带中心键槽的径流式涡轮风扇叶片结构

　　这类带中心安装孔的径流式叶片结构，在中小功率通风、动力透平场景里应用极广，小到工业机柜散热风机、工位吹屑冷却风扇，大到小型燃气轮机的压气机末级、涡轮增压机的涡轮端，都能见到同结构逻辑的叶片设计。实际做结构设计的时候，首先要卡的是安装边界：中心孔带单侧键槽，这个结构是直接和电机轴、传动轴做周向固定的，不用额外做轴套定位的话，孔的公差要选H7级，键槽的宽度公差走JS9，装配的时候能保证周向无窜动，高速转动的时候不会因为配合间隙产生偏心振动。叶片本身的翼型是等厚截面对称翼型，不是航空发动机那种复杂变截面扭叶片，这种设计的好处是加工或者3D打印的时候不需要做支撑，成型后叶片表面的粗糙度能直接满足气动要求，不需要二次打磨修型，

　　小批量试制的时候效率很高。从气动特性来说，24片叶片的数量选择是经过平衡考量的：叶片数量太少的话，出口气流的不均匀度会升高，带动的气流脉动会让风噪变大，长时间运行还会让轴承承受交变载荷，缩短支撑部件的寿命；叶片数量太多的话，相邻叶片之间的流道会变窄，气流通过的时候沿程阻力升高，相同转速下的风量会下降，还会增加整体转动惯量，电机启动的时候需要的启动力矩更大，对驱动端的负载要求更高。叶片的安装角是从轮毂向外缘逐渐变化的，靠近轮毂的位置叶片弦长更短，安装角更大，因为轮毂附近的线速度低，大安装角能保证这个区域的气流获得足够的轴向推力；靠近外缘的位置线速度最高，叶片安装角收小，能避免外缘位置的气流出现失速，尤其是在高背压工况下，

　　比如通风管路有滤网、或者涡轮端有排气阻力的时候，小安装角的外缘叶片不容易发生气流分离，运行的稳定工况范围更宽。轮毂部分的厚度是做了加强的，中心孔周围的轮毂厚度比叶片根部厚3倍左右，这个设计是为了承受键槽传递扭矩的时候产生的局部应力，避免扭矩传递过程中轮毂位置出现开裂，尤其是在频繁启停的工况下，每次启动的冲击载荷都会集中在键槽的侧边，加厚的轮毂能把局部应力分散到整个轮毂端面，不会出现应力集中导致的结构失效。做动平衡校核的时候，因为是对称翼型等厚叶片，每片叶片的质量差控制在0.1g以内，整体装配完成后不需要做额外的去重动平衡，就能满足每分钟3000转以内的运行要求，要是用在更高转速的场景，比如每分钟上万转的涡轮增压器场景，

　　就需要在轮毂端面预留动平衡去重的位置，根据实际动平衡测试结果铣削去重。实际安装的时候，叶片和轴装配到位后，只需要在轴端加一个轴端挡圈，就能完成轴向固定，不需要额外的锁紧结构，因为叶片转动的时候产生的轴向力是指向进风侧的，轴肩能承受这个轴向载荷，挡圈只需要防止停机反转的时候叶片脱出即可。这类叶片的流道设计是收敛式的，从进气侧到出气侧，相邻叶片之间的流道截面积逐渐缩小，气流通过的时候会被加速，不管是作为风扇鼓风，还是作为涡轮回收排气能量，收敛流道都能降低气流的流动损失，提升能量转换效率。叶片的前缘做了0.5mm的圆角钝化处理，不是锋利的直角边，这个细节是为了避免安装过程中割伤操作人员，同时也能降低前缘的气流绕流损失，要是前缘是锋利直角，来流角度稍有变化就会产生前缘涡流，增加气动噪声，钝化后的前缘对来流角度变化的适应性更好，在不同转速下的气动效率波动更小。叶片根部和轮毂的连接位置做了R2的过渡圆角，没有直角连接，这个是结构强度上的考量，直角连接的位置会产生严重的应力集中，叶片在高速转动的时候受离心力作用，根部的弯曲应力最大，过渡圆角能把根部的应力集中系数降低60%以上，大幅提升叶片的抗疲劳寿命，即使长时间在额定转速下运行，也不会出现根部断裂的问题。