本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種農(nóng)用通風(fēng)機(jī)彎掠葉片及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

農(nóng)用通風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)，如日光溫室和畜禽舍的環(huán)境通風(fēng)。目前，市場上大部分農(nóng)用通風(fēng)機(jī)為上個(gè)世紀(jì)九十年研發(fā)的“ddz”系列農(nóng)用通風(fēng)機(jī)，內(nèi)部流動(dòng)損失嚴(yán)重，風(fēng)機(jī)能效比較低。因此改善農(nóng)用通風(fēng)機(jī)能效比，對提高農(nóng)業(yè)通風(fēng)效率和節(jié)能環(huán)保都有重要意義。

彎掠葉片除沿葉展方向的扭轉(zhuǎn)外，在葉片的葉頂和葉根間還存在沿周向旋轉(zhuǎn)方向上的傾斜(彎)和沿來流方向上的傾斜(掠)，是一種具有復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)的葉片。

目前，彎掠葉片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于葉輪機(jī)械，大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算表明，合理的葉片彎掠能夠改變?nèi)~片與氣流作用力的徑向分力，控制葉片表面壓力梯度分布，減小流動(dòng)損失，達(dá)到提高葉輪機(jī)械氣動(dòng)性能的目的。彎掠葉片的研究主要集中在葉頂和葉根區(qū)域的彎掠，而對整體葉高范圍內(nèi)的彎掠研究，即重心積疊線的具體形狀論述不多，對于選取何種形式的重心積疊線以及如何控制重心積疊線尚未取得共識。而農(nóng)用通風(fēng)機(jī)輪轂比較小、葉片較長，在整個(gè)葉高上的彎掠形狀控制值得探究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種由基于二次bezier曲線設(shè)計(jì)的重心積疊線控制葉片形狀的農(nóng)用通風(fēng)機(jī)彎掠葉片。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種農(nóng)用通風(fēng)機(jī)彎掠葉片的設(shè)計(jì)方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

彎掠葉片的形狀由基于二次bezier曲線設(shè)計(jì)的重心積疊線控制。彎葉片控制曲線為重心積疊線在周向平面內(nèi)的投影，位于x-y平面內(nèi)，設(shè)計(jì)參數(shù)為彎角α、x方向控制參數(shù)kx、y方向控制參數(shù)ky。掠葉片控制曲線為重心積疊線在軸向平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)投影，位于r-z平面內(nèi)，設(shè)計(jì)參數(shù)為掠角β、z方向控制參數(shù)kz、r方向控制參數(shù)kr。保持各截面幾何參數(shù)不變，以截面重心為參考點(diǎn)，根據(jù)重心積疊線形狀確定各截面彎掠位置。

一種農(nóng)用通風(fēng)機(jī)葉輪的彎掠葉片1，多個(gè)彎掠葉片1沿輪轂2的周向均勻徑向設(shè)置構(gòu)成葉輪，所述彎掠葉片1的葉片形狀由基于二次bezier曲線設(shè)計(jì)的重心積疊線控制，其中，

重心積疊線在周向平面內(nèi)的投影為彎葉片控制曲線，位于x-y平面內(nèi)，其控制方程為：

重心積疊線在軸向平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)投影為掠葉片控制曲線，位于r-z平面內(nèi)，其控制方程為：

式中，

px為彎葉片控制曲線x方向坐標(biāo)；

py為彎葉片控制曲線y方向坐標(biāo)；

pz為掠葉片控制曲線z方向坐標(biāo)；

pr為掠葉片控制曲線r方向坐標(biāo)；

t為bezier函數(shù)自變量；

r為葉輪半徑；

r0為葉根半徑；

α為彎角；

β為掠角；

kx為彎葉片控制曲線x方向控制參數(shù)；

ky為彎葉片控制曲線y方向控制參數(shù)；

kz為掠葉片控制曲線z方向控制參數(shù)；

kr為掠葉片控制曲線r方向控制參數(shù)；

x方向和y方向分別為葉根重心彎角為0°時(shí)，圓柱坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系后的x方向和y方向；

z方向?yàn)檩S向，r方向?yàn)閺较颉?/p>

一種農(nóng)用通風(fēng)機(jī)彎掠葉片1的設(shè)計(jì)方法，使用基于二次bezier曲線設(shè)計(jì)的重心積疊線控制彎掠葉片1的葉片形狀；

重心積疊線在周向平面內(nèi)的投影為彎葉片控制曲線，位于x-y平面內(nèi)；重心積疊線在軸向平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)投影為掠葉片控制曲線，位于r-z平面內(nèi)；

