CN110374918B - 一种用于离心风机的叶轮及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于离心风机的叶轮，包括前圈、后圈、以及设置在前圈和后圈之间的叶片组件，其特征在于：所述叶片组件包括叶片和包覆在叶片外的第一弹性层，所述第一弹性层上开设有通孔，所述通孔处具有止回阀。还公开了一种上述叶轮的控制方法。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在叶片外设置弹性的包覆层，通过向包覆层内充入气体改变叶片整体的刚度，能够有效避免叶轮运行过程中由于受力不均匀导致的异音，而且可以有效降低风机系统噪音；通过在与后圈固定的轮盘上设置弹性的包覆层，通过向包覆层内充入充气，可消除后盘的抖动。

Description

一种用于离心风机的叶轮及其控制方法
技术领域
本发明涉及动力装置，尤其是一种用于离心风机的叶轮，以及该叶轮的控制方法。
背景技术
叶轮是风机系统中至关重要的传递能量部件，叶轮受电机电磁力、叶轮本身结构刚度等的影响以及在运输、安装过程中导致叶轮工作过程中结构模态与结构刚度等参数改变，出现受力不平衡，进而导致异音，不仅给工程设计人员造成难以解决的异音问题，而且严重影响顾客的烹饪体验。
叶轮在正常运行过程中，同一个叶轮的叶片、轮盘以及前圈、后圈等结构参数都是一样的，但是在实际情况中由于受电机电磁力、同轴力以及偏心蜗壳等结构以及叶片本身型线的区别(比如进口端曲线和出口端曲线采用变角对数螺旋线或者圆弧线等结构参数不同所造成的影响)，还有在安装、运输过程中所造成的结构刚度变化，使得叶轮在运行时产生了异音。对于吸油烟机风机系统的叶轮，一般采用的是前弯叶片式叶轮，针对同一个叶轮叶片是经过阵列形成的，工作状态下产生异音问题，无法区别是哪一个叶片的结构刚度或者结构模态所造成的，由此导致针对性地降噪存在困难。
发明内容
本发明所要解决的第一个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，提高降噪效果。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种上述叶轮的控制方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用于离心风机的叶轮，包括前圈、后圈、以及设置在前圈和后圈之间的叶片组件，其特征在于：所述叶片组件包括叶片和包覆在叶片外的第一弹性层，所述第一弹性层上开设有通孔，所述通孔处具有止回阀。
为避免影响叶片组件的流场，所述通孔为内开孔。
优选的，为方便改变阀片的开合角度，所述止回阀为荷叶式扇片结构的阀片。
为便于对各叶片组件进行针对性地降噪，所述叶轮在径向上至少分为两个分区，在每个分区内的各叶片组件承受的气流冲击以及气流分离程度一致。
优选的，每个分区从前圈延伸到后圈，每个分区在叶轮径向截面上的圆心在叶轮的轴线上、圆心角为30°。
优选的，所述分区的划分起点是叶轮静止状态下径向平面沿着旋转方向的0°位置处。
为便于对第一弹性层内的充气量进行自动控制，还包括用于控制每个分区内的叶片组件的第一弹性层上的止回阀的开合角度的流速检测传感器和微激光位移传感器，所述流速检测传感器设置在每个分区的前圈，所述微激光位移传感器设置在每个分区的后圈上。
为便于消除后圈的抖动，所述后圈上设置有轮盘，所述轮盘上包覆有第二弹性层，所述轮盘上还设置有由微激光位移传感器控制的、能向第二弹性层内充气的充气结构。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种如上所述的叶轮的控制方法，其特征在于：
1)每个流速检测传感器检测所在分区内当前档位下一定时间内的流速；每个微激光位移传感器检测当前档位下所在分区后内一定时间内的抖动位移；
2)识别一个检测时间段内的流速信号提取主流速，取均值后作为参考信号；识别一个检测时间段内的位移信号提取主位移，取均值后作为调节信号；
3)根据各分区的参考信号和调节信号，得到相应分区内的叶片组件所需充气量；
4)每个分区内的叶片组件的阀片根据所需的充气量打开到相应的角度，叶轮内的气体通过通孔进入第一弹性层内，由此使得叶片组件达到相应的所需的刚度。
