本發(fā)明屬于風機葉輪組成部件技術領域，更具體地，涉及一種軸流掠形葉片，該葉片尤其適用于作為軸流風機的葉片。

背景技術：

目前，軸流風機廣泛應用于冶金、石化、電力、交通、紡織、船舶、消防等領域，大多數采用原始設計方法，存在效率低下、噪聲較高等缺點。在其運行過程中耗能大，影響周圍環(huán)境，對能源浪費較大，不利于可持續(xù)發(fā)展。

掠形技術在20世紀40年代成功用于飛機機翼的設計，其后掠形葉片在航空發(fā)動機以及高壓比的軸流壓氣機上廣泛使用。研究表明掠形葉片能有效降低葉輪機械的噪聲，提高其性能。將這一技術應用與工業(yè)風機，能有效改善現(xiàn)有葉片的缺點，具有非常大的應用價值。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明的目的在于提供一種軸流掠形葉片，其中通過對其關鍵的形狀參數(尤其掠角隨葉片高度的具體變化形式等)進行改進，與現(xiàn)有技術相比能夠有效解決軸流風機效率低、噪聲大的問題，并且該軸流掠形葉片采用葉根后掠、葉尖前掠的混合掠形方式，使得葉片尾緣渦流的脫落方向與氣流方向不一致，從而提高了軸流風機的氣動性能，減小了氣動噪聲。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明提供了一種軸流掠形葉片，其特征在于，該軸流掠形葉片用于傳輸氣流，該軸流掠形葉片的表面包括吸力曲面、壓力曲面、上曲面和下曲面，其中，

所述上曲面和所述下曲面分別被兩個圓柱體的側面所覆蓋，這兩個圓柱體的中心對稱軸線相互重合，記所述上曲面對應的所述圓柱體的半徑為R2，所述下曲面對應的所述圓柱體的半徑為R1，則R2>R1；建立空間直角坐標系，則這兩個圓柱體的中心對稱軸線為該空間直角坐標系的Z軸；

所述吸力曲面和所述壓力曲面均與所述下曲面相交，其中，所述吸力曲面與所述下曲面相交形成的曲線相對于該軸流掠形葉片為外凸曲線，所述壓力曲面與所述下曲面相交形成的曲線相對于該軸流掠形葉片為內凹曲線；所述Z軸的正方向由所述吸力曲面指向所述壓力曲面；

所述吸力曲面還與所述壓力曲面相交，在所述吸力曲面與所述壓力曲面相交形成的兩條曲線中，記先與所述氣流接觸的相交曲線為前緣線，另外一條相交曲線則為后緣線；

將所述下曲面沿平面展開得到下曲面鋪展截面；記該下曲面鋪展截面上，因所述下曲面與所述吸力曲面相交形成的對應曲線為下曲面第一曲線，因所述下曲面與所述壓力曲面相交形成的對應曲線為下曲面第二曲線，因所述下曲面與所述前緣線相交形成的對應點為下曲面前緣點，因所述下曲面與所述后緣線相交形成的對應點為下曲面后緣點；則根據所述下曲面第一曲線與所述下曲面第二曲線得到下曲面中弧線，所述下曲面前緣點與所述下曲面后緣點為該下曲面中弧線的兩個端點；記位于該下曲面中弧線上、且與所述下曲面前緣點之間的所述下曲面中弧線長度占整個所述下曲面中弧線長度為一定比例的點為下曲面積疊點，并且，記位于所述下曲面上、且與該下曲面積疊點對應的點為下曲面空間積疊點；記經過該下曲面空間積疊點、且與所述Z軸垂直的平面為所述空間直角坐標系的XOY平面，該XOY平面與所述Z軸的交點為所述空間直角坐標系的原點O；所述原點O與該下曲面空間積疊點所在的直線為所述空間直角坐標系的Y軸，該Y軸的正方向由所述原點O指向該下曲面空間積疊點；

