CN109973433A - 一种具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其中内凹式倾斜蜗舌沿轴线方向以叶轮中盘所在平面为界包括第一部分和第二部分；在第一部分中，对于与轴线方向相垂直的任意一个截面，截面上的蜗舌型线半径和蜗舌间隙均大致遵循截面位置的二次函数关系相应变化；在第二部分中，对于与轴线方向相垂直的任意一个截面，截面上的蜗舌型线半径和蜗舌间隙也均大致遵循截面位置的二次函数关系相应变化。本发明通过对蜗舌的形貌结构，尤其是蜗舌沿轴向方向截面型线对应的蜗舌半径和蜗舌间隙的分布进行改进，使得本发明中内凹式倾斜蜗舌结构及其应用于蜗壳的应用方法，能够提高风机效率的同时降低风机的噪声，明显改善风机的气动性能。
Description
技术领域
本发明属于风机领域，更具体地，涉及一种具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，该蜗壳尤其是具有内凹式倾斜蜗舌结构的多翼离心风机蜗壳。
背景技术
在多翼离心风机中，为了满足压力的要求，一般选择前向甚至强前向叶轮，叶片数目繁多导致稠度很大，使得叶轮尾迹流场分布复杂，而蜗壳沿周向上的非均匀性结构会加剧叶轮内部流动的非均匀性。合理的蜗舌结构和蜗舌与叶轮的间隙可以缓解叶轮和蜗壳的流动分离、减小流动损失、减少蜗壳和叶轮在蜗舌处的动静干涉，对提高风机气动性能和噪声性能有着不可忽略的作用。
叶轮出口气流对蜗舌的强烈冲击是不可避免的非定常流动现象，减少蜗舌处的压力脉动和回流可以提高风机的效率的同时降低噪声，目前行之有效的蜗舌改进结构有仿生蜗舌、内凹蜗舌、倾斜蜗舌等。对于双吸叶轮中盘两侧非对称结构，单一的倾斜蜗舌和对称的内凹蜗舌结构往往由于降噪效果的收益低于加工成本而不被采纳，非对称结构的仿生蜗舌结构由于特定的尺寸和参数约束，获得效果明显的结构的研发成本和研究难度较大。
受粘性作用的影响，蜗壳内部气流在整个流道内的速度分布呈现非均匀的现象，在轴向上也有所体现。上述的蜗舌结构改进具有一定的指导意义。然而上述措施未能考虑到蜗壳和叶轮内部流场在轴向上的非均匀性，未考虑蜗舌间隙和蜗舌半径在轴向上的分布规律。为解决双吸式多翼离心风机叶轮中盘非对称双吸叶轮蜗舌降噪结构，提出一种内凹式倾斜蜗舌结构设计方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其中通过对蜗舌的形貌结构，尤其是蜗舌沿轴向方向截面型线对应的蜗舌半径和蜗舌间隙的分布进行改进，基于蜗壳轴向上蜗壳和叶轮内部流场的非均匀性特点，通过设定满足二次函数关系的蜗舌间隙和蜗舌半径在轴向上的分布规律，使得本发明中内凹式倾斜蜗舌结构及其应用于蜗壳的应用方法，能够提高风机效率的同时降低风机的噪声，明显改善风机的气动性能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，该蜗壳包括出风口、内凹式倾斜蜗舌和内腔，其中所述内凹式倾斜蜗舌位于出风口下端与内腔连接位置，该蜗壳还包括分别位于两侧气流进口所在平面、且相互平行设置的前壁和后壁，该蜗壳的轴线则垂直于所述前壁；并且，在该蜗壳的内部还具有环壁，该环壁用于连接所述前壁和所述后壁，三者共同包围所述内腔；所述内凹式倾斜蜗舌用于与所述环壁相连接；
所述内凹式倾斜蜗舌起始于所述前壁，终止于所述后壁；沿所述轴线方向，以叶轮中盘所在平面为界，所述内凹式倾斜蜗舌包括第一部分和第二部分，其中，所述第一部分对应于所述前壁和叶轮中盘之间的蜗舌部分，所述第二部分对应于叶轮中盘和所述后壁之间的蜗舌部分；
记所述内凹式倾斜蜗舌与所述前壁的接触端面为S1，与所述前壁和叶轮中盘之间的某个平面的截面为S2，与叶轮中盘所在平面的截面为S3，叶轮中盘和所述后壁之间的某个平面的截面为S4，与所述后壁的接触端面为S5，S1、S2、S3、S4和S5均垂直于所述轴线方向，其中S2距S1的距离满足大于等于0.75L1且小于等于0.85L1，L1为所述前壁到叶轮中盘所在平面的距离；S4距S5的距离满足大于等于0.75L2且小于等于0.85L2，L2为所述后壁到叶轮中盘所在平面的距离；
对于与所述轴线方向相垂直、且位于S1与S3之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，若记该平面距S1的距离为d，则随着(d/L1)比值的变化，圆弧线ca的实际半径r大致遵循(d/L1)的二次函数关系相应变化；若记该截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙为t，则随着(d/L1)比值的变化，实际蜗舌间隙t也大致遵循(d/L1)的二次函数关系相应变化；
其中，若记严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径为r0，则随着(d/L1)比值的变化，|r-r0|/r0始终不超过预先设定的误差值ε1；若记严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙为t0，则随着(d/L1)比值的变化，|t-t0|/t0始终不超过预先设定的误差值ε2；
