片各截面安装角进行较为准确的优化，首先引入六个影响因素，即六个截面，如图3所示，六个截面均匀分布在叶片上，其中，截面a为叶片与轮毂的相交面，截面f为叶顶截面，截面b、c、d、e分别为与截面a距离20％、40％、60％、80％的叶片位置处；截面a、b、c、d、e、f的截面安装角分别定义为βa-a、βa-b、βa-c、βa-d、βa-e、βa-f。考虑到设计误差和叶片的加工难度，取每个截面位置的截面安装角变化范围为-10％～+10％，为使试验样本足够大，能准确反应出真实的情况，每个因素取五个水平，分别在原始叶片的基础上变化-10％、-5％、0％、+5％、+10％，表1为具体的因素水平表，水平1表示叶片截面安装角在原模型的基础上减小10％，水平2表示截面安装角减小5％，水平3表示截面安装角与原模型一致，保持不变，水平4表示截面安装角增大5％，水平5表示截面安装角增大10％。由于是6因素5水平的正交试验，所以选取了l25(5⁶)的正交表进行正交优化，需要做25组试验，具体试验组合见表2中试验方案及数值模拟结果。

表1因素水平

表2试验方案及数值模拟结果

由于本发明的主要目标是尽量提高全压和效率，所以表2的试验结果中只列出了全压和效率两个指标。由表2中的试验数据可知最高全压达到了244.08pa，比原始风机的226.07pa高出了18.01pa，相对提高了8％；最高效率达到了54.3％，比原始风机51.59％提高了2.71％，相对提高了5.25。从表2中还可以看出试验组13、22、23都同时提高了风机的全压和效率，这说明通过优化各截面的安装角来提高风机气动性能的方法是有效的。

表3全压极差分析

然后，如表3所示，进行全压极差分析，表3中均值1表示，各因素包含水平1的五组试验全压之和的平均值，以此类推均值2、3、4和5分别表示每个因素包含水平2、水平3、水平4和水平5的五组试验全压之和的平均值，而且某因素下某水平全压之和的均值越大表示越利于提高全压。极差表示每个因素中各水平均值中最大值减去最小值的差值。极差可以看出某因素对指标的影响强弱，也可以代表敏感度，极差越大说明影响越大。从极差中可以看出re>rf>rb>ra>rd>rc，re、rf、rb、ra、rd、rc分别代表βa-e、βa-f、βa-b、βa-a、βa-d、βa-c对应的极差，rmax代表re、rf、rb、ra、rd、rc中的最大值，这说明叶片各截面安装角对全压影响的主次顺序为：βa-e、βa-f、βa-b、βa-a、βa-d、βa-c。从主次顺序中可知，靠近叶顶部分叶片截面安装角对全压影响最大；靠近叶根部分叶片截面安装角对全压影响次之；叶片中部截面安装角对全压影响很小。由均值比较可知，最能提高全压的组合是a1、b2、c3、d5、e5、f5。a1代表截面a在水平1的截面安装角，b2代表截面b在水平2的截面安装角、c3代表截面c在水平3的截面安装角、d5代表截面d在水平5的截面安装角、e5代表截面e在水平5的截面安装角、f5代表截面f在水平5的截面安装角。

接着，如表4所示，进行效率极差分析，设定均值1’、2’、3’、4’和5’分别表示每个因素包含水平1、水平2、水平3、水平4和水平5的五组试验效率之和的平均值，同理可知，由于极差中rb>ra>rc>rd>rf>re，这说明叶片各截面安装角对效率影响的主次顺序为：βa-b、βa-a、βa-c、βa-d、βa-f、βa-e。从主次顺序中可知，靠近叶根部分叶片截面安装角对效率影响最大；叶片中部叶片截面安装角对效率影响次之；靠近顶顶部分叶片截面安装角对效率基本没有影响。由均值比较可知，最能提高效率的组合是a1、b2、c1、d1、e2、f2。

