本發(fā)明屬于風機領(lǐng)域，尤其涉及一種葉片吸力面有仿鯊魚鰭破渦結(jié)構(gòu)和導葉有雙排圓孔凹槽的軸流風機。

背景技術(shù)：

軸流風機是依靠輸入的機械能，提高氣體壓力并排送氣體的機械。它廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風、排塵和冷卻；鍋爐和工業(yè)爐窯的通風和引風；空氣調(diào)節(jié)設(shè)備和家用電器設(shè)備中的冷卻和通風；谷物的烘干和選送；風洞風源和氣墊船的充氣的推進等，在國民經(jīng)濟各行業(yè)均有非常重要的應用。據(jù)統(tǒng)計，風機用電約占全國發(fā)電量的10%，煤礦主要通機平均電耗約占礦井電耗的16%；金屬礦山的風機用電量占采礦用電的30%；鋼鐵工業(yè)的風機用電量占其生產(chǎn)用電的20%；煤炭工業(yè)的風機用電量占煤炭工業(yè)用電的17%。由此可見，風機節(jié)能在國民經(jīng)濟各部門中的地位和作用是舉足輕重的。由于，軸流風機的比轉(zhuǎn)速較高，這樣它具有流量大、全壓低的特點，在這些行業(yè)中都占有不可替代的地位。

因此設(shè)計優(yōu)化出效率高、性能好、噪聲低、節(jié)能的軸流風機是很重要的。但是軸流風機中流動非常復雜性，主要體現(xiàn)在：1）流動的三維性；2）流體的粘性；3）流動的非定常性。在傳統(tǒng)的風機設(shè)計中很難考慮到上面三點，就算現(xiàn)代設(shè)計方法中用了cfd做輔助設(shè)計，但是無法完全控制上面三個因素對風機性能的影響，其中最關(guān)鍵的因素是流體的粘性，粘性不僅僅影響到葉片出口邊為滿足庫塔-茹科夫斯基條件而形成的葉片尾跡旋渦。由于粘性，葉片表面以及環(huán)壁通道表面均會存在粘性邊界層，它們之間以及與主流之間有強烈的相互作用，產(chǎn)生所謂的“二次流”現(xiàn)象。二次流動是軸流風機損失上升、效率下降的主要根源。同時，由于粘性的影響，使軸流風機中存在空氣動力噪聲，軸流風機的空氣動力噪聲主要由兩部分組成：旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲。如果風機出口直接排入大氣，還有排氣噪聲。

綜上所述，要想設(shè)計優(yōu)化出效率高、性能好、噪聲低、節(jié)能的軸流風機，就是要控制和減小二次流動、控制和減小邊界層厚度、防止渦脫落、或是控制渦的形成。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種軸流風機，改進軸流風機的葉片結(jié)構(gòu)，使軸流風機效率更高，噪聲更低，更加節(jié)能環(huán)保。

為此本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的：

一種軸流風機，包括網(wǎng)罩、葉輪、導葉、內(nèi)筒、外筒、電機、軸套；所述網(wǎng)罩固定在外筒上，呈同心圓結(jié)構(gòu)，由鐵絲編織而成，起到整流和防止異物進入損壞風機的作用；

所述葉輪包括輪轂和葉片，所述葉片是通過等環(huán)量孤立翼型法設(shè)計的翼型葉片，扭速隨著變徑的增大而減小，壓強沿徑向不變，葉片厚度分布與naca四位數(shù)字翼型厚度分布相同，翼型相對厚度為10%—15%，葉片數(shù)量為5—9個，葉片葉頂間隙為葉片高度的1%—2%；

所述葉片的吸力面靠近根部有一個魚鰭狀渦破碎結(jié)構(gòu)，其截面形狀為圓弧形，渦破碎結(jié)構(gòu)的長為所在位置葉片弦長的25%-35%，寬度為長度的1/4-1/3，厚度為3-8mm，渦破碎結(jié)構(gòu)的尾部距離所在翼型截面尾緣的距離為弦長的25%-35%；

葉片頂部加工成翼型凹槽結(jié)構(gòu)，所述的翼型凹槽結(jié)構(gòu)的形狀與葉頂截面完全相同且等比例縮小，縮小倍數(shù)為0.95-0.8，翼形凹槽深度為3-8mm；

在葉輪輪轂與內(nèi)筒的間隙有迷宮密封結(jié)構(gòu)；所述迷宮密封結(jié)構(gòu)是由矩形鋸齒組成，在輪轂與內(nèi)筒上都有矩形鋸齒，鋸齒的大小和間距相等，兩邊矩形鋸齒的數(shù)量為4-7個，輪轂與內(nèi)筒之間的間距為8-15mm，鋸齒的高度為間距的60%-80%，鋸齒的寬度為高度的1/5-1/3，齒間間隙為齒搞的1/8-1/5；

