一种整体成型的弯掠组合叶片、叶轮及轴流通风机的制作方法

1.本实用新型属于煤矿通风领域，涉及矿用轴流通风机，具体涉及一种整体成型的弯掠组合叶片、叶轮及轴流通风机。


背景技术：

2.矿用风机作为矿山安全生产的主要技术装备，是矿井通风系统的重要组成部分，是矿井安全生产和灾害防治的基础。矿用风机的运行效率的高低以及可靠性问题是煤矿关心的焦点。由于局部老矿井风机老化，运行效率低，正逐渐被高效节能风机所代替，各种各样的风机应运而生，对旋风机就是引进国外80年代新技术经消化吸收后研制生产的矿用矿用风机的更新换代产品。以其压力高、流量大、高效、结构紧凑、反风容易的特点深受煤矿的青睐。但是经过临时的实践证明，对旋轴流矿用风机还存在噪声大等一些缺陷。
3.通风机的能耗、噪音和其核心部件——风扇叶片有直接的关系，叶片技术决定了通风机的最终性能。弯掠叶片除沿叶展方向的扭转外，在叶片的叶身顶部和叶柄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身顶部和叶柄区域的弯掠，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。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种整体成型的弯掠组合叶片、叶轮及轴流通风机，解决现有技术中在降低矿用轴流通风机气动性能的同时提高矿用轴流通风机工作效率的技术问题。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：
6.一种整体成型的弯掠组合叶片，包括整体成型的叶身和叶柄；所述的叶身包括叶身根部、叶身中部和叶身顶部；所述的叶柄上设置有叶柄卡槽，控制弯掠组合叶片的叶身形状的重心积叠线是二次bezier曲线；其中，
7.控制弯掠组合叶片的叶身形状的重心积叠线在周向平面内投影为叶片前弯控制线，在周向平面内建立x-y平面直角坐标系，x和y分别为x-y平面直角坐标系内的横坐标和纵坐标；在x-y平面直角坐标系内，以叶身根部重心与叶柄的交点为坐标原点，以叶片所在的叶轮切向作为横坐标x，以叶片径向作为纵坐标y；
8.在x-y平面直角坐标系内，叶片前弯控制线控制方程为：
9.10.p
x
为叶片前弯控制曲线x方向坐标；
11.py为叶片前弯控制曲线y方向坐标；
12.r为叶片径向长度；
13.α为弯角，取值范围为5
°
～20
°
；
14.t1为前弯控制线中bezier函数自变量；
15.k
x
为叶片前弯控制曲线x方向控制参数，取值范围为0《k
x
《1.5；
16.ky为叶片前弯控制曲线y方向控制参数，取值范围为0《ky《1；
17.控制弯掠组合叶片的叶身形状的重心积叠线在轴向平面内投影为叶片前弯控制线，在轴向平面内建立z-r平面直角坐标系，z和r分别为z-r平面直角坐标系内的横坐标和纵坐标；在z-r平面直角坐标系内，以叶身根部重心与叶柄的交点为坐标原点，以平行于叶片所在叶轮的旋转中心轴向作为横坐标z，以叶片径向作为纵坐标r；
18.在z-r平面直角坐标系即轴向平面内，叶片前掠控制线控制方程为：
[0019][0020]
式中，
[0021]
pz为叶片前掠控制曲线z方向坐标；
[0022]
pr为叶片前掠控制曲线r方向坐标；
[0023]
r为叶片径向长度；
[0024]
β为掠角，取值范围为5
°
～15
°
；
[0025]
t2为前掠控制线中bezier函数自变量；
[0026]kz
为叶片前掠控制曲线z方向控制参数，取值范围为-1《kz《1；
[0027]
kr为叶片前掠控制曲线r方向控制参数，取值范围为0《kr《1。
[0028]
本实用新型还有如下技术特征：
[0029]
对于叶片长度为532mm的弯掠组合叶片，
[0030]
