CN110319054A - 一种用于前向离心风机的叶轮 - Google Patents

一种用于前向离心风机的叶轮 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于前向离心风机的叶轮，包括前盘、后盘以及设置在前盘和后盘之间的多个叶片，所述叶片在靠近前盘处的弦长小于靠近后盘处的弦长，所述叶轮轴线在轴向上的投影为中心点，其特征在于：所述叶片沿着叶轮的轴向、在不同轴截面处的弦长的变化规律为渐变样条曲线。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过变弦长叶片设计，前盘弦长减小，增加了后盘弦长，实现了增大前盘进气能力，前盘附近叶道内的脱流现象减弱，同时增加中后盘排气能力的目的，解决了前后盘做功能力不均的问题，效率提升，噪声降低。

Description

一种用于前向离心风机的叶轮
技术领域
本发明涉及动力装置，尤其是一种前向离心风机的叶轮。
背景技术
多翼式离心风机是吸油烟机及其它通风设备的主要动力系统，其具有结构紧凑、噪声低、压力系数高、流量系数大等特点。风机的能量转换主要依赖叶轮的做功来实现，因此叶轮性能的优劣直接影响吸油烟机的特性和噪声。传统多翼离心风机叶片轴截面多为圆弧等弦长叶片，其具有叶片数多、叶片曲率大、叶道窄、流道较短等特点。
前向多翼离心风机是一种轴向进气的风机，气体沿轴向流入风机，经叶轮做功后沿径向排出。风机正常工作时，气流在叶轮前盘区域主要沿轴向流动，在中后盘的区域主要沿径向流动，大部分气流都是通过叶轮的中后盘向蜗壳输送，叶片沿轴向所受载荷不同，影响叶道内的流动状态。可见，叶轮前盘区域的作用是向中后盘输送气流，叶轮主要做功区域在中后段。
因此，传统等弦长叶轮前、后盘的做功能力沿轴向不均衡，造成叶片表面严重的边界层分离，进而影响风机的效率和噪声。
现有的解决方式主要有两种：一种是对叶片前缘靠近前盘的位置进行斜切，显著改善了风机进口处流场的不均匀现象，但这种方式主要是在多翼离心风机的基础上进行切割，并未对其流道和叶片型线进行重新设计，因此，性能提升效果有限；另一种是针对叶轮前盘的流动特征，采用半锥形叶轮，对前缘脱流及蜗壳二次流产生了一定的影响，但半锥形叶轮加工安装困难，同尺寸框架下，即安装空间受限的情况下，锥形叶轮对应的风机性能下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的问题，提供一种用于离心风机的叶轮，减弱叶轮前盘附近叶道内的脱流现象，改善叶轮做功能力，提升风机效率和降低噪声。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于前向离心风机的叶轮，包括前盘、后盘以及设置在前盘和后盘之间的多个叶片，所述叶片在靠近前盘处的弦长小于靠近后盘处的弦长，所述叶轮轴线在轴向上的投影为中心点，其特征在于：所述叶片沿着叶轮的轴向、在不同轴截面处的弦长的变化规律为渐变样条曲线。
为增大叶片对气流做功，又能减小气流沿程摩擦损失、降低叶轮的阻塞系数，减少叶轮质量，所述叶片的数量取值范围为26～32。
优选的，每个叶片在叶轮轴向上的投影为型线，所述型线的径向内侧端点在同一圆周上，并且为环绕叶轮轴线上的中心点的圆、半径为R1，所述型线的径向外侧端点在同一圆周上，并且为环绕叶轮轴线上的中心点的圆、半径为R2，并且满足R2/R1＝1.7～2.1。
优秀的，为使得叶道的大小合适，所述型线的径向内侧端点和径向外侧端点之间的夹角为α0，并且满足α0的取值范围为15°～19°。
为使得叶轮流道变长，使叶道通流面积增大，每个叶片在叶轮轴向上的投影为型线，所述型线的由内向外包括直线段、第一圆弧段和第二圆弧段。
为避免导致叶道过于狭窄，流道阻塞增大，所述叶片的进口角的取值范围是32°～45°，所述叶片的出口角的取值范围是168°～172°之间。
为使得叶轮流道通流面积大、流道阻塞减小、风机效率增大、噪声小，所所述第一圆弧段的半径为R3、圆心与中心点之间的距离为R5，所述第二圆弧段的半径为R4、圆心与中心点之间的距离为R6，所述第一圆弧段的圆心和中心点之间的连线相对在叶轮轴向投影上通过中心点的直线之间的夹角为α3，所述第二圆弧段的圆心和中心点之间的连线相对在叶轮轴向投影上通过中心点的直线之间的夹角为α4，上述参数满足如下关系：
与现有技术相比，本发明的优点在于：1)通过变弦长叶片设计，前盘弦长减小，增加了后盘弦长，实现了增大前盘进气能力，前盘附近叶道内的脱流现象减弱，同时增加中后盘排气能力的目的，解决了前后盘做功能力不均的问题，效率提升，噪声降低；2) 较少的叶片数和双圆弧叶片型线设计，使得叶轮流道通流面积增大，流道阻塞减小，风机效率增大，噪声降低；3)叶片数量减小，叶片的质量有显著的减小，减小了电动机的负载，提高了风机的效率。