彎葉片控制曲線的控制方程為：

掠葉片控制曲線的控制方程為：

式中，

px為彎葉片控制曲線x方向坐標(biāo)；

py為彎葉片控制曲線y方向坐標(biāo)；

pz為掠葉片控制曲線z方向坐標(biāo)；

pr為掠葉片控制曲線r方向坐標(biāo)；

t為bezier函數(shù)自變量；

r為葉輪半徑；

r0為葉根半徑；

α為彎角；

β為掠角；

kx為彎葉片控制曲線x方向控制參數(shù)；

ky為彎葉片控制曲線y方向控制參數(shù)；

kz為掠葉片控制曲線z方向控制參數(shù)；

kr為掠葉片控制曲線r方向控制參數(shù)；

x方向和y方向分別為葉根重心彎角為0°時(shí)，圓柱坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系后的x方向和y方向；

z方向?yàn)檩S向，r方向?yàn)閺较颉?/p>

對于葉輪半徑為600～700mm的農(nóng)用通風(fēng)機(jī)葉片，

所述彎葉片的三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)為：

α的取值范圍為5～15°；

kx的取值范圍為0.5～1.5；

ky的取值范圍為0.5～1.0；

所述掠葉片的三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)為：

β的取值范圍為5～15°；

kz的取值范圍為-0.5～0.5；

kr的取值范圍為0.5～1.0。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明采用二次bezier曲線設(shè)計(jì)重心積疊線的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)參數(shù)簡單清晰、控制方便，所獲得的重心積疊線形狀靈活，能夠控制整個(gè)葉高上葉片的彎掠形狀。

(2)本發(fā)明采用二次bezier曲線設(shè)計(jì)重心積疊線的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)參數(shù)及參數(shù)范圍明確，通過對設(shè)計(jì)參數(shù)的組合，配合優(yōu)化算法，可得到理論上相應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)下的最優(yōu)彎掠葉片。

(3)本發(fā)明的由基于二次bezier曲線設(shè)計(jì)的重心積疊線控制葉片形狀的農(nóng)用通風(fēng)機(jī)彎掠葉片相比常規(guī)農(nóng)用通風(fēng)機(jī)，具有更高的能效比，能效比提高了15％以上。

附圖說明

圖1a為本發(fā)明農(nóng)用通風(fēng)機(jī)彎葉片控制曲線設(shè)計(jì)圖；

圖1b為本發(fā)明農(nóng)用通風(fēng)機(jī)掠葉片控制曲線設(shè)計(jì)圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的彎掠葉片示意圖。

其中的附圖標(biāo)記為：

1彎掠葉片

2輪轂

3截面

4重心積疊線

p0為葉根截面重心

p1為葉頂截面重心

p2為彎葉片形狀控制點(diǎn)

p3為掠葉片形狀控制點(diǎn)

α為彎角

β為掠角

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。

如圖1a、圖1b和圖2所示，多個(gè)農(nóng)用通風(fēng)機(jī)彎掠葉片1沿輪轂2的周向均勻徑向設(shè)置構(gòu)成葉輪。所述彎掠葉片1的葉片形狀由基于二次bezier曲線設(shè)計(jì)的重心積疊線控制，其中，

重心積疊線在周向平面內(nèi)的投影為彎葉片控制曲線，位于x-y平面內(nèi)，其控制方程為：

重心積疊線在軸向平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)投影為掠葉片控制曲線，位于r-z平面內(nèi)，其控制方程為：

式中，

px為彎葉片控制曲線x方向坐標(biāo)；

py為彎葉片控制曲線y方向坐標(biāo)；

pz為掠葉片控制曲線z方向坐標(biāo)；

pr為掠葉片控制曲線r方向坐標(biāo)；

t為bezier函數(shù)自變量；

r為葉輪半徑；

r0為葉根半徑；

α為彎角；

β為掠角；

kx為彎葉片控制曲線x方向控制參數(shù)；

ky為彎葉片控制曲線y方向控制參數(shù)；

kz為掠葉片控制曲線z方向控制參數(shù)；

kr為掠葉片控制曲線r方向控制參數(shù)；

x方向和y方向分別為葉根重心彎角為0°時(shí)，圓柱坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系后的x方向和y方向；

z方向?yàn)檩S向，r方向?yàn)閺较颉?/p>

一種農(nóng)用通風(fēng)機(jī)彎掠葉片1的設(shè)計(jì)方法，包括：使用基于二次bezier曲線設(shè)計(jì)的重心積疊線控制彎掠葉片1的葉片形狀。

重心積疊線在周向平面內(nèi)的投影為彎葉片控制曲線，位于x-y平面內(nèi)；重心積疊線在軸向平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)投影為掠葉片控制曲線，位于r-z平面內(nèi)。

二次bezier曲線的首點(diǎn)p0為葉根截面重心，末點(diǎn)p1為葉頂截面重心。p2點(diǎn)為彎葉片形狀控制點(diǎn)，kx為p2點(diǎn)的x方向控制參數(shù)，ky為p2點(diǎn)的y方向控制參數(shù)。p3點(diǎn)為掠葉片形狀控制點(diǎn)，kz為p3點(diǎn)的z方向控制參數(shù)，kr為p3點(diǎn)的r方向控制參數(shù)。引入葉片具體參數(shù)：葉輪半徑r，葉根半徑r0，彎角α，掠角β。

