CN106523435B

CN106523435B - 一种型线可调节的风机蜗壳

Info

Publication number: CN106523435B
Application number: CN201611052601.2A
Authority: CN
Inventors: 王军; 蒋博彦; 刘辉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2019-02-01
Anticipated expiration: 2036-11-25
Also published as: CN106523435A

Abstract

本发明涉及一种型线可调节的风机蜗壳，包括轨道底座、前盖板、固定支架以及分段式可升缩的环壁，所述环壁位于所述前盖板、轨道底座之间，三者相互分离设置，所述固定支架与所述轨道底座、前盖板分别相互固定连接。本发明用于离心风机蜗壳的设计和优化阶段，其分段式可伸缩环壁以折线型线的形式快速近似的实现各种型线形状，缩短了打样时间；多控制节点的设计可以实现蜗壳型线在设计范围内的高自由度的变动，在找到最优折线型线形状后，再反推出对应的最优曲线型线，避免了以往重复、多次的打样过程。在离心风机蜗壳的设计和优化中，使用本发明可以为研究机构和企业节约研发成本，为研究人员寻求蜗壳型线对风机性能的影响规律提供捷径。

Description

一种型线可调节的风机蜗壳

技术领域

本发明涉及离心风机技术领域，尤其涉及一种型线可调节的风机蜗壳。

背景技术

离心风机被广泛应用于农业、工业、交通以及各种通风换气场所。蜗壳是离心风机的重要组成部件，离开叶轮的气流必须经过蜗壳的收集及扩压，才能进行输送；合适的蜗壳型线设计可以降低气流在蜗壳中的损失，提升离心风机气动性能。

为方便加工，离心风机的蜗壳截面一般为矩形，所以蜗壳型线直接决定了蜗壳的形状，是离心风机蜗壳设计的关键。然而，受风机具体运行环境的影响，蜗壳型线的设计理论不能满足工程上的需求，往往还需要辅助以大量的气动性能实验，才能设计出最优的蜗壳型线。考虑到蜗壳型线是一段自由度较高的曲线，参数众多，且各参数对不同风机、不同工况下性能的影响规律可能大相径庭，试验人员往往需要制作大量的蜗壳样品进行比对试验才能从中选优，这将使得整个设计、优化的周期较长，样品加工量较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种型线可调节的风机蜗壳，其环壁型线形状可以在一定范围内任意变动，利用它可以快速实现所设计的型线形状并测试其气动性能，将大幅减少试验样品的制作数量，降低成本，缩短设计时间。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种型线可调节的风机蜗壳，其包括轨道底座、前盖板、固定支架以及分段式可升缩的环壁，所述环壁位于所述前盖板、轨道底座之间，为实现蜗壳形状的可调节，三者相互分离设置，所述固定支架与所述轨道底座、前盖板分别相互固定连接，以压紧两者之间的分段式可升缩环壁。

所述轨道底座的截面为矩形，且具有一定厚度，中部设有用于安装电机的电机孔；所述电机孔的外周均匀分布有多个不同长度的径向轨道，所述环壁的控制节点沿所述径向轨道实现径向位置的改变。

所述径向轨道均由限位通孔和定位滑槽组成，所述定位滑槽的长度大于所述限位通孔的长度。随着位置角的增大，所述径向轨道长度也逐渐增大。

每个所述径向轨道一侧均标有表示所述环壁控制节点距离轴心的距离的刻度线。

所述前盖板的尺寸和厚度均与轨道底座相同，所述前盖板的中部设有与所述径向轨道的电机孔相对应的圆形孔，且所述圆形孔的直径大于所述电机孔的直径，所述圆形孔用以安装离心风机的集流器。

所述固定支架包括立体方框结构，其尺寸与所述轨道底座和所述前盖板的尺寸分别对应，所述固定支架分别通过螺栓锁紧所述轨道底座和所述前盖板，使两者共同压紧之间的分段式可升缩环壁。

所述环壁包括多个环壁单元、多个控制节点、一个蜗舌端隔板、一个可替换的蜗舌、一个环壁末端隔板和两块用于密封型线首尾处的出口密封块，多个所述环壁单元和控制节点依次相互连接。

所述蜗舌为可替换部件，和环壁上第一个控制节点直接相连，试验测试中可以通过沿轨道改变该环壁控制节点的径向位置来对蜗舌和叶轮之前的间隙进行调节。

所述蜗舌端隔板和环壁末端隔板分别位于蜗壳出口两侧，出口端的两侧各设有一个控制节点，所述控制节点在所述轨道底座的水平轨道上移动，用于控制所述蜗舌端隔板和环壁末端隔板的角度和蜗壳出口的位置。

