轴流风机
专利汇可以提供轴流风机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了新型 叶轮 叶片 的轴流 风 机。现有 轴流风机 很难进一步结构优化来提升性能。本发明的叶轮结构为将SDF‑11.2型号 风机叶轮 的叶片上六个截面的截面安装 角 分别设计成βA‑A、βA‑B、βA‑C、βA‑D、βA‑E、βA‑F后的结构，βA‑A＝49.37°，βA‑B＝47.05°，βA‑C＝41.15°，βA‑D＝38.57°，βA‑E＝44.66°，βA‑F＝42.65°；截面A为叶片与 轮毂 的相交面，截面F为叶顶截面，截面B、C、D、E分别为与截面A距离20％、40％、60％、80％的叶片 位置 处。本发明通过改变SDF‑11.2型号风机的6个截面安装角，大大提高叶轮 气动 性能。，下面是轴流风机专利的具体信息内容。
1.轴流风机，包括叶轮、导叶、外筒、内筒、电机、轴套和网罩；所述的外筒、导叶和内筒通过焊接固连在一起；电机的底座固定在内筒上，叶轮通过轴套固定在电机的输出轴上；网罩固定在外筒上；其特征在于：叶轮结构为将SDF-11.2型号风机叶轮的叶片上六个截面的截面安装角分别设计成βA-A、βA-B、βA-C、βA-D、βA-E、βA-F后的结构，其中，βA-A、βA-B、βA-C、βA-D、βA-E、βA-F分别代表截面A、B、C、D、E、F的截面安装角，βA-A＝49.37°，βA-B＝47.05°，βA-C＝41.15°，βA-D＝38.57°，βA-E＝44.66°，βA-F＝42.65°；六个截面中，截面A为叶片与轮毂的相交面，截面F为叶顶截面，截面B、C、D、E分别为与截面A距离20％、40％、60％、80％的叶片位置处；
其中，叶轮叶片的优化设计过程具体如下：
步骤一、引入六个影响因素，即六个截面，六个截面均匀分布在原始叶片上，其中，截面A为原始叶片与轮毂的相交面，截面F为叶顶截面，截面B、C、D、E分别为与截面A距离20％、
40％、60％、80％的叶片位置处；截面A、B、C、D、E、F的截面安装角分别定义为βA-A、βA-B、βA-C、βA-D、βA-E、βA-F；每个因素取五个水平，分别在原始叶片的基础上变化-10％、-5％、0％、+
5％、+10％，表1为具体的因素水平表，水平1表示叶片截面安装角在原始叶片的基础上减小
10％，水平2表示截面安装角减小5％，水平3表示截面安装角与原始叶片一致，水平4表示截面安装角增大5％，水平5表示截面安装角增大10％；由于是6因素5水平的正交试验，所以选取L25(56)的正交表进行正交优化，做25组试验，优化目标是全压和效率；具体试验组合见表
2中试验方案及数值模拟结果；
表1 因素水平
表2 试验方案及数值模拟结果
步骤二、进行全压极差分析，具体如下：如表3所示，设定均值1、2、3、4和5分别表示每个因素包含水平1、水平2、水平3、水平4和水平5的五组试验全压之和的平均值，某因素下某水平全压之和的均值越大表示越利于提高全压；极差表示每个因素在各水平均值中最大值减去最小值的差值；从极差中看出RE>RF>RB>RA>RD>RC，RE、RF、RB、RA、RD、RC分别代表βA-E、βA-F、βA-B、βA-A、βA-D、βA-C对应的极差，Rmax代表RE、RF、RB、RA、RD、RC中的最大值，将叶片各截面安装角按照对全压影响的主次顺序进行排列得：βA-E、βA-F、βA-B、βA-A、βA-D、βA-C，从而得出最能提高全压的组合是A1、B2、C3、D5、E5、F5；A1代表截面A在水平1的截面安装角，B2代表截面B在水平2的截面安装角、C3代表截面C在水平3的截面安装角、D5代表截面D在水平5的截面安装角、E5代表截面E在水平5的截面安装角、F5代表截面F在水平5的截面安装角；
表3 全压极差分析