所述的叶片前弯控制线控制方程的三个参数为：
[0031]
α＝10
°
；
[0032]kx
＝1.4；
[0033]ky
＝0.6；
[0034]
所述的叶片前掠控制线控制方程的三个参数为：
[0035]
β＝15
°
；
[0036]kz
＝-0.6；
[0037]
kr＝0.8。
[0038]
所述的弯掠组合叶片的叶身中部在叶身的0.4处。
[0039]
所述的弯掠组合叶片具体为整体成型的铝合金弯掠组合叶片。
[0040]
所述的弯掠组合叶片的叶身厚度由叶身前缘到叶身后缘逐渐递减。
[0041]
一种叶轮，由多个如上所述的弯掠组合叶片沿轮毂周向均匀安装构成叶轮，轮毂的中心设置有前后凸出的轮毂转动轴安装盘，轮毂转动轴安装盘的中心设置有轮毂转动轴
安装孔，轮毂转动轴安装盘的端面上设置有环形腹板，环形腹板上设置有均匀分布的叶片安装槽；所述的环形腹板外圆设置有前后凸出的叶片安装盘，所述的叶片安装盘上向轮毂中心开设有贯通叶片安装盘并与叶片安装槽相对应的叶片安装孔，叶片安装孔上设置有销形缺口。
[0042]
所述的弯掠组合叶片通过卡箍固定安装在叶片安装孔内，所述的卡箍包括第一子箍和第二子箍，第一子箍和第二子箍通过螺栓连接，第一子箍的端面上设置有一个销形凸台。
[0043]
一种轴流通风机，包括风筒、电机和叶轮，所述的风筒包括进风筒和出风筒，所述的电机包括一级电机和二级电机，所述的叶轮包括一级叶轮和二级叶轮；所述的一级叶轮和一级电机相连接，所述的一级电机安装在一级电机筒内，一级电机筒安装在进风筒内；所述的二级叶轮和二级电机相连接，所述的二级电机安装在二级电机筒内，二级电机筒安装在出风筒内；所述的二级电机筒设置与圆锥形过渡段电机筒相连接，所述的一级叶轮和二级叶轮为所述的叶轮，所述的一级叶轮和二级叶轮相对设置，按相反方向旋转。
[0044]
所述的一级叶轮的叶片数为10个，所述的二级叶轮的叶片数为9个。
[0045]
所述的一级叶轮和二级叶轮的轮毂中心的轮毂转动轴安装孔分别转动式安装在一级电机和二级电机上；所述的一级电机和二级电机均为隔爆电动机，一级电机筒和二级电机筒通过肋板与风筒连接。
[0046]
本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0047]
(ⅰ)本实用新型采用的控制弯掠组合叶片的叶身形状的重心积叠线是二次bezier曲线的弯掠组合叶片，有效控制了叶片径向力梯度和沿叶高的二次流分布，消除附面层堆积及避免漩涡的汇合，降低涡流噪声，增加矿用轴流通风机的气动性能，提高矿用轴流通风机的工作效率。通过实验证明本实用新型提供的矿用轴流通风机全压效率为87％，比传统矿用轴流通风机全压效率提高了 5％以上。
[0048]
(ⅱ)本实用新型叶片采用整体成形的弯掠组合叶片，运用弯掠组合正交型三维优化设计理论设计，叶片截面为机翼型，叶片前缘设计圆角，避免叶身顶部尖锐导致叶片抗疲劳强度降低，提高叶片的强度及刚度，延长叶片使用寿命。
[0049]
(ⅲ)本实用新型弯掠组合叶片的叶片前掠15
°
可以调整动叶身顶部吸力面的静压分布，减小其与压力面之间的压差，降低了叶身顶部泄漏涡造成的损失；通过改变吸力面的静压分布，减小由叶身中部指向叶身顶部的静压梯度，削弱叶片表面的径向二次流，避免了叶身顶部低能流体的集聚，提高了叶片的气动性能和效率。
[0050]
(ⅳ)本实用新型弯掠组合叶片的叶片前弯10
°
改变了叶片下端壁处的静压分布，减小了叶身根部吸力面逆压梯度，削弱由叶身根部端壁处的周向二次流动造成的损失，使得叶身根部的低能流体提前向叶身中部迁移，减小了叶身根部尾缘低能流体的集聚所造成的损失及气流堵塞，提高了叶片的气动性能和效率。
附图说明
[0051]
图1为叶轮结构示意图。
[0052]
图2为叶片结构示意图。
[0053]
图3为叶片俯视结构示意图。