表4效率极差分析

综上可知，最能提高全压的组合为a1、b2、c3、d5、e5、f5，最能提高效率的组合为a1、b2、c1、d1、e2、f2。由于两种最优组合不一样，为了尽可能提高全压的同时，尽可能的提高效率，最后，必须对两中组合进行折中考虑，进行综合分析得出同时提高全压和效率的最优组合。为进行综合评比得出最优组合，本发明引入了相对量r/rmax进行分析，该相对量的含义是某因素的极差值与最大极差值之比，可以表示该因素对风机相关指标影响的相对强度，对风机性能的贡献度，数值越大对风机某方面性能的贡献度越大，0表示对相关性能没有任何贡献，1表示对相关性能有最大的贡献。对于截面a和b而言，很容易确定最优选择就是a1、b2；对于截面c而言，c截面安装角对全压的影响排在第6位，而且r/rmax只有0.1，但是c截面的安装角对效率的影响排在第3位，而且r/rmax有0.78，所以c截面的最优选择是c1；对于d截面而言，d截面安装角对全压的影响排在第5位，r/rmax只有0.27，d截面对效率的影响排在第4位，但是r/rmax达到0.66，明显可知d截面安装角对效率影响更大，而对全压的影响不大，所以最优选择为d1；对于e截面而言，e截面安装角对全压的影响排在第1位，r/rmax为1，而e截面对效率的影响排在第6位，r/rmax只有0.25，这说明e截面安装角对全压的影响更大，而对风机效率的影响很弱，所以e截面的最优选择是e5；对于f截面而言，f截面安装角对全压的影响排在第2位，r/rmax为0.5，f截面安装角对效率的影响排在第5位，r/rmax为0.31，相比之下，对全压而言f截面安装角是主要影响因素，而对效率而言，只是次要影响因素，所以f截面的最优选择是f5。通过上面的分析可知最大限度的提高风机全压和效率的组合为a1、b2、c1、d1、e5、f5。由于该组合并没有出现在表3和表4中，所以必须对该组合进行数值模拟，以确定该组合是否达到了同时最大限度的提高风机全压和效率的目的。

表5优化前后风机性能对比

表5为优化前后风机性能对比表，从表中可以看到优化后的风机比原始风机，性能得到了大幅提高，静压增加了12.52pa，比以前提高了20％，全压提高了16.1pa，相比以前提高了7％，效率增加了2.38％，相对以前提高了5％。结合表4看，表4中最高的全压为244.08pa，而优化的风机全压达到了242.17pa，只减小了1.91pa，相对减小量不足1％；表4中最高效率为54.3％，而优化后的风机达到了53.97％，只减小了0.33％，相对减小量也不足1％。这说明组合a1、b2、c1、d1、e5、f5是合理的，达到了尽可能同时提高全压和效率的目的。通过正交试验对风机进行优化达到了预期的目标。

表6优化前后截面安装角对比

表6为优化前后叶片截面安装角的变换情况，从表中可知，优化后的风机，叶片根部和叶片中部的截面安装角都有所减小，叶片顶部的截面安装角都有所增大，这样的变化可以有效提高风机的气动性能。

优化后风机叶片形状如图4所示，叶片根部和叶片中部的截面安装角都有所减小，叶片顶部的截面安装角都有所增大，这样变化可以有效提高风机的气动性能。叶片根部流动明显得到了非常大的改善，原始叶片叶根靠近前缘附近处有个非常明显的涡，涡的尺寸占据了70％的叶片表面，优化后叶片叶根处涡的尺寸得到了明显抑制，涡所在位置的速度明显增大，说明涡流造成的损失减小；优化后的叶片在叶片中部的压力面流线明显曲率变小，沿轴向流动更加平稳。

本发明在整个流量区间，静压、全压、效率都有大幅提高，在设计流量点，全压增加了16.1pa，相对增量为7％，静压增加了12.5pa，相对增量为20％，效率提高了2.38％，相对增量为4.6％；叶轮减小了叶片中下部的全压，增加了叶顶部分的全压，同时叶轮整个叶高静压都得到了提高，使叶轮中下部流动得到了非常大的改善，达到了同时提高叶轮全压和效率的目的；叶片叶根处涡的尺寸得到了明显的抑制，涡所在位置的速度明显增大，涡流造成的损失减小；叶片改善叶轮出口处气流的稳定性，降低气流的泄漏量，减小容积损失，提高效率；防止边界层分离，抑制涡的脱落和减小涡脱落的频率，整体上，减小了能量损失、抑制了由于导叶尾迹引起的涡流噪声，使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。