CN110608194B - 一种离心风机转向蜗壳 - Google Patents

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Abstract

本发明属于流体机械领域，并具体公开了一种离心风机转向蜗壳，包括收集段和转向段，收集段由环壁面、前螺旋面和后螺旋面包络而成，环壁面下边按型线
Figure DDA0002202949320000011
设计而成，上边按型线
Figure DDA0002202949320000012
设计而成，前螺旋面和后螺旋面均垂直于环壁面，分别与环壁面下边和上边相连；转向段是由大圆弧面、小圆弧面、环壁侧平面和蜗舌侧平面包络成的肘形流道，大圆弧面、小圆弧面、环壁侧平面分别与前螺旋面、后螺旋面、环壁面末端相切，蜗舌侧平面连接大圆弧面和小圆弧面，且与环壁侧平面平行。本发明蜗壳融合了传统蜗壳及转向通道，以紧凑的结构、较小的尺寸和流动损失实现气流流向在蜗壳内向特定方向的偏转。

Description

一种离心风机转向蜗壳
技术领域
本发明属于流体机械领域，更具体地，涉及一种离心风机转向蜗壳。
背景技术
离心风机被广泛应用于农业、工业、交通以及各种有通风换气需求的场所，设计大压力、大风量、高效率、低噪声的离心风机是相关技术的前沿发展方向。由于叶轮是离心式的，气流沿轴向进入叶轮后从四周径向流出，若不经过蜗壳的收集及扩压风机就无法集中向指定方向进行输送，因此蜗壳是离心风机的必不可少的组成部件，蜗壳的设计是离心风机设计的关键。合适的蜗壳形状设计不仅可以降低气流在通过蜗壳时的流动损失，甚至能反向促进叶轮对气流的能量传递，从而提升离心风机整机气动性能。
一般情况下，离心式通风机的蜗壳没有复杂的三维结构，由一段二维蜗壳型线曲线沿轴向进行拉伸一定宽度设计而成，通流截面一般为矩形。此时，气流沿轴线进入风机，而蜗壳出口方向则沿叶轮切向，因此离心式通风机的进气方向和排气方向存在90°的偏折角度。然而，一些特殊的应用场景对风机的输送方向有额外的要求，这就需要在风机前方或后方连接额外的转向管道以偏折出口气流方向，但这种做法使得风机系统尺寸大幅增大，同时也带来了不必要的流动损失，不利于风机性能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种离心风机转向蜗壳，其包括收集段和转向段，在收集段引入轴向偏移量，并在其末端圆滑衔接肘形转向通道，实现了气流流向在蜗壳内向特定方向的偏转，且结构紧凑、流动损失小。
为实现上述目的，本发明提出了一种离心风机转向蜗壳，包括收集段及转向段，其中：
所述收集段由环壁面、前螺旋面和后螺旋面包络而成，其中，所述环壁面下边按型线
Figure BDA0002202949300000021
设计而成，上边按型线
Figure BDA0002202949300000022
设计而成，
Figure BDA0002202949300000023
为方位角，
Figure BDA0002202949300000024
为型线上点与蜗壳轴线的距离，
Figure BDA0002202949300000026
为轴向偏移量，其为连续单调增函数，且初始值
Figure BDA0002202949300000025
B为环壁面宽度；所述前螺旋面和后螺旋面均垂直于所述环壁面，且前螺旋面与所述环壁面下边相连，后螺旋面与所述环壁面上边相连；使用时，该蜗壳中安装有叶轮，叶轮出口面位于所述前螺旋面和后螺旋面之间，从而所述收集段和叶轮出口面共同形成一个收集流道；
所述转向段是由大圆弧面、小圆弧面、环壁侧平面和蜗舌侧平面包络构成的肘形流道，且所述大圆弧面、小圆弧面、环壁侧平面分别与所述前螺旋面、后螺旋面、环壁面的末端相切，所述蜗舌侧平面连接所述大圆弧面和小圆弧面，且与所述环壁侧平面平行。
作为进一步优选的，所述轴向偏移量
Figure BDA0002202949300000027
的导函数
Figure BDA0002202949300000028
连续单调不减。
作为进一步优选的，所述轴向偏移量最大值
Figure BDA0002202949300000029
作为进一步优选的，所述收集段和叶轮出口面形成的收集流道的截面面积逐渐增大。
作为进一步优选的，所述转向段流道截面面积逐渐减小。
作为进一步优选的，所述蜗舌侧平面与蜗壳轴线距离最小处的距离值不大于该蜗壳中叶轮的半径。
作为进一步优选的，该蜗壳整体轴向宽度为H，且1.5B<H<2.5B。
作为进一步优选的，所述收集段和转向段为一体成型。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明在蜗壳收集段引入了轴向偏移量，使蜗壳型线呈现螺旋上升的趋势，从而使得气流在被蜗壳收集的同时提前完成部分的方向偏折；同时将转向段融入到蜗壳中，并对收集段和转向段进行了一体化曲率设计，以紧凑的结构、较小的尺寸以及较小的流动损失实现气流流向在蜗壳内向特定方向的偏转。
2.本发明蜗壳收集段通流矩形截面在截面积不断扩大的同时，沿着三维蜗壳型线L1产生轴向偏移，使得蜗壳中叶轮流出的气体在通过其内部时轴向速度分量逐渐增大；而渐缩的转向段，在最终完成气流转向的过程中，抑制了弯道内侧的流动分离，减小了气流流向偏折过程中的流动损失。
3.本发明中最大轴向偏移量即三维型线L1末端处的轴向位置与叶轮前盘的距离不超过环壁面即原蜗壳宽度B的1/3，从而避免堵塞过多而影响叶轮做功能力。
4.本发明将蜗壳整体轴向宽度控制在一定范围，在缓解蜗壳内气体流动、降低损失的同时，避免蜗壳整体体积过大。
附图说明
