一种离心扇叶及叶片设计方法与流程

1.本发明涉及离心扇叶技术领域。


背景技术：

2.离心扇叶是一种常用的风扇类型，传统的离心扇叶(叶轮)设计和分析中所采用的一元、二元和三元流动理论。
3.一元流理论只计算中径上的气流参数，画出速度三角形之后再进行叶片造型，设计出的叶片是直叶片；
4.二元流理论是依据等反力度等叶片扭向规律，把流过叶片的复杂气流简化为沿着不同半径的圆柱表面上的流动，并忽略径向气流分速度；沿着整个流程气流参数不但沿轴向有变化，沿径向也有了变化，这样，叶片从直叶片变为扭转叶片；
5.三元流是一种新的流动模型，本发明是采用三元流理论进行的新的叶轮设计。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种效率高、噪声低的离心扇叶。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种离心扇叶，包括：主板；护罩，与所述主板相对配置；多个叶片，配置于所述主板与护罩之间；所述多个叶片间隔圆周排列构成圆环状叶片组，相邻的叶片间构成气流通道，气流通道上靠近于主板中心轴的一端为进风口，相对另一端构成出风口；所述叶片构成进风口的一端为前缘，构成出风口的另一端为后缘，叶片的后缘与主板的切线夹角为β，β>90
°
。
8.进一步的技术方案中，所述叶片的后缘为波纹状配置。
9.进一步的技术方案中，所述的叶片与护罩连接的一端为顶端，与主板连接的另一端为底端；叶片的后缘是从顶端向底端波纹状配置。
10.进一步的技术方案中，所述叶片的后缘设置至少两个从后缘向前缘方向凹设的槽口，令后缘构成所述的波纹状配置。
11.进一步的技术方案中，所述叶片的前缘与主板的直径夹角为θ，θ＜90
°
。
12.进一步的技术方案中，所述叶片的俯视角度为弧形，内凹的一侧为内侧面，相对另一侧为外侧面，后缘上外侧面的切线与主板的切线夹角为β；前缘上外侧面的切线与主板的直径夹角为θ。
13.进一步的技术方案中，所述的β为130
°‑
143
°
；所述的θ为60
°‑
80
°
。
14.进一步的技术方案中，所述主板中心处构成有动力轴穿设的孔，所述多个叶片绕孔圆周排列分布。
15.进一步的技术方案中，所述护罩中心处为中空结构。
16.离心扇叶的叶片设计方法，包括以下步骤：
17.s10：通过速度三角形进行一维的流场设计，然后分为s1,s2流面进行二维设计；
18.s20：使用不少于5个展向截面进行二维流动分析；在二维流动分析中，通过通过仿
真软件分析湍流度；
19.s30：进行相应的三维造型，并导入相应的流场分析软件进行整环叶轮的三维全流场仿真，设计出叶片形状；
20.s40：进行噪声分析，使用声比拟法，计算流场使用les大涡模拟进行，并在得到包裹面基本流场后，使用fw
‑
h方程进行进一步的声场分析。
21.进一步的设计方法中，所述的s30中采用的是sst湍流模型。
22.进一步的设计方法中，所述的步骤s30中，采用以下控制方程：
23.其控制方程为：
[0024][0025][0026]
其中：
[0027][0028][0029][0030]
其对应的粘度由下式给出：
[0031][0032]
其中的常量都由内部常量(1)与外部常量(2)混合而成；
[0033]
φ＝f1φ1+(1
‑
f1)φ2[0034]
其他量由下式给出：
[0035]
f1＝tanh(arg
14
)
[0036][0037][0038]
f2＝tanh(arg
22
)
[0039][0040]
其中ρ为密度，ν
t
＝μ
t
/ρ为湍流运动粘性系数，μ为分子动力粘性系数，d为点到最近
的壁面的距离，
[0041]
其中边界条件为：
[0042][0043][0044][0045]
k
wall
＝0
[0046]
l为计算域的近似长度；
[0047]
上述公式中，常量设置为：
[0048][0049]
σ
k1
＝0.85 σ
ω1
＝0.5 β1＝0.075
[0050]
σ
k2
＝1.0 σ
ω2
＝0.856 β2＝0.0828
[0051]
β
*
＝0.09 k＝0.41 a1＝0.31。
[0052]
进一步的设计方法中，所述的步骤s40中：les大涡模拟如下：
[0053]
流动变量滤波
[0054][0055][0056]
其中g(x
‑
x
′
,δ)为空间滤波函数，ω为计算域，δ为滤波宽度，一般将滤波宽度处理为网格分辨率的函数
[0057]
δ＝(δxδyδz)
1/3
[0058]
为了避免密度脉动带来更多的未知项，采用法夫尔滤波，有
[0059][0060]
其中
[0061]
对连续性方程、动量方程、能量方程实施法夫尔滤波操作后，有
[0062]
连续方程
[0063][0064]
动量方程:
[0065][0066]
其中
