一种静叶可调轴流风机的叶轮结构及其制备

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体涉及一种风机的叶轮结构及其制备方法。

背景技术

静叶可调轴流风机是通过对风机叶片角度的调整实现流量和压力调节的轴流风机。静叶可调，是指风机在运行中风机通过叶片进口角度调节，从而达到改变风压、风量的目的。风机结构比较简单，转速比动叶可调轴流风机低，结构和性能上介于动叶可调轴流风机和离心风机之间。静叶可调轴流风机借助叶片进口角度改变叶轮的进气条件，可改善风机的性能，在一定范围内的反方向调节获得负预旋也能提高风机性能。静叶可调轴流风机由于结构简单、耐磨损、效率高等优点，被广泛应用于隧道通风，而且对风机风量、风压及转速要求也越来越高，风机型号趋向大型。为了提高大型的静叶可调轴流风机的可靠性，有技术人员通过结构优化来增强支撑，例如专利CN214221624U一种静叶可调轴流风机芯筒调节支撑固定装置，在风机流道内部的芯筒上设置支撑固定。但这又造成风机的结构进一步复杂化。

已有的静叶可调轴流风机叶轮结构主体为压铸铝合金结构(参见图1和图2)，叶轮叶片和轮毂采用金属模具压力铸造，铝合金材料采用ZL104或ZL114，叶片为全三维扭曲机翼型叶片，可实现正、反双向送排风。但是铝合金结构强度低，材料延展率差。轮毂和叶片采用金属压铸模具铸造成型，模具造价高，导致风机成本上升。压铸工艺容易出现压铸缺陷比如裂纹，局部组织疏松等，叶轮高速运转或疲劳时有叶轮断裂的安全隐患，需要定期检查维护。另外，由于压铸铝合金熔点低，强度低，遇到火情在高温下容易氧化自燃，将形成一个喷火口，限制了静叶可调轴流风机的应用。

发明内容

为解决上述现有技术的问题，本发明提出了一种叶轮主体采用采用钢板模压成型的静叶可调轴流风机的叶轮结构。

本发明的又一目的是提出所述的静叶可调轴流风机的叶轮结构的制备方法。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种静叶可调轴流风机的叶轮结构，包括叶片和轮盘，所述叶片为s型扭曲机翼型叶片，叶片根部通过铆钉固定有叶柄，叶柄与轮盘固定；所述叶片由两片钢板相对焊接固定而成，两片钢板之间为中空；

所述轮盘和叶片夹持架是将压制成型的上下两片相对固定而成，轮盘中部为轴套，周边为多个围绕轴套排列的叶片夹持架，所述叶片夹持架具有锥形的头部，锥形朝向所述轴套；从锥形头部向外依次为细段、粗段和细段，所述细段、粗段和细段的三段结构与所述叶柄的结构适配。

本叶轮结构的轮盘和叶片夹持架一体成型，不用像现有结构那样还要设置轮毂，结构更为简单。

其中，所述叶片的平面形状为底边(即叶根)宽、顶边窄的近似梯形，构成所述叶片的两片钢板均向外凸起；叶片长和底边宽度的比例为(2～2.5):1。

本发明的一种优选技术方案为，所述叶片从底边至长度40～70％的部分开有5～9个铆钉孔，以铆钉孔所在直线为轴，所述叶片的横断面轴线从底边向外逐渐扭曲10～15度，底边与轮盘中心轴夹角(β)为30～40度。

其中，所述叶片、轮盘均为不锈钢或钢制镀锌材质；和/或，所述叶柄为40号或45号冷拔圆钢。例如叶片、轮盘采用1Cr18Ni9Ti不锈钢。不同于铸铝，不锈钢强度高、延展性好。铸铝结构长期运行容易疲劳产生裂纹。

优选地，构成所述叶片的两片钢板之间中空的厚度(H)从底边至顶边逐渐变小，底边处的厚度为30～38mm，顶边处的厚度为25～29mm。

更优选地，叶片由两片钢板相对制成，对接处用加强圆钢焊接；叶片的顶部和根部用钢板制作封头。

进一步地，所述叶轮结构还包括整流罩，所述整流罩为环形(俯视角度看)，位于轴套和叶片底边之间，在轮盘的上下各有一个整流罩，整流罩上开有插支撑块的孔，所述整流罩通过支撑块与所述叶片夹持架固定。

其中，叶柄的上部设置有5～9个铆钉孔，叶柄的底部为从上至下依次为第一细段、粗段和第二细段的结构。叶柄上端按照所述叶片的两片钢板之间中空的厚度铣成扁平形状，所述扁平状的长轴与轮盘中心轴夹角为6～12度。更优选地，所述长轴与轮盘中心轴夹角为8～10度。

