一种大流量低速风机的风叶
【技术领域】
本发明属于风机应用领域，具体涉及到一种大流量低速风机的风叶，适用于风压低于300Pa的轴流式通风机械。
【背景技术】
失效专利201020161228《一种风机的中空风叶》公开了一种风机风叶，其要点是采用中空风叶，并加强了风叶和转轴之间的连接强度。
对于风机风叶来说，除了上述技术以外，更加重要的是决定风叶气体动力学性能的形状、构造，是风机性能与能效的关键设计因素。也有企业采取逆向设计，为规避西方专利而改变其气动形状，但知其然而不知其所以然，以此所产生的改变通常使性能衰退严重，不能根据用户需要提供有效的自主设计产品。
传统上，此类大流量低速风机采用等厚度叶型的风叶，从轮毂到机匣必须通过风叶的扭转以适应相对来流方向，风机种类繁多，各种风机因使用对象的不同而呈现其独特的“个性”，无法形成标准叶型以扩大适用范围。目前，变厚度叶型的风叶已大量应用于轴流式通风机械领域，本发明就是在长期基础研究的基础上，通过反复设计优化和实践试验，形成一种适用于风压低于300Pa的标准叶型。
本公司从事风机设计制造二十余年，积累了丰富的制造经验，且与大专院校密切合作，对大流量低速风机的风叶进行了重大改进和突破。本案因此发生。
【发明内容】
为了改进风机的气体动力学性能，解决目前市场上大流量低速风机适用性差、制造复杂、成本高的缺陷，本发明的提供一种大流量低速风机的风叶。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种大流量低速风机的风叶包括：轮毂套、风叶、固定杆和固定螺栓；若干风叶通过固定结构呈幅射状均匀阵列在轮毂套上，轮毂套刚性固定在风机转轴上，风叶数量可以根据风量和风压的需要选择为2-8片，风叶为中空结构，内部设置有加强筋，风叶通过前端面板、后端面板和若干固定螺丝与固定杆刚性连接；所述的风叶固定结构为若干U形箍，使用U形箍将固定杆连接在轮毂套上；
所述风叶外形平直，各截面的叶型几何完全相同，可分为三个区域：前缘导流区、中部增压区和尾缘整流区；所述的前缘导流区约占10％弦长，能够适应不同线速度下来流的相对气流方向；所述的中部增压区是继前缘导流区之后的50％弦长，通过叶型几何外形差异产生足够的风压上升，并具有不小于15％的相对厚度，以使其内部能够安装固定杆；所述的尾缘整流区为叶型后部约40％弦长，采用小楔形角、小曲率几何外形以使静压差减小，减缓排气损失。
所述三个区域的叶型表面几何坐标由多个多项式函数生成：
首先以中弧线斜角确定适应上述气动效果的中弧线几何，根据设计的中弧线斜角产生四次多项式拟合曲线，设计公式为：
α＝30.782c4-93.764c3+141.39c2-131.79c+33.3706
其中，c为百分比弦长，α为中弧线斜角；
其次，根据中弧线斜角计算中弧线坐标，形成六次多项式曲线，设计公式为：
y＝-3.8117×10-13c6+3.6398×10-10c5-1.4459×10-7c4+3.4525×10-5c3-6.7509×10-3c2+6.7714×10-1c-3.19373
其中，c为百分比弦长，y为中弧线相对挠度；
最后，以适应前缘导流、中部增压和尾缘整流等上述气动规律的厚度分布产生叶型表面几何坐标，厚度分布设计公式为：
t＝-0.56403m6+2.1175m5-3.3814m4+3.2549m3-2.0297m2+0.58494m+0.021270
其中，m为中弧线相对长度，t为相对半厚度。