所述導葉沿著徑向固定在內(nèi)筒和外筒上面，數(shù)量為7—17個，導葉葉片為圓弧板型葉片，導葉葉片的厚度為2—4mm，導葉靠近尾緣的吸力面尾部有雙排的圓孔凹槽；所述的圓孔凹槽均勻分布在吸力面尾緣部分，沿徑向排成兩排，兩排圓孔圓心之間的距離為導葉葉根弦長的15%—25%，圓孔的大小相等，單排上的圓孔圓心之間的距離為20-30mm,單排上的圓孔與導葉尾緣距離相同，靠近尾緣一排的圓孔凹槽圓心到葉片尾緣的距離為導葉葉根弦長的5%—10%，圓孔凹槽的深度為導葉厚度的1/3—1/2，圓孔凹槽的直徑與導葉厚度相同，靠近葉片尾緣的圓孔凹槽與葉片尾緣的距離為導葉葉根弦長的3%—5%，單排圓孔凹槽的數(shù)量為9-10個，雙排圓孔凹槽的數(shù)量為18-20個；

所述電機為三相異步電機，電機固定在內(nèi)筒的腹板上，葉輪通過軸套與電機軸相連。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過在該軸流風機葉輪葉片吸力面靠近根部加一個仿鯊魚鰭形狀的渦破碎板，該形狀是模仿鯊魚鰭形狀設(shè)計的，其流體的力學性能類似于鯊魚在海水中游動的流體力學性能，可以把靠近葉輪根部的一個通道渦切碎，抑制通道渦的大小，同時還可以控制葉片流道中一對通道渦的尺寸，可以很好的防止徑向間隙流動、通道渦流動和葉片表面附面層潛移流動，從而可以使葉輪中流體流動更加平穩(wěn)，邊界層更薄，提高了風機效率和降低了渦流噪聲；

本發(fā)明通過在該軸流風機葉片葉頂開翼型槽，可有效改善風機性能，槽式葉頂結(jié)構(gòu)擾亂了間隙內(nèi)泄漏流場的分布，間隙內(nèi)渦量梯度及混亂度明顯增加，阻礙了泄漏流發(fā)展，削弱了泄漏流與主流的摻混，從而減少葉頂處的泄漏損失，使風機效率得到提高；

本發(fā)明通過在該軸流風機輪轂與內(nèi)筒的間隙加迷宮密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生很強的節(jié)流效應，起到非接觸密封的作用，改善葉輪出口處氣流的穩(wěn)定性，降低氣流的泄漏量，減小容積損失，提高效率；

本發(fā)明通過在該軸流風機導葉吸力面后靠近后部分加雙排圓孔凹槽，每一排圓孔都可以很好的控制導葉尾部邊界層的厚度，防止邊界層分離，抑制渦的脫落和減小渦脫落的頻率，整體上，雙排圓孔凹槽減小了能量損失、抑制了由于導葉尾跡引起的渦流噪聲。

通過對軸流風機不同位置的改進使該型軸流風機效率更高，噪聲更低，更加節(jié)能環(huán)保。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的軸流風機三維圖；

圖2為本發(fā)明的間隙迷宮密封結(jié)構(gòu)局部放大圖；

圖3為本發(fā)明的葉輪三維圖；

圖4為本發(fā)明的仿鯊魚鰭渦破碎結(jié)構(gòu)截面示意圖；

圖5為本發(fā)明的葉片葉頂凹槽結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明的導葉葉片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明的導葉吸力面雙排圓形凹槽示意圖；

圖8為本發(fā)明的葉片翼型截面設(shè)計示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，該軸流風機有7部分組成，包括1、葉輪2、導葉3、外筒4、內(nèi)筒5、電機6、軸套7、網(wǎng)罩；外筒3、導葉2和內(nèi)筒4通過焊接固連在一起，電機5固定在內(nèi)筒4的腹板上，其中電機5的工作參數(shù)為720r/min，功率為4kw；葉輪1通過軸套6固定在電機5軸上，葉輪1的輪轂與內(nèi)筒4的間隙為10mm；網(wǎng)罩7安裝在外筒3上，有整流和防止異物進入的作用。

如圖1、3所示，葉輪1有電機5帶動給氣體做功，提高氣體的動壓和靜壓，葉輪1上的葉片1-2是通過等環(huán)量孤立翼型法設(shè)計的翼型葉片，扭速隨著變徑的增大而減小，壓強沿徑向不變，葉片相對厚度為10%，葉片數(shù)量為6個，葉片葉頂間隙為葉片高度的2%。葉輪葉片設(shè)計具體方法如下：