对于与所述轴线方向相垂直、且位于S3与S5之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，若记该平面距S5的距离为d’，则随着(d’/L2)比值的变化，圆弧线ca的实际半径r’大致遵循(d’/L2)的二次函数关系相应变化；若记该截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙为t’，则随着(d’/L2)比值的变化，实际蜗舌间隙t’也大致遵循(d’/L2)的二次函数关系相应变化；
其中，若记严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径为r’0，则随着(d’/L2)比值的变化，|r’-r’0|/r’0始终不超过预先设定的误差值ε3；若记严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙为t’0，则随着(d’/L2)比值的变化，|t’-t’0|/t’0始终不超过预先设定的误差值ε4。
按照本发明的另一方面，提供了一种具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，该蜗壳包括出风口、内凹式倾斜蜗舌和内腔，其中所述内凹式倾斜蜗舌位于出风口下端与内腔连接位置，该蜗壳还包括分别位于两侧气流进口所在平面、且相互平行设置的前壁和后壁，该蜗壳的轴线则垂直于所述前壁；并且，在该蜗壳的内部还具有环壁，该环壁用于连接所述前壁和所述后壁，三者共同包围所述内腔；所述内凹式倾斜蜗舌用于与所述环壁相连接；
所述内凹式倾斜蜗舌起始于所述前壁，终止于所述后壁；沿所述轴线方向，以叶轮中盘所在平面为界，所述内凹式倾斜蜗舌包括第一部分和第二部分，其中，所述第一部分对应于所述前壁和叶轮中盘之间的蜗舌部分，所述第二部分对应于叶轮中盘和所述后壁之间的蜗舌部分；
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对于与所述轴线方向相垂直、且位于S1与S2之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，若记该平面距S1的距离为d，则随着(d/L1)比值的变化，圆弧线ca的实际半径r大致遵循(d/L1)的二次函数关系相应变化；若记该截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙为t，则随着(d/L1)比值的变化，实际蜗舌间隙t也大致遵循(d/L1)的二次函数关系相应变化；
其中，若记严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径为r0，则随着(d/L1)比值的变化，|r-r0|/r0始终不超过预先设定的误差值ε1；若记严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙为t0，则随着(d/L1)比值的变化，|t-t0|/t0始终不超过预先设定的误差值ε2；
对于与所述轴线方向相垂直、且位于S4与S5之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，若记该平面距S5的距离为d’，则随着(d’/L2)比值的变化，圆弧线ca的实际半径r’大致遵循(d’/L2)的二次函数关系相应变化；若记该截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙为t’，则随着(d’/L2)比值的变化，实际蜗舌间隙t’也大致遵循(d’/L2)的二次函数关系相应变化；
其中，若记严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径为r’0，则随着(d’/L2)比值的变化，|r’-r’0|/r’0始终不超过预先设定的误差值ε3；若记严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙为t’0，则随着(d’/L2)比值的变化，|t’-t’0|/t’0始终不超过预先设定的误差值ε4；
对于与所述轴线方向相垂直、且位于S2与S4之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，随着截面在S2与S4之间位置的变化，圆弧线ca的半径遵循线性函数关系变化，截面上蜗舌型线距离叶轮外径的蜗舌间隙也遵循线性函数关系变化。
作为本发明的进一步优选，所述严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径r0满足：r0＝21.25(d/L1)2-23.25(d/L1)+15，r0的单位为mm；
所述严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙t0满足：t0＝-6.75(d/L1)2+6.15(d/L1)+14.5，t0的单位为mm；
所述严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径r’0满足：r’0＝21.25(d’/L2)2-23.25(d’/L2)+15，r’0的单位为mm；