为便于消除后圈的抖动，在步骤3)中，根据调节信号得到轮盘所需充气量；在步骤4)中，充气结构的开关开启，向第二弹性层内输入对应量气体。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在叶片外设置弹性的包覆层，通过向包覆层内充入气体改变叶片整体的刚度，能够有效避免叶轮运行过程中由于受力不均匀导致的异音，而且可以有效降低风机系统噪音；通过在与后圈固定的轮盘上设置弹性的包覆层，通过向包覆层内充入充气，可消除后盘的抖动。
附图说明
图1为本发明实施例的叶轮的示意图(由前向后看)；
图2为本发明实施例的叶轮的示意图(由后向前看)；
图3为本发明实施例的叶轮的前视图(隐藏轮盘)；
图4为本发明实施例的叶轮的叶片组件的示意图；
图5为本发明实施例的叶轮的叶片组件的剖视图；
图6为图4的局部Ⅰ放大示意图。
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～图3，一种用于离心风机的叶轮，通常可用于吸油烟机中。叶轮包括前圈1、后圈2、以及设置在前圈1和后圈2之间的叶片组件3，叶片组件3至少具有两个，各叶片组件3在周向上均匀、间隔布置。后圈2上设置有轮盘4，轮盘4延伸入叶轮内，轮盘4用于与叶轮的驱动电机连接。
由于叶轮中不同区域位置处的气流状态是各有差异的，这就使得叶轮在旋转过程中叶片的受力状态与压力值不同，因此，在本实施例中，对叶轮进行分区，每个分区内独立控制。
用于吸油烟机的风机系统，一般采用前弯式叶轮，叶轮的叶片型线可以采用变角对数螺旋线或者圆弧线，以变角对数螺旋线的进口端和出口端的过渡段中点或者圆弧线中点的切线流速在叶轮的径向上分成12个分区Q，每个分区Q内叶片过渡段中点或者圆弧线中点的切线流速是叶片曲率最大处，该临界点的流速最大。
也就是说，每个分区Q从前圈1延伸到后圈2，每个分区Q在叶轮径向截面上的圆心在叶轮的轴线上、圆心角为30°。以叶片组件3的数量为60个为例，每五个叶片3沿着前圈1中心轴阵列形成的区域为一个分区Q，一共有12个分区Q。叶片组件3在同一个分区Q内、在0到30度阵列范围内在不同的气流状态下承受的气流冲击以及气流分离程度基本一致，噪音频率相同。上述分区Q的划分起点是叶轮静止状态下径向平面沿着旋转方向的0°位置处，参见图3，箭头所指为旋转方向，L为分区线，0°位置在垂直方向上。
参见图4～图6，叶片组件3包括叶片31和包覆在叶片31外面的第一弹性层32，第一弹性层32可受力变形。叶片31的两端、第一弹性层32的两端分别与前圈1和后圈2铆接。第一弹性层32上开设有通孔321，通过第一弹性层32向叶片组件3内部输入气体可以改变叶片组件3的结构刚度。根据以下公式w＝k/m、w＝2πf、f＝nZ/60，k为叶片的刚度，m为叶片质量，w为叶片结构的固有频率，以及f为噪声频率，其中n为叶轮的转速，Z是叶片数。由上可知，当结构的刚度改变时，根据理论计算公式，叶片质量不变，结构的固有频率发生变化，随着固有频率的改变噪声频率相应改变，当噪声频率发生变化时，由于叶轮的叶片数在设计完成后就确定，即可实现叶轮转速的改变。
每个分区Q内叶片组件3的第一弹性层32的开孔数量和开孔位置均一致，开孔数量和开孔位置的选取可以根据流速数据进行设计，开孔形式为内开孔，这种“隐形”的开孔形式不会影响叶片的流场状态。通孔321的入口处设有阀片322，阀片322为荷叶形扇片结构，为一种止回阀。阀片322可通过电动推杆或者电机源的无线连接，也可以通过旋塞阀结构的机械连接来控制开合角度。根据每个分区Q旋转角度不同而开合角度不同，进入气体量不同来实现刚度的改变。
在每个分区Q的前圈1上、如朝向后圈2的一侧布置流速检测传感器11，在每个分区Q的后圈2上布置微激光位移传感器21，叶轮旋转的驱动力来源是电机，由于后圈2与电机直接连接，距离最近，因此抖动最严重的。因此，在轮盘4上包覆有第二弹性层41，在后圈2上的每一个分区Q内布置微激光位移传感器21，检测到每个分区Q在启动、换挡、关闭时刻的抖动情况，得到抖动位移值，传至控制模块，根据位移控制输入第二弹性层41的气体量，从而稳定抖动情况。叶轮的叶片组件3刚度的改变，按照位移结果从高到低的顺序进行调节。
轮盘4上还设置有充气结构5，充气结构5的输入端与外部的气源连接，充气结构5的输出端与第二弹性层41内连通，充气结构5的开关由外部的控制模块，如吸油烟机的主控制器控制，主控制器也可以单独设置在风机上的控制模块。
上述叶轮的控制方法，包括如下步骤：
1)每个流速检测传感器11检测所在分区Q内当前档位下一定时间、如40s内(40s的检测时长，一般传感器采取的信号基本达到稳定)的流速；每个微激光位移传感器21检测当前档位下所在分区Q后内后圈2响应40s内的抖动位移；