[0054]
图4为卡箍结构示意图。
[0055]
图5为弯掠组合叶片叶片x-y平面前弯曲线图。
[0056]
图6为弯掠组合叶片叶片z-r平面前掠曲线图。
[0057]
图7为矿用轴流通风机结构示意图。
[0058]
图中各个标号的含义为：1-叶身，2-叶柄，3-叶柄卡槽，4-弯掠组合叶片， 5-轮毂，6-叶轮，7-轮毂转动轴安装盘，8-轮毂转动轴安装孔，9-环形腹板， 10-叶片安装槽，11-叶片安装盘，12-叶片安装孔，13-销形缺口，14-卡箍，15
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风筒，16-电机，17-一级电机筒，18-二级电机筒，19-圆锥形过渡段电机筒， 20-肋板。
[0059]
101-叶身根部，102-叶身中部，103-叶身顶部，104-叶身前缘，105-叶身后缘。
[0060]
601-一级叶轮，602-二级叶轮。
[0061]
1401-第一子箍，1402-第二子箍，1403-螺栓，1404-销形凸台。
[0062]
1501-进风筒，1502-出风筒。
[0063]
1601-一级电机，1602-二级电机。
[0064]
以下结合实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
[0065]
一种整体成型的弯掠组合叶片、叶轮及轴流通风机，所述的控制弯掠组合叶片的叶身形状的重心积叠线是二次bezier曲线；控制弯掠组合叶片的叶身形状的重心积叠线在周向平面内投影为叶片前弯控制线，控制弯掠组合叶片的叶身形状的重心积叠线在轴向平面内投影为叶片前掠控制线，在周向平面内建立 x-y平面直角坐标系，x和y分别为x-y平面直角坐标系内的横坐标和纵坐标；在x-y平面直角坐标系内，以叶身根部重心与叶柄的交点为坐标原点，以叶片所在的叶轮切向作为横坐标x，以叶片径向作为纵坐标y；在轴向平面内建立 z-r平面直角坐标系，z和r分别为z-r平面直角坐标系内的横坐标和纵坐标；在z-r平面直角坐标系内，以叶身根部重心与叶柄的交点为坐标原点，以平行于叶片所在叶轮的旋转中心轴向作为横坐标z，以叶片径向作为纵坐标r。
[0066]
重心积叠线、周向平面和轴向平面为本领域公知常识。
[0067]
重心积叠线定义为由叶片的叶身根部到叶身顶部各个截面的重心所构成的曲线。
[0068]
周向平面定义为叶轮圆周切向与叶轮径向构成周向平面，即垂直于所在叶轮的旋转中心轴线并平分叶轮厚度的平面。
[0069]
轴向平面定义为叶轮轴向与叶轮径向构成轴向平面，即平行于所在叶轮的旋转中心轴线并平分叶轮的平面。
[0070]
如图5和图6所示，所述的控制弯掠组合叶片的叶身形状的重心积叠线是二次bezier曲线，重心积叠线的起点p1为叶身根部重心与叶柄的交点，即起点p1位于x-y平面直角坐标系上的坐标原点，a点为叶身中部，p2为叶身顶部的重心，p3为叶片前弯控制点，k
x
为叶片前弯控制点p3在x方向的控制参数，ky为叶片前弯控制点p3在y方向的控制参数；p4为叶片前掠控制点，kz为叶片前掠控制点p4在z方向的控制参数，kr为叶片前掠控制点p4在r方向的控制参数。引入叶片具体参数：叶片长度r，弯角α，掠角β。
[0071]
在x-y平面直角坐标系下，前弯叶片各点p1、p2、p3的坐标分别为：p1 (0，0)、p2(r sinα、r cosα)、p3(k
x r sinα、k
y r cosα)；在rz-r 平面直角坐标系下，前掠叶片各点p1、
p2、p4的坐标分别为：p1(0，0)、 p2(r sinβ、r cosβ)、p4(k
z r sinβ、kzr cosβ)。
[0072]
在x-y平面直角坐标系内，叶片前弯控制线控制方程为：
[0073][0074]
