带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法及叶轮

技术领域

本发明涉及风机技术领域，特别是一种带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法及叶轮。

背景技术

随着人民生活水平和健康意识的大幅提升，以及对室内空气污染问题的日渐重视，空气净化器、新风系统等设备的销量近年来不断攀升，多翼离心风机在这些设备中如何高效、稳定、安静地运行是相关产品设计和工程优化中的关键问题。

现有多翼离心风机的叶片的吸力面大多为光滑弧面，在运作中，风叶的吸力面容易出现湍流结构，形成湍流大涡，从而诱发湍流，增大摩擦阻力，不利于多翼离心风机高效、稳定地运行。此外，现有的风机叶片锯齿尾缘采用直接切除的方式，这样导致叶片尾缘处的出口角发生变化，不利于风机安静运行。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法及叶轮，以提高风机在高效、稳定、安静三大方面的性能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明第一方面公开了带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法，用于设计带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶，尾缘锯齿型风叶包括叶片本体，所述叶片本体在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，以在所述叶片本体的尾缘形成锯齿，并在所述叶片本体的吸力面形成凸脊，所述凸脊沿所述叶片本体的弧长方向延伸设置，所述凸脊与所述锯齿的波峰对应设置；所述方法包括如下步骤：

根据输入的翼型设计参数确定单位中弧线；

根据输入的厚度分布设计参数确定厚度分布，并对所述单位中弧线叠加相应厚度分布，得到单位叶型；

根据输入的叶轮设计参数确定基准弦长和叶型安装位置，并根据所述基准弦长与单位中弧线的比例对应缩放单位叶型，得到二维基准叶型；

根据输入的锯齿设计参数确定在叶轮轴向方向周期变化的弦长分布系数；根据所述弦长分布系数确定轴向方向各个所述二维基准叶型的缩放系数，并根据对应的缩放系数对各个所述二维基准叶型进行缩放，得到三维叶型。

作为一种可选的实施例，本发明第二方面中，所述根据输入的翼型设计参数确定单位中弧线包括如下步骤：

定义第一指数中弧线方程和第二指数中弧线方程：

（1）；

(2)；/>

公式（1）和公式（2）中，

第一指数中弧线和第二指数中弧线构成的单位中弧线的弦长通过公式（3）计算得出：

（3）；

公式（3）中的

单位中弧线的安装角通过公式（4）计算得出：

（4）；

公式（4）中的

根据输入的翼型设计参数求解第一指数中弧线方程和第二指数中弧线方程中的

其中，

此外，所述翼型设计参数还包括用于控制叶片前缘区域的弯度的叶型前缘控制系数

根据上述第一指数中弧线方程满足的条件，得到如下关系式：

（5）；

根据上述第二指数中弧线方程满足的条件，得到如下关系式：

（6）；

采用牛顿迭代法求出

作为一种可选的实施例，本发明第二方面中，所述厚度分布设计参数包括前缘点相对厚度、尾缘点相对厚度以及阻尼因子；

根据输入的厚度分布设计参数确定厚度分布包括如下步骤：

根据公式（7）确定厚度分布函数；

（7）；

公式（7）中

使单位中弧线任意横坐标的相对厚度分布满足：

（8）；

其中，

作为一种可选的实施例，本发明第二方面中，所述对所述单位中弧线叠加相应厚度分布包括如下步骤：

过弦线上一点

吸力面坐标

（9）；

以及压力面坐标

（10）；

对叶型前缘和叶型尾缘进行圆形倒角，根据公式（11）得到叶型前缘直径；

（11）；

公式（11）中，

根据公式（12）得到叶型尾缘直径；

（12）；

公式（12）中，

作为一种可选的实施例，本发明第二方面中，所述叶轮设计参数包括叶轮内径、叶轮外径和叶轮轴向宽度；

所述确定基准弦长包括如下步骤：

根据公式（13）计算出基准弦长；

（13）；

公式（13）中，

所述确定叶型安装位置包括如下步骤：

定义一个半径为

（14）；

公式（14）中，

作为一种可选的实施例，本发明第二方面中，所述锯齿设计参数包括锯齿个数和锯深；

根据公式（15）确定轴向方向

（15）；

公式（15）中，

根据公式（16）确定各个所述二维基准叶型的缩放系数；

（16）；

公式（16）中，

根据公式（17）确定锯齿距；

（17）；

公式（17）中，

本发明第二方面公开了一种叶轮，包括边框、轮毂以及多个本发明第一方面公开的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法设计出的风叶；所述轮毂与所述边框同轴设置；多个叶片本体沿所述轮毂的轴线周向分布设置，并与所述轮毂和所述边框连接。

本发明第三方面公开了一种风叶设计装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机可读请求，所述计算机可读请求被所述处理器执行时实现本发明第一方面所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法。

本发明第四方面公开了一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面所述的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