叶柄设计成三段的结构，起到限位的作用，并可以与叶片夹持架更牢固地固定。叶片夹持架的锥形头部是加工所需。

可选地，构成所述叶片的钢板厚度为2.5～3.5mm。

其中，所述叶柄的粗段直径为65～75mm，细段的直径为40～55mm，轮盘直径和叶片外径的比例(0.35～0.45):1。

本发明所述的静叶可调轴流风机的叶轮结构的制备方法，包括操作：所述叶片、整流罩和轮盘用油压机压型，叶柄铣成型后用油压机扭曲；叶柄插入叶片中空部并用铆钉铆接，再用圆钢焊接加强封头、用钢板封堵，将焊接填平，圆滑过渡；最后用螺栓固定各部件。

本发明提出的静叶可调轴流风机的叶轮结构，叶轮主体为不锈钢或钢制镀锌结构，叶片为全三维扭曲机翼型叶片，正向和反向是一样的，可实现正、反双向送排风。整体线形圆滑、流线性好，经过测试具有效率高、噪声低两大特点。

本发明的有益效果在于：

①强度高，叶片和轮盘采用钢板模压成型结构，即提高了产品的工艺性能，又提高了产品强度和美观度。②适应性强，碳钢或不锈钢熔点高，适宜排风、排烟风机使用。③易清洁，当通风时，叶片表面光滑，不易粘结灰尘。④寿命长，风机长期运转时叶片不会发现裂纹等缺陷，减小事故安全隐患。

附图说明

图1为传统的压铸铝合金叶轮结构(去掉整流罩)的正视图。

图2为传统的压铸铝合金叶轮结构的剖面图。

图3为本发明的钢制叶轮结构(去掉整流罩)的正视图。

图4为本发明的钢制叶轮结构的剖面图。

图5为叶片正面视图；

图6为叶片横截面示意图；

图7为叶片局部放大图；

图8为叶片夹持架的正面视图，

图9为轮盘的剖视图；

图10为叶柄的正视图；

图11为叶柄的右视图；

图12为叶柄的俯视图。

图13为整流罩，

图14为整流罩的A向视图；

图15为叶轮结构立体模型图。

图中，

1为叶片，101为加强圆钢，102为叶片铆钉孔，103为叶顶封头，104为叶根封头，105为叶片与加强圆钢的焊口接头，2为轮盘，201为叶片夹持架，3为最长的内六角螺钉,4为六角螺母，5为垫片,6为较长的内六角螺钉,7为轴套，8为叶柄，801为铆钉孔，802为第一细段，803为粗段，804为第二细段，805为叶柄上端；9为整流罩，901为放置叶柄的位置，10为支撑块，11为铆钉。

具体实施方式

除非另有定义，本发明中所使用的所有科学和技术术语具有与本发明涉及技术领域的技术人员通常理解的相同的含义。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除特殊说明外，本发明所用的技术手段均为本领域已有的技术手段。

实施例1

参见图3和图4，本实施例提出一种静叶可调轴流风机的叶轮结构，包括叶片1和轮盘2，所述叶片为s型扭曲机翼型叶片，叶片根部通过铆钉11固定有叶柄8，叶柄8与轮盘2固定；所述叶片1由两片钢板相对焊接固定而成，两片钢板之间为中空；

参见图8和图9，所述轮盘2和叶片夹持架201是将压制成型的上下两片相对固定而成，固定两片的紧固件包括较长的内六角螺钉6(M18×90)和垫片5(M18×60)、通过支撑块12的螺栓以六角螺母4(M18)固定，最长的内六角螺钉3(M18×200)的螺栓长度达200mm，连整流罩9也一起固定。轮盘中部为轴套7，周边为多个围绕轴套均匀排列的叶片夹持架201，所述叶片夹持架201具有锥形的头部，锥形朝向所述轴套7；从锥形头部向外依次为细段、粗段和细段，所述细段、粗段和细段的三段结构与所述叶柄8的结构适配。

参见图5和图6，所述叶片1的平面形状为底边宽、顶边窄的近似梯形，构成所述叶片的两片钢板均向外凸起；叶片长和底边宽度的比例为(2～2.5):1。所述叶片从底边至长度40～70％的部分开有6～8个叶片铆钉孔102，以铆钉孔所在直线为轴，参见图15，所述叶片的横断面轴线从底边向外逐渐扭曲10～15度，底边与轮盘中心轴(图6中，线型为点划线的斜线示出的方向)夹角β为30～40度。

