一种农用轴流风机变环量流型叶片设计方法

本发明属于机械应用装备领域，具体涉及一种农用轴流风机变环量流型叶片设计方法。

背景技术：

1、轴流风机节能效果在国民经济、节能和环境保护都有十分重要的意义。

2、目前市场上的大多数农用轴流风机都采用较小的轮毂比，以提高过流区域增大风量。对于低压的农用轴流风机而言，轮毂比很小，叶片较长，如果采用传统的等环量设计会导致叶片底部安放角过大，顶部安装角过小，叶片扭曲非常严重，导致气流状况恶化。且等环量设计大多只能保证设计工况获得符合等环量规律的流态，不适合风机变工况运行。故采用改进的变环量流型设计，有助于改进叶片根部流动情况。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种农用轴流风机变环量流型叶片设计方法，通过数值模拟的方式低成本地筛选变环量流型、轮毂比及翼型，最终使用较优参数设计出最终叶片，从而显著提升农用轴流风机的气动性能，改善叶片做功能力。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种农用轴流风机的变环量流型叶片设计方法，用于设计农用轴流风机变环量流型叶轮的叶轮叶片，所述叶轮包括叶轮叶片1、叶片根部2和轮毂3，其中，叶轮叶片1的叶片根部2放置在轮毂3预留的凹槽中，固定在轮毂3之上；

4、所述方法包括如下步骤：

5、步骤s1、根据设计进口静压、设计转速、设计通风量，使用变环量流型及孤立翼型法计算叶片参数；

6、其中，设计进口静压为120pa，设计转速为960r/min，设计通风量为36000m3/h；

7、步骤s1.1、确定农用轴流风机的转速、级数、比转数以及与比转数对应的级型式、全压系数及全压效率、叶轮直径及叶顶圆周速度；

8、农用轴流风机使用异步电动机直连驱动，故预选农用轴流风机的转速为720、960、1450r/min；

9、农用轴流风机的级数预选1级或者2级；

10、使用公式1计算农用轴流风机的比转数：

11、

12、公式1中，ns为比转数；n为转速，单位为r/min；qv为流量，单位为m3/s；ptf.ⅰ为单级全压，单位为pa；

13、根据比转数-全压系数、比转数-全压效率关系曲线，得到与比转数对应的级型式、全压系数ψt及全压效率ηtf；

14、使用公式2计算叶轮直径，并圆整为标准直径：

15、

16、公式2中，d为叶轮直径，单位为m；n为转速，单位为r/min；ptf.ⅰ为单级全压，单位为pa；ψtⅰ为单级全压系数；

17、根据叶轮直径计算叶顶圆周速度：

18、

19、公式3中，ut为叶顶圆周速度，单位为m/s；d为叶轮直径，单位为m；n为转速，单位为r/min；

20、步骤s1.2、确定叶轮叶片1的五个计算截面，并计算出计算截面半径，确定变环量指数a及计算变环量流型常数k，求得计算截面半径处的轴向速度后，求解出口处旋绕速度c2u和出口处轴向速度c2a沿叶片径向变化；

21、在叶轮叶片1上选取a、b、c、d、e五个计算截面，五个截面等分叶轮叶片1的纵向截面对其进行截取；

22、其中，第一计算截面a位于叶轮叶片1的底部，即轮毂面；

23、第五计算截面e位于叶轮叶片1的顶部，即叶顶截面；

24、在叶轮叶片1上由第一计算截面a向第五计算截面e方向依次等间距确定第二计算截面b、第三计算截面c和第四计算截面d；

25、第一计算截面a、第二计算截面b、第三计算截面c、第四计算截面d和第五计算截面e相互平行；

26、相对平均半径为：

27、

28、公式4中，为相对平均半径；为轮毂比；

29、计算截面半径为轮毂截面至叶顶截面均分；

30、将叶片分为五个计算截面，第n计算截面半径公式如下：

31、

32、公式5中，d为叶轮直径，单位为m；d为轮毂直径，单位为m；

33、变环量指数a选择-1至1；

34、变环量流型常数k由公式6计算：

35、

36、公式6中，k为变环量流型常数；ptf为全压，单位为pa；a为变环量指数；d为轮毂比；ηtf为全压效率，单位为％；ρ为气体密度，单位为kg/m3；ω为叶轮旋绕角速度，单位为s-1；rt为叶轮半径，单位为m；