以半徑從R1變?yōu)镽2的一系列同軸圓柱體的側面與該軸流掠形葉片相交形成一系列相交面，再將所述一系列相交面均沿平面展開得到一系列鋪展截面，所述一系列同軸圓柱體的中心對稱軸線均為Z軸；對于任意一個所述鋪展截面，記與該鋪展截面對應的同軸圓柱體的半徑為r，R1≤r≤R2，并且，記該鋪展截面上，因所述同軸圓柱體與所述吸力曲面相交形成的對應曲線為第一曲線，因所述同軸圓柱體與所述壓力曲面相交形成的對應曲線為第二曲線，因所述同軸圓柱體與所述前緣線相交形成的對應點為前緣點，因所述同軸圓柱體與所述后緣線相交形成的對應點為后緣點，此外，根據所述第一曲線與所述第二曲線得到中弧線，所述前緣點與所述后緣點為該中弧線的兩個端點，并且，記位于該中弧線上、且與所述前緣點之間的所述中弧線長度占整個所述中弧線長度為所述一定比例的點為積疊點，并且，記位于所述相交面上、且與該積疊點對應的點為空間積疊點；

隨著((r-R1)/(R2-R1))比值的變化，根據一系列所述空間積疊點即得到空間積疊線；將該空間積疊線向所述空間直角坐標系的YOZ平面上進行投影即得到該空間積疊線在子午面上的投影線；對于位于該投影線上的任意一個投影點，該投影點對應一個所述空間積疊點、以及一個所述相交面，記該投影點位置處的所述投影線的切線正方向與所述空間直角坐標系的Z軸正方向兩者的夾角為投影掠角，所述切線正方向與所述空間直角坐標系的Y軸正方向兩者的夾角不超過90°；

則所述投影線為三次樣條曲線。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，當r＝R1時，對應的所述投影掠角的角度小于90°；當r＝R2時，對應的所述投影掠角的角度大于90°。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，當r＝R1時，對應的所述投影掠角的角度為75.95°～85.95°；

當((r-R1)/(R2-R1))＝1/5時，對應的所述投影掠角的角度為80.73°～90.73°；

當((r-R1)/(R2-R1))＝2/5時，對應的所述投影掠角的角度為85.57°～95.57°；

當((r-R1)/(R2-R1))＝3/5時，對應的所述投影掠角的角度為90.40°～100.40°；

當((r-R1)/(R2-R1))＝4/5時，對應的所述投影掠角的角度為95.15°～105.15°；

當r＝R2時，對應的所述投影掠角的角度為99.77°～109.77°。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述一定比例為40％～60％或100％；優(yōu)選的，該一定比例為45％。

本發(fā)明所構思的以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比，通過控制掠角(即對應投影掠角)隨葉片高度的變化，能夠在隨葉片高度變化的空間積疊點上疊加翼型構成掠形葉片，并優(yōu)選采用根部后掠、尖部前掠(即，葉片根部即下曲面對應的投影掠角角度小于90°，并且葉片尖部即上曲面對應的投影掠角角度大于90°)的混合掠形結構，使葉片尾緣渦流的脫落方向與氣流方向不一致，從而提高了軸流風機的氣動性能，減小了氣動噪聲。

本發(fā)明中的軸流掠形葉片，對應不同葉片高度比位置處的葉片空間積疊點上的掠角(即對應投影掠角)按照由6個控制點形成的三次樣條曲線變化(這6個控制點分別對應6個不同的葉片高度比，即，6個同軸圓柱體)，通過合理的配置葉片的掠(不考慮葉片的彎度，所謂彎度即對應葉片在XOY平面上的投影情況)在葉片高度上的變化形式，得到一款在較大流量范圍內都具有高效率的葉片。放大或縮小此葉片，并將其應用到單葉輪形式軸流風機中，均具有良好的使用效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明軸流掠形葉片的三視圖；

圖2是本發(fā)明軸流掠形葉片的三維立體示意圖；

圖3是本發(fā)明軸流掠形葉片的積疊線子午掠角(即，投影掠角)示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例2中的軸流掠形葉片應用在軸流風機所得到的實驗特性曲線。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明中的軸流掠形葉片用于傳輸氣流，該軸流掠形葉片的表面包括吸力曲面、壓力曲面、上曲面和下曲面，其中，