軸流風機內(nèi)部流體簡單的徑向平衡方程：

（i）

其中p表示流體微團受到的壓力，cu為流體微團繞軸旋轉(zhuǎn)的速度，r為流體微團的旋轉(zhuǎn)半徑。公式ii、iii表示軸流風機內(nèi)部假設(shè)沒有徑向流動，則任意位置流體微團在徑向上受到的壓力p和流體微團旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力平衡。

在公式（ii）-（iii）中，pt為氣體的總壓，ρ為氣體的密度，c為氣體的合速度，cu、ca、cr分別為氣體的周向速度、周向速度、徑向速度，但是有上面假設(shè)可知cr=0，氣體的總壓等于動壓加靜壓。

由公式（ii）-（iii）可以得到pt、p、cu、ca的微分關(guān)系式如公式（iv）.把公式（iv）回代入公式（i）中就可以得到另一種更加通用的簡單的徑向平衡方程（v）。

等環(huán)量設(shè)計方法假設(shè)總壓pt沿徑向不變，軸向速度ca也沿徑向為常數(shù)，代入公式（v）中可知：

由上面公式可知，等環(huán)量設(shè)計方法就是假設(shè)風機內(nèi)部cr=0，并且總壓pt沿徑向不變，軸向速度ca也沿徑向為常數(shù)，周向速度隨著半徑的增大而減小。

公式（vii）是由葉柵理論推導出來的，一個關(guān)于葉片稠度，葉片扭速，葉柵升力系數(shù)，和葉柵中平均相對速度之間的關(guān)系。

孤立翼型設(shè)計方法就是假設(shè)葉柵的升力系數(shù)不受葉柵之間葉片的干涉，也就是葉柵的升力系數(shù)與孤立翼型的升力系數(shù)相同。

等環(huán)量孤立翼型設(shè)計方法就是如上所述，通過上面的方法就可以計算出葉片的各截面的弦長和安裝角，葉片進口氣流機和葉片出口氣流機，由上面的參數(shù)加上一些經(jīng)驗公式就可以計算出中弧線的形狀，取翼型相對厚度為10%，然后，在各截面的中弧線疊加naca四位數(shù)字翼型厚度分布，得到各翼型截面，設(shè)計方法如下：

naca四位數(shù)字翼型厚度分布函數(shù)方程為：

其中：t表示相對厚度，，b為弦長，以翼型玄線為x軸，坐標原點放在翼型葉片前緣點上，。

具體方法如下，首先，取相對厚度為10%，得到葉片不同截面厚度分布函數(shù)的n個離散點，然后，同時把各截面中弧線也進行等分得到n個離散點，并且通過差分法求取各點法線的斜率，然后求出傾斜角，這樣就可以得到變換后翼型上下表面的坐標點b和d，然后用曲線光滑的連接起來就可以得到個截面所需翼型，如圖8所示，a1為厚度分布函數(shù)，a4為葉片中弧線，a2和a3為中弧線任一點的法線和切線。

如圖2所示，為輪轂1-1與內(nèi)筒4-1之間的迷宮密封結(jié)構(gòu)。迷宮密封結(jié)構(gòu)有兩部分組成，包括：輪轂1-1上的矩形鋸齒結(jié)構(gòu)和內(nèi)筒4-1上的矩形鋸齒結(jié)構(gòu)。鋸齒的大小和間距相等，輪轂1-1上鋸齒數(shù)為5，內(nèi)筒上的鋸齒數(shù)為4，輪轂與內(nèi)筒之間的間距d1為10mm，鋸齒的高度d4為間隙的72%，尺寸為7.5mm，鋸齒的寬度d3為高度的1/3，尺寸為2.5mm，鋸齒間的間隙d2為1mm；

如圖3、4所示，葉片1-2吸力面靠近葉根處有渦破碎結(jié)構(gòu)1-3。渦破碎結(jié)構(gòu)截面形狀為仿鯊魚鰭破渦結(jié)構(gòu)，渦破碎結(jié)構(gòu)1-3的長度b4為所在位置葉片弦長b1的30%，尺寸為80mm，最高點到吸力面的高度b3為長度的37.5%，尺寸為30mm，厚度為3mm，仿鯊魚鰭輪廓根據(jù)樣條曲線獲得，共有11個控制點，權(quán)值為-1，階數(shù)為3階，渦破碎結(jié)構(gòu)的尾部距離所在翼型截面尾緣的距離b2為弦長b1的30%，尺寸為80mm；

如圖2、5所示，葉片1-2頂部有翼形凹槽結(jié)構(gòu)1-4，葉頂?shù)囊硇伟疾?-4的形狀與葉頂截面形狀完全相似，有葉頂截面縮小0.9倍得到，翼形凹槽的深度為4mm；