所述严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙t’0满足：t’0＝-6.75(d’/K2)2+6.15(d’/L2)+14.5，t’0的单位为mm。
作为本发明的进一步优选，所述S2距S1的距离等于0.8L1，所述S4距S5的距离等于0.8L2。
作为本发明的进一步优选，所述环壁的型线满足等边基蜗壳型线的设计，主要由四段光滑的圆弧连接而成，并且在这四段光滑圆弧的后方、靠近气流出口处，所述环壁的型线还包括蜗壳出口直线段。
作为本发明的进一步优选，对于与所述轴线方向相垂直、且位于S1与S5之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均由所述圆弧线ca与圆弧段ab、直线段bd、直线段dc闭合相连组成，其中所述圆弧线ca分别与圆弧段ab、直线段dc相切，圆弧段ab用于与所述环壁的型线相切连接；任意一个截面上，蜗舌型线中的直线段bd均保持不变，相应的，该内凹式倾斜蜗舌在蜗壳内的安装接触面为平面接触面。
作为本发明的进一步优选，所述内凹式倾斜蜗舌与所述环壁之间的连接为可拆卸式连接。
作为本发明的进一步优选，对于与所述轴线方向相垂直、且位于S1与S5之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线中圆弧线ca的实际半径始终满足大于等于0.03D2、且小于等于0.06D2，截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙始终满足大于等于0.05D2、且小于等于0.1D2；其中，D2为叶轮外径。
作为本发明的进一步优选，S1上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径大于S3上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径，S3上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径大于S2上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径；S2上的实际蜗舌间隙大于S1上的实际蜗舌间隙，S1上的实际蜗舌间隙大于S3上的实际蜗舌间隙；S5上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径大于S3上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径，S3上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径大于S4上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径；S4上的实际蜗舌间隙大于S5上的实际蜗舌间隙，S5上的实际蜗舌间隙大于S3上的实际蜗舌间隙。
按照本发明的又一方面，提供了一种具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，该蜗壳包括出风口、内凹式倾斜蜗舌和内腔，其中所述内凹式倾斜蜗舌位于出风口下端与内腔连接位置，该蜗壳还包括分别位于单侧气流进口所在平面的前壁，该蜗壳的轴线则垂直于所述前壁，并且，在该蜗壳的内部还具有环壁，该环壁用于连接所述前壁和叶轮中盘，三者共同包围所述内腔；所述内凹式倾斜蜗舌用于与所述环壁相连接；
所述内凹式倾斜蜗舌起始于所述前壁，终止于所述叶轮中盘；
记所述内凹式倾斜蜗舌与所述前壁的接触端面为S1，与所述前壁和叶轮中盘之间的某个平面的截面为S2，与叶轮中盘所在平面的截面为S3，S1、S2和S3均垂直于所述轴线方向，其中S2距S1的距离满足大于等于0.75L1且小于等于0.85L1，L1为所述前壁到叶轮中盘所在平面的距离；
对于与所述轴线方向相垂直、且位于S1与S3之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，若记该平面距S1的距离为d，则随着(d/L1)比值的变化，圆弧线ca的实际半径r大致遵循(d/L1)的二次函数关系相应变化；若记该截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙为t，则随着(d/L1)比值的变化，实际蜗舌间隙t也大致遵循(d/L1)的二次函数关系相应变化；
其中，若记严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径为r0，则随着(d/L1)比值的变化，|r-r0|/r0始终不超过预先设定的误差值ε1；若记严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙为t0，则随着(d/L1)比值的变化，|t-t0|/t0始终不超过预先设定的误差值ε2。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于基于蜗壳轴向上蜗壳和叶轮内部流场的非均匀性特点，通过设定满足二次函数关系的蜗舌间隙和蜗舌半径在轴向上的分布规律，通过对不同轴向截面处蜗舌半径和间隙合理的控制，可以减小叶轮出口气流对蜗舌的冲击，改善离心风机在轴向方向上的气流流动，减小蜗舌处的泄露损失，提高风机的效率，进而，能够提高风机效率的同时降低风机的噪声，明显改善风机的气动性能。