[0067][0068][0069]
能量方程：
[0070][0071]
其中：
[0072][0073]
τ
ij,sgs
为亚格子湍流应力，需要引入模型对方程进行封闭，此处引入smagorinsky 模型：
[0074][0075][0076]
c
s
＝0.16；c
l
＝0.09；
[0077]
fw
‑
h方程如下所示：
[0078][0079][0080]
[0081][0082]
其中
[0083][0084][0085][0086]
s为紧贴固体壁面的控制面。
[0087]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：本技术中采用上述方法设计出的离心扇叶是闭式结构，效率相对于开式、半开式的结构更高，同时限定了叶片为后弯式叶片，进一步提高了离心扇叶的效率；在降噪方面，通过叶片后缘的波纹状设置，气流在吹出出风口前，涡流分离，进而达到噪声降低的目的，效果更好；同时叶片是采用三元流理论设计的，设计出的扇叶效率更高，噪声低。
附图说明
[0088]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0089]
图1为第一种实施方式的结构示意图；
[0090]
图2为第一种实施方式的结构示意图；
[0091]
图3为第一种实施方式正面结构示意图；
[0092]
图4为沿图3中a
‑
a'线的剖面图；
[0093]
图5为第二种实施方式的结构示意图；
[0094]
图6为第二种实施方式的分解结构示意图；
[0095]
图7为叶片进行一维的流场分析的图；
[0096]
图8
‑
9为叶片进行二维的流场分析的图；
[0097]
图10为叶片进行三维的流场分析的图；
[0098]
图11为对叶片进行气动性能分析的图。
具体实施方式
[0099]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0100]
一种离心扇叶，如图1
‑
4所示，包括：主板100、与主板100相对配置的护罩200以及设置于主板100与护罩200之间的多个叶片300。
[0101]
所述主板100的中心处开设有用于动力轴(图中未显示)穿过的孔101，整个离心扇
叶是以动力轴为中心进行旋转的，具体是以图3箭头所示逆时针转动，叶片300是呈弧形设置，弯曲弧度与离心扇叶的转动方向相反，呈后弯式叶片结构。
[0102]
所述的主板100的端面中心位置朝向护罩200大致构成一凸台状的结构，而所述孔则开设于凸台上，动力轴穿设于孔101上；而主板100的背面构成有用于电机连接的相应结构。
[0103]
所述的护罩200的中部呈中空的结构，形成中心进风口201，同时护罩200 构成中心进风口201的口壁向上延伸凸出，以起到导风的作用。
[0104]
所述的叶片300安装于主板100上，多个叶片300以孔101为中心间隔圆周排列构成圆环状叶片组，相邻的叶片300间构成气流通道301，同时气流通道301靠近于孔101的一端为进风口302，相对另一端构成出风口303。
[0105]
如图4所示，气流通道301的进风口302小于出风口303，离心扇叶在动力轴的驱动下作转动，气流从护罩200的中心进风口201进入口，经过进风口 302、气流通道301、出风口302，呈放射状吹出。
[0106]
于本技术方案中，限定叶片300构成进风口302的一端为前缘310，构成出风口303的另一端为后缘320，且叶片300与护罩200连接的一端为顶端，与主板100连接的另一端为底端；叶片300与主板100、护罩200之间可以是注塑连接或者是焊接连接的，具体的连接方式不做限定。
[0107]
气流从离心扇叶的轴向方向吸入离心扇叶内，然后经过气流通道流出，离心方式在转动的过程中，叶片300带动空气做功，而空气吹出的角度与叶片后缘的角度相关联。
[0108]
本技术方案中，叶片300的俯视角度为弧形，内凹的一侧为内侧面330，相对另一侧为外侧面340。叶片300的后缘320以外侧面340做切线，后缘320 与主板100的交点作切线，两切线的夹角为β，β>90
°
，β的较优取值范围为： 130
°‑
143
°
，优选地，β＝134
°
；叶片300的前缘310作切线，与主板100的直径夹角为θ，θ的较优取值范围为：60
°‑
80
°
优选地，θ＝72
°
；本技术方案中，叶片300后弯式的结构，工作时能够保证气流在出风口303处的流动较为均匀，与其它的径向叶片的离心扇叶相比，流量范围扩大。
[0109]
离心扇叶在运行时，叶片300旋转会与空气产生摩擦或者是冲击，转速越快，那么噪声可能会越尖锐或越大，同时，噪音的产生有很大部分是原因是在于：气流通道内易产生涡流，此涡流会降低风扇的效率，同时产生噪音，为减低此现象，在上述的第一种技术方式下，增加了降噪结构。
