本發(fā)明屬于通風(fēng)機(jī)葉輪技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低壓軸流式通風(fēng)機(jī)葉輪葉片的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

低壓軸流式通風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)、暖通、冷卻、空調(diào)和輸運(yùn)等工業(yè)設(shè)備和家用電器的主要?jiǎng)恿?，得到廣泛應(yīng)用。軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特點(diǎn)是全壓低，風(fēng)量大，葉輪效率低，原因是其葉片和管道之間有間隙，葉頂有二次流，葉根與輪轂相連，分離流也很嚴(yán)重，葉根和葉頂附近有大量的漩渦，甚至回流，造成很大的流動(dòng)損失。

在軸流通風(fēng)機(jī)中，氣流經(jīng)過葉片時(shí)的壓力損失是非常復(fù)雜的，沿葉片高度的壓力損失分布是不均勻的。在葉片平均半徑處，壓力損失比較小，而且壓力損失主要集中在葉片尾流中很窄的區(qū)域里；在靠近葉片平均半徑的葉道中間部分，壓力損失也都比較小，而且比較均勻；但在靠近輪轂和機(jī)殼附近，壓力損失的區(qū)域擴(kuò)大了，而且壓力損失的數(shù)值也有所增加。那是由于當(dāng)氣流流過葉道時(shí)，氣流與葉片間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，于是它們之間有了作用力，而且葉片凹面的壓力要大于葉片凸面的壓力。因此，在相鄰的兩個(gè)葉片之間，從一個(gè)葉片的凹面到另一個(gè)葉片的凸面之間存在橫向壓力梯度，這個(gè)橫向壓力梯度隨著升力系數(shù)的增加而增大。另一方面，氣流是以曲線運(yùn)動(dòng)形式經(jīng)過葉柵的，于是產(chǎn)生了離心力，該離心力的方向是從一個(gè)葉片的凸面指向相鄰葉片的凹面。在沿著葉片高度的中間部分，相鄰葉片之間的橫向壓力梯度與氣流的離心力所平衡，所以氣流不會(huì)產(chǎn)生橫向方向的流動(dòng)。但是在葉片根部和頂端情況則不同。例如，在葉片根部，輪轂表面附面層里的氣流壓力與附面層外面的氣流壓力是相同的，而附面層里面的氣流速度隨著向輪轂表面的接近而降低，并且趨向于零。因而在附面層里面存在著橫向壓力梯度，但是卻沒有或者很少有氣流的離心力，于是附面層的橫向梯度壓力不能被平衡，附面層內(nèi)的氣體會(huì)出現(xiàn)從一個(gè)葉片的凹面流向相鄰葉片的凸面的橫向流動(dòng)，在葉片凹面附近的附面層里的壓力有所降低，而在相鄰葉片的凸面附近，壓力卻有所增加，于是形成了漩渦。這些漩渦被主氣流所帶走，在葉片尾端的后面，這些漩渦逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軗p耗掉，這種損失在葉片根部和頂端都有。所以軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化的目標(biāo)就是要減小徑向速度，使軸向速度更加均勻，提升輪轂和輪蓋處的軸向速度，并提升葉片的做功能力等，從而使風(fēng)機(jī)效率和全壓得到提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低壓軸流式通風(fēng)機(jī)葉輪葉片的優(yōu)化方法。

本發(fā)明的步驟具體如下：

步驟一、建立待優(yōu)化的葉輪模型。葉輪的輪轂側(cè)壁與葉片外端的間距為n×s。在該模型的一枚葉片上取垂直葉輪徑向的n個(gè)截面及該n個(gè)截面對(duì)應(yīng)的型線，相鄰兩個(gè)截面間距均為s，最內(nèi)側(cè)的截面與輪轂側(cè)壁相切，3≤n≤20。分別測(cè)出n個(gè)截面的弦長bi，i＝1,2,3,…,n，及出口幾何角β2a(i)，i＝1,2,3,…,n。去除模型中所有的倒角及圓角，得到簡(jiǎn)化模型。用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬計(jì)算，得到待優(yōu)化葉輪模型的全壓及n個(gè)截面進(jìn)口處的三個(gè)速度分量；根據(jù)三個(gè)速度分量畫出速度三角形，從而得到n個(gè)截面的進(jìn)口氣流角β1(i)，i＝1,2,3,…,n。將該模型的全壓值賦值給z1。