步骤三、进行效率极差分析，具体如下：如表4所示，设定均值1’、2’、3’、4’和5’分别表示每个因素包含水平1、水平2、水平3、水平4和水平5的五组试验效率之和的平均值，从极差中看出RB>RA>RC>RD>RF>RE，将叶片各截面安装角按照对效率影响的主次顺序进行排列得：
βA-B、βA-A、βA-C、βA-D、βA-F、βA-E，从而得出最能提高效率的组合是A1、B2、C1、D1、E2、F2；C1代表截面C在水平1的截面安装角、D1代表截面D在水平1的截面安装角、E2代表截面E在水平2的截面安装角、F2代表截面F在水平2的截面安装角；
表4 效率极差分析
步骤四、由步骤三得，最能提高全压的组合为A1、B2、C3、D5、E5、F5，最能提高效率的组合为A1、B2、C1、D1、E2、F2，对两个组合进行综合分析得出同时提高全压和效率的最优组合，综合分析过程具体如下：
引入相对量R/Rmax，该相对量的含义是某因素的极差值与最大极差值之比；由于两个组
合均选择A1、B2，则最优选择就是A1、B2；对于截面C，C截面安装角对全压的影响排在第6位，而且R/Rmax只有0.1，但是C截面的安装角对效率的影响排在第3位，而且R/Rmax有0.78，所以C截面的最优选择是C1；对于D截面，D截面安装角对全压的影响排在第5位，R/Rmax只有0.27，D截面对效率的影响排在第4位，但是R/Rmax达到0.66，D截面安装角对效率影响更大，而对全压的影响不大，所以最优选择为D1；对于E截面，E截面安装角对全压的影响排在第1位，R/Rmax为1，而E截面对效率的影响排在第6位，R/Rmax只有0.25，E截面安装角对全压的影响更大，而对风机效率的影响小，所以E截面的最优选择是E5；对于F截面，F截面安装角对全压的影响排在第2位，R/Rmax为0.5，F截面安装角对效率的影响排在第5位，R/Rmax为0.31，所以F截面安装角对全压影响大，对效率影响小，所以F截面的最优选择是F5；因此，提高全压和效率的最优组合为A1、B2、C1、D1、E5、F5；
步骤五、对最优组合A1、B2、C1、D1、E5、F5进行数值模拟，并在SDF-11.2型号风机叶轮的额定工况下与SDF-11.2型号风机叶轮进行静压、全压以及效率的对比，验证该最优组合对风机全压和效率的提升效果。
2.根据权利要求1所述的轴流风机，其特征在于：所述电机的额定转速为720r/min，额
定功率为4KW。
3.根据权利要求1所述的轴流风机，其特征在于：所述叶轮的轮毂外侧面与内筒内侧面
直径的径向间隙为10mm。
4.根据权利要求1所述的轴流风机，其特征在于：所述叶轮叶片的数量为6片，叶片叶顶
间隙为叶片高度的2％。
5.根据权利要求1所述的轴流风机，其特征在于：所述导叶的数量为7～17个，导叶的厚
度为2～4mm。
轴流风机
技术领域
背景技术
民经济各领域，如电动工具、工程机械、空调、电力、冶金、能源、医药卫生等领域，具有很大的应用价值和广阔的市场前景。在节能减排、可持续发展的大背景下，作为能耗的大户，风
机能量消耗占用了全国机械行业12％，大量的市场需求对轴流风机的效率和运行稳定性提
出了更高的要求，降低轴流风机噪声，增大轴流风机流量、提高轴流效率是轴流风机设计的
重要技术指标。目前，对轴流式通风机的研究主要集中在流型系数的选择和采用孤立翼型
还是叶栅设计方法的选择上面，多数研究轴流式通风机的设计中主要关注比转速、叶片安
装角、叶轮进出口气流角等关键设计要素对风机性能的影响。但是叶轮机械内部流动复杂，
存在边界层分离、尾迹和漩涡运动等多种形式，具有黏性、可压缩性和非定常性等特点，因
此对其展开气动设计十分困难。轴流风机的传统设计是采用准三维的设计方法和工程试验
相节后的方法，对设计者的设计经验有很高的要求，而且还要进行大量的试验验证，再根据
试验结果对结构进行改进设计，最终找出可行方案。因此在传统设计的基础上，对轴流风机
进行优化设计，进一步提高其效率成为目前亟须解决的问题。
发明内容
