组合变形大倾角叶片的制作方法

[0001]
本实用新型属流体机械领域，涉及一种叶轮的叶片，具体是一种组合变形大倾角叶片。


背景技术：

[0002]
叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械。按流体流动方向可分为轴流式、径流式、混合式(斜流式)、组合式等。按照功能可分为原动机械，例如汽轮机、燃气透平等(输出功)；工作机械，比如水泵、风机、压气机、螺旋桨等(耗功)。
[0003]
叶轮通常是指装有叶片的轮盘，是叶轮机械转子的重要组成部分，工作时，叶轮做旋转运动，叶片与流体(工质)接触并与流体(工质)之间发生能量交换。叶轮在不同的应用场合下，其结构形状、性能也有所差异，可分为不同的类型。比如，按工质流动方向的不同，通常可分为轴流式、径流(离心)式、斜流式。
[0004]
现有的开放式轴流叶轮，比如风扇、螺旋桨等，叶轮的整体效率通常较低，噪音较大，尤其是轮毂比较大的叶轮，叶尖附近线速度较大，做功能力较强，叶根附近线速度低，做功能力较弱，导致叶轮出口总压在径向分布不均匀，进而限制了叶轮流量和做功能力。叶片是叶轮的关键部分，叶片的设计是否合理、是否与工质流动相适应，直接影响叶轮的流量、工作效率、噪音等性能指标，现有的开放式轴流叶轮性能表现不佳主要与叶片设计有关。
[0005]
目前，轴流叶轮的叶片设计通常采用基元级、平面叶栅和叶型等分析方法，并通过流体动力学理论计算、数值模拟、实验等方法来优化叶片设计。人们发现，在某些应用场景中，通过对叶片进行适当的变形可以提高叶轮的性能，叶片周向变形称为弯，轴向变形称为掠。弯形叶片在静叶中得到较广泛应用，而掠形叶片设计在动叶特别是风扇中得到推广。


技术实现要素：

[0006]
本实用新型的目的主要是针对现有开放式轴流叶轮性能的不足而提供一种组合变形大倾角叶片，这种叶片在周向、轴向和径向几个维度，具有反弯、倾斜旋转、后掠、扭转等变形，由于对叶片进行了两个以上维度变形，因此称为组合变形；由于叶片变形后，在周向倾斜的角度较大，因此称为大倾角叶片。通过对叶片进行合理的组合变形，并设置合理的参数，可有效改善叶片的特性，进而起到有效减小径向流入叶轮工质的攻角、提高径向流入叶轮工质的流动效率、促使部分工质在叶轮内部做向心斜流的效果，达到提升叶轮的流量、做功能力、工作效率和降低噪音，提高叶轮综合性能的目的。
[0007]
叶片可以看成是由很多叶片基元截面从叶根到叶尖积迭而成的三维实体，叶片基元截面的重心可连成一条曲线，称为积迭线，如果对叶片未做变形，积迭线通常是一条径向直线，即所有的叶片基元截面重心在径向是重合的。如果对叶片进行了变形，积迭线也会弯曲变形。为了描述方便，将积迭线分别投影到叶轮的端面(与叶轮轴垂直的平面)和子午面，积迭线在端面的投影线可以较清晰地反映叶片在周向的变形情况，同理，积迭线在子午面
的投影线可以较清晰地反映叶片在轴向的变形情况。
[0008]
叶片基元截面的重心在周向发生位移称为弯，在轴向发生位移称为掠。目前，弯和掠的形状基本上都是“c”状弧形，相应的，叶片积迭线在端面和子午面的投影线都是“c”状弧形曲线。对弯而言，当叶片积迭线端面投影线“c”形凸出的方向与叶轮旋转的方向相同时称为正弯，与叶轮旋转的方向相反时，称为反弯；对掠而言，当叶片积迭线子午面投影线“c”形凸出的方向朝着叶轮进口(来流)方向时称为后掠，朝着叶轮出口方向时称为前掠。
