一种农用通风机集风器及其设计方法与流程

1.本发明属于机械应用装备领域，具体涉及一种农用通风机集风器及其设计方法。


背景技术：

2.农用通风机作为一种抽吸、运送、增加气体能量的叶轮机械，随着现代化畜禽养殖业和温室设施农业的高速发展，得到了广泛的应用。
3.集风器作为农用通风机的重要进气部件，沿气流方向连接扩散器(扩压器)，内接百叶窗、电动机转子、叶片等，起着使气流在其中逐渐加速，在损失很小的情况下，得到一个均匀进气速度场的作用。集风器对风机性能影响很大，据《轴流式通风机实用技术》(昌泽舟等编著，机械工业出版社，2005.03)介绍，设计良好的集风器相比没有集风器的通风机，可使风机效率及全压分别提高10％～15％及10％～12％。
4.截止目前，对于农用通风机集风器的结构参数设计大多依赖经验，并未有现成的成果可供本领域普通技术人员使用，基于上述背景提出本发明。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种农用通风机集风器及其设计方法，通过一种通风量、通风能效比与集风器结构参数的函数模型，得到农用通风机集风器的进口段长度、圆角半径、出口段直径的最佳取值，从而显著提高通风机的通风量及通风能效比，改善集风器内部流态，减少因涡流造成的湍动能损失，增大正涡量对叶轮做功的增益。
6.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
7.一种农用通风机集风器的设计方法，所述农用通风机集风器为24英寸农用通风机集风器；其中，
8.农用通风机集风器包括集风器出口1、叶片环3及集风器进深段5；
9.集风器进深段5为集风器进口段，依次与叶片环3和集风器出口1连接；
10.集风器进深段5包括进口直线段4和集风器变截面段8；进口直线段4包括形状为正方形且相互平行的进口截面和出口截面；所述进口直线段4的进口截面的侧边为进口侧边6；所述进口直线段4的进口截面和出口截面之间的距离为进口直线段4的长度x1；
11.集风器变截面段8包括进口截面和终止截面；集风器变截面段8的进口截面和终止截面的形状为正方形；集风器变截面段8的进口截面的边长与进口侧边6相同；所述集风器变截面段8的终止截面的侧边为出口直线段2，出口直线段2的长度小于进口侧边6，相邻的出口直线段2之间通过与其相切且平滑连接的集风器圆角7连接；集风器圆角7为1/4圆弧，所述圆弧的半径为集风器圆角7的半径x2；
12.集风器出口1内接通风机叶片，集风器出口1的出口截面为圆形，所述圆形的直径为集风器出口1的直径x3；集风器出口1外切于出口直线段2；
13.所述方法包括如下步骤：
14.s1、测量农用通风机集风器的集风器出口1的直径x3
15.借助测量工具，测量农用通风机集风器的集风器出口1的直径x3；
16.s2、确定通风量与通风能效比权重
17.s3、确定目标通风量或目标通风能效比
18.s4、求解集风器结构参数
19.对于24英寸农用通风机集风器，通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型为：
20.通风量＝9531.11
‑
67.62x1 205.46x2
‑
601.40x3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1
21.其中，x1为进口直线段4的长度，单位为mm；x2为集风器圆角7的半径，单位为mm；x3为集风器出口1的直径，单位为mm；
22.使用步骤s1中测量得到的集风器出口1的直径x3，步骤s2中得到的通风量与通风能效比权重以及步骤s3中得到的目标通风量或目标通风能效比，利用公式1和公式2的函数模型求解集风器结构参数，即进口直线段4的长度x1和集风器圆角7的半径x2；
23.s5、根据步骤s4得到的集风器结构参数，构造24英寸农用通风机集风器。
24.步骤s2中，通风量与通风能效比为1:2或1:3或2:3。
25.步骤s3中，所述目标通风量或目标通风能效比为目标性能的125％；目标性能为设计工况下现有集风器的通风量或通风能效比。
26.步骤s4中，农用通风机集风器各权重下的集风器参数为：
[0027][0028][0029]
参数单位为毫米(mm)。
[0030]
步骤s4中，由于函数模型属于曲面方程，采用design
‑
expert 10软件辅助求解。
[0031]
采用上述方法构造的24英寸农用通风机集风器。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0033]
1)本发明的农用通风机集风器，通过一种通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型，显著提高农用通风机的通风量和通风能效比。
[0034]
2)本发明的农用通风机集风器，能够将农用通风机的通风能效比提高1.3％～7％，通风量提高2.7％～6％。
[0035]
3)本发明的农用通风机集风器，能够有效改善集风器内部流态，减少涡流和叶顶
内泄漏流，增大正涡量对叶轮做功的增益。
附图说明
[0036]
图1a为本发明的农用通风机集风器的实施例的正等测结构图；