所述环壁单元包括两个主隔板、一个副隔板、两条连接杆以及锁紧螺钉；所述副隔板的两端分别与两个所述主隔板连接，三个隔板相互重叠设置且重叠宽度可调整，使三个隔板的拼接长度可在一定范围内改变；所述主隔板和副隔板的上下两端边缘分别设有相互咬合的凸起和凹槽，使得三块隔板在厚度方向被限制后只能沿着拼接长度方向相对滑动；

两条所述连接杆相互交叉地连接在两个所述主隔板上，所述锁紧螺钉位于两条所述连接杆的中间交叉处，用于限制所述隔板和连接杆厚度方向的相对位置。

当环壁单元长度变化时，所述连接杆两端的凸缘会在主隔板的滑槽中滑动，两个所述连接杆间的角度随之改变，动态地维持环壁单元中三块隔板间结构的稳定。

所述连接杆上设有用于限制两个所述连接杆间转动角度的限位柱，从而限制两个所述主隔板之间所能拉伸的最远距离，避免三块隔板之间相互脱离。

所述环壁单元的两侧均设有轴套，装配时套在对应的所述控制节点的节点轴上。

所述控制节点包括节点主体、节点端盖和节点轴；所述节点轴位于所述节点主体和所述节点端盖之间，且通过螺钉固定。装配时，控制节点连同限位滑块一起在轨道底盘上的定位滑槽中移动，锁紧滑块从轨道底座的底部将控制节点、限位滑块以及轨道底盘通过两颗螺钉锁紧在一起，控制螺钉的锁紧程度使控制节点在不松动的前提下可沿着定位滑槽移动。此外，在长度较长的轨道中，所述限位滑块中还包含一块密封拉板，在控制节点移动到较远位置时拉出，对轨道进行密封。

环壁单元和控制节点依次相连，一系列首尾相接的环壁单元内侧壁面构成了一段折线型线，近似了真实状态下的曲线型线。当控制节点沿轨道移动时，每一段环壁单元会随着其两端控制节点的移动对自身的长度和角度进行调整，进而完成整个蜗壳形状的改变。

所述控制节点和所述轨道底座上均有刻度线，使得每个控制节点在各自轨道上的位置可以被精确控制，从而达到准确调节蜗壳型线的目的。

对中低压风机而言，蜗壳内部气压并不高，故本发明采用压紧的方式对分段式可伸缩环壁与轨道底座和前盖板之间实施密封。

所述环壁与所述轨道底座、环壁和前盖板之间均设有橡胶层，以增强蜗壳的密封。

本发明所有零部件均采用铝合金材料通过精密加工手段制作，以保证各零部件间的配合关系和相对运动。

基于上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明用于离心风机蜗壳的设计和优化阶段，其分段式可伸缩环壁以折线型线的形式快速近似的实现各种型线形状，缩短了打样时间；同时本发明多控制节点的设计可以实现蜗壳型线在设计范围内的高自由度的变动，在找到最优折线型线形状后，再反推出对应的最优曲线型线，避免了以往重复、多次的打样过程。在离心风机蜗壳的设计和优化中，使用本发明可以为研究机构和企业节约研发成本，为研究人员寻求蜗壳型线对风机性能的影响规律提供捷径。

附图说明

图1是本发明实施例的设计示意图；

图2是本发明实施例的三维造型图；

图3是本发明实施例的正视图和侧视图；

图4是本发明实施例的轨道底座的结构示意图；

图5是本发明实施例的轨道的截面尺寸示意图；

图6是本发明实施例的分段式可伸缩环壁的结构示意图；

图7是本发明实施例的环壁隔板单元的结构示意图；

图8是本发明实施例的环壁隔板单元的截面尺寸示意图；

图9是本发明实施例的环壁隔板单元不同长度下的形态示意图；

图10是本发明实施例的控制节点及其和轨道间连接关系的示意图；

图11是本发明实施例的分段式可伸缩环壁的结构示意图；

图12是本发明实施例的安装了叶轮等部件后从前方观察的三维造型图；

图13是本发明实施例的安装了叶轮等部件后从出口方向观察的三维造型图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明在实际的蜗壳型线上以一定间隔选取控制点，然后将相邻控制点用线段两两连接，用生成的这一系列线段来近似描述蜗壳型线。可见当控制节点越多、越密集，每段线段的长度就越短，所描述出的折线型线也就越接近实际型线，但为了实现型线的任意变动，减小了型线控制点的数量，相邻控制节点之间的位置夹角Δθ＝10～15°。当相邻控制点的位置夹角Δθ＝15°时，折线型线已经十分趋近于实际型线。