作为优化方案，所述风叶壳体两端设置有前端面板和后端面板，前端面板和后端面板的周边轮廓线和风叶壳体的周边轮廓线吻合；前端面板上有通孔，容纳固定杆穿过。
作为优化方案，所述的风叶固定结构为若干U形箍和固定杆；固定杆靠轮毂套一侧有若干环形槽，环形槽直径和U形箍适配；固定杆用螺丝固定在风叶壳体内部。
作为优化方案，所述的轮毂套上设置了若半圆形凹槽，其半径和风叶的固定杆适配；便于根据使用工艺确定安装的风叶数量。
作为优化方案，所述的轮毂套上还设置有若干通孔，便于U形箍穿过通孔把固定杆压紧在轮毂套上；轮毂套中央的转轴孔里设置了键槽，便于把轮毂套固定在风机转轴(未图示)上。
作为优化方案，所述的风叶使用铝合金或玻璃钢制作。
本发明具有如下有益效果：
1.采用一种能够适应大迎角范围的叶型，使风叶几何形状大幅度简化并拥有更先进的气动性能特性，所形成的标准风叶将有利于高效率、低功耗、低噪声、耐腐蚀、高疲劳强度，并降低制造成本。
2.轮毂套有多种规格，有不同的尺寸，有不同数量的半圆凹槽；刚性安装在轮毂套上的风叶是可换的，也有多种尺寸和多种形状；轮毂套和风叶的各种组合，使风机的多规格标准化系列化得以实施，通过直径、高差、叶片数的改变和叶型几何外形的缩放来提供多种风机流量需求，让用户根据其应用自由地选择最佳风机直径。
3.风叶和轮毂套的连接允许对风叶角度作局部调整，有利于简单便捷的调整动平衡。
4.风叶有固定的几何形状，在超强风压下不会扭曲。
【附图说明】
图1为本发明的风叶总装配示意图；
图2为风叶总装配背面示意图；
图3为风叶部件示意图；
图4为风叶结构分解图；
图5为新风叶叶型截面示意图(图中H为最大厚度,C为弦长)。
图6为现有技术的旧风叶截面图；
图7为本发明的新风叶与旧风叶叶型截面的比较图；
图8为实施例2全压特性曲线计算结果；
图9为实施例2静压升特性曲线计算结果；
图10为实施例2效率特性曲线计算结果；
图11为实施例2功率特性曲线计算结果；
图12为实施例3全压特性曲线计算结果；
图13为实施例3静压升特性曲线计算结果；
图14为实施例3效率特性曲线计算结果；
图15为实施例3功率特性曲线计算结果；
图16为实施例3不同高差时全压特性曲线；
图17为实施例3不同高差时效率特性曲线。
附图标记：
1.轮毂套；1.1半圆凹槽，1.2转轴孔。
2.风叶；2.1风叶壳体，2.1.1加强筋，2.2轮毂端面板，2.2.1固定杆通孔，2.3叶顶端面板，2.3.1前缘，2.3.2前缘导流区，2.3.3中部增压区，2.3.4吸力面，2.3.5固定杆位置，2.3.6尾缘，2.3.7压力面，2.3.8尾缘整流区。
3.固定杆，3.1环槽。
4.U形箍。
5.螺丝部件。
6.新风叶。
7.旧风叶。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进一步详细说明。
一种大流量低速风机的叶片，主要包括标准叶型风叶和风机装配两个部分。由于需要通过某一确定的叶型几何来适应不同叶高、不同流量、不同风压的风机相对流场，叶片必须适应大迎角范围，同时，为保证拉紧固定叶片的拉杆具有足够的强度，叶片的叶型几何采用了不同于过去几何形状的气动设计。其设计特点包括：由三个多项式函数曲线产生前缘导流区2.3.2、中部增压区2.3.3和尾缘整流区2.3.8。