在发明提供的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法设计出的尾缘锯齿型风叶，叶片本体在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，使叶片本体的吸力面形成凸脊结构，实现通过表面结构的改变来破坏流场中的湍流涡结构，干扰湍流大涡的形成，抑制湍流猝发，以达到减少能量耗散，减小摩擦阻力的目的，有效地减少多翼离心风机流动损失，利于多翼离心风机高效、稳定地运行。

此外，本发明基于仿生原理，叶片本体的尾缘模拟猫头鹰翅膀尾缘的锯齿形羽毛。相对于现有的风机叶片锯齿尾缘采用直接切除的方式，本发明通过叶片本体在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，使叶片本体的尾缘形成锯齿，确保叶片本体在叶轮轴向方向各截面叶型的出口角均一致，改善叶片尾缘气流流动形态，利于降低多翼离心风机运作的噪音。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的叶片的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的叶轮的结构示意图；

图3是本发明的一个实施例的单位中弧线的示意图；

图4是本发明的一个实施例的单位叶型的示意图；

图5是本发明的一个实施例的叶型在不同阻尼系数下厚度分布趋势；

图6是本发明的一个实施例的叶片在叶轮的分布示意图；

图7是本发明的一个实施例的二维基准叶型在叶轮轴向方向缩放后的示意图；

附图中：100-叶片本体、110-凸脊、120-锯齿、200-边框、300-轮毂、400-前缘、500-尾缘、600-中弧线、700-吸力面、800-压力面。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，本发明公开了一种带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶，包括叶片本体100，所述叶片本体100在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，以在所述叶片本体100的尾缘形成锯齿120，并在所述叶片本体100的吸力面形成凸脊110，所述凸脊110沿所述叶片本体100的弧长方向延伸设置，所述凸脊110与所述锯齿120的波峰对应设置。

在发明提供的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶中，叶片本体100在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，使叶片本体100的吸力面形成凸脊110结构，实现通过表面结构的改变来破坏流场中的湍流涡结构，干扰湍流大涡的形成，抑制湍流猝发，以达到减少能量耗散，减小摩擦阻力的目的，有效地减少多翼离心风机流动损失，利于多翼离心风机高效、稳定地运行。

此外，本发明基于仿生原理，叶片本体100的尾缘模拟猫头鹰翅膀尾缘的锯齿形羽毛。相对于现有的风机叶片锯齿尾缘采用直接切除的方式，本发明通过叶片本体100在叶轮轴向方向的各截面弦长周期性变化，使叶片本体100的尾缘形成锯齿120，确保叶片本体100在叶轮轴向方向各截面叶型的出口角均一致，改善叶片尾缘气流流动形态，利于降低多翼离心风机运作的噪音。

参照图3-7，本发明还公开了带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法，用于设计上述带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶，所述方法包括如下步骤：

根据输入的翼型设计参数确定单位中弧线。其中，所述翼型设计参数包括两段指数中弧线连接点的横坐标、前缘的几何进口角、尾缘的几何出口角以及两段指数中弧线连接点处的切向角。

根据输入的厚度分布设计参数确定厚度分布，并对所述单位中弧线叠加相应厚度分布，形成吸力面和压力面，得到单位叶型。所述厚度分布设计参数包括前缘点相对厚度、尾缘点相对厚度以及阻尼因子。

根据输入的叶轮设计参数确定基准弦长和叶型安装位置，并根据所述基准弦长与单位中弧线的比例对应缩放单位叶型，得到二维基准叶型。所述叶轮设计参数包括叶轮的内径尺寸、外径尺寸以及轴向宽度。

根据输入的锯齿设计参数确定在叶轮轴向方向周期变化的弦长分布系数。根据所述弦长分布系数确定轴向方向各个所述二维基准叶型的缩放系数，并根据对应的缩放系数对各个所述二维基准叶型进行缩放，得到三维叶型。其中，所述锯齿设计参数包括锯齿个数以及锯深。

在本发明提供带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法中，通过控制叶片本体100在叶轮轴向方向截面弦长周期性变化，在叶片本体100的吸力面设置凸脊110结构，实现通过表面结构的改变来破坏流场中的湍流涡结构，干扰湍流大涡的形成，抑制湍流猝发，以达到减少能量耗散，减小摩擦阻力的目的，有效地减少多翼离心风机流动损失，利于多翼离心风机高效、稳定地运行。

此外，本发明基于仿生原理，叶片本体100的尾缘模拟猫头鹰翅膀尾缘的锯齿形羽毛。相对于现有的风机叶片锯齿尾缘采用直接切除的方式，本发明通过控制轴向弦长的方式在叶片本体100的尾缘形成锯齿120，确保叶片本体100在叶轮轴向方向各截面叶型的出口角均一致，改善叶片尾缘气流流动形态，利于降低多翼离心风机运作的噪音。

此外，本发明提供的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法中，通过输入设计参数，便能得出相应的叶轮设计方案，实现叶轮设计过程在计算机上辅助设计，减少了人工误差并提高了设计效率，便捷地做到参数可调。