如图1所示，取蜗舌位置对应的第一个控制点作为型线的起点，其位置角度一般取θ₁＝45°～90°，则位置角θ₂＝360°的控制点则为型线的终点，相邻控制节点之间的位置夹角Δθ＝10～15°，θ₁和Δθ共同决定了控制节点的个数。图1(I)中的M为型线控制点，径向线N表示控制点移动轨迹，曲线P表示控制点最大移动范围，θ表示位置角，D₂表示叶轮外径，图1(I)中的A处放大图如图1(II)所示。

用折线型线近似实际型线之后，就可以通过调节每个控制点的位置来调节整段蜗壳型线形状。进一步的，为使控制节点的位置可以被精确调节，本发明限制了每个控制节点的自由度，使其只能沿着径向进行位置的改变。在控制点沿径向进行移动的同时，相邻节点间的距离必然发生改变，所以需要让相邻节点间的环壁段的结构具有可伸缩性，本发明利用三块板的相互重叠达到此目的，具体结构将结合实施例进行介绍。

然而，相邻节点间的环壁段的可伸缩性是有限度的，这使得型线控制点不可能也不需要无限向外延伸，只需要在一定的范围内进行移动即可，本发明所设计的控制点最大移动范围由以下螺旋线方程确定：

R_θ＝0.5·D₂·e^0.001659·θ

其中D₂为本发明所匹配叶轮的外径。

图2至图13为本发明一种型线可调节的风机蜗壳的一种实施例，一款为外径D₂＝270mm,叶轮高度b＝100mm的多翼离心叶轮所设计的型线可调节风机蜗壳。

图2为本发明的三维造型图。为了实现蜗壳型线形状的可变，必须将蜗壳环壁和蜗壳前、轨道底座分离开来；同时由于环壁需要和前轨道底座保持相对的移动，无法进行严格的固定，需要一定的外力使前轨道底座将环壁压紧，从而保持蜗壳的总体稳定和基本密封。故一种型线可调节风机蜗壳被分为轨道底座1、前盖板2、固定支架3以及分段式可升缩环壁4。固定支架3和轨道底座1和前盖板2之间通过四周的螺栓锁紧，以压紧两者之间的分段式可升缩环壁4。

图3的(I)、(II)为本发明的正视图和侧视图，同时也示出了本发明的总体尺寸，长度L_A和宽度L_B没有定值，均结合实际设计，以包含所有其他结构在其框架内为准。高度B为轨道底座1和前盖板2之间的距离，也就是分段式可伸缩环壁4的总体高度，由匹配叶轮的高度b所决定，B＝1.2～1.5b，以保证叶轮和轨道底座1和前盖板2之间具有一定的间隙，本实施例中B＝1.4b＝140mm。

图4所示，为轨道底座1的结构示意图。主要包括水平轨道11、径向轨道12、轨道刻度13，进一步还包括用于安置电机的电机孔位14、用于固定电机的螺钉孔15以及用于和固定支架3连接的孔16。径向轨道12围绕电机孔位14均匀分布，对应图1中所示控制点移动轨迹，本实施例中的径向轨道的设计参数则选取θ₁＝45°，θ₂＝360°，Δθ＝15°，共有21个径向轨道12。

水平轨道11和径向轨道12均由长度较短的限位通孔和长度较长的定位滑槽组成。轨道截面及尺寸如图5所示，t为轨道底座1的总厚度，可依据结构强度确定，本实施例中t＝6mm；所述定位滑槽的深度t₁＝0.5t＝3mm。宽度s₁＝12mm；所述限位通孔贯穿整个轨道底座1，宽度s₂＝8mm。

限位通孔限制了控制节点的移动范围，其靠近轴心的近端和轴心的距离R_min＝0.5D₂，远离轴心的远端的距离R_max＝R_θ+0.2b+s。其中R_θ为如图1设计中确定的型线控制点的最大调节范围；0.2b为实际控制节点42的长度，以确保其和轨道底座1的相互垂直；s为环壁单元41隔板的厚度，本实施例中s＝7mm。

本实施例中21个径向轨道12依照位置角由小至大编号为1～21，其近端和远端距离如下表：

节点编号	R<sub>min</sub>/mm	R<sub>max</sub>/mm	节点编号	R<sub>min</sub>/mm	R<sub>max</sub>/mm
						1	135.00	175.13	12	135.00	222.09
2	135.00	178.89	13	135.00	227.03
						3	135.00	182.74	14	135.00	232.09
4	135.00	186.69	15	135.00	237.28
						5	135.00	190.74	16	135.00	242.61
6	135.00	194.89	17	135.00	248.07
						7	135.00	199.14	18	135.00	253.66
8	135.00	203.51	19	135.00	259.40
						9	135.00	207.98	20	135.00	265.28
10	135.00	212.57	21	135.00	271.31
						11	135.00	217.27	—	—	—

