CN107237777B - 一种农用通风机弯掠叶片及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业机械技术领域，涉及一种农用通风机弯掠叶片及其设计方法。该弯掠叶片的形状由基于二次Bezier曲线设计的重心积叠线控制。在周向平面内进行弯设计，设计参数为弯角α、x方向控制参数k_x、y方向控制参数k_y。在轴向平面内进行掠设计，设计参数为掠角β、z方向控制参数k_z、r方向控制参数k_r。保持各截面几何参数不变，以截面重心为参考点，根据重心积叠线形状确定各截面弯掠位置。通过对上述设计参数的组合，配合优化算法，可得到理论上相应优化目标子下的最优弯掠叶片。

Description

一种农用通风机弯掠叶片及其设计方法

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，涉及一种农用通风机弯掠叶片及其设计方法。

背景技术

农用通风机广泛应用于设施农业，如日光温室和畜禽舍的环境通风。目前，市场上大部分农用通风机为上个世纪九十年研发的“DDZ”系列农用通风机，内部流动损失严重，风机能效比较低。因此改善农用通风机能效比，对提高农业通风效率和节能环保都有重要意义。

弯掠叶片除沿叶展方向的扭转外，在叶片的叶顶和叶根间还存在沿周向旋转方向上的倾斜(弯)和沿来流方向上的倾斜(掠)，是一种具有复杂三维空间结构的叶片。

目前，弯掠叶片已经广泛应用于叶轮机械，大量的实验研究和数值计算表明，合理的叶片弯掠能够改变叶片与气流作用力的径向分力，控制叶片表面压力梯度分布，减小流动损失，达到提高叶轮机械气动性能的目的。弯掠叶片的研究主要集中在叶顶和叶根区域的弯掠，而对整体叶高范围内的弯掠研究，即重心积叠线的具体形状论述不多，对于选取何种形式的重心积叠线以及如何控制重心积叠线尚未取得共识。而农用通风机轮毂比较小、叶片较长，在整个叶高上的弯掠形状控制值得探究。

发明内容

本发明的目的是提供一种由基于二次Bezier曲线设计的重心积叠线控制叶片形状的农用通风机弯掠叶片。

本发明的另一个目的是提供一种农用通风机弯掠叶片的设计方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

弯掠叶片的形状由基于二次Bezier曲线设计的重心积叠线控制。弯叶片控制曲线为重心积叠线在周向平面内的投影，位于x-y平面内，设计参数为弯角α、x方向控制参数k_x、y方向控制参数k_y。掠叶片控制曲线为重心积叠线在轴向平面内的旋转投影，位于r-z平面内，设计参数为掠角β、z方向控制参数k_z、r方向控制参数k_r。保持各截面几何参数不变，以截面重心为参考点，根据重心积叠线形状确定各截面弯掠位置。

