CN110206754B - 无蜗壳离心风轮的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无蜗壳离心风轮的设计方法，包括风轮的外径设计和风轮叶片的叶型设计。由于本发明的离心风轮是通过在高速气流的集中区域通过减小叶片的外径来降低叶片的绝对速度v绝＝ω·Rfan·cosα2，从而消除高速气流的自损耗区域，达到降噪的目的。本发明通过气动力学仿真确定无蜗壳风轮风道系统的高速气流自损耗区域，并针对性地提出两级外径式的风轮设计。本发明引入系数ξ的二级外径设计，消除吸风口附近高速气流的自损耗，在不降低风量的前提下可以降低噪音。本发明通过对气动公式理论的数学推导，计算出最佳气动性能的出风角α2以及进风角α1的组合，在最小的全压损失范围内，实现最大的风量输出。

Description

无蜗壳离心风轮的设计方法
技术领域
本发明涉及一种空气净化器，特别是涉及一种无蜗壳离心风轮的设计方法。
背景技术
如图1所示，目前大部分家用空气净化器的动力机构普遍采用无蜗壳离心风轮风道系统，该系统包括风道外壳1’和风轮2’，该风轮风道系统的特点是能够实现相对均匀的出风以及直线型的进出风方向，这种结构方式符合大部分家用空气净化器的设计需求。当前大多数的风轮设计都是凭经验进行开发，缺少科学理论的指导设计。几乎所有的常规离心风轮的外径设计都是采用单级外径设计，通过气动力学的仿真分析可以发现，对于无蜗壳的风轮风道系统，风轮的高速气流在出风截面上的分布是不均匀的，气流在靠近吸风口的附近会出现自损耗的高速气流，形成主要的噪音源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于科学理论设计的低噪音的无蜗壳离心风轮的设计方法。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
本发明是一种无蜗壳离心风轮的设计方法，包括风轮的外径设计和风轮叶片的叶型设计；
所述的风轮的外径设计包括以下步骤：
(1)计算风轮的一级外径尺寸：R fan 1＝δ*Rad；式中：δ为无量纲系数，0.72＜δ＜0.75，Rad为风道的最大内径，R fan 1为风轮的一级外径；
(2)计算风轮的二级外径尺寸：R fan 2＝ξ*R fan 1；式中：R fan 1为风轮的一级外径，ξ为无量纲系数，0.89＜ξ＜0.92，R fan 2为风轮的二级外径；
所述的风轮叶片的叶型设计包括以下步骤：
Figure GDA0002554942000000011
式中：P为风轮的功率，ω为风轮的角速度，ρ为空气的密度，
Figure GDA0002554942000000012
为风叶的外径矢量，
Figure GDA0002554942000000013
为风叶的绝对速度矢量，νn为风叶的相对速度，A为出风的面积；
将公式2-1进行推导可以得到：
Figure GDA0002554942000000021
式中：ν2为风叶外径的绝对速度，ν1为风轮内径的绝对速度；r2为风叶的外径，r1为风叶的内径；ν2n为风叶外径的相对速度，v1n为风叶内径的相对速度；A2为风叶外径的出风面积，A1为风叶内径的出风面积；α2为风叶的出风角，α1为风叶的进风角，qv为风叶产生的风量；
将公式2-2进行拆分可以归纳出如下方程组：
Figure GDA0002554942000000022
将公式2-2进行数学变换：
sinα2·cosα2(1-cos2α2) (2-4)
sinα1·cosα1(1+cos2α1) (2-5)
优选的，所述的出风角α2＝58°～64°；进风角α1＝37°～45°。
优选的，所述的出风角α2＝60°；进风角α1＝38°。
采用上述方案后，本发明包括风轮的外径设计和风轮叶片的叶型设计；本发明结合气动力学仿真以及旋转机械的理论计算提出了一套针对无蜗壳的离心风轮的设计方法，确定了核心的计算参数，通过消除高速的自损耗气流来消除噪音源，达到提升气动性能的目的。
本发明的离心风轮是通过在高速气流的集中区域通过减小叶片的外径来降低叶片的绝对速度v绝＝ω·R fan·cosα2，从而消除高速气流的自损耗区域，达到降噪的目的。本发明通过气动力学仿真确定无蜗壳风轮风道系统的高速气流自损耗区域，并针对性地提出两级外径式的风轮设计。本发明引入系数ξ的二级外径设计，消除吸风口附近高速气流的自损耗，在不降低风量的前提下可以降低噪音。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是无蜗壳离心风轮风道系统的结构示意图；
图2是本发明风轮的轴测图；
图3是本发明风轮的俯视图；
图4是本发明风轮的参数示意图。
具体实施方式
如图2-图4所示，本发明是一种无蜗壳离心风轮的设计方法，包括风轮1的外径设计和风轮叶片(简称：风叶)11的叶型设计。
所述的风轮1的外径设计包括以下步骤：
(1)计算风轮1的一级外径尺寸：R fan 1＝δ*Rad；式中：δ为无量纲系数，0.72＜δ＜0.75，Rad为风道的最大内径(参见图1所示)，R fan 1为风轮1的一级外径；
(2)计算风轮1的二级外径尺寸：R fan 2＝ξ*R fan 1；式中：R fan 1为风轮1的一级外径，ξ为无量纲系数，0.89＜ξ＜0.92，R fan 2为风轮1的二级外径；如图3所示。
所述的风轮叶片11的叶型设计包括以下步骤：
Figure GDA0002554942000000031
式中：P为风轮1的功率，ω为风轮1的角速度，ρ为空气的密度，
Figure GDA0002554942000000032
为风叶的外径矢量，
Figure GDA0002554942000000033
为风叶的绝对速度矢量，vn为风叶的相对速度，A为出风的面积；
将公式2-1进行推导可以得到：
Figure GDA0002554942000000034
式中：v2为风叶外径的绝对速度，v1为风轮内径的绝对速度；r2为风叶的外径，r1为风叶的内径；ν2n为风叶外径的相对速度，ν1n为风叶内径的相对速度；A2为风叶外径的出风面积，A1为风叶内径的出风面积；α2为风叶的出风角，α1为风叶的进风角，qv为风叶产生的风量；如图4所示。
将公式2-2进行拆分可以归纳出如下方程组：
Figure GDA0002554942000000041
为了将气动性能发挥到最大，必须调整出风角α2以及进风角α1，使得功率P最小的情况下，风轮输出的风量qv最大，全压最小，损耗最低。
考虑进出风角度的最优化，将公式2-2进行数学变换：
sinα2·cosα2(1-cos2α2) (2-4)
sinα1·cosα1(1+cos2α1) (2-5)
当公式2-4以及2-5的解取最大值时，得到的α2以及α1为最佳的角度值。计算得到的出风角α2＝60°；进风角α1＝38°。本发明将出风角α2的保护范围定在α2＝58°～64°，同时将进风角α1定在α1＝37°～45°。
出风角α2与进风角α1最佳角度为：出风角α2＝60°，进风角α1＝38°。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (3)