图6为分段式可伸缩环壁的结构示意图，对应图1中的设计，其主要由一系列环壁单元41和控制节点42相互连接而成，此外还包含一段蜗舌端隔板43、一个可替换的蜗舌44、一段环壁末端隔板45、以及两块用于型线首尾处密封的出口密封块46。上述各部件的高度均和分段式可伸缩环壁4的总体高度相等。

蜗舌的形状和其与叶轮之间的间隙是影响离心风机气动性能和运行噪声的关键部件，故本发明中蜗舌44被设计为可替换部件；进一步，蜗舌44和环壁第一个控制点42-1直接相连，试验测试中可以通过调节环壁第一个控制点42-1的位置来对蜗舌和叶轮之前的间隙进行调节。

所述蜗舌端隔板43和环壁末端隔板45则构成了完整蜗壳形状中出口左右两侧的形状。出口处两侧各有一个控制节点42在轨道底座的水平轨道11上移动，控制着蜗舌端隔板43和环壁末端隔板45的角度和蜗壳出口的位置。

图7中的(I)(II)为本发明环壁单元的结构示意图。环壁单元41和控制节点42是分段式可伸缩环壁实现型线最为关键的两个部件。环壁单元41由两块主隔板411、一块副隔板412、两条连接杆413以及锁紧螺钉414组成。如图7(I)所示，副隔板412将相对的两块主隔板411相连接，对三块隔板重叠的宽度进行调整，使三块隔板的总长度可在一定范围内改变。如图7(II)所示，在三个隔板的背部，两条连接杆413相互交叉构成环壁单元41的骨架，锁紧螺钉414将上述部件锁紧在一起，隔板上下两端边缘的凸起和凹槽相互咬合，使得三块隔板只能沿着长度方向相对滑动。

当环壁单元41长度变化时，连接杆两端的凸缘415会在主隔板背面的滑槽417中滑动，两个连接杆413间的角度随之改变，动态地维持环壁单元41中三块隔板间结构的稳定。

连接杆413上设有限位柱416，用于限制两个连接杆413间转动的角度，从而限制了两块主隔板之间所能拉伸的最远距离，避免三块隔板之间相互脱离。环壁单元41的两侧有轴套418，装配时套在对应控制节点42的节点轴423上。

图8为本发明环壁单元的截面示意图，可见三块隔板的相对位置，主隔板411的宽度L_a＝0.13D₂＝17.5mm，副隔板412的宽度L_b＝2L_a＝35mm，整个隔板单元宽度L的调节范围为1倍L_b-1.9倍L_b，这个调节范围配合轨道底座1上径向轨道12的设计，使分段式可伸缩型线不仅可以满足所有渐扩型型线的变化需求，还可以调整出部分异型的型线形状。s为环壁单元41三块隔板的总厚度，本实施例中s＝7mm。

图9示出了三种不同长度下环壁单元41的形态，分别为图(I)所示的完全收缩状态；图(II)所示的中间状态；图(III)所示的完全伸长状态。

图10为本发明实施例的控制节点及其和轨道间连接关系的示意图。控制节点42包含节点主体421、节点端盖422和节点轴423，总体高度为B，本实施例中B＝140mm。节点主体421和节点端盖422通过螺钉连接将节点轴423固定在两者之间。进一步，控制节点42连同限位滑块52一起在轨道底盘1上的滑槽中移动，锁紧滑块51则从轨道底座1的底部将控制节点41、限位滑块52以及轨道底盘1通过两颗螺钉锁紧在一起，控制锁紧的程度使得控制节点42在不松动的前提下可以沿着滑槽移动。此外，在长度较长的轨道中，所述限位滑块52中还包含一块密封拉板53，在控制节点42移动到较远位置时拉出，对轨道进行密封。

图11是本发明分段式可伸缩环壁中间一段的正视图。可见环壁单元41和控制节点42依次相连，一系列首尾相连的环壁单元41的内侧壁面构成了图1设计示意图中所示的折线型线，近似了曲线型线，见图中虚线所示。控制节点42和轨道底座1上均有刻度线，使得每个控制节点42在各自轨道上的位置可以被精确控制，从而达到准确调节蜗壳型线形状的目的。