受建模限制，蜗舌间隙和蜗舌半径在轴向上的分布很难做到数学意义上严格的二次函数关系变化，因此，只要实际半径r、实际蜗舌间隙为t、实际半径r’、实际蜗舌间隙为t’分别大致遵循(d/L1)或(d’/L2)的二次函数关系相应变化即可；也就是说，若分别定义严格遵循(d/L1)或(d’/L2)的二次函数关系相应变化的目标半径r0函数、目标蜗舌间隙t0函数、目标半径r’0函数、目标蜗舌间隙t’0函数，则任意(d/L1)或(d’/L2)取值下，|r-r0|/r0始终不超过预先设定的误差值ε1(即，r与r0之差的绝对值占r0的比值始终不超过预先设定的允许误差值ε1)，|t-t0|/t0始终不超过预先设定的误差值ε2，|r’-r’0|/r’0始终不超过预先设定的误差值ε3，|t’-t’0|/t’0始终不超过预先设定的误差值ε4；ε1、ε2、ε3、ε4的取值预先设置，四者可以相等，也可以互不相等，例如可以为0.1～0.01等等。
本发明通过控制蜗舌在各个截面上蜗舌的型线，包括蜗舌间隙、蜗舌半径等，将截面的圆弧半径控制为大致按照二次函数变化，而考虑叶轮进口不均匀流动以及叶轮和蜗舌之间的干涉作用，间隙同样控制为大致按照二次函数变化，形成的内凹式和倾斜结构可以有效缓解叶轮出口气流对蜗舌的冲击作用，通过控制各个截面蜗舌间隙的大小，可以有效减小蜗舌部分回流，从而增大效率。
本发明中具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其中的内凹式倾斜蜗舌尤其是种可替换的内凹式倾斜蜗舌，该内凹式倾斜蜗舌结构由两个部分组成，第一个部分设计对应于蜗壳前壁和叶轮中盘之间的蜗舌部分，第二部分的设计对应于叶轮中盘和蜗壳后壁之间的蜗舌部分。每一个部分由3个截面的蜗舌型线控制，每个截面的蜗舌半径、蜗舌间隙按照二次曲线的规律变化。该具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，可应用于多翼离心风机中，尤其是单吸式或双吸式多翼离心风机，在多翼离心风机的最大流量和厨房工况下具有良好的降噪效果。
本发明具有的内凹式倾斜蜗舌的风机蜗壳的蜗舌在多翼离心风机的最大流量和厨房工况下具有良好的降噪效果，其具体实施例的不同，降噪效果不统一。通过控制蜗舌在各个截面上蜗舌的型线，包括蜗舌间隙、蜗舌半径等，形成的内凹式和倾斜结构可以有效缓解叶轮出口气流对蜗舌的冲击作用，通过控制各个截面蜗舌间隙的大小，可以有效减小蜗舌部分回流，从而增大效率。
本发明具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳中，内凹式倾斜蜗舌优选为可拆卸式组件，即该内凹式倾斜蜗舌可优选作为可替换件。并且，在基于平行于蜗壳轴线的各个平面所得的各个截面上，蜗舌型线优选由圆弧线ca与圆弧段ab、直线段bd、直线段dc闭合相连组成，其中，直线段bd为蜗舌与基础蜗壳侧壁相连接的接触线(因此，该内凹非对称倾斜蜗舌对气流具有实质影响的型线实际上只包括直线段dc、圆弧线ca与圆弧段ab)，固定不变的直线段bd可以使蜗舌与蜗壳其他组件相连接形成的接触面为平面接触面，可以在寻找合适的蜗舌设计参数的同时降低打样成本，便于内凹式倾斜蜗舌的灵活替换。
此外，基于本发明，针对诸如双吸式多翼离心风机，可以通过预选设计5个蜗舌截面的蜗舌型线(或者是除叶轮中盘所在平面对应截面外的4个蜗舌截面的蜗舌型线)，针对诸如单吸式多翼离心风机，可以通过预选设计3个蜗舌截面的蜗舌型线，通过三维建模软件可以绘出蜗舌及至蜗壳的具体结构。也就是说，针对诸如双吸式多翼离心风机，本发明可以通过5个蜗舌截面的蜗舌型线(其中2个为端面，2个截面分别位于第一和第二部分，另外一个截面为第一和第二部分共有)，由这5个截面的蜗舌型线，便可通过三维建模软件实现其具体结构；针对诸如单吸式多翼离心风机，本发明通过3个蜗舌截面的蜗舌型线，便可通过三维建模软件实现其具体结构。
以双吸式多翼离心风机为例，本发明所克服的技术难点在于：由于调整蜗舌间隙和圆弧半径参数太多，而本发明可以只采用三个截面(即，单吸式中的S1、S2、S3，双吸式中第一部分的S1、S2、S3)去近似逼近二次函数，然而所逼近目标函数之所以选择为二次函数，是为了考虑蜗壳效率，同时折衷考虑工程上的简化、满足气流流动的特性和减小设计的成本，所以才采用系数较少的二次函数进行优化。尽管如此，优化的参数还有很多，包括:S2截面的位置，控制圆弧半径的二次函数系数有三个，控制间隙的二次函数系数有三个，一共7个需要优化的参数。而本发明通过控制S2(或S4)的位置，将S2距S1的距离控制为大于等于0.75L1且小于等于0.85L1(更优选为0.8L1)，将S4距S5的距离控制为大于等于0.75L2且小于等于0.85L2(更优选为0.8L2)，即，将S2、S4截面定于叶轮出口气流速度最大的地方，可简化优化过程；另外，可以通过神经网络建立近似模型然后用多目标退火算法、第二代非劣排序遗传算法等多目标优化算法求得效率、流量的极大值的方法，对这剩余的6个参数进行优化。
附图说明
图1为本发明内凹式倾斜蜗舌结构风机蜗壳与叶轮的安装位置示意图。
图2为本发明具有内凹式倾斜蜗舌结构的风机蜗壳结构示意图。
图3为本发明具有内凹式倾斜蜗舌结构的风机蜗壳型线示意图(图中的数值单位均为mm)。