一种农用通风机叶轮的弯掠叶片1，多个弯掠叶片1沿轮毂2的周向均匀径向设置构成叶轮，所述弯掠叶片1的叶片形状由基于二次Bezier曲线设计的重心积叠线控制，其中，

重心积叠线在周向平面内的投影为弯叶片控制曲线，位于x-y平面内，其控制方程为：

重心积叠线在轴向平面内的旋转投影为掠叶片控制曲线，位于r-z平面内，其控制方程为：

式中，

P_x为弯叶片控制曲线x方向坐标；

P_y为弯叶片控制曲线y方向坐标；

P_z为掠叶片控制曲线z方向坐标；

P_r为掠叶片控制曲线r方向坐标；

t为Bezier函数自变量；

R为叶轮半径；

r₀为叶根半径；

α为弯角；

β为掠角；

k_x为弯叶片控制曲线x方向控制参数；

k_y为弯叶片控制曲线y方向控制参数；

k_z为掠叶片控制曲线z方向控制参数；

k_r为掠叶片控制曲线r方向控制参数；

x方向和y方向分别为叶根重心弯角为0°时，圆柱坐标系转换为直角坐标系后的x方向和y方向；

z方向为轴向，r方向为径向。

一种农用通风机弯掠叶片1的设计方法，使用基于二次Bezier曲线设计的重心积叠线控制弯掠叶片1的叶片形状；

重心积叠线在周向平面内的投影为弯叶片控制曲线，位于x-y平面内；重心积叠线在轴向平面内的旋转投影为掠叶片控制曲线，位于r-z平面内；

弯叶片控制曲线的控制方程为：

掠叶片控制曲线的控制方程为：

式中，

P_x为弯叶片控制曲线x方向坐标；

P_y为弯叶片控制曲线y方向坐标；

P_z为掠叶片控制曲线z方向坐标；

P_r为掠叶片控制曲线r方向坐标；

t为Bezier函数自变量；

R为叶轮半径；

r₀为叶根半径；

α为弯角；

β为掠角；

k_x为弯叶片控制曲线x方向控制参数；

k_y为弯叶片控制曲线y方向控制参数；

k_z为掠叶片控制曲线z方向控制参数；

k_r为掠叶片控制曲线r方向控制参数；

x方向和y方向分别为叶根重心弯角为0°时，圆柱坐标系转换为直角坐标系后的x方向和y方向；

z方向为轴向，r方向为径向。

对于叶轮半径为600～700mm的农用通风机叶片，

所述弯叶片的三个设计参数为：

α的取值范围为5～15°；

k_x的取值范围为0.5～1.5；

k_y的取值范围为0.5～1.0；

所述掠叶片的三个设计参数为：

β的取值范围为5～15°；

k_z的取值范围为-0.5～0.5；

k_r的取值范围为0.5～1.0。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用二次Bezier曲线设计重心积叠线的设计方法，设计参数简单清晰、控制方便，所获得的重心积叠线形状灵活，能够控制整个叶高上叶片的弯掠形状。

(2)本发明采用二次Bezier曲线设计重心积叠线的设计方法，设计参数及参数范围明确，通过对设计参数的组合，配合优化算法，可得到理论上相应优化目标下的最优弯掠叶片。

(3)本发明的由基于二次Bezier曲线设计的重心积叠线控制叶片形状的农用通风机弯掠叶片相比常规农用通风机，具有更高的能效比，能效比提高了15％以上。

附图说明

图1a为本发明农用通风机弯叶片控制曲线设计图；

图1b为本发明农用通风机掠叶片控制曲线设计图；

图2为本发明一实施例的弯掠叶片示意图。

其中的附图标记为：

1弯掠叶片

2轮毂

3截面

4重心积叠线

P₀为叶根截面重心

P₁为叶顶截面重心

P₂为弯叶片形状控制点

P₃为掠叶片形状控制点

α为弯角

β为掠角

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步说明。

如图1a、图1b和图2所示，多个农用通风机弯掠叶片1沿轮毂2的周向均匀径向设置构成叶轮。所述弯掠叶片1的叶片形状由基于二次Bezier曲线设计的重心积叠线控制，其中，