所述叶片、轮盘均为不锈钢或钢制镀锌材质。叶柄为45号冷拔圆钢。

参见图13，所述叶轮结构还包括整流罩9，所述整流罩为环形，位于轴套和叶片底边之间，在轮盘的上下各有一个整流套，整流罩上开有插支撑块的孔，开孔内插入支撑块12，所述整流罩9通过支撑块12与所述叶片夹持架固定。图14示出的整流罩上凹下去的半圆形是放置叶柄的位置901。

参见图10，图11和图12，叶柄的上部设置有7个铆钉孔801，叶柄的底部为从上至下依次为第一细段802、粗段803和第二细段802的结构。叶柄上端805按照所述叶片的两片钢板之间中空的厚度铣成扁平形状，扁平形状的长轴与轮盘中心轴夹角为9度。

叶片由两片钢板相对制成，对接处用加强圆钢焊接；叶片的顶部和根部用圆钢制作封头。

本实施例里提供对于20号风机的一组尺寸：构成所述叶片的两片钢板之间中空的厚度H从底边至顶边逐渐变小，参见图5，把叶片分成6×106的6个区域，铆钉孔102为直径Φ6；其横截面宽度记为L，各区域尺寸如下：

表1：叶片尺寸(单位mm)及扭曲角度

轮盘外径720mm，在轮盘640mm直径处设置固定轮盘的螺栓；轴套直径80mm，轴套外径140mm，即轴套的厚度为30mm；轴套高202mm。叶片夹持架靠近轴套的细段直径50mm、长20mm，粗段直径70mm、长50mm，远离轴套的细段直径50mm、长40mm。叶片夹持架锥形部分的顶端位于直径470处。本实施例的轮盘上设置有14个叶片夹持架。叶片夹持架材质为1Cr18Ni9Ti。叶片和铆钉材质均为1Cr18Ni9。

本实施例叶片长672.8mm(从叶片中轴计的长度L是636mm)，底边宽308mm，顶边宽275mm，底边的弧的高度为32.8mm，叶片上设置有7个叶片铆钉孔102。参见图7，叶片外缘有加强圆钢101，顶部和底部有叶顶封头103和叶根封头104。

本静叶可调轴流风机的叶轮结构的制备方法为：所述整流罩、叶片和轮盘用油压机压型，叶柄铣成型后用油压机扭曲；叶柄插入叶片中空部并用铆钉铆接，再用圆钢焊接加强封头、用钢板封堵，将焊接填平，圆滑过渡(参见图7示出的叶片与加强圆钢的焊口接头105)；最后用螺栓固定各部件。

叶柄加工有一个扭曲，是随着叶形扭曲也扭曲9度，叶柄铣成锥形，再压型一个扭曲的角度(前倾角)，本结构可以降低噪音。铝合金叶型模具不能压铸出这个前倾角。

性能检测：

实施例1叶轮结构是用于20#风机。同样型号铝合金结构重量为287KG，实施例1叶轮结构重206公斤。

叶片、轮盘等用1Cr18Ni9不锈钢冷轧，强度σ

本发明叶柄用碳钢-冷轧制成，叶柄的强度σ

采用超速试验进行测试，叶轮经过JB/T6445-2017通风机叶轮超速试验，用大于最大限速10％的转速运行，没有出现破损或形变，完全满足要求。

本轴流风机叶轮、叶片根部最大应力的计算参考《风机手册》(第2版第五章第三节第一小节例(5-9)，安全系数要求是n＝5,本叶轮结构计算得n＝5.7，经过测试具有效率高、噪声低两大特点：

正向转动81％，反向80％，正、反风效率相差1％，

现有技术中，静叶可调轴流风机为ZL104铸铝制成。其正向效率80％，反向效率在78％，比A噪声32.5dB(A)。

实施例1风机送检至机械工业风机产品质量监督检测中心，检测结果为：通风机效率81.09％，比A噪声31.1dB(A)。振动3.6mm/s。

实施例2

本实施例静叶可调轴流风机的叶轮结构基本同实施例1，用于更大型风机，其中叶片外径2.6米；轮盘直径940mm。

本叶轮结构重约260公斤，用于26号风机。

实施例3

本实施例静叶可调轴流风机的叶轮结构基本同实施例1，用于更大型风机，其中叶片外径2.4米；轮盘直径860mm。

本叶轮结构重约240公斤，用于24号风机。

虽然，以上通过实施例对本发明进行了说明，但本领域技术人员应了解，在不偏离本发明精神和实质的前提下，对本发明所做的改进、替换和变型，均应属于本发明的保护范围内。