图4为本发明具有内凹式倾斜蜗舌结构的风机蜗壳的蜗舌结构示意图。
图5为本发明具有内凹式倾斜蜗舌结构的风机蜗壳的蜗舌截面分布图。
图6为本发明具有内凹式倾斜蜗舌结构的风机蜗壳的蜗舌截面所对应的蜗舌型线示意图。
图7为本发明具有内凹式倾斜蜗舌结构的风机蜗壳的蜗舌实施例1的结构示意图，其中(a)为三维立体图，(b)为正视图，(c)为侧视图。
图8为本发明具有内凹式倾斜蜗舌结构的风机蜗壳的蜗舌实施例2的结构示意图，其中(a)为三维立体图，(b)为正视图，(c)为侧视图。
图中各附图标记的含义如下：1-蜗壳，2-双吸式叶轮，3-集流器，4-前壁，5-后壁，6-环壁，7-可替换的内凹式非对称蜗舌，8-四段光滑圆弧，9-出口直线段。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供一种具有内凹式倾斜蜗舌结构的风机蜗壳，所述风机为某台多翼离心风机，如图1所示，由蜗壳1、双吸式叶轮2、集流器3等部分组成，所述叶轮为双吸式叶轮。所述多翼离心风机有两个进风口，分别为主进风口I1和副进风口I2。所述主进风口I1中气流由叶轮前盘和中盘间的叶轮流进，其中蜗壳前壁到叶轮中盘间距L1为96mm，所述副进风口I2的气流由叶轮中盘和后盘间的叶轮流进，蜗壳后壁到叶轮中盘的间距L2为76mm。
所述蜗壳1如图2所示，包括前壁4、后壁5、环壁6、可替换的内凹式倾斜蜗舌7。所述蜗壳1基于等边基蜗壳型线的设计方法，如图3所示，由四段光滑的圆弧8连接而成。蜗壳宽度B为174mm，蜗壳出口张开度A为70mm，以叶轮为中心做出的等边基方边长a为A/4，即17.5mm。原型机中，蜗舌处圆弧半径r为13mm，蜗舌间隙t为14mm，其中蜗舌间隙的取值范围为[0.05D2,0.1D2]，蜗舌半径的取值范围为[0.03D2，0.06D2]，D2为叶轮外径，此处叶轮外径为250mm。蜗壳出口宽度C为118mm，取值范围为[1.5A,1.7A]。
该蜗壳型线除了主要由四段圆弧8构成的环壁6的型线外，还包括蜗壳出口直线段9、内凹倾斜蜗舌型线db，所述型线db包括蜗舌圆弧段ac、一小部分圆弧段ab和直线段cd，所述的一小部分圆弧段的起点为蜗舌半圆弧的端点a，终点为坐标系上与横轴(即图3中所示的水平横轴方向)角度为θ＝78°方向直线与圆弧段的交点b，这样设计的目的在于：将内凹式倾斜蜗舌做为可替换件，在寻找合适的设计参数的同时降低打样成本，其中交点b在圆弧的任意位置都行。所述蜗壳型线不仅仅是由等边基法设计出来的蜗壳型线，还包括其它任意一种蜗壳型线。
所述的内凹式倾斜蜗舌做为可替换件型线如图4所示，包括蜗舌圆弧段ac、一小部分圆弧段ab和直线段cd。其中直线db是为了让蜗舌替换件与蜗壳在安装时有一个面接触，保持安装的准确性。可替换蜗舌对应两部分，第一个部分设计对应于叶轮前盘和中盘之间的叶轮部分，第二部分的设计对应于叶轮中盘和后盘之间的叶轮部分。
所述蜗舌第一个部分，其蜗舌型线由三个截面控制，如图5所示，分别为蜗壳前壁截面S1、蜗壳前壁和叶轮中盘间的某个截面S2、叶轮中盘截面S3。所述S2截面位于S1和S3截面之间点的0.8倍间距且远离S1截面，其取值范围为[0.75L1-0.85L1]，如图5所示。所述S3截面上的蜗舌型线与图4中的蜗舌型线一致，即以S3截面上的蜗壳型线为依据，设计其余两个截面上的蜗舌型线。
所述蜗舌的第一部分蜗舌型线，其蜗舌圆弧半径r的变化遵循二次曲线，如图6所示，S1的蜗舌半径大，S3次之，S2最小，S1蜗舌半径取范围上限，即15mm。所述二次曲线的方程为：r＝21.25x2-23.25x+15,式中x为截面到S1截面距离占间距L1的比例。其中S1截面x值为0，蜗舌半径r1为15mm，S2截面x值为0.8，蜗舌半径r2为10mm，S3截面的x值为1，蜗舌半径r3为13mm。选取三个截面是为了让蜗舌半径变化接近二次曲线，当然，也可以取四个或者更多的截面。
所述蜗舌的第一部分蜗舌型线，其蜗舌间隙t的变化遵循二次曲线，如图6所示，S2截面的蜗舌间隙最大，S1次之，S3最小。所述二次曲线的方程为：t＝-6.75x2+6.15x+14.5，式中x值与蜗舌半径的x值一致，此处不再赘述。其中S1截面x值为0，蜗舌间隙t1为14.5mm，S2截面x值为0.8，蜗舌间隙t2为15.1mm，S3截面的x值为1，蜗舌间隙t3为13.9mm。
对于r和t的二次函数关系，一般来说，应该是所有截面都满足二次函数关系，但是在建模的时候无法保证这个关系，所以采用这三个截面来近似逼近这个关系。
所述蜗舌的第一部分蜗舌型线，蜗舌半径和蜗舌间隙的确定实际上是确定了三个截面上点a的位置。对于点c的位置，在保证以C截面蜗舌型线为基础的情况下，点d位置不变，同时做过点d到蜗舌圆弧的切线，与圆弧的交点即为点c，得到的三个截面的蜗舌型线如图6所示。
上述所述的第二部分蜗舌型线设计与第一部分类似，蜗舌半径和蜗舌间隙都由第二部分所对应的二次曲线控制(在该实施例中，第二部分的二次函数关系与第一部分的二次函数关系的系数对应相同)，其中S1截面由第一部分蜗壳前壁变为蜗壳后壁，间距L1变为L2，这样就获得了5个蜗舌截面的蜗舌型线。
实施例1：将蜗舌的第一部分和第二部分得到的5个蜗舌截面型线导入三维制图软件，得到的蜗舌替换件的正视图和侧视图如图7所示，在蜗舌尖角处通过倒圆角进行圆滑处理，其中位置e和位置f倒圆角的半径分别为6mm和8mm(倒角能够让蜗舌表面更加圆滑，不会影响r和t的值)。