前缘导流区2.3.2不仅仅利用前缘2.3.1来适应来流的方向，而是通过约10％弦长的前缘导流区适应大范围的迎角变化，增加低损失迎角范围，扩展对来流方向的适应能力；平缓的压力面2.3.7使进入风机的气流缓慢减速，使其表面静压一致上升，而吸力面2.3.4则在前部急剧加速，使表面静压在最大厚度H区域达到最大，从而形成了压力面2.3.7和吸力面2.3.4的巨大压差，形成具有前加载特征的中部增压区，叶轮能量输入的静压势能转换主要在这个区域完成，通过叶型几何外形差异产生足够的风压上升；叶型后部约40％弦长为尾缘整流区2.3.8，该区域的作用是使压力面2.3.7静压上升趋缓，而吸力面2.3.4静压仍为此线性增加，使气流达到尾缘2.3.6时具有均衡的静压以减小叶型出口的尾迹。由于有效利用了尾缘整流区2.3.8的小楔形角、小曲率的气动结构特征，尾缘2.3.6可以采用方形或三角形等几何形状，有效降低了对尾缘制造精度的要求；由于压力面2.3.7具有相对比较低的流动速度，因此其摩擦损失对效率不起决定性作用，可以降低制造精度。
实施例1
如附图1至附图5所示，一种大流量低速风机的风叶包括：轮毂套1、风叶2；本实施例中，有4片风叶2呈幅射状均匀阵列在轮毂套1上，轮毂套1固定在风机转轴上；风叶壳体2.1是空心的，中间有加强筋2.1.1。所述风叶壳体2.1外形平直，各处截面尺寸相同；风叶壳体2.1通过前端面板、后端面板、若干螺丝部件5与固定杆刚性连接，使用U形箍4把固定杆3连接在轮毂套1上；最大厚度H区处于叶型的20-30％弦长位置，厚度大于固定杆直径的116％，以确保在叶型内部有足够的空间能够放置固定杆，并具有明确的前加载气动几何特征。
本实施例中，所述的风叶用铝合金制作。所述风叶壳体2.1两端设置有前端面板2.2和后端面板2.3，前端面板2.2和后端面板2.3的周边轮廓线和风叶壳体2.1的周边轮廓线吻合。所述的固定杆3靠轮毂套1一侧有2个环形槽3.1，环形槽3.1直径和U形箍4适配。
本实施例中，所述的轮毂套1上设置了8个半圆形凹槽1.1，其半径和风叶2的固定杆3半径适配；半圆形凹槽1.1数量超过风叶2数量，是为了便于根据使用工艺来安装2个、4个或8个风叶时，不必更换轮毂套。同理，如果均匀阵列了6个半圆形凹槽1.1，则同一个轮毂套1，既可以安装3片风叶2，也可以安装6片风叶2。
轮毂套1上还设置有若干通孔1.3，便于U形箍4穿过通孔1.3把固定杆压紧在轮毂套1上；中央的转轴孔1.2里设置了键槽，便于把轮毂套1固定在风机转轴(未图示)上。
现有技术的旧风叶参看附图6，定义为：叶型弦长231.85mm，最大厚度37.55mm，最大相对厚度16.2％。与本发明附图7新叶型比较可以明确看出，旧风叶是典型的现代飞机翼型，具有尾缘加载的增升特征，而本发明则是典型的叶轮机叶型，具有可控扩散的增压特征。二者从气动原理到结构形式均存在着明确的差异。
本发明新叶型的另一个优势是最大厚度前置，这也是现代亚声速叶型的共同特点。这一特点使风叶具有更宽广的流量适应能力。正是因为这一能力，可以采用等几何叶型沿直线积叠为风叶，形成不同半径下均能够适应迎角变化的低速叶轮，从而形成通用标准叶型，适应较大流量范围，降低制造成本。
彰显其优点、规避其缺陷，在不降低应用范围、节省制造成本的前提下，形成更具现代特征的前加载叶型，使“新叶型”具备真正意义上的自主知识产权特征。本实施例的新风叶表面轮廓线几何参看附图5，其最大厚度及其相对位置均发生变化，可以保证固定风叶的固定杆尺寸不变。除中弧线弯度外，新叶型在最大厚度前保留了原叶型的优势特征，在最大厚度后加强了叶型中弧线弯度，使有效气动载荷前置，并在尾缘整理区保持了叶型的平直和较小的楔形角，有利于吸压力面压力均衡以减小尾迹的影响范围。本发明尾缘几何不再是关键参数，降低了薄壁件的成型困难和精度要求。