设计成βA-A、βA-B、βA-C、βA-D、βA-E、βA-F后的结构，其中，βA-A、βA-B、βA-C、βA-D、βA-E、βA-F分别代表截面A、B、C、D、E、F的截面安装角，βA-A＝49.37°，βA-B＝47.05°，βA-C＝41.15°，βA-D＝38.57°，βA-E＝44.66°，βA-F＝42.65°。六个截面中，截面A为叶片与轮毂的相交面，截面F为叶顶截面，截面B、C、 D、E分别为与截面A距离20％、40％、60％、80％的叶片位置处。
0％、+5％、+10％，表1为具体的因素水平表，水平1表示叶片截面安装角在原始叶片的基础
上减小10％，水平2表示截面安装角减小5％，水平3表示截面安装角与原始叶片一致，水平4
表示截面安装角增大5％，水平5表示截面安装角增大10％。由于是6因素5水平的正交试验，
所以选取L25(56)的正交表进行正交优化，做25组试验，优化目标是全压和效率。具体试验组合见表2中试验方案及数值模拟结果。
最大值减去最小值的差值。从极差中看出RE>RF>RB>RA>RD>RC，RE、RF、RB、RA、RD、RC分别代表βA-E、βA-F、βA-B、βA-A、βA-D、βA-C对应的极差，Rmax代表RE、RF、 RB、RA、RD、RC中的最大值，将叶片各截面安装角按照对全压影响的主次顺序进行排列得：βA-E、βA-F、βA-B、βA-A、βA-D、βA-C，从而得出最能提高全压的组合是A1、B2、C3、D5、E5、F5。A1代表截面A在水平1的截面安装角，B2代表截面B在水平2的截面安装角、C3代表截面C在水平 3的截面安装角、D5代表截面D在水平5的
截面安装角、E5代表截面E在水平5的截面安装角、F5代表截面F在水平5的截面安装角。
2的截面安装角、F2代表截面F在水平2的截面安装角。
6位，而且R/Rmax只有0.1，但是C截面的安装角对效率的影响排在第3位，而且R/Rmax有0.78，所以C截面的最优选择是C1；对于D截面，D截面安装角对全压的影响排在第5位，R/Rmax只有
0.27，D截面对效率的影响排在第4位，但是R/Rmax达到0.66，D截面安装角对效率影响更大，而对全压的影响不大，所以最优选择为D1；对于E截面，E截面安装角对全压的影响排在第1
位，R/Rmax为1，而E截面对效率的影响排在第6位，R/Rmax只有0.25，E截面安装角对全压的影响更大，而对风机效率的影响小，所以E截面的最优选择是E5；对于F截面，F截面安装角对全压的影响排在第2位，R/Rmax为0.5，F截面安装角对效率的影响排在第5位，R/Rmax为0.31，所以F截面安装角对全压影响大，对效率影响小，所以F截面的最优选择是F5。因此，提高全压
和效率的最优组合为A1、B2、 C1、D1、E5、F5。
压都得到了提高，使叶轮中下部流动得到了非常大的改善，达到了同时提高叶轮全压和效
率的目的；
具体实施方式
轮毂外侧面与内筒4内侧面直径的径向间隙为10mm；网罩7固定在外筒3上，有整流和防止异
物进入的作用。
叶片高度的2％。
能准确反应出真实的情况，每个因素取五个水平，分别在原始叶片的基础上变化-10％、-
5％、0％、+5％、+10％，表 1为具体的因素水平表，水平1表示叶片截面安装角在原模型的基础上减小 10％，水平2表示截面安装角减小5％，水平3表示截面安装角与原模型一致，保持
不变，水平4表示截面安装角增大5％，水平5表示截面安装角增大10％。由于是6因素5水平
的正交试验，所以选取了L25(56)的正交表进行正交优化，需要做25组试验，具体试验组合见表2中试验方案及数值模拟结果。
226.07pa高出了18.01pa，相对提高了8％；最高效率达到了54.3％，比原始风机51.59％提
高了2.71％，相对提高了5.25。从表2中还可以看出试验组13、22、23都同时提高了风机的全压和效率，这说明通过优化各截面的安装角来提高风机气动性能的方法是有效的。
4和水平5的五组试验全压之和的平均值，而且某因素下某水平全压之和的均值越大表示越