[0110]
如图5
‑
6所示，为第二种实施方式，第二中实施方式能够降低离心扇叶的噪音。
[0111]
所述叶片300的后缘320为波纹状配置，并且叶片300的后缘是从顶端向底端波纹状321配置，使得离心扇叶转动时，气流通道内产生涡流，而通过后缘320为波纹状321配置，使气流在吹出出风口303前，涡流分离，进而达到噪声降低的目的。
[0112]
本实施方式中，叶片300的后缘320设置至少两个从后缘320向前缘310 方向凹设的槽口3211，令后缘320构成所述的波纹状321配置。
[0113]
上述的波纹状结构还可以替换为锯齿状结构。
[0114]
上述的第一种、第二种实施方式中，叶片300是数量为11片，而根据实际的需求而定，叶片300的数量可以相应增减。
[0115]
上述的离心扇叶中叶片的设计方法如下：
[0116]
离心扇叶的叶片设计方法，包括以下步骤：
[0117]
s10：如图7所示，通过速度三角形进行一维的流场设计，图7中w1为相对速度，u1为扇叶旋转周向速度，c1为气流速度；
[0118]
然后分为s1,s2流面进行二维设计；如图8所示，整个通道中的流场是由很多的s1、s2流面组成的。
[0119]
s20：使用不少于5个展向截面进行二维流动分析；在二维流动分析中，通过通过仿真软件分析湍流度，要求湍动能比<10％，如图9所示；
[0120]
s30：进行相应的三维造型，并导入相应的流场分析软件进行整环叶轮的三维全流场仿真，并且采用sst湍流模型，第一层壁面网格尺度＝1e
‑
6m，仿真结果如图10所示；
[0121]
其控制方程为：
[0122][0123][0124]
其中：
[0125][0126][0127][0128]
其对应的粘度由下式给出：
[0129][0130]
其中的常量都由内部常量(1)与外部常量(2)混合而成；
[0131]
φ＝f1φ1+(1
‑
f1)φ2[0132]
其他量由下式给出：
[0133]
f1＝tanh(arg
14
)
[0134][0135][0136]
f2＝tanh(arg
22
)
[0137][0138]
其中ρ为密度，ν
t
＝μ
t
/ρ为湍流运动粘性系数，μ为分子动力粘性系数，d为点到最近的壁面的距离，其中边界条件为：
[0139][0140][0141][0142]
k
wall
＝0
[0143]
l为计算域的近似长度；
[0144]
上述公式中，常量设置为：
[0145][0146]
σ
k1
＝0.85 σ
ω1
＝0.5 β1＝0.075
[0147]
σ
k2
＝1.0 σ
ω2
＝0.856 β2＝0.0828
[0148]
β
*
＝0.09 k＝0.41 a1＝0.31 仿真效果如图11所示，仿真结果显示，三维叶轮展现出了较好的气动性能，在转速300
‑
3000rpm范围内，气动绝热效率均大于85％。。
[0149]
s40：进行噪声分析，使用声比拟法，计算流场使用les大涡模拟进行，并在得到包裹面基本流场后，使用fw
‑
h方程进行进一步的声场分析 les大涡模拟如下：
[0150]
流动变量滤波
[0151][0152][0153]
其中g(x
‑
x
′
,δ)为空间滤波函数，ω为计算域，δ为滤波宽度，一般将滤波宽度处理为网格分辨率的函数
[0154]
δ＝(δxδyδz)
1/3
[0155]
为了避免密度脉动带来更多的未知项，采用法夫尔滤波，有
[0156][0157]
其中
[0158]
对连续性方程、动量方程、能量方程实施法夫尔滤波操作后，有
[0159]
连续方程
[0160][0161]
动量方程
[0162][0163]
其中
[0164][0165][0166]
能量方程
[0167][0168]
其中
[0169][0170]
τ
ij,sgs
为亚格子湍流应力，需要引入模型对方程进行封闭，此处引入smagorinsky 模型
[0171][0172][0173]
c
s
＝0.16；c
l
＝0.09；
[0174]
fw
‑
h方程如下所示
[0175][0176]
[0177][0178][0179]
其中
[0180][0181][0182][0183]
s为紧贴固体壁面的控制面。
[0184]
声场分析指出，采用波纹尾缘后，较大的分离涡互相之间形成干涉，进一步抵消了气动噪声的产生，在声场外围逐渐消散，使得声场分析的结果中有波纹尾缘相较于无波纹尾缘约减少5db，实测结果为4.8db(测点位置距声源 1m处)与仿真计算结果误差<5％，证明该仿真分析结果的正确性和可靠性。最后，根据仿真的叶形进行离心扇叶的设计。
[0185]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。