实施例2：在风机不同的工况下，实施例1中的蜗舌结构的尖端可能会造成噪声升高和风机声品质下降，在实施例1的基础上，舍弃掉蜗舌两个部分共同拥有的截面S3，只选取各个部所对应的S1和S2截面(即只选取第一部分的S1、S2截面，第二部分的S4、S5截面)，按照实施例1相同的步骤绘制蜗舌实体(此时，S2截面过度到S4截面的变化关系为线性关系)，其蜗舌替换件的正视图和侧视图如图8所示。与实施例1相比，没有由于S3截面造成的尖端，流动会更加平缓。
从两个实施例中外形可以看出，蜗舌具有内凹的结构，其内凹规律由间距L1、间距L2以及蜗舌间隙t控制，由于蜗舌每个截面的蜗舌半径不一样，呈现出倾斜的特征。
表1为本发明具有内凹式倾斜蜗舌结构的风机蜗壳的蜗舌实施例1的实验测试数据。
表1 实施例1实验测试数据
上述二次曲线方程(即，蜗舌第一部分中r关于x二次函数关系、t关于x二次函数关系，蜗舌第二部分中r关于x二次函数关系、t关于x二次函数关系)均为示例，其中的二次项系数、一次项系数以及常数项均可以独立调整，并且，第二部分的二次函数关系与第一部分的二次函数关系的系数可以不对应相同。此外，L1、L2、蜗壳宽度B、蜗壳出口张开度A等参数的取值均可以根据实际情况灵活调整。
本发明尤其可以通过神经网络建立近似模型然后用多目标退火算法、第二代非劣排序遗传算法等多目标优化算法求得效率、流量的极大值的方法(相关方法均可参照现有技术)，对上述S1截面、S2截面、S3截面内的细节参数进行优化。
蜗壳所基于的等边基蜗壳型线的设计方法，可直接参考相关现有技术。上述实施例中所采用的三维制图软件为Creo 4.0，当然，也可以采用Solidwork等其他三维软件。
上述实施例仅以双吸式多翼离心风机为例，本发明中通过对不同轴向截面处蜗舌半径和间隙合理的控制以改善风机噪声及气动性能的设计方法，同样也适用于包括单吸式多翼离心风机在内的任意离心风机的蜗壳中。以单吸式多翼离心风机为例，此时，相当于双吸式多翼离心风机蜗壳的由前壁到叶轮中盘之间的部分。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，该蜗壳包括出风口、内凹式倾斜蜗舌和内腔，其中所述内凹式倾斜蜗舌位于出风口下端与内腔连接位置，该蜗壳还包括分别位于两侧气流进口所在平面、且相互平行设置的前壁和后壁，该蜗壳的轴线则垂直于所述前壁；并且，在该蜗壳的内部还具有环壁，该环壁用于连接所述前壁和所述后壁，三者共同包围所述内腔；所述内凹式倾斜蜗舌用于与所述环壁相连接；
所述内凹式倾斜蜗舌起始于所述前壁，终止于所述后壁；沿所述轴线方向，以叶轮中盘所在平面为界，所述内凹式倾斜蜗舌包括第一部分和第二部分，其中，所述第一部分对应于所述前壁和叶轮中盘之间的蜗舌部分，所述第二部分对应于叶轮中盘和所述后壁之间的蜗舌部分；
记所述内凹式倾斜蜗舌与所述前壁的接触端面为S1，与所述前壁和叶轮中盘之间的某个平面的截面为S2，与叶轮中盘所在平面的截面为S3，叶轮中盘和所述后壁之间的某个平面的截面为S4，与所述后壁的接触端面为S5，S1、S2、S3、S4和S5均垂直于所述轴线方向，其中S2距S1的距离满足大于等于0.75L1且小于等于0.85L1，L1为所述前壁到叶轮中盘所在平面的距离；S4距S5的距离满足大于等于0.75L2且小于等于0.85L2，L2为所述后壁到叶轮中盘所在平面的距离；
对于与所述轴线方向相垂直、且位于S1与S3之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，若记该平面距S1的距离为d，则随着(d/L1)比值的变化，圆弧线ca的实际半径r大致遵循(d/L1)的二次函数关系相应变化；若记该截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙为t，则随着(d/L1)比值的变化，实际蜗舌间隙t也大致遵循(d/L1)的二次函数关系相应变化；
其中，若记严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径为r0，则随着(d/L1)比值的变化，|r-r0|/r0始终不超过预先设定的误差值ε1；若记严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙为t0，则随着(d/L1)比值的变化，|t-t0|/t0始终不超过预先设定的误差值ε2；
对于与所述轴线方向相垂直、且位于S3与S5之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，若记该平面距S5的距离为d’，则随着(d’/L2)比值的变化，圆弧线ca的实际半径r’大致遵循(d’/L2)的二次函数关系相应变化；若记该截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙为t’，则随着(d’/L2)比值的变化，实际蜗舌间隙t’也大致遵循(d’/L2)的二次函数关系相应变化；