[0037]
图1b为本发明的农用通风机集风器的实施例的左视结构图；
[0038]
图1c为本发明的农用通风机集风器的实施例的俯视结构图；
[0039]
图2a为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器风量对比曲线图；
[0040]
图2b为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器通风能效比对比曲线图；
[0041]
图2c为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器轴向速度对比曲线图；
[0042]
图3为本发明的农用通风机集风器的实施例1沿y轴切片位置示意图；
[0043]
图4a为现有集风器中y＝0mm处的切片流线图；
[0044]
图4b为本发明的农用通风机集风器的实施例1中y＝0mm处切片流线图。
[0045]
其中的附图标记为：
[0046]
1集风器出口
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2出口直线段
[0047]
3叶片环
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4进口直线段
[0048]
5集风器进深段
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6进口侧边
[0049]
7集风器圆角
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
8集风器变截面段
[0050]
9现有集风器叶顶间隙
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10现有集风器进口左侧旋涡
[0051]
11现有集风器进口右侧旋涡
ꢀꢀꢀꢀ
12本发明集风器叶顶间隙
[0052]
13本发明集风器进口左侧旋涡
ꢀꢀ
14本发明集风器进口右侧旋涡
具体实施方式
[0053]
为使本发明的技术特点更加清晰，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0054]
图1a、图1b和图1c示出本发明农用通风机集风器实施例的结构。所述农用通风机集风器包括集风器出口1、叶片环3及集风器进深段5。其中，
[0055]
集风器进深段5为集风器进口段，依次与叶片环3和集风器出口1连接。集风器出口1、叶片环3及集风器进深段5均采用模压成型，无缝一体连接。
[0056]
集风器进深段5包括进口直线段4和集风器变截面段8。进口直线段4包括形状为正方形且相互平行的进口截面和出口截面。所述进口直线段4的进口截面的侧边为进口侧边6。所述进口直线段4的进口截面和出口截面之间的距离为进口直线段4的长度x1。
[0057]
集风器变截面段8包括进口截面和终止截面。集风器变截面段8的进口截面和终止截面的形状为正方形。集风器变截面段8的进口截面的边长与进口侧边6相同。所述集风器变截面段8的终止截面的侧边为出口直线段2，出口直线段2的长度小于进口侧边6，相邻的出口直线段2之间通过与其相切且平滑连接的集风器圆角7连接。集风器圆角7为1/4圆弧，所述圆弧的半径为集风器圆角7的半径x2。
[0058]
集风器出口1内接通风机叶片，集风器出口1的出口截面为一定直径的圆形，所述
圆形的直径为集风器出口1的直径x3。集风器出口1外切于出口直线段2。
[0059]
风机性能的工况点常用设计工况和全工况来表征，其中本发明所述设计工况点为风机进口静压等于12.25pa，全工况为风机进口静压范围在0～80pa。
[0060]
一种农用通风机集风器的设计方法，包括如下步骤：
[0061]
s1、测量24英寸农用通风机集风器的集风器出口1的直径x3
[0062]
借助测量工具，测量24英寸农用通风机集风器的集风器出口1的直径x3。
[0063]
当集风器出口1的直径确定以后，即可开展进口直线段4的长度x1和集风器圆角7的半径x2的参数求解。
[0064]
s2、确定通风量与通风能效比权重
[0065]
为保证有效提高农用轴流通风机的性能，一般设置通风能效比权重大于通风量。优选地，通风量与通风能效比为1:2或1:3或2:3。
[0066]
s3、确定目标通风量或目标通风能效比
[0067]
结合24英寸农用通风机的设计目标性能，确定预计达到的目标通风量或目标通风能效比。优选地，所述目标通风量或目标通风能效比为目标性能的125％。目标性能为设计工况下现有集风器的通风量或通风能效比。
[0068]
s4、求解集风器结构参数
[0069]
对于24英寸农用通风机集风器，通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型为：
[0070]
通风量＝9531.11
‑
67.62x1 205.46x2
‑
601.40x3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1
[0071]