則在直角坐標(biāo)系下，彎葉片控制點(diǎn)p0、p1、p2的坐標(biāo)可以寫為：p0(0，r0)，p1(rsinα，rcosα)，p2(kxrsinα，kyrcosα)，掠葉片控制點(diǎn)p0、p1、p3的坐標(biāo)可以寫為：p0(0，r0)，p1(rtanβ，r)，p2(kzrtanβ，krr)。

彎葉片控制曲線的控制方程為：

掠葉片控制曲線的控制方程為：

式中，

px為彎葉片控制曲線x方向坐標(biāo)；

py為彎葉片控制曲線y方向坐標(biāo)；

pz為掠葉片控制曲線z方向坐標(biāo)；

pr為掠葉片控制曲線r方向坐標(biāo)；

t為bezier函數(shù)自變量；

r為葉輪半徑；

r0為葉根半徑；

α為彎角；

β為掠角；

kx為彎葉片控制曲線x方向控制參數(shù)；

ky為彎葉片控制曲線y方向控制參數(shù)；

kz為掠葉片控制曲線z方向控制參數(shù)；

kr為掠葉片控制曲線r方向控制參數(shù)。

對于葉輪半徑為600～700mm的農(nóng)用通風(fēng)機(jī)葉片，

優(yōu)選地，所述彎葉片的三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)：

α的取值范圍是5～15°；

kx的取值范圍是0.5～1.5；

ky的取值范圍是0.5～1.0；

優(yōu)選地，所述掠葉片的三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)：

β的取值范圍是5～15°；

kz的取值范圍是-0.5～0.5；

kr的取值范圍是0.5～1.0。

結(jié)合優(yōu)化方法，可得到理論上相應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)下的最優(yōu)彎葉片和最優(yōu)掠葉片參數(shù)組合。對于不同大小的葉輪，設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化范圍可做適當(dāng)調(diào)整。

實(shí)施例

將本發(fā)明的彎掠葉片設(shè)計(jì)方法應(yīng)用在一常規(guī)農(nóng)用通風(fēng)機(jī)葉輪，如圖2所示，該農(nóng)用通風(fēng)機(jī)葉輪包括輪轂2和彎掠葉片1，六個(gè)彎掠葉片1圍繞輪轂2均勻安放。葉輪半徑r＝634mm，葉根半徑r0＝114mm。根據(jù)本發(fā)明提出的彎葉片控制曲線表達(dá)式，則具體的彎葉片控制曲線的控制方程為：

具體的掠葉片控制曲線的控制方程為：

沿葉高均勻選取若干個(gè)截面3，作為彎掠葉片造型截面。形狀控制點(diǎn)確定重心積疊線形狀，重心積疊線形狀決定截面的位移。

對于彎葉片，保證截面幾何參數(shù)不變，保持r、z方向坐標(biāo)不變，根據(jù)彎葉片控制曲線確定每一個(gè)截面x、y方向位移量。

對于掠葉片，保證截面幾何參數(shù)不變，保持x、y、r方向坐標(biāo)不變，根據(jù)掠葉片控制曲線確定每一個(gè)截面z方向位移量。

優(yōu)化方法采用正交試驗(yàn)法，以能效比為優(yōu)化目標(biāo)，采用數(shù)值模擬方法對每種彎葉片和掠葉片風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能計(jì)算，得到能效比。表1、表2分別為彎葉片和掠葉片的正交試驗(yàn)結(jié)果。

對比例常規(guī)農(nóng)用通風(fēng)機(jī)葉片α＝10°，kx＝1.2，ky＝0.7；能效比24.68m³/(h·w)。β＝5°，kz＝0，kr＝0.8，能效比24.68m³/(h·w)。

通過對正交試驗(yàn)結(jié)果的分析，確定彎葉片的最優(yōu)組合為α＝15°，kx＝1.5，ky＝0.5，取該最優(yōu)組合下的彎葉片風(fēng)機(jī)進(jìn)行核算得到能效比為29.74m³/(h·w)，比常規(guī)農(nóng)用通風(fēng)機(jī)提高了20.5％。掠葉片的最優(yōu)組合為β＝10°，kz＝-0.5，kr＝0.6，取該最優(yōu)組合下的掠葉片風(fēng)機(jī)進(jìn)行核算得到能效比為28.49m³/(h·w)，比常規(guī)農(nóng)用通風(fēng)機(jī)提高了15.4％。

表1彎葉片正交試驗(yàn)結(jié)果

其中，k1、k2、k3分別指各因素在同一水平下的平均值，如α的k1就是α＝5°的條件下的風(fēng)量平均值，kx的k1就是kx＝0.5的條件下的能效比平均值。

表2掠葉片正交試驗(yàn)結(jié)果