其中，若记严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径为r’0，则随着(d’/L2)比值的变化，|r’-r’0|/r’0始终不超过预先设定的误差值ε3；若记严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙为t’0，则随着(d’/L2)比值的变化，|t’-t’0|/t’0始终不超过预先设定的误差值ε4。
2.一种具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，该蜗壳包括出风口、内凹式倾斜蜗舌和内腔，其中所述内凹式倾斜蜗舌位于出风口下端与内腔连接位置，该蜗壳还包括分别位于两侧气流进口所在平面、且相互平行设置的前壁和后壁，该蜗壳的轴线则垂直于所述前壁；并且，在该蜗壳的内部还具有环壁，该环壁用于连接所述前壁和所述后壁，三者共同包围所述内腔；所述内凹式倾斜蜗舌用于与所述环壁相连接；
所述内凹式倾斜蜗舌起始于所述前壁，终止于所述后壁；沿所述轴线方向，以叶轮中盘所在平面为界，所述内凹式倾斜蜗舌包括第一部分和第二部分，其中，所述第一部分对应于所述前壁和叶轮中盘之间的蜗舌部分，所述第二部分对应于叶轮中盘和所述后壁之间的蜗舌部分；
记所述内凹式倾斜蜗舌与所述前壁的接触端面为S1，与所述前壁和叶轮中盘之间的某个平面的截面为S2，与叶轮中盘所在平面的截面为S3，叶轮中盘和所述后壁之间的某个平面的截面为S4，与所述后壁的接触端面为S5，S1、S2、S3、S4和S5均垂直于所述轴线方向，其中S2距S1的距离满足大于等于0.75L1且小于等于0.85L1，L1为所述前壁到叶轮中盘所在平面的距离；S4距S5的距离满足大于等于0.75L2且小于等于0.85L2，L2为所述后壁到叶轮中盘所在平面的距离；
对于与所述轴线方向相垂直、且位于S1与S2之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，若记该平面距S1的距离为d，则随着(d/L1)比值的变化，圆弧线ca的实际半径r大致遵循(d/K1)的二次函数关系相应变化；若记该截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙为t，则随着(d/K1)比值的变化，实际蜗舌间隙t也大致遵循(d/K1)的二次函数关系相应变化；
其中，若记严格遵循(d/K1)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径为r0，则随着(d/L1)比值的变化，|r-r0|/r0始终不超过预先设定的误差值ε1；若记严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙为t0，则随着(d/L1)比值的变化，|t-t0|/t0始终不超过预先设定的误差值ε2；
对于与所述轴线方向相垂直、且位于S4与S5之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，若记该平面距S5的距离为d’，则随着(d’/L2)比值的变化，圆弧线ca的实际半径r’大致遵循(d’/L2)的二次函数关系相应变化；若记该截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙为t’，则随着(d’/L2)比值的变化，实际蜗舌间隙t’也大致遵循(d’/L2)的二次函数关系相应变化；
其中，若记严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径为r’0，则随着(d’/L2)比值的变化，|r’-r’0|/r’0始终不超过预先设定的误差值ε3；若记严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙为t’0，则随着(d’/L2)比值的变化，|t’-t’0|/t’0始终不超过预先设定的误差值ε4；
对于与所述轴线方向相垂直、且位于S2与S4之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，随着截面在S2与S4之间位置的变化，圆弧线ca的半径遵循线性函数关系变化，截面上蜗舌型线距离叶轮外径的蜗舌间隙也遵循线性函数关系变化。
3.如权利要求1或2所述具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，所述严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径r0满足：r0＝21.25(d/L1)2-23.25(d/L1)+15，r0的单位为mm；
所述严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙t0满足：t0＝-6.75(d/L1)2+6.15(d/L1)+14.5，t0的单位为mm；
所述严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径r’0满足：r’0＝21.25(d’/L2)2-23.25(d’/L2)+15，r’0的单位为mm；
所述严格遵循(d’/L2)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙t’0满足：t’0＝-6.75(d’/L2)2+6.15(d’/L2)+14.5，t’0的单位为mm。