重心积叠线在周向平面内的投影为弯叶片控制曲线，位于x-y平面内，其控制方程为：

重心积叠线在轴向平面内的旋转投影为掠叶片控制曲线，位于r-z平面内，其控制方程为：

式中，

P_x为弯叶片控制曲线x方向坐标；

P_y为弯叶片控制曲线y方向坐标；

P_z为掠叶片控制曲线z方向坐标；

P_r为掠叶片控制曲线r方向坐标；

t为Bezier函数自变量；

R为叶轮半径；

r₀为叶根半径；

α为弯角；

β为掠角；

k_x为弯叶片控制曲线x方向控制参数；

k_y为弯叶片控制曲线y方向控制参数；

k_z为掠叶片控制曲线z方向控制参数；

k_r为掠叶片控制曲线r方向控制参数；

x方向和y方向分别为叶根重心弯角为0°时，圆柱坐标系转换为直角坐标系后的x方向和y方向；

z方向为轴向，r方向为径向。

一种农用通风机弯掠叶片1的设计方法，包括：使用基于二次Bezier曲线设计的重心积叠线控制弯掠叶片1的叶片形状。

重心积叠线在周向平面内的投影为弯叶片控制曲线，位于x-y平面内；重心积叠线在轴向平面内的旋转投影为掠叶片控制曲线，位于r-z平面内。

二次Bezier曲线的首点P₀为叶根截面重心，末点P₁为叶顶截面重心。P₂点为弯叶片形状控制点，k_x为P₂点的x方向控制参数，k_y为P₂点的y方向控制参数。P₃点为掠叶片形状控制点，k_z为P₃点的z方向控制参数，k_r为P₃点的r方向控制参数。引入叶片具体参数：叶轮半径R，叶根半径r₀，弯角α，掠角β。

则在直角坐标系下，弯叶片控制点P₀、P₁、P₂的坐标可以写为：P₀(0，r₀)，P₁(Rsinα，Rcosα)，P₂(k_xRsinα，k_yRcosα)，掠叶片控制点P₀、P₁、P₃的坐标可以写为：P₀(0，r₀)，P₁(Rtanβ，R)，P₂(k_zRtanβ，k_rR)。

弯叶片控制曲线的控制方程为：

掠叶片控制曲线的控制方程为：

式中，

P_x为弯叶片控制曲线x方向坐标；

P_y为弯叶片控制曲线y方向坐标；

P_z为掠叶片控制曲线z方向坐标；

P_r为掠叶片控制曲线r方向坐标；

t为Bezier函数自变量；

R为叶轮半径；

r₀为叶根半径；

α为弯角；

β为掠角；

k_x为弯叶片控制曲线x方向控制参数；

k_y为弯叶片控制曲线y方向控制参数；

k_z为掠叶片控制曲线z方向控制参数；

k_r为掠叶片控制曲线r方向控制参数。

对于叶轮半径为600～700mm的农用通风机叶片，

优选地，所述弯叶片的三个设计参数：

α的取值范围是5～15°；

k_x的取值范围是0.5～1.5；

k_y的取值范围是0.5～1.0；

优选地，所述掠叶片的三个设计参数：

β的取值范围是5～15°；

k_z的取值范围是-0.5～0.5；

k_r的取值范围是0.5～1.0。

结合优化方法，可得到理论上相应优化目标下的最优弯叶片和最优掠叶片参数组合。对于不同大小的叶轮，设计参数的优化范围可做适当调整。

实施例

将本发明的弯掠叶片设计方法应用在一常规农用通风机叶轮，如图2所示，该农用通风机叶轮包括轮毂2和弯掠叶片1，六个弯掠叶片1围绕轮毂2均匀安放。叶轮半径R＝634mm，叶根半径r₀＝114mm。根据本发明提出的弯叶片控制曲线表达式，则具体的弯叶片控制曲线的控制方程为：

具体的掠叶片控制曲线的控制方程为：

沿叶高均匀选取若干个截面3，作为弯掠叶片造型截面。形状控制点确定重心积叠线形状，重心积叠线形状决定截面的位移。

对于弯叶片，保证截面几何参数不变，保持r、z方向坐标不变，根据弯叶片控制曲线确定每一个截面x、y方向位移量。

对于掠叶片，保证截面几何参数不变，保持x、y、r方向坐标不变，根据掠叶片控制曲线确定每一个截面z方向位移量。

优化方法采用正交试验法，以能效比为优化目标，采用数值模拟方法对每种弯叶片和掠叶片风机进行性能计算，得到能效比。表1、表2分别为弯叶片和掠叶片的正交试验结果。

对比例常规农用通风机叶片α＝10°，k_x＝1.2，k_y＝0.7；能效比24.68m³/(h·W)。β＝5°，k_z＝0，k_r＝0.8，能效比24.68m³/(h·W)。