[0009]
下面详细描述本实用新型采用的技术方案：
[0010]
一种组合变形大倾角叶片，一方面，所述叶片在周向上具有反弯结构，即叶片积迭线端面投影线是“c”状弧形曲线，曲线凸出的方向与叶轮旋转的方向相反，并且由叶根到叶尖叶片逐步向叶轮旋转方向进行较大角度旋转倾斜，另一方面，所述叶片在轴向上具有后掠结构，即叶片积迭线子午面投影线是“c”状弧形曲线，曲线凸出的方向朝着叶轮进口方向。
[0011]
为了描述和衡量叶片从叶根到叶尖向叶轮旋转方向的旋转倾斜程度，我们引入周向旋转角的概念，用周向旋转角的大小来衡量叶片在周向旋转倾斜的程度。周向旋转角的定义是：在叶片积迭线端面投影线两个端点连成一条直线，这条直线与通过叶根对应点的叶轮半径方向的直线间的夹角称为周向旋转角，周向旋转角通常需要大于30
°
才能获得较好的效果。
[0012]
本实用新型还引入周向倾角的概念，其定义是：叶片积迭线的端面投影线上任意一点的切线与过这一点的叶轮半径之间所成的锐角，周向倾角的大小反映了叶片不同叶高处叶片周向倾斜的程度，周向倾角越大，沿周向倾斜得越厉害。本实用新型中，由于叶片周向采用了反弯形状，并且从叶根到叶尖，叶片逐步向叶轮旋转的方向倾斜旋转，因此，叶尖处对应的周向倾角较大，要求不小于45
°
，由于周向倾角较大，因此称为大倾角叶片。
[0013]
上面对组合变形大倾角叶片的特征进行了描述，下面对开放式轴流叶轮的工作状态进行分析，找出现有叶片设计存在的问题，进而阐述本实用新型的设计思想以及对叶轮性能改善的作用机制。
[0014]
首先对现有的开放式轴流叶轮内部流场进行分析。在风扇、螺旋桨等开放式轴流叶轮中，叶轮的外围无机壳包裹。叶轮处于工作状态时，旋转的叶片会推动流体工质从叶轮进口向出口流动，叶轮内部及周边的流场分布通常比较复杂，处于一种不均匀的动态之中，但仍然呈现出大致的规律性。下面从轴向、径向、周向三个维度对叶轮内部流场进行进行分析，主要关注叶轮内部工质的总压、静压和流速分布概况。从轴向看，从叶片的进口到出口，叶片推动工质流动，将能量传递给工质，工质的能量逐步增大，总压逐步增加，到出口附近，总压通常达到最大值，进口和出口之间的总压差与流速正相关，流速越大，进出口总压差越大。从径向来看，随着半径增大，叶片做旋转运动的线速度随叶高的增加而逐步增大，做功能力逐步增强，因此，对于开放式轴流叶轮，尤其是轮毂比较大的叶轮，叶轮出口处工质的总压和流速通常随叶高的增加而逐步增大(除非专门做等压输出设计)；从周向来看，从一个叶片的压力面(叶盆)到相邻叶片的吸力面(叶背)，工质的总压大致呈梯次分布，压力面附近总压较高，吸力面附近总压较低，从压力面到吸力面工质的总压逐步减小，压力面和吸力面总压之差(压差)不能超过一定的限度，压差过大会导致吸力面(叶背)一侧的工质出现分离和涡流，流动效率出现较大幅度下降。
[0015]
下面对叶轮进口周边的流场进行分析。通常情况下，工质进入叶轮以前，进口周边各处工质的总压是相等的，对于开放式轴流叶轮而言，叶轮被流体工质包围，叶轮在流量一定的情况下，距离叶轮进口越远，工质的流速越低，静压越高，而靠近叶轮进口处则流速较大，静压较小，叶轮进口处与较远处的工质之间存在静压差，静压差促使较远处的工质不断向进口处流动。
[0016]