在z-r平面直角坐标系内，叶片前掠控制线控制方程为：
[0075][0076]
式中，
[0077]
p
x
为叶片前弯控制曲线x方向坐标；
[0078]
py为叶片前弯控制曲线y方向坐标；
[0079]
pz为叶片前掠控制曲线z方向坐标；
[0080]
pr为叶片前掠控制曲线r方向坐标；
[0081]
r为叶片径向长度；
[0082]
α为弯角，取值范围为5
°
～20
°
；
[0083]
β为掠角，取值范围为5
°
～15
°
；
[0084]
t1为前弯控制线中bezier函数自变量；
[0085]
t2为前掠控制线中bezier函数自变量；
[0086]kx
为叶片前弯控制曲线x方向控制参数，取值范围为0《k
x
《1.5；
[0087]ky
为叶片前弯控制曲线y方向控制参数，取值范围为0《ky《1；
[0088]kz
为叶片前掠控制曲线z方向控制参数，取值范围为-1《kz《1；
[0089]
kr为叶片前掠控制曲线r方向控制参数，取值范围为0《kr《1。
[0090]
需要说明的是，本实用新型中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。
[0091]
以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。
[0092]
实施例1：
[0093]
本实施例给出一种整体成型的弯掠组合叶片，如图1至图4所示，包括整体成型的叶身1和叶柄2；所述的叶身1包括叶身根部101、叶身中部102和叶身顶部103；所述的叶柄2上设置有叶柄卡槽3，所述的控制弯掠组合叶片 4的叶身1形状的重心积叠线是二次bezier曲线；其中，
[0094]
控制弯掠组合叶片4的叶身1形状的重心积叠线在周向平面内投影为叶片前弯控制线，在周向平面内建立x-y平面直角坐标系，x和y分别为x-y平面直角坐标系内的横坐标和纵坐标；在x-y平面直角坐标系内，以叶身根部重心与叶柄的交点为坐标原点，以叶片所在的叶轮切向作为横坐标x，以叶片径向作为纵坐标y；
[0095]
在x-y平面直角坐标系内，叶片前弯控制线控制方程为：
[0096][0097]
p
x
为叶片前弯控制曲线x方向坐标；
[0098]
py为叶片前弯控制曲线y方向坐标；
[0099]
r为叶片径向长度；
[0100]
α为弯角，取值范围为5
°
～20
°
；
[0101]
t1为前弯控制线中bezier函数自变量；
[0102]kx
为叶片前弯控制曲线x方向控制参数，取值范围为0《k
x
《1.5；
[0103]ky
为叶片前弯控制曲线y方向控制参数，取值范围为0《ky《1；
[0104]
控制弯掠组合叶片4的叶身1形状的重心积叠线在轴向平面内投影为叶片前弯控制线，在轴向平面内建立z-r平面直角坐标系，z和r分别为z-r平面直角坐标系内的横坐标和纵坐标；在z-r平面直角坐标系内，以叶身根部重心与叶柄的交点为坐标原点，以平行于叶片所在叶轮的旋转中心轴向作为横坐标z，以叶片径向作为纵坐标r；
[0105]
在z-r平面直角坐标系即轴向平面内，叶片前掠控制线控制方程为：
[0106][0107]
式中，
[0108]
pz为叶片前掠控制曲线z方向坐标；
[0109]
pr为叶片前掠控制曲线r方向坐标；
[0110]
r为叶片径向长度；
[0111]
β为掠角，取值范围为5
°
～15
°
；
[0112]
t2为前掠控制线中bezier函数自变量；
[0113]kz
为叶片前掠控制曲线z方向控制参数，取值范围为-1《kz《1；
[0114]
kr为叶片前掠控制曲线r方向控制参数，取值范围为0《kr《1。
[0115]
作为本实施例的一种优选方案，对于叶片长度为532mm的弯掠组合叶片 4，
[0116]
所述的叶片前弯控制线控制方程的三个参数为：