附图说明
图1为本发明实施例的叶轮的示意图；
图2为本发明实施例的叶轮的后盘的示意图；
图3为本发明实施例的叶轮的剖视图；
图4为本发明实施例的叶轮的叶片的示意图；
图5为本发明实施例的叶轮的叶片的平面展开图；
图6为本发明实施例的叶轮局部前视图；
图7从左至右三个坐标图分别为最高效率点工况下的不同叶片数与静压、全压、风机最大流量的关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
参见图1和图2，一种用于前向离心风机的叶轮，包括前盘1、后盘2以及设置在前盘1和后盘2之间的多个叶片3，各叶片3在周向上均匀布置。该离心风机可为用于吸油烟机、暖通空调等通风换气设备的风机。前盘1呈圆环状，后盘2包括内侧的凸台 21和位于凸台21外周的圆环22，凸台21呈圆台状、用于安装驱动叶轮旋转的电机。前盘1和后盘2分别与叶片3采用机械连接结构。叶轮3轴线在轴向上的投影为中心点 O。
参见图7，如果叶片3的数量太少，会使叶道的扩张角过大，容易引起气流边界层分离，效率降低；叶片数增多，能够减小叶轮出口的偏斜程度，叶片对气流做功增大，但是随着叶片数增多，气流沿程摩擦损失增加、叶轮的阻塞系数也增大，会使效率下降，故在确定叶轮结构时，一定存在最优叶片数。对此叶轮进行叶片数在最高效率点工况和最大风量工况下的寻优，据图知，合理的叶片3的数量取值范围为26～32。
参见图3～图6，每个叶片3在叶轮轴向上的投影的型线L，每个叶片3的型线L的径向内侧端点S1在同一圆周上，并且为环绕叶轮轴线上的中心点O的圆，半径为R1(叶轮内径)。相应的，每个叶片3的型线L的径向外侧端点S4在同一圆周上，并且为环绕叶轮轴线上的中心点O的圆，半径为R2(叶轮外径)。型线L由内向外包括直线段S1S2、第一圆弧段L1和第二圆弧段L2，其中第一圆弧段L1的半径为R3、圆心为O1(与中心点O之间的距离为R5)、圆心角为α1，第二圆弧段L2的半径为R4、圆心为O2(与中心点O之间的距离为R6)、圆心角为α2。径向内侧端点S1和径向外侧端点S4之间的夹角为α0。
也就是说，叶片3的型线L包括了双圆弧，对于在叶片数一定的同一个叶轮，与单圆弧叶片相比较，双圆弧叶片更长，叶轮流道变长，使叶道通流面积增大。此处所述叶片型线也可以是在所述双圆弧基础上优化得到的样条曲线等其他近似曲线。
第一圆弧段L1的圆心O1和中心点O之间的连线相对在叶轮轴向投影上通过中心点O的直线之间的夹角为α3，第二圆弧段L2的圆心O2和中心点O之间的连线相对在叶轮轴向投影上通过中心点O的直线之间的夹角为α4。第一圆弧段L1的起始点为S2、终点为S3，第二圆弧段L2的起始点为S3、终点为S4。叶片3的进口角为β1(直线段S1S2与通过S1的切线之间的夹角，该切线为径向内侧端点S1所在圆周的切线)，出口角为β2(通过S4的两条切线之间的夹角，两条切线分别为第二圆弧段L2和径向外侧端点S4所在圆周的切线)。
R1和R2可根据具体吸油烟机的体积定，优选的，R2/R1＝1.7～2.1，进口角β1的取值范围是32°～45°，出口角β2取值范围是168°～172°之间，过大出口角会导致叶道过于狭窄，流道阻塞增大。为使得叶道的大小合适，α0取值范围在15°～19°。叶片型线之间的参数满足此关系：不同尺寸的叶轮需要与蜗壳进行匹配设计。
更为优选的，上述参数的数值选择如下：
叶片3沿着叶轮的轴向、在不同轴截面处的弦长的变化规律为渐变样条曲线。由此可以克服多翼离心式风机的叶轮沿轴所受载荷不均匀的问题，减弱叶轮前盘1附近叶道内的脱流现象，改善叶轮做功能力，提升风机效率和降低噪声。
叶片3的前缘线L3(径向内侧的轮廓线)，在坐标系中，参见图5，原点O3为与前盘1连接处的径向外侧端点，横坐标为叶轮径向(正坐标为径向向内)，纵坐标为叶轮轴向(正坐标为轴向向后)。前缘线L3的曲线方程优选的为y＝0.2819x6-7.0899x5+ 73.152x4-396.24x3+1188x2-1866.9x+1200(0＜x＜63)。叶片3的后缘线L4(径向外侧的轮廓线)为直线。也就是说，叶片3靠近朝向前盘1弦长减少，朝向后盘2弦长增大。
通过设置上述的叶片的弦长变化、型线设计，可以达到如下效果：1)叶轮通过变弦长叶片设计，前盘弦长减小，增加了后盘弦长，实现了增大前盘进气能力，前盘附近叶道内的脱流现象减弱，同时增加中后盘排气能力的目的，解决了前后盘做功能力不均的问题，效率提升，噪声降低；2)相比传统多翼离心风机，较少的叶片数和双圆弧叶片型线设计，使得叶轮流道通流面积增大，流道阻塞减小，风机效率增大，噪声降低；3)所述叶轮与传统叶轮相比，叶片数量减小，叶片的质量有显著的减小，减小了电动机的负载，提高了风机的效率。