下面对叶尖附近的工质流动情况进行分析。工作状态下，叶尖附近线速度较大，做功能力较强，为了充分挖掘叶轮的做功潜力，增大叶轮流量，设计叶轮时通常会对叶尖的做功能力进行充分利用，叶尖附近工质流速通常较大。叶轮进口叶尖处，由于叶片尚未对工质做功，工质流速大则动压较高，静压较小，而进口较远处工质流速较低，动压较低，静压较高，静压差不仅使叶轮进口轴向较远处的工质向叶轮进口流动，同时也使叶轮进口径向较远处的工质向叶轮进口流动，即叶轮进口叶尖处附近，不仅有工质从轴向进入叶轮，也有工质从径向进入叶轮。叶尖进入叶轮后到流出叶轮的过程中，叶片对工质做功，使得工质的总压不断增大，并且总压增大主要增加的是工质的静压，因此，从叶尖径向进入叶轮的工质流量在叶轮进口附近较大，在叶轮出口附近，因为叶片对工质做功后静压升高，叶轮内部工质与叶轮径向外侧工质的静压差变小而使得径向流量较小，如果叶轮内部工质静压高过叶轮径向外侧工质的静压，则会出现离心流动。
[0017]
对于轴向进入叶轮的工质，现有的叶片设计通常已经充分考虑了流动效率问题，但对于径向进入叶轮的工质则未予考虑和重视，导致从叶轮进口附近叶尖径向流入叶轮的工质攻角较大，可高达60
°
以上，大攻角流动不仅造成效率严重下降，还会造成较大的冲击噪音，这是现有开放式轴流叶轮总体性能欠佳的主要原因。
[0018]
本实用新型中在周向对叶片进行反弯变形，并且从叶根到叶尖沿叶轮旋转方向倾斜，使得叶尖附近的周向倾角较大，在轴向对叶片进行后掠变形，同时对叶片进行多个维度的变形，一方面可解决叶轮进口附近径向流入叶轮工质攻角过大的问题，另一方面可以改变和优化叶轮内部流场分布，促使叶轮内部部分工质做向心斜流。通过上述变形后，当叶尖附近的周向倾角为45
°
时，从叶轮进口处叶尖径向流入叶轮工质的攻角通常会在20
°
(这个为通常情况下的估计值，具体数据可能因具体情况有一定差异)以内，与不做周向倾斜弯曲的径向直叶片约60
°
攻角相比，流动效率已经明显改善；当叶尖附近的周向倾角为65
°
左右时，径向流入叶轮工质的攻角通常会在5
°
以内，这时，径向流入叶轮工质的流动效率通常能达到比较理想的状态，进而可以提升叶轮的整体效率，并降低噪音。
[0019]
对叶片进行前述的周向和轴向组合变形后，叶轮进口附近径向流入叶轮工质的攻角大大减小了，工质的径向流动在叶轮内部会得到一定程度保持，径向流动的工质与轴向流动的工质在叶轮内相互作用、相互影响、互相掺混，使得部分工质在叶轮内部呈现一定程度的向心斜流，即从叶尖向轴心方向倾斜的流动，因此，严格地说，采用了组合变形大倾角叶片的叶轮已经不是轴流叶轮，而是一种斜流叶轮。这种斜流叶轮跟常见的斜流叶轮不一样，常见的斜流叶轮是从进口到出口的离心斜流，采用本实用新型作为叶片的叶轮是从进口到出口的向心斜流。由于较多工质是从线速度较大的叶尖附近流入，因此比现有的开放式轴流叶轮做功能力更强，流量更大，效率更高，叶轮出口的总压分布也更均匀，叶轮的综合性能得到明显提升。
[0020]
根据本实用新型，进一步的，所述叶片在径向呈扭转形态，不同叶高处叶型安装角