所述上曲面和所述下曲面分別被兩個圓柱體的側面所覆蓋(即，上曲面和下曲面分別屬于這兩個圓柱體的側面的一部分)，這兩個圓柱體的中心對稱軸線相互重合，記所述上曲面對應的所述圓柱體的半徑為R2，所述下曲面對應的所述圓柱體的半徑為R1，則R2>R1；建立空間直角坐標系，則這兩個圓柱體的中心對稱軸線為該空間直角坐標系的Z軸；

所述吸力曲面和所述壓力曲面均與所述下曲面相交，其中，所述吸力曲面與所述下曲面相交形成的曲線相對于該軸流掠形葉片為外凸曲線，所述壓力曲面與所述下曲面相交形成的曲線相對于該軸流掠形葉片為內凹曲線；所述Z軸的正方向由所述吸力曲面指向所述壓力曲面；

所述吸力曲面還與所述壓力曲面相交，在所述吸力曲面與所述壓力曲面相交形成的兩條曲線中，記先與所述氣流接觸的相交曲線為前緣線，另外一條相交曲線則為后緣線(也稱為尾緣線)；

將所述下曲面沿平面展開得到下曲面鋪展截面(即，將下曲面沿上述與其對應的圓柱體的周向展開在一個平面內，從而得到下曲面鋪展截面)；記該下曲面鋪展截面上，因所述下曲面與所述吸力曲面相交形成的對應曲線為下曲面第一曲線，因所述下曲面與所述壓力曲面相交形成的對應曲線為下曲面第二曲線，因所述下曲面與所述前緣線相交形成的對應點為下曲面前緣點，因所述下曲面與所述后緣線相交形成的對應點為下曲面后緣點；則根據所述下曲面第一曲線與所述下曲面第二曲線得到下曲面中弧線，所述下曲面前緣點與所述下曲面后緣點為該下曲面中弧線的兩個端點；記位于該下曲面中弧線上、且與所述下曲面前緣點之間的所述下曲面中弧線長度占整個所述下曲面中弧線長度為一定比例的點為下曲面積疊點，并且，記位于所述下曲面上、且與該下曲面積疊點對應的點為下曲面空間積疊點；記經過該下曲面空間積疊點、且與所述Z軸垂直的平面為所述空間直角坐標系的XOY平面，該XOY平面與所述Z軸的交點為所述空間直角坐標系的原點O；所述原點O與該下曲面空間積疊點所在的直線為所述空間直角坐標系的Y軸，該Y軸的正方向由所述原點O指向該下曲面空間積疊點；

以半徑從R1變?yōu)镽2的一系列同軸圓柱體的側面與該軸流掠形葉片相交形成一系列相交面，再將所述一系列相交面均沿平面展開得到一系列鋪展截面(即，對于任一相交面，將該相交面沿與該相交面對應的同軸圓柱體的周向展開在一個平面內，從而得到鋪展截面)，所述一系列同軸圓柱體的中心對稱軸線均為Z軸；對于任意一個所述鋪展截面，記與該鋪展截面對應的同軸圓柱體的半徑為r，R1≤r≤R2，并且，記該鋪展截面上，因所述同軸圓柱體與所述吸力曲面相交形成的對應曲線為第一曲線，因所述同軸圓柱體與所述壓力曲面相交形成的對應曲線為第二曲線，因所述同軸圓柱體與所述前緣線相交形成的對應點為前緣點，因所述同軸圓柱體與所述后緣線相交形成的對應點為后緣點，此外，根據所述第一曲線與所述第二曲線得到中弧線，所述前緣點與所述后緣點為該中弧線的兩個端點，并且，記位于該中弧線上、且與所述前緣點之間的所述中弧線長度占整個所述中弧線長度為所述一定比例的點為積疊點，并且，記位于所述相交面上、且與該積疊點對應的點為空間積疊點；

隨著((r-R1)/(R2-R1))比值的變化，根據一系列所述空間積疊點即得到空間積疊線；將該空間積疊線向所述空間直角坐標系的YOZ平面上進行投影即得到該空間積疊線在子午面上的投影線；對于位于該投影線上的任意一個投影點，該投影點對應一個所述空間積疊點、以及一個所述相交面，記該投影點位置處的所述投影線的切線正方向與所述空間直角坐標系的Z軸正方向兩者的夾角為投影掠角，所述切線正方向與所述空間直角坐標系的Y軸正方向兩者的夾角不超過90°；