其中，x1为进口直线段4的长度，单位为mm；x2为集风器圆角7的半径，单位为mm；x3为集风器出口1的直径，单位为mm。
[0072]
使用步骤s1中测量得到的集风器出口1的直径x3，步骤s2中得到的通风量与通风能效比权重以及步骤s3中得到的目标通风量或目标通风能效比，利用公式1和公式2的函数模型求解集风器结构参数，即进口直线段4的长度x1和集风器圆角7的半径x2。
[0073]
由于通风量与通风能效比权重取值会对集风器参数产生影响，下表示出本发明的农用通风机集风器常用通风量与通风能效比权重，包括各权重下的集风器参数，参数单位为毫米(mm)。
[0074][0075]
即：
[0076]
当通风量与通风能效比为1:1时，进口直线段4的长度x1为148.88mm；集风器圆角7的半径x2为322.44mm；集风器出口1的直径x3为678mm。
[0077]
当通风量与通风能效比为1:2时，进口直线段4的长度x1为149.27mm；集风器圆角7的半径x2为321.68mm；集风器出口1的直径x3为678mm。
[0078]
当通风量与通风能效比为1:3时，进口直线段4的长度x1为151.54mm；集风器圆角7的半径x2为321.79mm；集风器出口1的直径x3为678.87mm。
[0079]
当通风量与通风能效比为1:4时，进口直线段4的长度x1为153.06mm；集风器圆角7的半径x2为321.89mm；集风器出口1的直径x3为679.46mm。
[0080]
当通风量与通风能效比为1:5时，进口直线段4的长度x1为154.10mm；集风器圆角7的半径x2为321.953mm；集风器出口1的直径x3为679.89mm。
[0081]
当通风量与通风能效比为2:3时，进口直线段4的长度x1为149.14mm；集风器圆角7的半径x2为321.94mm；集风器出口1的直径x3为678mm。
[0082]
当通风量与通风能效比为2:5时，进口直线段4的长度x1为150.47mm；集风器圆角7的半径x2为321.72mm；集风器出口1的直径x3为678.45mm。
[0083]
当通风量与通风能效比为3:4时，进口直线段4的长度x1为149.06mm；集风器圆角7的半径x2为322.07mm；集风器出口1的直径x3为678mm。
[0084]
当通风量与通风能效比为3:5时，进口直线段4的长度x1为149.19mm；集风器圆角7的半径x2为321.84mm；集风器出口1的直径x3为678mm。
[0085]
当通风量与通风能效比为4:5时，进口直线段4的长度x1为149.03mm；集风器圆角7的半径x2为322.14mm；集风器出口1的直径x3为678mm。
[0086]
当通风量与通风能效比为5:6时，进口直线段4的长度x1为190mm；集风器圆角7的半径x2为89.86mm；集风器出口1的直径x3为680.88mm。
[0087]
s5、根据步骤s4得到的集风器结构参数，构造24英寸农用通风机集风器。
[0088]
优选地，步骤s4中，由于函数模型属于曲面方程，求解最值问题工作量偏大，采用design
‑
expert 10软件辅助求解。
[0089]
实施例1
[0090]
一种24英寸农用通风机集风器结构如图1a、图1b和图1c所示(该24英寸农用通风机以下称为原型机)。该风机转速为825r/min，集风器出口1的直径为683mm，进口直线段4的
长度为130mm，进口侧边6的长度为762mm，集风器圆角7的半径为100mm。
[0091]
该原型机在设计工况下，通风量为9352.698m3/h，通风能效比为18.76m3/(h
·
w)。
[0092]
为了对上述24英寸农用通风机集风器进行改进，采用以下步骤：
[0093]
s1、测量24英寸农用通风机集风器的集风器出口1的直径x3
[0094]
经测量，集风器出口1的直径x3为683mm。
[0095]
s2、确定通风量与通风能效比权重
[0096]
设定通风量与通风能效比权重设为1:2。
[0097]
s3、确定目标通风量或目标通风能效比
[0098]
确定农用通风机集风器的通风量为9352.698
×
125％＝11690.873m3/h，通风能效比为18.76
×
125％＝23.45m3/(h
·
w)。
[0099]
s4、求解集风器结构参数
[0100]
对于24英寸农用通风机集风器，通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型为：
[0101]
通风量＝9531.11
‑
67.62x1 205.46x2
‑
601.40x3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1
[0102]
其中，x1为进口直线段4的长度，单位为mm；x2为集风器圆角7的半径，单位为mm；x3为集风器出口1的直径，单位为mm。
[0103]
使用步骤s1中测量得到的集风器出口1的直径x3，步骤s2中得到的通风量与通风能效比权重以及步骤s3中得到的目标通风量或目标通风能效比，利用公式1和公式2的函数模型求解集风器结构参数，即进口直线段4的长度x1和集风器圆角7的半径x2。
[0104]