步驟二、將1賦值給i。

步驟三、繪制草圖，草圖包括第一線段、第二線段、第三線段、第四線段、第五線段、第六線段、第一圓弧、第二圓弧、第七線段和第八線段。第一線段與第二線段互為平行線，第三線段的兩端端點(diǎn)分別在第一線段和第二線段上，第三線段的長度為bi。第四線段與第六線段分別設(shè)置在第五線段的兩側(cè)，第四線段、第六線段的一端端點(diǎn)與第三線段的兩端端點(diǎn)分別重合。第四線段的另一端端點(diǎn)在第五線段上。第六線段的另一端端點(diǎn)與第五線段的一端端點(diǎn)重合，且第六線段與第五線段等長。第五線段與第三線段相交。第一圓弧的圓心為第四線段與第五線段的交點(diǎn)，兩端點(diǎn)分別為第四線段與第五線段的不重合端點(diǎn)。第二圓弧的圓心為第五線段與第六線段的交點(diǎn)，兩端點(diǎn)分別為第五線段與第六線段的不重合端點(diǎn)。第一圓弧在第二圓弧的順時(shí)針方向上。第七線段與第一圓弧在第四線段端點(diǎn)上的切線重合，第七線段與第一線段的夾角為β1(i)，第八線段與第二圓弧在第六線段端點(diǎn)上的切線重合，第八線段與第二線段的夾角為β2a(i)。第七線段與第八線段的夾角為θc，求得θc＝β2a(i)-β1(i)。第四線段與第五線段的夾角為α1，取α1＝0.6θc；第六線段與第五線段的夾角為α2，取α2＝0.4θc。第三線段與第七線段的夾角為α1，第三線段與第八線段的夾角為α2。

步驟四、第一圓弧和第二圓弧組成新型線。對(duì)新型線疊加厚度值a，1mm≤a≤6mm，得到圓弧形截面；或在翼型數(shù)據(jù)庫選取一種翼型，得到翼型截面的厚度分布，翼型截面的厚度分布結(jié)合新型線得到翼型截面。將所得的圓弧形截面或翼型截面記錄為第i個(gè)截面。

步驟五、i增大1，若i≤n，重復(fù)步驟三和四，重復(fù)過程中步驟三所得截面均為圓弧形截面或均為翼型截面。否則，進(jìn)入下一步驟。

步驟六、將所得的n個(gè)截面每相鄰兩個(gè)截面間距s平行設(shè)置，并放入兩個(gè)同軸且半徑差為n×s的圓柱面之間。n個(gè)截面的幾何中心均在一條垂直于n個(gè)截面的直線上，且該直線垂直相交于兩圓柱面的軸線。n個(gè)截面根據(jù)弦長大小依次排布，且弦長最長的截面位于最內(nèi)側(cè)。弦長最長的截面與直徑較小圓柱面相切。n個(gè)截面的第一線段相互平行，并與兩圓柱面的軸線垂直。n個(gè)截面的第一線段位于同一側(cè)。根據(jù)n個(gè)截面得到葉片雛形。延伸葉片雛形的兩端，使得葉片雛形的外端完全穿過直徑較大圓柱面，葉片雛形的內(nèi)端完全穿過直徑較小圓柱面。兩圓柱面之間的葉片雛形即為優(yōu)化后葉片。以兩圓柱面軸線為陣列中心，沿圓周均布陣列出m枚葉片，4≤m≤10。為m枚葉片繪制輪轂，得到優(yōu)化后的葉輪模型。

步驟七、在步驟六所建模型的一枚葉片上取垂直葉輪徑向的n個(gè)截面及該n個(gè)截面對(duì)應(yīng)的型線，相鄰截面間距均為s，最內(nèi)側(cè)的截面與輪轂側(cè)壁相切。分別測(cè)出n個(gè)截面的弦長bi，i＝1,2,3,…,n，及出口幾何角β2a(i)，i＝1,2,3,…,n。去除步驟六所建模型中所有的倒角及圓角，得到新簡(jiǎn)化模型。用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)新簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到步驟六所建模型的全壓及n個(gè)截面進(jìn)口處的三個(gè)速度分量；根據(jù)三個(gè)速度分量畫出速度三角形，從而得到n個(gè)截面的進(jìn)口氣流角β1(i)，i＝1,2,3,…,n。將該模型的全壓值賦值給z2。