实施例2
本发明实施例2的叶轮参数为：
通过数值模拟对原叶型和新叶型风叶进行了比较，图8至11分别为全压、静压、效率和功率随流量变化的特性曲线。为具有可比性，二者采用相同的进口金属角，即图中原叶型(高差82.7)与新叶型(高差91.7)具有相同的进口金属角，原叶型(高差97.4)与新叶型(高差106.3)具有相同的进口金属角。
模拟结果表明：新叶型维持了这样一种特征，总、静压较原叶型均有所提升，并且新叶型在不同高差情况下具有更强的高增压能力，这与前载荷设计一致。因此，在应用过程中新叶型更容易满足压升的要求。
不论是原叶型还是新叶型，效率都处在峰值效率的左侧，说明这类风叶具有更好的大流量特征。新叶型在低流量段效率相对偏低，在高流量区则具有更高的效率，说明新叶型更适合于高差较小的低负荷应用，负迎角特征更优，这一点与前加载叶型的一般特征一致。功率特性的平缓与一致为电机选择提供了方便，高差调试过程中电机几乎为等功率特征。
实施例3
本发明实施例3的叶轮参数为：
同样通过数值模拟对原叶型和新叶型风叶进行了比较，图12至15分别为全压、静压、效率和功率随流量变化的特性曲线。为具有可比性，二者采用相同的进口金属角，即图中原叶型(高差110mm)与新叶型(高差118.5mm)具有相同的进口金属角。模拟结果同样具有实施例2的特征，即新叶型在全流量范围内保持着更高的总、静压提升能力(图12、13)，并且大流量情况下，新叶型具有更高的效率(图14)。对设计流量50000m3/h，原叶型实现的全压为204.5Pa，而新叶型为249Pa，远高于205Pa的设计需求。对于新叶型，56000m3/h以下均满足205Pa的压升要求，说明即使在一定程度上减小风机直径，也可以达到所期望的流量和压升，这无疑使风机更加紧凑有效，有利于降低功率和节约材料成本。
改变实施例3的新叶型高差，数值模拟得到的全压和效率随流量的变化特性如本文图16和图17所示(图中，pt110为原叶型，高差110mm；m为新叶型，高差从110mm至130mm不等)。结果显示，新叶型130mm高差(m130)在小于50000m3/h的流量处产生失速，是本发明叶型在实施例3中的最大高差，高差从118mm至130mm均为可用方案，并且效率呈现上升的趋势(图17)。表明新叶型具有宽广的高差调节范围，这与叶型的发明点密切相关。
同时，通过高差的调节，可以将实施例3的12号风机改进为11号风机，并保持流量和压升不变，而效率的显著上升可进一步降低功率需求。这些优势特征均源自于本发明所需要保护的风叶气动外形。
通过加载方式的改变，全新设计了某一类低速低负荷叶轮的叶型，并以高差不同的两种运行工况，对新、旧风叶的性能特性进行了计算比较，三维数值模拟的结果表明，新风叶具有更优的应用优势。
新叶型适用于直径1000mm以上的叶轮，直径过小的叶轮可以按弦长缩小，这需要看应用需求是否值得改进，但不要轻易改变叶型轮廓线几何的完整性。
以上的具体实施方式仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的设计原理内所做的任何修改、等同替换或者修饰等，如尾缘切除、厚度变化、几何外形改变、固定杆由圆形改为片形、材质替换等均视为本发明叶型的技术衍生，皆涵盖于本发明的保护范围之中。
