大流量、高压轴流通风机设计理论应用

1、大流量、高压轴流通风机设计理论应用摘要本文主要对轴流通风机的设计与参数进 行了研究和分析，并重点对轴流风机叶片的设计理论 进行了深入探究，为研发一款新型流量大，全压高的 变压器轴流通风机提供了坚实的理论支撑。并在实际 生产中进行了应用，得到了很好的收效。关键词 轴流风机 叶片 设计 变压器轴流通风机是大中型电力变压器冷却系统 的重要组成部分。一般要求其具有较好的性能，即流 量大，全压高，噪声小。轴流通风机的结构形式比较 单一，一般由电机、叶轮、支架、机壳和防护罩等几 部分组成，但是其中叶轮的结构和外形，特别是叶片 的形状、型线却变化很多，对轴流通风机的气动性能 也起着决定性的作用。因此，在实际

2、生产中对轴流风 机叶片的设计理论进行了深入探究，并进行了应用。一、轴流风机叶片设计理论 轴流风机的叶片通常是流线型的，其设计的核心 就是叶片型线设计。本文根据扭曲叶片理论，采用全 三维造型来进行叶片流型设计，并结合空气动力学理 论，应用变环量流线型设计方法，并通过改变叶片的 冲角来改变叶片表面摩擦阻力，绕翼型气流保持其流 线形状，使气流在风机内运行稳定、通畅，使叶片的 做功分布更加符合运动规律，从而保证风机运行在最 高效率点，达到低噪、节能，发挥出更高的功能转换 效益。首先，基于抛物面理论，我们在柱坐标下建立叶 片中型面方程：Z=B (1-F1/a) (1)其中：F=tan 0 -tan (

3、0 -入)/tan 0 ,通过参数 9、a、B 等的取值变化， 可以控制叶片的扭曲程度和倾斜 情况，从而可以满足不同场合下的需要。根据变环量设计方法，并综合考虑叶轮叶根的机 械强度、叶尖部分的加工工艺，我们采用如下的叶片 凸面和凹面方程：z仁B (1-F1/a) + z+ (r2-r) tan 5 11- (1-2 X /0) 2 ( 2)z2=B( 1-F1/a)-r1r2tan5 2f( t)/r( 3)上述两式中，第二项的作用是对叶片分块进行不 同程度的加厚，以提高叶片的机械强度；第一项则是 为了增大叶尖部分的厚度以方便加工。 在叶片设计中， 根据设计要求和气动参数，结合 B、 0 、

4、a 等一些优 化设计参数，由( 1)、( 2)和( 3)式就可以确定风机 叶轮的结构参数及叶片的几何形状。由此构造成型的 扭曲叶片不但方便加工，而且便于下面的参数计算。二、轴流风机的叶片设计 依据以上设计得到的叶片结构参数和叶片几何参 数，设计了一款实用新型旨在提供一种流量大、全压 高的 9Q 系列变压器轴流通风机，其中 9表示风机叶 轮直径为 900mm，Q 表示风机为前吹式。其总体结构 形式由电机、叶轮、导流罩、支架、机壳和防护罩等 6 部分组成。其特征是电机位于风机的进口端，电机 轴和叶轮相连，驱动叶轮旋转，电机由支架支撑，外 面套有导流罩，导流罩位于风机的进口端，为中空的 锥形柱体，底

5、端面的直径和轮毂的直径相等，机壳为 直径 910mm 的圆筒形。 在进口端略呈喇叭口状， 以使 气流平顺地进入风机的流道，在风机的进口端端面上 有防护罩，以避免杂物进入风机流道和叶片发生撞击。其中的风机叶片为特殊设计，在设计过程中采用 了抛物面理论和不等功原理，对叶片的流型和流面进 行全三维的造型设计， 得到的叶片为三维的扭曲叶片， 其特征为叶片不等厚，型面连续光滑，任一相贯面与 型面相割，得到的相贯线呈流线形状的机翼形，以使 风机具有优良的气动性能；并且通过改变叶片的冲角 来改变叶片表面摩擦阻力，绕翼型气流保持其流线形 状，使气流在风机内运行稳定、通畅，使叶片的做功 分布更加符合运动规律。此

6、新型轴流风机的总体结构 中，增加了导流罩部分，导流罩位于风机的进口端， 套在电机的外面，其作用是使气流平顺地进入通风机 的流道，从而提高风机叶轮在进口端的吸力，使通风 机能发挥最大的效率。因而 9Q 系列变压器轴流通风 机具有优良的气动性能，流量大，全压高，噪声低， 能耗省，运行稳定，性能曲线平坦，使用范围广。如 下图所示。图 1： 防护罩-1，机壳 -2，支架 -3，整流罩 -4， 叶轮-5，电机 -6，电机轴 -7，叶片 -8，轮毂 -9 具体实施方式：本新型风机优选实施的总体结构 示意图，气流方向为由左向右。电机 6 位于风机的进 口端，电机轴 7 和叶轮 5 相连，驱动叶轮旋转。电机

7、由支架 3 支撑，外面套有整流罩 4，整流罩为中空的 锥形柱体，锥体的锥度为13,长度约为236mm,底 端面的直径和轮毂的直径相等。 机壳 2 为直径 910mm 的圆筒形，在进口端略呈喇叭口状，以使气流平顺地 进入风机的流道。在风机的进口端端面上设计有防护 罩 1 ，以避免杂物进入风机流道和叶片发生撞击。叶轮由叶片 8 和轮毂 9 组成，整个叶轮直径为900mm,轮毂的直径和叶轮的直径之比，即轮毂比可以在 0.45 至 0.55 范围变化，在本实施例中轮毂比为0.5,即轮毂直径为450mm。叶轮宽度的选择范围为 110mm至130m m,在本实例中为120m m。叶片以一 定的叶片包角安装

8、在轮毂上，叶片包角的变化范围可 以在 25至 33至范围内变动, 叶片包角增大, 可以 使风机的最大流量和全压增加,在本实施例中,叶片 包角为 31。叶片在轮毂的周向均匀布置,在具体的 实施中,叶片的数目可以根据性能的需要在 3 片到 8 片的范围内选择, 其规律是叶片数减少, 则风量减小, 风压降低。在本实例中,叶片的数目为 8 片。图 2：,叶根 -10,叶梢 -11。图 2 分别为本实用新型的叶片 8 的正视图、侧视 图和俯视图。叶片 8 为三维扭曲叶片,叶片凸面、中 型面和凹面的抛物指数 a1、a 和 a2 分别为 0.5、0.55、 0.6。图 3：叶剖面展开图图 3 显示的分别为三个典型的叶剖面展开后的形状，即用半径分别为r=450mm （叶梢），r=355.76mm （叶根）圆柱面和叶片相切所得到的的叶片轮廓线展 开后的形状。叶片 8 的特征是,其叶根 10 宽度较小, 而叶梢宽度大, 从叶梢到叶根, 叶片的宽度逐渐减小, 但叶剖面的最大厚度则逐渐增加。非常好的保证了运 行曲线的平滑；叶片的强度、耐磨性等其它叶片的使 用性能。本文在挖掘叶片几何参数的基础上，建立了与扭 曲叶片结构参数相关的气动方程。该设计应用中经验 公式采用较少，设计方法准确与可靠性得到了保障。该理论在实际生产中得到了广泛应