步驟八、若z2減去z1所得值大于k，3pa≤k≤8pa，將z2的值賦值給z1，并重復(fù)步驟二、三、四、五、六和七。否則，優(yōu)化結(jié)束。

步驟一中所述待優(yōu)化的葉輪為紹興上虞九陽風(fēng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的sdf-11.2隧道式軸流風(fēng)機(jī)的葉輪。

步驟六中得到葉片雛形的方法如下：將n個(gè)截面的輪廓線在solidworks中進(jìn)行“放樣曲面”操作，平滑過渡生成葉片雛形。

步驟六中延伸葉片雛形兩端的方法如下：將葉片雛形在solidworks中進(jìn)行“曲面延伸”操作。

步驟三中選取的翼型為naca0012。

步驟八中k的值為5pa。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1、本發(fā)明結(jié)合流體機(jī)械、三維建模和cfd，通過葉片截面的弦長、進(jìn)口氣流角和出口幾何角，就能夠?qū)Φ蛪狠S流式通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行優(yōu)化，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

2、本發(fā)明具有重復(fù)的優(yōu)化步驟單元，重復(fù)執(zhí)行優(yōu)化步驟單元，即可完成對(duì)低壓軸流式通風(fēng)機(jī)性能的多次優(yōu)化。

3、本發(fā)明第一次執(zhí)行優(yōu)化步驟單元，低壓軸流式通風(fēng)機(jī)的全壓大幅提升，但效率略有下降；執(zhí)行后續(xù)優(yōu)化步驟單元，低壓軸流式通風(fēng)機(jī)的效率基本保持不變，全壓會(huì)持續(xù)提升。

附圖說明

圖1為待優(yōu)化葉輪模型的立體圖；

圖2為本發(fā)明中繪制葉片截面型線的草圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

低壓軸流式通風(fēng)機(jī)葉輪葉片的優(yōu)化方法的具體步驟如下：

步驟一、建立待優(yōu)化的葉輪模型如圖1所示，待優(yōu)化的葉輪為紹興上虞九陽風(fēng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的sdf-11.2隧道式軸流風(fēng)機(jī)的葉輪，葉輪的輪轂側(cè)壁與葉片外端的間距為8s。在該模型的一枚葉片上取垂直葉輪徑向的八個(gè)截面及該八個(gè)截面對(duì)應(yīng)的型線，相鄰截面間距均為s，最內(nèi)側(cè)的截面與輪轂側(cè)壁相切。分別測(cè)出八個(gè)截面的弦長bi，i＝1,2,3,…,8，及出口幾何角β2a(i)，i＝1,2,3,…,8。去除模型中所有的倒角及圓角，得到簡(jiǎn)化模型。用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬計(jì)算，得到待優(yōu)化葉輪模型的全壓及八個(gè)截面進(jìn)口處的三個(gè)速度分量；根據(jù)三個(gè)速度分量畫出速度三角形，從而得到八個(gè)截面的進(jìn)口氣流角β1(i)，i＝1,2,3,…,8。將待優(yōu)化葉輪模型的全壓值賦值給z1。