通过对正交试验结果的分析，确定弯叶片的最优组合为α＝15°，k_x＝1.5，k_y＝0.5，取该最优组合下的弯叶片风机进行核算得到能效比为29.74m³/(h·W)，比常规农用通风机提高了20.5％。掠叶片的最优组合为β＝10°，k_z＝-0.5，k_r＝0.6，取该最优组合下的掠叶片风机进行核算得到能效比为28.49m³/(h·W)，比常规农用通风机提高了15.4％。

表1弯叶片正交试验结果

其中，K1、K2、K3分别指各因素在同一水平下的平均值，如α的K1就是α＝5°的条件下的风量平均值，k_x的K1就是k_x＝0.5的条件下的能效比平均值。

表2掠叶片正交试验结果

Claims (2)

1.一种农用通风机叶轮的弯掠叶片(1)，多个弯掠叶片(1)沿轮毂(2)的周向均匀径向设置构成叶轮，其特征在于：所述弯掠叶片(1)的叶片形状由基于二次Bezier曲线设计的重心积叠线控制，其中，

重心积叠线在周向平面内的投影为弯叶片控制曲线，位于x-y平面内，其控制方程为：

重心积叠线在轴向平面内的旋转投影为掠叶片控制曲线，位于r-z平面内，其控制方程为：

式中，

P_x为弯叶片控制曲线x方向坐标；

P_y为弯叶片控制曲线y方向坐标；

P_z为掠叶片控制曲线z方向坐标；

P_r为掠叶片控制曲线r方向坐标；

t为Bezier函数自变量；

R为叶轮半径；

r₀为叶根半径；

α为弯角；

β为掠角；

k_x为弯叶片控制曲线x方向控制参数；

k_y为弯叶片控制曲线y方向控制参数；

k_z为掠叶片控制曲线z方向控制参数；

k_r为掠叶片控制曲线r方向控制参数；

x方向和y方向分别为叶根重心弯角为0°时，圆柱坐标系转换为直角坐标系后的x方向和y方向；

z方向为轴向，r方向为径向；

对于叶轮半径为600～700mm的农用通风机叶片，

所述弯叶片的三个设计参数为：

α的取值范围为5～15°；

k_x的取值范围为0.5～1.5；

k_y的取值范围为0.5～1.0；

所述掠叶片的三个设计参数为：

β的取值范围为5～15°；

k_z的取值范围为-0.5～0.5；

k_r的取值范围为0.5～1.0。

2.一种农用通风机弯掠叶片(1)的设计方法，其特征在于：

使用基于二次Bezier曲线设计的重心积叠线控制弯掠叶片(1)的叶片形状；

重心积叠线在周向平面内的投影为弯叶片控制曲线，位于x-y平面内；重心积叠线在轴向平面内的旋转投影为掠叶片控制曲线，位于r-z平面内；

弯叶片控制曲线的控制方程为：

掠叶片控制曲线的控制方程为：

式中，

P_x为弯叶片控制曲线x方向坐标；

P_y为弯叶片控制曲线y方向坐标；

P_z为掠叶片控制曲线z方向坐标；

P_r为掠叶片控制曲线r方向坐标；

t为Bezier函数自变量；

R为叶轮半径；

r₀为叶根半径；

α为弯角；

β为掠角；

k_x为弯叶片控制曲线x方向控制参数；

k_y为弯叶片控制曲线y方向控制参数；

k_z为掠叶片控制曲线z方向控制参数；

k_r为掠叶片控制曲线r方向控制参数；

x方向和y方向分别为叶根重心弯角为0°时，圆柱坐标系转换为直角坐标系后的x方向和y方向；

z方向为轴向，r方向为径向；

对于叶轮半径为600～700mm的农用通风机叶片，

所述弯叶片的三个设计参数为：

α的取值范围为5～15°；

k_x的取值范围为0.5～1.5；

k_y的取值范围为0.5～1.0；

所述掠叶片的三个设计参数为：

β的取值范围为5～15°；

k_z的取值范围为-0.5～0.5；

k_r的取值范围为0.5～1.0。