图12、13为本发明安装了叶轮等部件后的三维造型图。本发明为一种型线可调节风机蜗壳，在所有结构锁紧后，可以在蜗壳内安装外径D₂等于或小于设计外径270mm、叶轮高度等于或小于140mm的的离心叶轮用于进行蜗壳型线寻优的试验测试，试验时只需将蜗壳出口和气动性能测量台连接即可。

本发明的实施例的装配过程如下：

(1)固定轨道底座；

(2)将控制节点的节点主体安装到轨道底座的对应轨道中，将锁紧滑块从轨道底座底部对齐节点主体并通过螺钉将其限定在轨道中，控制螺钉的锁紧程度使控制节点在不松动的前提下可以沿着滑槽移动；

(3)将每个环壁单元分别进行组装，其背面锁紧螺母拧紧到三块隔板在不松动的前提下可以保持平行的相对滑动；

(4)调整同一个控制节点两侧环壁单元的轴套位置，然后插入节点轴，最后拧紧控制节点顶部的螺钉锁紧控制节点端盖。依次可以完成整个分段式可伸缩环壁的安装；

(5)将外支架通过螺栓固定在轨道底座上；

(6)安装前盖板，并用螺栓固定在外支架上，压紧、固定整段分段式可伸缩环壁。

本发明的实施例在使用时必须完成如下操作：

(1)在预留的电机孔位安装电机并密封；

(2)安装测试用叶轮；

(3)安装集流器。

本发明在使用时进行如下操作来实现蜗壳型线的调节：

(1)松开并卸下前盖板；

(2)滑动所有需要调节的控制节点至指定位置；

(3)重新安装前盖板，压紧、固定调节后的分段式可伸缩环壁。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种型线可调节的风机蜗壳，其特征在于,包括轨道底座、前盖板、固定支架以及分段式可伸缩的环壁，所述环壁位于所述前盖板、轨道底座之间，三者相互分离设置，所述固定支架与所述轨道底座、前盖板分别相互固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种型线可调节的风机蜗壳，其特征在于，所述轨道底座的中部设有用于安装电机的电机孔；所述电机孔的外周均匀分布有多个不同长度的径向轨道。

3.根据权利要求2所述的一种型线可调节的风机蜗壳，其特征在于，所述径向轨道均由限位通孔和定位滑槽组成，所述定位滑槽的长度大于所述限位通孔的长度；每个所述径向轨道一侧均标有表示环壁控制节点距离轴心的长度的刻度线。

4.根据权利要求2所述的一种型线可调节的风机蜗壳，其特征在于，所述前盖板的尺寸和厚度均与轨道底座相同，所述前盖板的中部设有与所述径向轨道的电机孔相对应的圆形孔，且所述圆形孔的直径大于所述电机孔的直径，所述圆形孔用以安装离心风机的集流器。

5.根据权利要求1所述的一种型线可调节的风机蜗壳，其特征在于，所述固定支架包括立体方框结构，其尺寸与所述轨道底座和所述前盖板的尺寸分别对应，所述固定支架分别通过螺栓锁紧所述轨道底座和所述前盖板。

6.根据权利要求1所述的一种型线可调节的风机蜗壳，其特征在于，所述环壁包括多个环壁单元、多个控制节点、一个蜗舌端隔板、一个可替换的蜗舌、一个环壁末端隔板和两块用于密封型线首尾处的出口密封块，多个所述环壁单元和控制节点依次相互连接；所述蜗舌端隔板和环壁末端隔板分别位于蜗壳出口两侧，出口端的两侧各设有一个控制节点，所述控制节点在所述轨道底座的水平轨道上移动。

7.根据权利要求6所述的一种型线可调节的风机蜗壳，其特征在于，所述环壁单元包括两个主隔板、一个副隔板、两条连接杆以及锁紧螺钉；所述副隔板的两端分别与两个所述主隔板连接，三个隔板相互重叠设置且重叠宽度可调整；两条所述连接杆相互交叉地连接在两个所述主隔板上，所述锁紧螺钉位于两条所述连接杆的中间交叉处；所述连接杆上设有用于限制两个所述连接杆间转动角度的限位柱。

8.根据权利要求7所述的一种型线可调节的风机蜗壳，其特征在于，所述控制节点包括节点主体、节点端盖和节点轴；所述节点轴位于所述节点主体和所述节点端盖之间，且通过螺钉固定；所述控制节点和所述轨道底座上均有刻度线。

9.根据权利要求8所述的一种型线可调节的风机蜗壳，其特征在于，所述环壁单元的两侧均设有轴套，装配时套在对应的所述控制节点的节点轴上。

10.根据权利要求1至9任一所述的一种型线可调节的风机蜗壳，其特征在于，所述环壁与所述轨道底座之间，以及环壁和前盖板之间均设有密封橡胶层。