具体地，所述根据输入的翼型设计参数确定单位中弧线包括如下步骤：

定义第一指数中弧线方程和第二指数中弧线方程：

（1）。

（2）。

公式（1）和公式（2）中，

限定第一指数中弧线的起始点与坐标系圆点重合，则有

第一指数中弧线和第二指数中弧线构成的单位中弧线的弦长通过公式（3）计算得出：

（3）。

公式（3）中的

单位中弧线的安装角通过公式（4）计算得出：

（4）。

公式（4）中的

据输入的翼型设计参数求解第一指数中弧线方程和第二指数中弧线方程中的

其中，

此外，所述翼型设计参数还包括用于控制叶片前缘区域的弯度的叶型前缘控制系数

根据上述第一指数中弧线方程满足的条件，可得到如下关系式：

（5）。

根据上述第二指数中弧线方程满足的条件，可得到如下关系式：

（6）。

采用牛顿迭代法求出

本发明通过两段指数函数曲线确定出单位中弧线，后续按设计弦长对单位中弧线进行缩放即可。

具体地，所述厚度分布设计参数包括前缘点相对厚度、尾缘点相对厚度以及阻尼因子。

根据输入的厚度分布设计参数确定厚度分布包括如下步骤：

根据公式（7）确定厚度分布函数。

（7）。

公式（7）中

使单位中弧线任意横坐标的相对厚度分布满足：

（8）。/>

其中，

具体地，所述对所述单位中弧线叠加相应厚度分布包括如下步骤：

过弦线上一点

吸力面坐标

（9）。

以及压力面坐标

（10）。

对叶型前缘和叶型尾缘进行圆形倒角，根据公式（11）得到叶型前缘直径。

（11）。

公式（11）中，

根据公式（12）得到叶型尾缘直径。

（12）。

公式（12）中，

具体地，所述叶轮设计参数包括叶轮轴向宽度、叶轮内径和叶轮外径。

所述确定基准弦长包括如下步骤：

根据公式（13）计算出基准弦长。

（13）。

公式（13）中，

所述确定叶型安装位置包括如下步骤：

定义一个半径为

（14）。

公式（14）中，

具体地，所述锯齿设计参数包括锯齿个数和锯深。

根据公式（15）确定轴向方向

（15）。

公式（15）中，

根据公式（16）确定各个所述二维基准叶型的缩放系数。

（16）。

公式（16）中，

本发明为了保证叶片锯齿的完整性，通过输入锯齿个数，来确定锯距。具体地，根据公式（17）确定锯距。

（17）。

公式（17）中，

本发明还了公开一种叶轮，包括边框200、轮毂300以及多个本发明上述公开的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法设计出的风叶。所述轮毂300与所述边框200同轴设置。多个叶片本体100沿所述轮毂300的轴线周向分布设置，并与所述轮毂300和所述边框200连接。

一些可选的实施例中，如图2所示，两个边框200对应与叶片本体100的两端连接，轮毂300设置在两个边框200之间与叶片本体100的中部连接。当然，在另一些可选的实施例中，边框200的数量可以只有一个，叶片本体100的一端与边框200连接，叶片本体100的另一端与轮毂300连接。

本发明还公开了一种风叶设计装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机可读请求，所述计算机可读请求被所述处理器执行时实现本发明上述公开的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法。

本发明还公开了一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明上述公开的带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶的设计方法。

通过以上的实施例的具体描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存储器（Random Access Memory，RAM）、可编程只读存储器（Programmable Read-only Memory，PROM）、可擦除可编程只读存储器（ErasableProgrammable Read Only Memory，EPROM）、一次可编程只读存储器（One-timeProgrammable Read-Only Memory，OTPROM）、电子抹除式可复写只读存储器（Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）、只读光盘（CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM）或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。

以下给出具体实施例：

实施例1

本实例中的叶轮内径为133.8mm，叶轮外径为165.1mm，叶轮轴向宽度为208.0mm，叶片数为60。两段指数中弧线连接点的横坐标

实施例2

本实例中的叶轮内径为133.8mm，叶轮外径为165.1mm，叶轮轴向宽度为208.0mm，叶片数为60。两段指数中弧线连接点的横坐标

实施例3

本实例中的叶轮内径为133.8mm，叶轮外径为165.1mm，叶轮轴向宽度为208.0mm，叶片数为60。两段指数中弧线连接点的横坐标

对比例

与实施例1相比，不采用锯齿尾缘与脊状表面结构，即叶片弦长沿轴向不变。

对实施例1、实施例2、实施例3和对比例用现有的测试方法进行风量、功率和噪声的测试，测试结果如下表1所示：

表1实施例和对比例性能测试结果

从表1可以看出，通过脊状表面的锯齿尾缘设计得到的多翼离心风轮，在相同的设计转速下，实施例1测得的噪声比对比例的噪音小。在相同的设计转速下，风量比对比例大的实施例2和实施例3测出的噪声也比对比例的噪音小，显然带脊状表面结构的尾缘锯齿型风叶可有效降低风机的噪音。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。