1.一种无蜗壳离心风轮的设计方法，包括风轮的外径设计和风轮叶片的叶型设计；其特征在于：所述的风轮的外径设计采用二级外径设计；
所述的风轮的外径设计包括以下步骤：
(1)计算风轮的一级外径尺寸：R fan 1＝δ*Rad式中：δ为无量纲系数，0.72＜δ＜0.75，Rad为风道的最大内径，R fan 1为风轮的一级外径；
(2)计算风轮的二级外径尺寸：R fan 2＝ξ*R fan 1式中：R fan 1为风轮的一级外径，ξ为无量纲系数，0.89＜ξ＜0.92，R fan 2为风轮的二级外径；
所述的风轮叶片的叶型设计包括以下步骤：
Figure FDA0002704010480000011
式中：P为风轮的功率，ω为风轮的角速度，ρ为空气的密度，
Figure FDA0002704010480000012
为风叶的外径矢量，
Figure FDA0002704010480000013
为风叶的绝对速度矢量，vn为风叶的相对速度，A为出风的面积；
将公式2-1进行推导可以得到：
Figure FDA0002704010480000014
式中：v2为风叶外径的绝对速度，ν1为风轮内径的绝对速度；r2为风叶的外径，r1为风叶的内径；ν2n为风叶外径的相对速度，v1n为风叶内径的相对速度；A2为风叶外径的出风面积，A1为风叶内径的出风面积；α2为风叶的出风角，α1为风叶的进风角，qv为风叶产生的风量；
将公式2-2进行拆分可以归纳出如下方程组：
Figure FDA0002704010480000021
将公式2-2进行数学变换：
sinα2·cosα2(1-cos2α2) (2-4)
sinα1·cosα1(1+cos2α1) (2-5)
当公式2-4以及2-5的解取最大值时，得到的α2以及α1为最佳的角度值。
2.根据权利要求1所述的无蜗壳离心风轮的设计方法，其特征在于：所述的出风角α2＝58°～64°；进风角α1＝37°～45°。
3.根据权利要求1所述的无蜗壳离心风轮的设计方法，其特征在于：所述的出风角α2＝60°；进风角α1＝38°。
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