4.如权利要求1或2所述具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，所述S2距S1的距离等于0.8L1，优选的，所述S4距S5的距离等于0.8L2。
5.如权利要求1或2所述具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，所述环壁的型线满足等边基蜗壳型线的设计，主要由四段光滑的圆弧连接而成，并且在这四段光滑圆弧的后方、靠近气流出口处，所述环壁的型线还包括蜗壳出口直线段。
6.如权利要求1或2所述具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，对于与所述轴线方向相垂直、且位于S1与S5之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均由所述圆弧线ca与圆弧段ab、直线段bd、直线段dc闭合相连组成，其中所述圆弧线ca分别与圆弧段ab、直线段dc相切，圆弧段ab用于与所述环壁的型线相切连接；任意一个截面上，蜗舌型线中的直线段bd均保持不变，相应的，该内凹式倾斜蜗舌在蜗壳内的安装接触面为平面接触面。
7.如权利要求1或2所述具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，所述内凹式倾斜蜗舌与所述环壁之间的连接为可拆卸式连接。
8.如权利要求1或2所述具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，对于与所述轴线方向相垂直、且位于S1与S5之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线中圆弧线ca的实际半径始终满足大于等于0.03D2、且小于等于0.06D2，截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙始终满足大于等于0.05D2、且小于等于0.1D2；其中，D2为叶轮外径。
9.如权利要求1所述具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，S1上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径大于S3上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径，S3上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径大于S2上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径；S2上的实际蜗舌间隙大于S1上的实际蜗舌间隙，S1上的实际蜗舌间隙大于S3上的实际蜗舌间隙；S5上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径大于S3上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径，S3上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径大于S4上蜗舌型线的圆弧线ca的实际半径；S4上的实际蜗舌间隙大于S5上的实际蜗舌间隙，S5上的实际蜗舌间隙大于S3上的实际蜗舌间隙。
10.一种具有内凹式倾斜蜗舌结构的蜗壳，其特征在于，该蜗壳包括出风口、内凹式倾斜蜗舌和内腔，其中所述内凹式倾斜蜗舌位于出风口下端与内腔连接位置，该蜗壳还包括分别位于单侧气流进口所在平面的前壁，该蜗壳的轴线则垂直于所述前壁，并且，在该蜗壳的内部还具有环壁，该环壁用于连接所述前壁和叶轮中盘，三者共同包围所述内腔；所述内凹式倾斜蜗舌用于与所述环壁相连接；
所述内凹式倾斜蜗舌起始于所述前壁，终止于所述叶轮中盘；
记所述内凹式倾斜蜗舌与所述前壁的接触端面为S1，与所述前壁和叶轮中盘之间的某个平面的截面为S2，与叶轮中盘所在平面的截面为S3，S1、S2和S3均垂直于所述轴线方向，其中S2距S1的距离满足大于等于0.75L1且小于等于0.85L1，L1为所述前壁到叶轮中盘所在平面的距离；
对于与所述轴线方向相垂直、且位于S1与S3之间的任意一个平面，在该平面与所述内凹式倾斜蜗舌所得截面上，蜗舌型线均包括圆弧线ca，并且，若记该平面距S1的距离为d，则随着(d/L1)比值的变化，圆弧线ca的实际半径r大致遵循(d/L1)的二次函数关系相应变化；若记该截面上蜗舌型线距离叶轮外径的实际蜗舌间隙为t，则随着(d/L1)比值的变化，实际蜗舌间隙t也大致遵循(d/L1)的二次函数关系相应变化；
其中，若记严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的圆弧线ca的目标半径为r0，则随着(d/L1)比值的变化，|r-r0|/r0始终不超过预先设定的误差值ε1；若记严格遵循(d/L1)的二次函数关系变化的目标蜗舌间隙为t0，则随着(d/L1)比值的变化，|t-t0|/t0始终不超过预先设定的误差值ε2。
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