則該投影線為三次樣條曲線。

上述空間積疊點、空間積疊線均可在實際葉片上找到相應點或線；上述前緣點、后緣點、中弧線(包括下曲面中弧線)、第一曲線(包括下曲線第一曲線)、第二曲線(包括下曲線第二曲線)等均位于相應的鋪展平面上；投影線是位于YOZ平面上的投影。

本發(fā)明中的軸流掠形葉片其表面形狀可以是復雜的三維扭曲曲面，只要該葉片的投影掠角隨高度比例(高度比例即((r-R1)/(R2-R1))比值)的變化滿足要求即可。

本發(fā)明是采用一系列以Z軸為中心軸線的同軸圓柱面(同軸圓柱面的半徑記為r)與葉片相交，獲取相交線，再將相交線沿其所在圓柱面周向展開，得到相交線在平行于XOZ平面上的鋪展圖形；從而將葉片的三維表面形狀曲面用一系列封閉的二維曲線來描述。當然，對于高度固定的葉片(葉片高度H＝R2-R1)，二維曲線越密(即，同軸圓柱面越多)，則構建出的葉片表面形狀越精確。本發(fā)明中一系列以Z軸為中心軸線的同軸圓柱面，優(yōu)選為6個同軸圓柱面(這6個同軸圓柱面的半徑分別為R1、[R1+(R2-R1)/5]、[R1+2*(R2-R1)/5]、[R1+3*(R2-R1)/5]、[R1+4*(R2-R1)/5]、R2，對應的高度比例分別為0％、20％、40％、60％、80％和100％)。

盡管不同葉片高度的二維曲線的具體形狀不同，但可用相同類型的參數進行描述，所用描述參數的具體數值隨葉片高度不同而變化，任意描述參數隨葉片高度變化規(guī)律不同，都會使三維葉片表面具有不同的形狀，并對葉型性能造成不同的影響。本發(fā)明通過對參數類型、以及具體的參數隨葉片高度的變化進行改進，使得葉型具有良好的性能。本發(fā)明通過合理配置投影掠角隨葉高變化形式，可以獲取具有高效率的葉片。

本發(fā)明葉片的空間積疊線在YOZ平面上的投影線為三次樣條曲線(即該投影線滿足三次樣條關系)，投影線上的投影掠角隨著葉片高度百分比的變化而變化，即隨著((r-R1)/(R2-R1))比值的變化，投影線上相應空間積疊點對應的投影點位置處的投影掠角角度也發(fā)生變化；該投影線依次經過6個控制點(這6個控制點分別對應6個同軸圓柱面，即從葉片根部(即下曲面)到葉片頂部(即上曲面))，6個控制點(1-6)參數依次為：

控制點(1)對應葉片高度0％處，角度變化范圍為75.95°～85.95°；

控制點(2)對應葉片高度20％處，角度變化范圍為80.73°～90.73°；

控制點(3)對應葉片高度40％處，角度變化范圍為85.57°～95.57°；

控制點(4)對應葉片高度60％處，角度變化范圍為90.40°～100.40°；

控制點(5)對應葉片高度80％處，角度變化范圍為95.15°～105.15°；

控制點(6)對應葉片高度100％處，角度變化范圍為99.77°～109.77°。

圖1所示為本發(fā)明軸流掠形葉片的主視圖、側視圖和俯視圖。圖2所示為本發(fā)明軸流掠形葉片的三維造型示意圖。

圖3所示為本發(fā)明軸流掠形葉片的空間積疊線在空間坐標系中YOZ平面上的投影線示意圖，圖中，投影線的切線方向(即切線正方向，該切線正方向與Y軸正方向兩者的夾角不超過90°)與Z軸正方向兩者的夾角為即投影掠角；將不同葉片高度處(不同高度對應不同半徑的同軸圓柱面，記同軸圓柱面的半徑為r，則葉片高度H＝r-R1，高度百分比即為(100*(r-R1)/(R2-R1))％)的空間積疊點在YOZ平面上的投影可以通過三次樣條曲線擬合形成空間積疊線在YOZ平面上的投影線，各個葉片高度處的對應掠角為α₁，α₂，α₃，α₄，α₅，α₆。

