[发明专利]一种基于载荷法设计的离心通风机叶片

说明书

技术领域

本发明属于风机设备领域，涉及离心通风机，具体涉及一种基于载荷法设计的叶片的离心通风机叶片。

背景技术

作为通用机械的一种，离心通风机广泛的应用于钢铁、水泥、石油石化和建筑通风等行业，使用量巨大，同时也消耗着大量的能源。因此，提升离心通风机的效率能够获得非常可观的经济和社会效益。

离心叶轮是离心通风机的核心部件，离心叶轮中的损失也是离心通风机中主要的损失来源，离心叶轮出口处的流动情况也会影响气流在蜗壳和管道中的流动。由此可知，提升叶轮效率是提升离心通风机效率的关键，叶轮效率与叶轮内部的流动紧密相关，而叶片型线又是离心叶轮的关键。传统的设计方法往往是依靠工程经验，这使得风机性能达到一定程度之后很难再提高，并且一些叶片的改进方法也往往具有盲目性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，根据叶轮参数结合叶道中线平均相对速度曲线和边界层计算公式得到了速度分布函数，之后采用了载荷法对原始模型叶片进行优化，首先选取合适的平均相对速度曲线，然后通过设置不同位置载荷的变化得到多组载荷分布函数，之后根据载荷分布确定叶片型线。本发明的载荷分布所得到的叶片均能提高风机性能，其中中部载荷比为0.7的模型性能较好，尤其是在额定工况和小流量工况下，随着载荷比的增大，在大流量工况下的效率逐渐增大，而在小流量工况下的效率减小优化之后的模型内部流动比原始模型稳定，没有出现明显的流动分离和漩涡，并且由于没有受到分离的影响，叶道内的静压增长稳定，叶道出口处的射流-尾迹结构也得到改善。

本发明采用的载荷计算公式为：

δ＝ρ·ω·Δω (1)

其中，δ为载荷；ρ为流向方向的流体密度，对于不可压缩流体ρ为恒值；ω为流体在叶道中线的平均相对速度，Δω为流体在吸力面和压力面的平均相对速度差。

由于叶道中线平均相对速度与吸力面和压力面的相对速度平均值近似，因此(1)式可以写成：

δ＝ρ·S·ω²(2)

其中，S为载荷系数，ω_s和ω_p分别为流体在吸力面和压力面的平均相对速度。

因此，通过流体在叶道中线的平均相对速度值和载荷系数可得相应的载荷。设定流体在叶道中线位置L处的平均相对速度，并设定载荷的一个极大值位置为L＝0.25位置，L＝0.25处的载荷系数为0.9，载荷的另一个极大值位置为L＝0.7，L＝0.7处的载荷系数为0.85。由此可得L为0.25和0.7处的载荷。

记L＝0.7处的载荷为基准载荷，位置L处与基准载荷的比值为载荷比；设定载荷的极小值位置为L＝0.5处的载荷，即中部载荷；中部载荷与基准载荷的比值取四个不同值，建立四个载荷比分布函数模型，设载荷比分布函数为三段分段函数，L取0.25和0.7为载荷比分布函数对应的分界位置；其中一个载荷比分布函数模型的第二段函数为两个极大值点的连线直线方程；另外三个载荷比分布函数模型的第一段和第三段均为二次函数，中间的第二段均为四次函数，第二段函数的中部载荷与基准载荷的比值分别取0.8、0.7、0.6；各个载荷比分布函数的系数由L为0、0.25、0.5、0.7和1处的载荷比以及载荷比在极小值、极大值处导数为0的边界条件求得。

由动量矩定理，可得：

dM＝Zδpbrdr＝ρQd(rC_u) (4)

式中，d为微分算子，M为力矩，r为叶轮半径，Z为叶片数，b为叶道宽度，p为流体压力，C_u为流体周向速度，Q为容积流量。

即：

由叶轮内任意半径处的速度三角形矢量关系式，可得：

式中，n为转速，u叶轮半径处的线速度，β为叶片角，C_r为流体径向速度。

由此可得叶片出口角与叶片载荷之间的关系：

式中，ψ为压力系数。

由式(7)得到四组不同载荷分布对应的叶片中线型线，由于上周线与下周线平行，只需给出叶片中线与叶片厚度即可得到叶片上周线与下周线。