不相等，叶根附近的安装角较小，叶尖附近的安装角较大。这种扭转方式跟常见的叶片扭转方式是相反的。叶型安装角最大值和最小值之间的差值称为扭转角，扭转角可以用来衡量叶片径向扭转幅度的大小。采用组合变形大倾角叶片的叶轮，相当多的工质进入叶轮后的流动方向是向心斜流，进口处叶高较大，线速度较大，出口处叶高较小，线速度也较小，进口和出口线速度相差较大，如果安装角相同，且安装角较大，容易造成工质转折角过大，进而导致在叶背出现分离而造成效率下降，因此，将叶片在径向扭转变形，叶根附近的叶型安装角设置得较小，可以有效缓解和解决这个问题。扭转角通常大于3
°
，小于10
°
。
[0021]
由上可知，本实用新型通过在周向、轴向、径向三个维度对叶片进行组合变形，能够较好地解决现有开放式轴流叶轮存在的问题，使得叶轮内部流场更加优化，明显提升叶轮的综合性能，具有较大的推广应用价值。
[0022]
应当指出，在确定叶片的周向、轴向和径向变形参数时，单个维度的变形幅度不宜过大，否则可能会产生负面影响。比如，周向旋转角通常不超过60
°
，过大不仅会影响叶片的强度，而且会导致叶轮内部流场畸变，反而不利于效率和流量的提升。
[0023]
本实用新型不仅适用于开放式轴流叶轮，也可以用于将现有的封闭式轴流叶轮改造成新型的封闭式向心斜流叶轮。改造方法是，将现有的叶片换成组合变形大倾角叶片，大幅加大叶片的弦长，将叶轮进口附近包裹叶轮的机壳轴向缩进一段(缩进的机壳轴向长度具体应通过计算确定)，使得进口附近的叶片部分裸露于进口流场中，以便于工质可以从径向和轴向同时进入叶轮，工质进入叶轮后，做向心斜流，叶轮径向尺寸逐步减小，以便与工质的向心斜流相适应，当然，为了获得较好的性能，叶轮进口和出口径向尺寸比例通常不能超过一定的限度，否则可能出现工质流动过程中转折角过大而导致效率下降。向心斜流叶轮具有出口径向尺寸小的特点，便于与较小尺寸的输出管道对接，部分工质都从叶尖附近进入叶轮，叶尖的线速度较高，做功能力强，可提升叶轮的流量和做功能力，相信这种新型的向心斜流叶轮会有广阔的应用前景。
[0024]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0025]
1、可以显著提高开放式轴流叶轮径向流动工质的效率。本实用新型较好地解决叶轮进口叶尖附近径向流动的工质进入叶轮时攻角过大的问题，可显著提高叶轮的效率、降低噪音。
[0026]
2、可以进一步优化开放式轴流叶轮内部流场。应用本实用新型后，可以使更多工质从叶轮进口的叶尖附近进入叶轮，使部分工质在叶轮内部做向心斜流，弥补了普通轴流叶轮由于叶根线速度低造成的做功能力弱的问题，使得叶轮出口总压分布更加均匀，进而增加叶轮流量、有利于提高叶轮的整体做功能力。
[0027]
3、可用于构建新型的闭式向心斜流叶轮。利用本实用新型，可以对现有的封闭式轴流叶轮进行改造，构建新型的闭式向心斜流叶轮，这种叶轮具有出口径向尺寸小、做功能力强、效率高等优点，具有广阔的应用前景。
[0028]
下面对本实用新型涉及的周向倾斜变形参数设计问题和叶片强度问题进行说明。组合变形大倾角叶片由于叶片形状的变化，通常会对叶片材料的强度提出更高要求，在中低速叶轮中，这个问题通常不太明显，但在高速叶轮中，材料的强度问题可能会比较突出，具体的应用中应该综合考虑叶片弯曲和后掠的幅度和材料强度等各种因素的关系，实现最佳平衡。
[0029]
前面的说明主要针对单级叶轮，对于多级叶轮，本实用新型也可以应用，但其中的参数需要做适当调整，以适应设计工况的具体需求。
附图说明
[0030]
图1为采用本实用新型作为叶片的叶轮轴向视图。
[0031]