利于提高全压。极差表示每个因素中各水平均值中最大值减去最小值的差值。极差可以看
出某因素对指标的影响强弱，也可以代表敏感度，极差越大说明影响越大。从极差中可以看
出RE>RF>RB>RA>RD>RC，RE、RF、RB、RA、RD、RC分别代表βA-E、βA-F、βA-B、βA-A、βA-D、βA-C对应的极差，Rmax代表RE、RF、RB、RA、 RD、RC中的最大值，这说明叶片各截面安装角对全压影响的主次顺序为：βA-E、βA-F、βA-B、βA-A、βA-D、βA-C。从主次顺序中可知，靠近叶顶部分叶片截面安装角对全压影响最大；靠近叶根部分叶片截面安装角对全压影响次之；叶片中部截面安装角对
全压影响很小。由均值比较可知，最能提高全压的组合是A1、B2、C3、D5、E5、F5。A1代表截面A在水平1的截面安装角，B2代表截面B在水平2的截面安装角、C3代表截面C在水平3的截面安装
角、D5代表截面D在水平5的截面安装角、E5代表截面E在水平 5的截面安装角、F5代表截面F
在水平5的截面安装角。
影响。由均值比较可知，最能提高效率的组合是A1、B2、C1、D1、E2、F2。
是某因素的极差值与最大极差值之比，可以表示该因素对风机相关指标影响的相对强度，
对风机性能的贡献度，数值越大对风机某方面性能的贡献度越大， 0表示对相关性能没有
任何贡献，1表示对相关性能有最大的贡献。对于截面A和B而言，很容易确定最优选择就是
A1、B2；对于截面C而言，C截面安装角对全压的影响排在第6位，而且R/Rmax只有0.1，但是C截面的安装角对效率的影响排在第3位，而且R/Rmax有0.78，所以C截面的最优选择是C1；对于D截面而言，D截面安装角对全压的影响排在第5位，R/Rmax只有0.27，D截面对效率的影响排在第4位，但是R/Rmax达到0.66，明显可知 D截面安装角对效率影响更大，而对全压的影响不
大，所以最优选择为D1；对于E截面而言，E截面安装角对全压的影响排在第1位，R/Rmax为1，而E 截面对效率的影响排在第6位，R/Rmax只有0.25，这说明E截面安装角对全压的影响更
大，而对风机效率的影响很弱，所以E截面的最优选择是E5；对于F截面而言，F截面安装角对全压的影响排在第2位，R/Rmax为0.5，F 截面安装角对效率的影响排在第5位，R/Rmax为0.31，相比之下，对全压而言F截面安装角是主要影响因素，而对效率而言，只是次要影响因素，所以F截面的最优选择是F5。通过上面的分析可知最大限度的提高风机全压和效率的组合为
A1、B2、C1、D1、E5、F5。由于该组合并没有出现在表3和表4 中，所以必须对该组合进行数值模拟，以确定该组合是否达到了同时最大限度的提高风机全压和效率的目的。
244.08pa，而优化的风机全压达到了242.17pa，只减小了1.91pa，相对减小量不足1％；表4
中最高效率为 54.3％，而优化后的风机达到了53.97％，只减小了0.33％，相对减小量也不
足1％。这说明组合A1、B2、C1、D1、E5、F5是合理的，达到了尽可能同时提高全压和效率的目的。
通过正交试验对风机进行优化达到了预期的目标。
可以有效提高风机的气动性能。
动明显得到了非常大的改善，原始叶片叶根靠近前缘附近处有个非常明显的涡，涡的尺寸
占据了70％的叶片表面，优化后叶片叶根处涡的尺寸得到了明显抑制，涡所在位置的速度
明显增大，说明涡流造成的损失减小；优化后的叶片在叶片中部的压力面流线明显曲率变
小，沿轴向流动更加平稳。
效率的目的；叶片叶根处涡的尺寸得到了明显的抑制，涡所在位置的速度明显增大，涡流造
成的损失减小；叶片改善叶轮出口处气流的稳定性，降低气流的泄漏量，减小容积损失，提
高效率；防止边界层分离，抑制涡的脱落和减小涡脱落的频率，整体上，减小了能量损失、抑制了由于导叶尾迹引起的涡流噪声，使该型轴流风机效率更高，噪声更低，更加节能环保。
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