Claims (7)

1.一种用于前向离心风机的叶轮，包括前盘(1)、后盘(2)以及设置在前盘(1)和后盘(2)之间的多个叶片(3)，所述叶片(3)在靠近前盘(1)处的弦长小于靠近后盘(2)处的弦长，所述叶轮(3)轴线在轴向上的投影为中心点(O)，其特征在于：所述叶片(3)沿着叶轮的轴向、在不同轴截面处的弦长的变化规律为渐变样条曲线。
2.根据权利要求1所述的用于前向离心风机的叶轮，其特征在于：所述叶片(3)的数量取值范围为26～32。
3.根据权利要求1或2所述的用于前向离心风机的叶轮，其特征在于：每个叶片(3)在叶轮轴向上的投影为型线(L)，所述型线(L)的径向内侧端点(S1)在同一圆周上，并且为环绕叶轮轴线上的中心点(O)的圆、半径为R1，所述型线(L)的径向外侧端点(S4)在同一圆周上，并且为环绕叶轮轴线上的中心点(O)的圆、半径为R2，并且满足R2/R1＝1.7～2.1。
4.根据权利要求3所述的用于前向离心风机的叶轮，其特征在于：所述型线(L)的径向内侧端点(S1)和径向外侧端点(S4)之间的夹角为α0，并且满足α0的取值范围为15°～19°。
5.根据权利要求1或2所述的用于前向离心风机的叶轮，其特征在于：每个叶片(3)在叶轮轴向上的投影为型线(L)，所述型线(L)的由内向外包括直线段(S1S2)、第一圆弧段(L1)和第二圆弧段(L2)。
6.根据权利要求5所述的用于前向离心风机的叶轮，其特征在于：所述叶片(3)的进口角(β1)的取值范围是32°～45°，所述叶片(3)的出口角(β2)的取值范围是168°～172°之间。
7.根据权利要求5所述的用于前向离心风机的叶轮，其特征在于：所述第一圆弧段(L1)的半径为R3、圆心(O1)与中心点(O)之间的距离为R5，所述第二圆弧段(L2)的半径为R4、圆心(O2)与中心点(O)之间的距离为R6，所述第一圆弧段(L1)的圆心(O1)和中心点(O)之间的连线相对在叶轮轴向投影上通过中心点(O)的直线之间的夹角为α3，所述第二圆弧段(L2)的圆心(O2)和中心点(O)之间的连线相对在叶轮轴向投影上通过中心点(O)的直线之间的夹角为α4，上述参数满足如下关系：
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