图2为采用本实用新型作为叶片的叶轮径向视图。
[0032]
图3是本实用新型积迭线端面投影线视图。
[0033]
图4是本实用新型积迭线子午面投影线视图。
[0034]
其中：1、叶片；2、叶根；3、叶尖；4、轮盘；5、叶轮旋转方向；6、积迭线；7、叶片前缘；8、叶片后缘；9、积迭线端面投影线；10、积迭线子午面投影线；11、周向倾角；12、工质流动方向；13、周向旋转角。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0036]
我们以本实用新型在风扇叶轮中的应用作为实施例来具体说明，图1是采用本实用新型的实施例作为叶片的叶轮轴向视图，图2是采用本实用新型的实施例作为叶片的叶轮径向视图，叶片1安装在叶轮的轮盘4上，叶轮的轮盘4上设置有三个同样尺寸参数的叶片1。叶轮的旋转方向5表示叶轮工作时的旋转方向为逆时针旋转。
[0037]
图3是本实用新型实施例的积迭线端面投影线视图，这个视图可以反映叶片1在周向变形的情况。在图3中我们可以看到，积迭线端面投影线9是一条“c”状弧形曲线，曲线凸出的方向与叶轮旋转方向5相反，因此是反弯，同时，积迭线端面投影线向叶轮旋转的方向旋转倾斜，周向旋转角13约为48
°
。随着叶片1半径的增大，周向倾角11逐步增大，到叶尖3附近达到最大值，约为60
°
，属于大倾角叶片。
[0038]
图4是本实用新型实施例的积迭线子午面投影线视图，积迭线子午面投影线10可以较清晰地反映叶片1在轴向变形的情况。从图中可以看出，积迭线子午面投影线10是一条“c”状弧形曲线，曲线凸出的方向与工质流动方向12相反，即曲线凸出的方向朝着叶轮进口方向，因此是后掠变形。
[0039]
从上可知，实施例中的叶片在周向上做了反弯变形，并且做了与叶轮旋转方向同向的旋转倾斜，在轴向做了后掠变形，属于组合变形叶片。叶片的周向倾角最大值达到60
°
，因此，实施例中的叶片属于组合变形大倾角叶片。
[0040]
为了防止工质在向心斜流的过程中转折角过大，叶片1在径向呈扭转形态，具体而言，从叶根2叶型的安装角为23
°
，随着叶高增加，对应的叶型安装角逐步增大，到叶尖3附近达到最大值27
°
，从而使得叶片1在径向呈扭转形态。最大安装角和最小安装角之间的差值称为扭转角，扭转角可以用来衡量叶片1径向扭转程度，本实施例中，叶尖3附近叶型安装角最大值为27
°
，叶根2处叶型的安装角为23
°
，扭转角为4
°
。
[0041]
实验表明，采用以上设计的风扇具有风量大、效率高、噪音低的特点，验证了本实用新型的可行性、先进性。
[0042]
以上所述仅是本实用新型在某个特定工况下的一种优选实施方式，由于叶片参数
的确定与工况密切相关，各种参数之间相互制约、相互影响，因此，叶片变形的参数需要根据实际情况和需求综合考虑后才能确定；另外，对于开放式叶轮和封闭式叶轮，叶片的参数设置也会存在差别。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，比如，为了提升效率、降低噪音，在本实用新型的基础上对叶尖进行翻边变形、对叶片前缘和后缘进行部分切除整形、将叶片后缘设置成锯齿或者开缺口、吸力面设置扰流突起等，这些改进和润饰也应视为在本实用新型的保护范围内。
[0043]
本实用新型的保护范围应以权利要求书所界定的为准。