故本发明的农用通风机集风器参数设定为进口直线段4的长度为149.271mm，集风器圆角7的半径为321.682mm，集风器出口1的直径为678mm。
[0105]
采用本发明的农用通风机集风器，在设计工况下，农用通风机集风器的通风量为9900.54m3/h，通风能效比为20.03m3/(h
·
w)，相比原型机，通风量可提高5.86％，通风能效比可提高6.79％。
[0106]
为详细说明本发明的农用通风机集风器在全工况下的性能情况，现从通风量、通风能效比和轴向速度角度定量进行分析。
[0107]
图2a为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器通风量对比曲线图，可见通风量随着进口静压的增大呈逐渐减小趋势，本发明的农用通风机集风器在全工况下均优于现有集风器。
[0108]
图2b为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器通风能效比对比曲线图，可见通风能效比随着进口静压的增大呈逐渐减小趋势，在进口静压在60pa附近时，现有集风器优于本发明的农用通风机集风器，在其他进口静压的情况下，本发明的农用通风机集风器优于现有风机集风器。
[0109]
图2c为本发明的农用通风机集风器的实施例1与现有集风器轴向速度对比曲线图，可见本发明的农用通风机集风器的轴向速度在叶高10％～95％之间均大于现有集风器。在叶高小于20％的轴向速度近似为0，原因是该位置处于轮毂位置，无空气流通；叶高大于90％的负轴向速度最大为6.61m/s。轴向速度沿叶高分布曲线的斜率在数值上可理解为
涡量值，在叶高小于75％时切线斜率基本大于0，且本发明的农用通风机集风器的切线斜率大于现有集风器，故风机叶轮因正涡量做功能力得到加强。
[0110]
为进一步说明本发明的农用通风机集风器的益处，取集风器y＝0mm处切片展示内部流场特征。其中，图3为本发明的农用通风机集风器的实施例1中沿y轴切片位置示意图。
[0111]
s1、集风器y轴切片处理
[0112]
为更为直观地了解集风器内部流场特征，需要对集风器垂直y轴进行等间距切片处理。本发明所取间距为100mm，以y＝0mm处切片为对称面，沿y轴正方向和负方向分别等间距取3个切面。
[0113]
所述y轴属于以集风器进口平面建立的x、y轴相互正交平面，该x、y轴交点定义为y＝0mm，y＝0mm位于集风器进口平面几何中心点。
[0114]
s2、切片流场分析
[0115]
图4a为现有集风器在y＝0mm处的切片流线图，图4b为本发明的农用通风机集风器的实施例1在y＝0mm处的切片流线图。
[0116]
由图4a可见，现有集风器叶顶间隙9处存在间隙内泄漏流，现有集风器进口左侧旋涡10呈逆时针旋转，现有集风器进口右侧旋涡11呈顺时针旋转。
[0117]
由图4b可见，本发明集风器叶顶间隙12并无明显间隙内泄漏流，本发明集风器进口左侧旋涡13呈逆时针旋转且旋涡影响区域相比现有集风器进口左侧旋涡10明显减小，本发明集风器进口右侧旋涡14涡流强度明显减小。故，采用本发明的农用通风机集风器，可有效改善集风器内部流态，减少叶顶间隙内泄漏流及内部涡流，削弱旋涡对主流的影响及因涡旋存在造成的湍动能损失。
[0118]
对于本领域普通技术人员而言，可根据工作需要，按图3其余切片位置进行更为详尽的分析。
[0119]
实施例2
[0120]
一种24英寸农用轴流风机，采用以下步骤：
[0121]
s1、测量24英寸农用通风机集风器的集风器出口1的直径x3
[0122]
经测量，集风器出口1的直径x3为685mm。
[0123]
s2、确定通风量与通风能效比权重
[0124]
设定通风量与通风能效比权重设为5:6。
[0125]
s3、确定目标通风量或目标通风能效比
[0126]
确定农用通风机集风器的通风量为9353.116
×
125％＝11691.395m3/h，通风能效比为19.01
×
125％＝23.76m3/(h
·
w)。
[0127]
s4、求解集风器结构参数
[0128]
对于24英寸农用通风机集风器，通风量和通风能效比与集风器结构参数的函数模型为：
[0129]
通风量＝9531.11
‑
67.62x1 205.46x2
‑
601.40x3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1
[0130]
其中，x1为进口直线段4的长度，单位为mm；x2为集风器圆角7的半径，单位为mm；x3为集风器出口1的直径，单位为mm。
[0131]
使用步骤s1中测量得到的集风器出口1的直径x3，步骤s2中得到的通风量与通风能效比权重以及步骤s3中得到的目标通风量或目标通风能效比，利用公式1和公式2的函数模型求解集风器结构参数，即进口直线段4的长度x1和集风器圆角7的半径x2。
[0132]
故本发明的农用通风机集风器参数设定为进口直线段4的长度为190mm，集风器圆角7的半径为89.86mm，集风器出口1的直径为680.88mm。
[0133]
在设计工况下，本发明的农用通风机集风器的通风量提高至9605.65m3/h，提高幅度为2.7％；通风能效比提高至19.26m3/(h
·
w)，提高幅度为1.3％。