以下給出具體實施例。

實施例1

本實施例中的葉輪直徑為352mm，輪轂比為0.27。該葉片的空間積疊線在YOZ平面(即子午面)上的投影線為三次樣條曲線，投影線上的投影掠角隨著葉片高度百分比的變化而變化，該投影線依次經過6個控制點(1～6)，這6個控制點的位置坐標依次為(坐標形式為(對應的葉片高度百分比，葉片積疊點子午掠角)，子午掠角即投影掠角)：(0％，84.11°)、(20％，87.39°)、(40％，90.68°)、(60％，93.96°)、(80％，97.23°)、(100％，100.44°)。

實施例2

本實施例中的葉輪直徑為497mm，輪轂比為0.262。該葉片的空間積疊線在YOZ平面(即子午面)上的投影線為三次樣條曲線，投影線上的投影掠角隨著葉片高度百分比的變化而變化，該投影線依次經過6個控制點(1～6)，這6個控制點的位置坐標依次為(坐標形式為(對應的葉片高度百分比，葉片積疊點子午掠角))：(0％，80.95°)、(20％，85.73°)、(40％，90.57°)、(60％，95.40°)、(80％，100.15°)、(100％，104.77°)。

實施例3

本實施例中的葉輪直徑為900mm，輪轂比為0.211。該葉片的空間積疊線在YOZ平面(即子午面)上的投影線為三次樣條曲線，投影線上的投影掠角隨著葉片高度百分比的變化而變化，該投影線依次經過6個控制點(1～6)，這6個控制點的位置坐標依次為(坐標形式為(對應的葉片高度百分比，葉片積疊點子午掠角))：(0％，80.68°)、(20％，85.70°)、(40％，90.78°)、(60％，95.85°)、(80％，100.82°)、(100％，105.64°)。

實施例4

本實施例中的葉輪直徑為1120mm，輪轂比為0.254。該葉片的空間積疊線在YOZ平面(即子午面)上的投影線為三次樣條曲線，投影線上的投影掠角隨著葉片高度百分比的變化而變化，該投影線依次經過6個控制點(1～6)，這6個控制點的位置坐標依次為(坐標形式為(對應的葉片高度百分比，葉片積疊點子午掠角))：(0％，81.21°)、(20％，85.75°)、(40％，90.35°)、(60％，94.95°)、(80％，99.48°)、(100％，103.90°)。

圖4是使用實施例2中的軸流掠形葉片作為風機葉片的一款風機的實驗性能曲線圖；可以看出這款風機遠遠超過國家標準GB/T 19761-2009《通風機能效限定值及能效等級》中規(guī)定的三級能效標準，且在較為寬廣的流量范圍內能保持高效率，同時具有較低的噪聲。

本發(fā)明中的軸流掠形葉片，在設計階段，可在空間積疊點上根據預先給定的需疊加的翼型以及其安裝角、積疊位置(即，積疊點在翼型中弧線的位置，對應積疊點與前緣點之間的中弧線長度占整個中弧線長度的比例，該比例值可以為40％～60％或100％，只要選擇某一固定的比例即可)等參數，確定不同高度處的葉片型線，然后依次連接不同高度處的葉片型線擬合為葉片表面，從而構成掠形葉片。本發(fā)明中的空間積疊線是根據控制其在YOZ平面上的投影線來控制的，投影線為三次樣條曲線，投影線上某點的切線方向與Z軸正方向兩者夾角形成的投影掠角的角度隨與該點相對應的葉片高度比(對應同軸圓柱體的半徑r)的變化而變化，尤其是通過控制葉根、葉尖(分別對應0、100％的葉片高度比)處的投影掠角，使葉根后掠(即，空間積疊線在YOZ平面上的投影在葉根處向來流方向的反方向偏，對應葉根處的投影掠角小于90°)、葉尖前掠(即，空間積疊線在YOZ平面上的投影在葉尖處向來流方向偏，對應葉尖處的投影掠角大于90°)；并且通過控制其他4個高度比(即對應20％、40％、60％、80％的葉片高度比)位置的具體投影掠角的角度，得到的軸流掠形葉片具有更佳的使用效果。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。