[0117]
α＝10
°
；
[0118]kx
＝1.4；
[0119]ky
＝0.6；
[0120]
所述的叶片前掠控制线控制方程的三个参数为：
[0121]
β＝15
°
；
[0122]kz
＝-0.6；
[0123]
kr＝0.8。
[0124]
作为本实施例的一种优选方案，所述的弯掠组合叶片4的叶身中部102 在叶身的0.4处。
[0125]
作为本实施例的一种优选方案，所述的弯掠组合叶片4具体为整体成型的铝合金
弯掠组合叶片。
[0126]
作为本实施例的一种优选方案，所述的弯掠组合叶片4的叶身1厚度由叶身前缘104到叶身后缘105逐渐递减。
[0127]
一种叶轮，由多个如上所述的弯掠组合叶片4沿轮毂5周向均匀安装构成叶轮6，轮毂5的中心设置有前后凸出的轮毂转动轴安装盘7，轮毂转动轴安装盘7的中心设置有轮毂转动轴安装孔8，轮毂转动轴安装盘7的端面上设置有环形腹板9，环形腹板9上设置有均匀分布的叶片安装槽10；所述的环形腹板9外圆设置有前后凸出的叶片安装盘11，所述的叶片安装盘11上向轮毂5 中心开设有贯通叶片安装盘11并与叶片安装槽10相对应的叶片安装孔12，叶片安装孔12上设置有销形缺口13。
[0128]
作为本实施例的一种优选方案，所述的弯掠组合叶片4通过卡箍14固定安装在叶片安装孔12内，所述的卡箍14包括第一子箍1401和第二子箍1402，第一子箍1401和第二子箍1402通过螺栓1403连接，第一子箍1401的端面上设置有一个销形凸台1404。
[0129]
一种轴流通风机，包括风筒15、电机16和叶轮6，所述的风筒15包括进风筒1501和出风筒1502，所述的电机16包括一级电机1601和二级电机1602，所述的叶轮6包括一级叶轮601和二级叶轮602；所述的一级叶轮601和一级电机1601相连接，所述的一级电机1601安装在一级电机筒17内，一级电机筒17安装在进风筒1501内；所述的二级叶轮602和二级电机1602相连接，所述的二级电机1602安装在二级电机筒18内，二级电机筒18安装在出风筒 1502内；所述的二级电机筒18设置与圆锥形过渡段电机筒19相连接，所述的一级叶轮601和二级叶轮602为所述的叶轮，所述的一级叶轮601和二级叶轮602相对设置，按相反方向旋转。
[0130]
作为本实施例的一种优选方案，所述的一级叶轮601的叶片数为10个，所述的二级叶轮602的叶片数为9个。
[0131]
作为本实施例的一种优选方案，所述的一级叶轮601和二级叶轮602的轮毂5中心的轮毂转动轴安装孔8分别转动式安装在一级电机1601和二级电机 1602上；所述的一级电机1601和二级电机1602均为隔爆电动机，一级电机筒17和二级电机筒18通过肋板20与风筒15连接。
[0132]
遵从上述技术方案，如图7所示，所述的一级叶轮与二级叶轮之间相距 30mm，一级叶轮与二级叶轮上安装的弯掠组合叶片与风筒的间隙为3mm。
[0133]
对矿用轴流通风机进行流动分析，矿用轴流通风机的数值模拟在标准大气状态下进行，流动介质为空气，大气压pa＝101325pa，环境温度ta＝25℃，气体密度ρ＝1.185kg/m3，海拔高度a＝0m，模拟通风机转速n＝590rpm。
[0134]
对比现有矿用轴流通风机，在没有加装消音装置的情况下，对叶片所带来的气动噪声进行测量试验。表1、表2分别为整体成形的弯掠组合叶片矿用轴流通风机和传统矿用轴流通风机声压级试验结果：
[0135]
表1整体成形的弯掠组合叶片矿用轴流通风机(db)
[0136][0137]
表2传统矿用轴流通风机声压级数据(db)
[0138][0139][0140]
上述试验对比可以得到，在没有加装消音装置的情况下，使用整体成形弯掠组合叶片传统矿用轴流通风机明显比传统叶片传统矿用轴流通风机噪音降低大约10分贝。