[发明专利]一种叶尖小翼的设计方法

说明书

本发明公开了一种叶尖小翼的设计方法，包括如下步骤：(1)、根据叶顶截面的气动负荷值沿着风扇叶型压力面从前缘到尾缘沿程分别选取5个控制点，确定叶尖小翼不同位置的宽度。(2)、叶尖小翼与风扇叶片之间的连接方式采用圆弧过渡形式，对于不同控制点小翼宽度的不同取决于过渡圆弧半径R的大小。(3)、当小翼5个控制点的宽度尺寸确定后，采用样条拟合的方式，连接扇叶顶截面叶型前缘点、5个控制点及扇叶顶截面叶型尾缘点，完成叶尖小翼边缘形状设计。从叶尖泄露涡形成本质原因出发，提出一种针对服务器用高转速散热风扇更高效、更简单的叶尖小翼设计方法，解决了小翼设计过程需反复迭代引起的设计周期较长问题。

技术领域

本发明涉及散热风扇领域，具体的说是一种叶尖小翼的设计方法。

背景技术

对于扇叶来说，由旋转机械径向平衡方程可知，其固有属性之一为压力面侧流体静压大于吸力面侧，因此，当气流流过扇叶时，这种静压差的存在会导致叶顶间隙处的气流从压力面一侧向吸力面一侧泄漏，并产生旋涡，带来气动损失，因而，降低叶顶间隙尺寸是一种行之有效可以抑制叶顶泄漏流的方法，这也是目前散热轴流风扇设计者所广泛采用的一种方法且不断在追求间隙极限。目前，对于通用服务器所用40mm、60mm及80mm风扇来说，其叶顶间隙大小分别约为0.4～0.5mm、0.6mm以及0.8mm，根据风扇流场分析结果，对于40mm风扇来说，间隙需要达到0.2mm，对于60mm/80mm风扇来说，间隙需要降低到0.3mm，才可实现和零间隙一样的效果，而由于当前服务器用风扇转速较高，范围普遍位于15000～35000rpm之间，且扇叶均采用塑胶材质加工而成，在扇叶高速旋转过程中会发生相对较大变形，若叶尖间隙太小会产生剐蹭，引起故障，因而风扇设计者也在不断探求发展具有更高抗变形能力的塑胶材料，但采用更小间隙设计是否可行还有待进一步评估，因此，目前所采用的通过新型材料探索来降低叶顶间隙尺寸的传统方法仍然无法解决叶顶泄漏所带来的气动损失及气动噪声问题，仍需探索一些其余新型可行的抑制叶顶泄漏流的新技术。

近年来，在风力发电机及风机领域，一些学者提出了一种采用叶尖小翼设计来控制叶顶泄漏流的技术方案，研究结果表明这种设计可有效降低叶尖涡的尺寸和强度，从而提高气动效率并降低气动噪声。发明专利CN103485973A提出了一种用于风力发电机叶片的叶尖小翼设计，发明专利CN101255873A提出了一种用于轴流压气机转子的叶尖小翼设计。从背景技术来看，与风力发电机相比，由于叶片不受到扇框/机匣约束，其所采用小翼形状无法直接用于风扇；与压气机相比，电子产品所用散热风扇属于微型轴流风机，径向尺寸较小，属于小展弦比风机，同时压气机比较关注气体总压及静压提升，而电子风扇较关注气体速度提升，这些均导致这两种风机在工作机理、特性曲线、噪声源等方面有明显区别。此外，上述专利中仅仅阐述了叶尖小翼对于各自研究对象叶顶泄漏流的抑制作用机理，并未提及小翼尺寸设计方法。发明专利CN111425451及CN112901555中均针对斜流风机提出了叶尖小翼的设计方法，但是其设计方法存在以下弊端：(1)并没有从小翼控制叶顶泄漏流的根本原理上来考虑小翼尺寸的设计，且设计方法较为复杂，为获得具有较好效果尺寸小翼，设计过程需要反复迭代，导致设计周期较长，同时可能会因为局部尺寸设计不合理在没有获得收益的情况下，反倒因为扇叶质量的增加对于结构强度产生附件影响；(2)在进行叶尖小翼设计过程中没有将扇叶改型设计结合起来，如果依托叶尖小翼在减少泄漏损失方面的优势，在叶片顶截面造型过程中，在传统设计经验的基础上增加该截面气动负荷以提高风扇的风压、风量，可以达到更优提升扇叶性能效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种叶尖小翼的设计方法，解决了小翼设计过程需反复迭代引起的设计周期较长问题，同时提出在采用小翼设计基础上，增加扇叶顶截面叶型负荷，从而对扇叶顶截面进行改型设计，进一步提升扇叶气动性能。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种叶尖小翼的设计方法，包括如下步骤：

(1)、首先给出风扇叶顶截面的气动负荷分布数值，根据叶顶截面的气动负荷值沿着风扇叶型压力面从前缘到尾缘沿程分别选取5个控制点，根据5个不同的控制点确定叶尖小翼不同位置的宽度；