37、通过公式7～9计算第一计算截面a、第二计算截面b、第三计算截面c、第四计算截面d和第五计算截面e的轴向速度和旋绕速度：

38、

39、

40、δcu＝c2u＝kr-a              公式9

41、公式7～9中，c1a为进口轴向速度，单位为m/s；qv为流量，单位为m3/s；d为叶轮直径，单位为m；d为轮毂比；c2a为出口轴向速度，单位为m/s；c2am为平均半径处轴向速度，单位为m/s；ω为叶轮旋绕角速度，单位为s-1；k为变环量流型常数；r为不同计算截面的半径，单位为m；a为变环量指数；rm为平均半径，单位为m；δcu为旋绕速度的变化，单位为m/s；c2u为出口处旋绕速度，单位为m/s；

42、步骤s1.3、确定其他叶轮气流参数和几何尺寸

43、通过公式10～15计算第一计算截面a、第二计算截面b、第三计算截面c、第四计算截面d和第五计算截面e的轴向分速度、相对速度、额线间夹角、负荷系数、叶栅稠密度和弦长×叶片数：

44、

45、

46、

47、

48、

49、bz＝2πrτ       公式15

50、公式10～15中，cma为计算截面平均轴向速度，单位为m/s；c1a为进口轴向速度，单位为m/s；c2a为出口轴向速度，单位为m/s；

51、ωm为计算截面叶轮旋绕角速度，单位为s-1；u为计算截面的圆周速度，单位为m/s；δcu为旋绕速度的变化，单位为m/s；

52、βm为计算截面安放角，单位为°；

53、τcy为负荷系数；

54、τ为叶栅稠密度；cy为升力系数；

55、b为弦长，单位为m；z为叶片数，单位为片；r为不同计算截面的半径，单位为m；

56、步骤s2、使用步骤s1计算得到不同计算截面的弦长b及计算截面安放角βm进行快速建模；

57、其中，使用步骤s1算出的不同计算截面数据，计算出不同截面的翼型几何参数以及翼型重心位置，然后根据弦长b以及计算截面安放角βm绘制出各计算截面翼型图；把各计算截面上翼型重心都放在同一条直线上，然后分别绘制出每个截面翼型的投影，通过光滑的曲线将每一个曲线连接，从而得到叶片的模型；

58、s3、根据步骤s2得到的叶片的模型导入3d建模软件中得到叶片实体模型及流体域，进而进行数值模拟；

59、s4、通过数值模拟筛选适合的变环量流型；

60、其中，选择不同变环量流型重复步骤s1～s3，最终选取变环量流型为：

61、cur0.7＝k  公式16

62、公式16中，cu为旋绕速度，单位为m/s；r为不同计算截面的半径，单位为m；k为变环量流型常数；

63、s5、选定变环量流型后，通过数值模拟筛选较优轮毂直径；

64、其中，选择不同轮毂直径重复步骤s1～s3，得到较优轮毂直径；

65、s6、选定轮毂比后，改变不同的翼型相对厚度、翼型，重复步骤s1～s3再次进行变环量叶片设计，筛选较优翼型。

66、其中，翼型相对厚度为翼型最厚位置的厚度与弦长的比值。

67、步骤s3中，所述3d建模软件为nx或solidworks。

68、其中，步骤s4中，优选变环量流型为cur0.7＝k，即变环量流型指数a为0.7时，通风量及能效比达到最高。

69、其中，步骤s5中，所述较优轮毂直径为260mm时，通风量及能效比达到最高。

70、其中，步骤s6中，所述较优翼型相对厚度为0.06，并施加60％的弯度。

71、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

72、1)本发明的变环量流型叶片设计方法，选取适合农用轴流风机工作静压及通风量的变环量流型、轮毂比及翼型，进而进行变环量设计，可显著提高风机通风量及能效比。

73、2)本发明的变环量流型叶片设计方法，与市场上常见的同尺寸农用轴流风机相比，在设计工况(120pa)下，能够将农用轴流风机通风量提升21.62％，能效比提升8.75％。

74、3)本发明的变环量流型叶片设计方法，能够有效增强风机叶片的做功能力。