步驟二、將1賦值給i。

步驟三、如圖2所示，繪制草圖，草圖包括第一線段1、第二線段2、第三線段3、第四線段4、第五線段5、第六線段6、第一圓弧7-1、第二圓弧7-2、第七線段8和第八線段9。第一線段1與第二線段2互為平行線，第三線段3的兩端端點(diǎn)分別在第一線段1和第二線段2上，第三線段3的長度為bi。第四線段4與第六線段6分別設(shè)置在第五線段5的兩側(cè)，第四線段4、第六線段6的一端端點(diǎn)與第三線段3的兩端端點(diǎn)分別重合。第四線段4的另一端端點(diǎn)在第五線段5上。第六線段6的另一端端點(diǎn)與第五線段5的一端端點(diǎn)重合，且第六線段6與第五線段5等長。第五線段5與第三線段3相交。第一圓弧7-1的圓心為第四線段4與第五線段5的交點(diǎn)，兩端點(diǎn)分別為第四線段4與第五線段5的不重合端點(diǎn)。第二圓弧7-2的圓心為第五線段5與第六線段6的交點(diǎn)，兩端點(diǎn)分別為第五線段5與第六線段6的不重合端點(diǎn)。第一圓弧7-1在第二圓弧7-2的順時(shí)針方向上。第七線段8與第一圓弧7-1在第四線段4端點(diǎn)上的切線重合，第七線段8與第一線段1的夾角為β1(i)，第八線段9與第二圓弧7-2在第六線段6端點(diǎn)上的切線重合，第八線段9與第二線段2的夾角為β2a(i)。第七線段8與第八線段9的夾角為θc，求得θc＝β2a(i)-β1(i)。第四線段4與第五線段5的夾角為α1，取α1＝0.6θc；第六線段6與第五線段5的夾角為α2，取α2＝0.4θc。第三線段3與第七線段8的夾角為α1，第三線段3與第八線段9的夾角為α2。

步驟四、第一圓弧7-1和第二圓弧7-2組成新型線。對(duì)新型線疊加厚度值a，a的值取4mm，得到圓弧形截面；或在翼型數(shù)據(jù)庫選取一種翼型，選取的翼型為naca0012，得到翼型截面的厚度分布，翼型截面的厚度分布結(jié)合新型線得到翼型截面，將所得的圓弧形截面或翼型截面記錄為第i個(gè)截面。

步驟五、i增大1，若i≤8，重復(fù)步驟三和四，重復(fù)過程中步驟三所得截面均為圓弧形截面或均為翼型截面。否則，進(jìn)入下一步驟。

步驟六、將所得的八個(gè)截面每相鄰兩個(gè)截面間距s平行設(shè)置，并放入兩個(gè)同軸且半徑差為8s的圓柱面之間。八個(gè)截面的幾何中心均在一條垂直于八個(gè)截面的直線上，且該直線垂直相交于兩圓柱面的軸線。八個(gè)截面根據(jù)弦長大小依次排布，且弦長最長的截面位于最內(nèi)側(cè)。弦長最長的截面與直徑較小的圓柱面相切。八個(gè)截面的第一線段1相互平行，并與兩圓柱面的軸線垂直。八個(gè)截面的第一線段1均位于同一側(cè)。將八個(gè)截面的輪廓線在solidworks中進(jìn)行“放樣曲面”操作，平滑過渡生成葉片雛形。將葉片雛形在solidworks中進(jìn)行“曲面延伸”操作，使得葉片雛形的外端完全穿過直徑較大圓柱面，葉片雛形的內(nèi)端完全穿過直徑較小圓柱面。兩圓柱面之間的葉片雛形即為優(yōu)化后葉片。以兩圓柱面軸線為陣列中心，60°為陣列角度，圓周陣列出六枚葉片。為六枚葉片繪制輪轂，得到優(yōu)化后的葉輪模型。葉片截面型線的第一圓弧靠近葉輪模型的進(jìn)口，第二圓弧靠近葉輪模型的出口。

步驟七、在步驟六所建模型的一枚葉片上取垂直葉輪徑向的八個(gè)截面及該八個(gè)截面對(duì)應(yīng)的型線，相鄰兩個(gè)截面間距均為s，最內(nèi)側(cè)的截面與輪轂側(cè)壁相切。分別測(cè)出八個(gè)截面的弦長bi，i＝1,2,3,…,8，及出口幾何角β2a(i)，i＝1,2,3,…,8。去除步驟六所建模型中所有的倒角及圓角，得到新簡(jiǎn)化模型。用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)新簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到步驟六所建模型的全壓及八個(gè)截面進(jìn)口處的三個(gè)速度分量；根據(jù)三個(gè)速度分量畫出速度三角形，從而得到八個(gè)截面的進(jìn)口氣流角β1(i)，i＝1,2,3,…,8。將步驟六所建模型的全壓值賦值給z2。

步驟八、若z2減去z1所得值大于5pa，將z2的值賦值給z1，并重復(fù)執(zhí)行步驟二、三、四、五、六和七。否則，優(yōu)化結(jié)束。