2)识别40s内的流速信号提取主流速，取均值后作为参考信号；识别位移信号提取主位移，取均值后作为调节信号；这一步骤可通过主控制器实现；
3)根据每个分区Q内的参考信号和调节信号(如由主控制器进行分析)，由于叶轮是否能够平稳运行(y)是参考信号、调节信号和充气量的函数，如是参考信号(k)、调节信号(b)和充气量(x)的一次函数，y＝kx+b，可在主控制器内存储参考信号、调节信号和叶片充气量一一对应的关系(该关系如可通过多次实验得到)，由此给出相应分区Q内的叶片组件3所需充气量；还可在主控制器内存储各分区调节信号的均值和轮盘充气量之间的一一对应关系(该关系如可通过多次实验得到)，由此给出轮盘4所需充气量；等待主控制器发出指示信号之前，阀片322和充气结构5处于待机状态；
4)主控制器同时发出充气量指令信号和开关开启指令，叶片组件3的阀片322根据不同的充气量打开到相应的角度(可根据流速计算得到)，叶轮内的气体通过通孔321进入第一弹性层32内，由此使得叶片组件3达到相应的所需的刚度；充气结构5的开关开启，输入对应量气体，充入完毕后开关关闭，完成一次充气过程，以此循环往复。

Claims (10)

1.一种用于离心风机的叶轮，包括前圈(1)、后圈(2)、以及设置在前圈(1)和后圈(2)之间的叶片组件(3)，其特征在于：所述叶片组件(3)包括叶片(31)和包覆在叶片(31)外的第一弹性层(32)，所述第一弹性层(32)上开设有通孔(321)，所述通孔(321)处具有止回阀。
2.根据权利要求1所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：所述通孔(321)为内开孔。
3.根据权利要求1所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：所述止回阀为荷叶式扇片结构的阀片(322)。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：所述叶轮在径向上至少分为两个分区(Q)，在每个分区(Q)内的各叶片组件(3)承受的气流冲击以及气流分离程度一致。
5.根据权利要求4所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：每个分区(Q)从前圈(1)延伸到后圈(2)，每个分区(Q)在叶轮径向截面上的圆心在叶轮的轴线上、圆心角为30°。
6.根据权利要求5所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：所述分区(Q)的划分起点是叶轮静止状态下径向平面沿着旋转方向的0°位置处。
7.根据权利要求4所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：还包括用于控制每个分区(Q)内的叶片组件(3)的第一弹性层(32)上的止回阀的开合角度的流速检测传感器(11)和微激光位移传感器(21)，所述流速检测传感器(11)设置在每个分区(Q)的前圈(1)，所述微激光位移传感器(21)设置在每个分区(Q)的后圈(2)上。
8.根据权利要求7所述的用于离心风机的叶轮，其特征在于：所述后圈(2)上设置有轮盘(4)，所述轮盘(4)上包覆有第二弹性层(41)，所述轮盘(4)上还设置有由微激光位移传感器(21)控制的、能向第二弹性层(41)内充气的充气结构(5)。
9.一种如权利要求8所述的叶轮的控制方法，其特征在于：
1)每个流速检测传感器(11)检测所在分区(Q)内当前档位下一定时间内的流速；每个微激光位移传感器(21)检测当前档位下所在分区(Q)后内一定时间内的抖动位移；
2)识别一个检测时间段内的流速信号提取主流速，取均值后作为参考信号；识别一个检测时间段内的位移信号提取主位移，取均值后作为调节信号；
3)根据各分区(Q)的参考信号和调节信号，得到相应分区(Q)内的叶片组件(3)所需充气量；
4)每个分区(Q)内的叶片组件(3)的阀片(322)根据所需的充气量打开到相应的角度，叶轮内的气体通过通孔(321)进入第一弹性层(32)内，由此使得叶片组件(3)达到相应的所需的刚度。
10.根据权利要求9所述的叶轮的控制方法，其特征在于：在步骤3)中，根据调节信号得到轮盘(4)所需充气量；在步骤4)中，充气结构(5)的开关开启，向第二弹性层(41)内输入对应量气体。
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