如圖6、7所示，導葉2固定在內(nèi)筒4和外筒3上面，導葉2為圓弧板型葉片，沿著徑向沒有扭轉(zhuǎn)導葉數(shù)量為9個，導葉4葉片的厚度為4mm，導葉2靠近尾緣的吸力面尾部有雙排圓孔凹槽2-1；雙排圓孔凹槽2-1均勻分布在吸力面尾緣部分，沿徑向排成兩排，每排上的圓孔圓心之間的距離c2為25mm，圓孔的大小相等，兩排圓孔之間的距離c1為導葉2葉根弦長c4的25%，尺寸為80mm,靠近尾緣一排的圓孔凹槽圓心與葉片尾緣的距離c3為導葉2弦長c4的5%，尺寸為15mm,雙排圓孔凹槽2-1的深度為導葉2厚度的1/2，雙排圓孔凹槽2-1的直徑與導葉厚度相同為4mm，每排圓孔凹槽的數(shù)量為9個，雙排圓孔凹槽的數(shù)量為18個；

本發(fā)明首先在葉輪1葉片1-2吸力面靠近根部加有一個仿鯊魚鰭的渦破碎結(jié)構(gòu)1-3，是因為葉根部分安裝角大，葉片扭曲嚴重，同時還要受到輪轂邊界層的影響，極易受到通道渦的影響發(fā)生邊界層分離，導致很大的能量損失。該結(jié)構(gòu)依據(jù)鯊魚在水中的流動特性設(shè)計而成，仿鯊魚鰭的渦破碎結(jié)構(gòu)1-3可以把靠近葉根的一個通道渦切碎，抑制通道渦的大小，可以很好的控制由于流體的壓力和離心力不平衡導致的徑向流動，減小由于徑向力不平衡引起的二次流，同時有利于控制吸力面邊界層厚度。通道渦的形成機理是，在葉輪1流場中，主流區(qū)的氣流動能大，在葉片1-2壓力面附近由動能轉(zhuǎn)換得到的靜壓高，而端壁區(qū)附面層中的氣流動能小，在端壁壓力面附近由動能轉(zhuǎn)換得到的靜壓低，這樣在葉片1-2的壓力面附近的氣流就會從高靜壓的葉中區(qū)流向低靜壓的端壁區(qū)，占據(jù)了端壁處的氣流通道，并沿端壁流向靜壓更低的吸力面角區(qū)，在吸力面角區(qū)卷起并形成橫跨整個葉柵通道的旋渦流動。這就是通道渦，其特點是成對出現(xiàn)，旋向相反，上、下大致各占葉柵通道的一半。再在葉片1-2葉頂開翼型凹槽1-4，適當?shù)拈_槽長度可有效改善風機性能，槽式葉頂結(jié)構(gòu)擾亂了間隙內(nèi)泄漏流場的分布，間隙內(nèi)渦量梯度及混亂度明顯增加，阻礙了泄漏流發(fā)展，削弱了泄漏流與主流的摻混，從而減少葉頂處的泄漏損失，使風機效率得到提高。然后輪轂1-1與內(nèi)筒4-1的間隙加迷宮密封結(jié)構(gòu)a，該結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生很強的節(jié)流效應，起到非接觸密封的作用，改善葉輪出口處氣流的穩(wěn)定性，降低氣流的泄漏量，減小容積損失，提高效率。密封結(jié)構(gòu)a的內(nèi)在機理是氣流經(jīng)密封間隙進入環(huán)形空腔后，突然膨脹而產(chǎn)生強烈的漩渦，使氣流的大部分能量轉(zhuǎn)化為熱量而散失掉，使焓值恢復到接近于間隙前的值，只有小部分動能仍以余速進入下一個間隙，逐級重復上述過程，這時氣體壓力逐級下降，從而達到密封的效果。最后，在導葉2吸力面后靠近尾緣部分加了雙排圓孔凹槽2-1，加該結(jié)構(gòu)的原因是導葉2不光受到自身邊界層的影響，還要受到前面葉輪1尾跡干涉的影響，同時由于氣體在葉輪1中的流動非常復雜，導致導葉2進口氣流角沿徑向和周向波動很大，流體在導葉2流道中很不穩(wěn)定并且吸力面邊界層比壓力面邊界層厚得多，導致吸力面流動更為復雜，而且隨著流體從導葉前緣到后緣的過程中，邊界層不斷加厚，流體極易在導葉吸力面尾部發(fā)生分離，形成渦流，造成嚴重的能量損失和尾渦脫落噪聲。導葉2尾部雙排圓孔凹槽2-1的作用是可以很好的控制導葉2尾部邊界層的厚度，防止邊界層分離，抑制渦的脫落和減小渦脫落的頻率，雙排圓孔凹槽2-1更有效減小噪音的產(chǎn)生，使得葉輪風機工作在最佳工況點，整體上，減小了能量損失、抑制了由于導葉尾跡引起的渦流噪聲。通過對軸流風機不同位置的改進使該型軸流風機效率更高，噪聲更低，更加節(jié)能環(huán)保。