图1为本发明实施例转向蜗壳的三维结构示意图；
图2为图1的另一视角；
图3为本发明实施例转向蜗壳二维型线和三维型线示意图；
图4是本发明实施例转向蜗壳三维型线设计示意图；
图5为本发明实施例转向蜗壳转向段设计示意图；
图6为本发明实施例转向蜗壳关键型面造型过程示意图；
图7为安装有叶轮的转向蜗壳示意图；
图8为安装有叶轮和电机的转向蜗壳中收集流道示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-收集段，2-转向段，11-前螺旋面，12-后螺旋面，13-环壁面，14-圆弧直蜗舌，15-前圆弧壁面，16-后圆弧壁面、17-电机安装面，21-大圆弧面，22-小圆弧面，23-环壁侧平面，24-蜗舌侧平面。
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。
本发明实施例提供的一种离心风机转向蜗壳，如图1和图2所示，其形状由多个空间曲面包络组成，包括收集段1及转向段2，且收集段1和转向段2一体成型，不可分割，其中：
所述收集段1由环壁面13、前螺旋面11和后螺旋面12包络而成，其中，所述环壁面13下边按型线
Figure BDA0002202949300000041
设计而成，上边按型线
Figure BDA0002202949300000042
Figure BDA0002202949300000043
设计而成，B为环壁面13宽度；所述前螺旋面11和后螺旋面12均垂直于所述环壁面13，且前螺旋面11与环壁面13下边相连，后螺旋面12与环壁面13上边相连，前螺旋面11一端为进气端，其上有直径大于叶轮直径的圆孔以供将叶轮装入蜗壳及安装集流器，后螺旋面12所围绕的中部区域有一电机安装面17以供安装电机；使用时，在该蜗壳中安装离心叶轮，叶轮出口面位于前螺旋面11和后螺旋面12之间，从而所述收集段1和叶轮出口面共同形成一个收集流道(如图8所示即为收集流道截面示意图)；同时前圆弧壁面15、后圆弧壁面16分别封闭了由于前螺旋面11、后螺旋面12轴向上的位移在蜗壳体上所产生的缝隙；
具体的，如图3所示，三维型线
Figure BDA0002202949300000044
是在二维型线
Figure BDA0002202949300000045
的基础上添加轴向偏移量
Figure BDA0002202949300000046
形成，其中，
Figure BDA0002202949300000047
为方位角，
Figure BDA0002202949300000048
为型线上点与蜗壳轴线间距离，
Figure BDA0002202949300000049
是方位角
Figure BDA00022029493000000410
的分布函数，且随方位角逐渐增大，如
Figure BDA00022029493000000411
时，
Figure BDA00022029493000000412
时，
Figure BDA00022029493000000413
时，
Figure BDA00022029493000000414
则收集流道截面面积逐渐增大；
Figure BDA00022029493000000415
为轴向偏移量，是方位角
Figure BDA00022029493000000416
的分布函数，更具体的，轴向偏移量
Figure BDA00022029493000000417
是连续单调增函数，以保证前螺旋面11、后螺旋面12以及环壁面13等关键几何型面都是完整曲面，并且型线L1的轴向偏移量随方位角的增大逐渐增大，使收集流道逐渐向入口的反方向偏移；轴向偏移量
Figure BDA0002202949300000051
随方位角增大的速率不可减小，即
Figure BDA0002202949300000052
对
Figure BDA0002202949300000053
的导函数
Figure BDA0002202949300000054
连续单调不减，以保证前螺旋面11、后螺旋面12以及环壁面13等关键几何型面都是光滑曲面，即曲面曲率变化没有突变；初始轴向偏移量
Figure BDA0002202949300000055
轴向偏移量最大值
Figure BDA0002202949300000056
即三维型线L1末端处的轴向位置与叶轮前盘的距离不超过环壁面13宽度B的1/3，即
Figure BDA0002202949300000057
以免堵塞过多影响叶轮做功能力；优选的，采用多次多项式表示
Figure BDA0002202949300000058
系数k的值在上述限制条件下求得。
所述转向段2是由大圆弧面21、小圆弧面22、环壁侧平面23和蜗舌侧平面24包络构成的肘形流道，流道通流截面为矩形，其中，大圆弧面21、小圆弧面22、环壁侧平面23分别与所述前螺旋面11、后螺旋面12、环壁面13的末端相切，所述蜗舌侧平面24连接所述大圆弧面21和小圆弧面22，且与所述环壁侧平面23相互平行；
具体的，大圆弧面21和小圆弧面22是由环壁面13末端切平面上与三维型线L1末端相切的大、小两段非同心圆弧沿着切平面法向向着轴线一侧拉伸距离W得到，即转向段2流道矩形截面宽度为W；该流道截面面积沿流向呈逐渐收缩趋势，从而抑制气流在弯道内侧(即小圆弧面22)上的分离，降低气流转向时的流动损失；进一步的，确定距离W时保证蜗舌侧平面24与轴线间距离最小处的距离值值不大于安装在该蜗壳中叶轮的半径；
优选的，该蜗壳整体轴向宽度为H，且1.5B<H<2.5B，由于大圆弧面21的曲率会影响气体在转向段2中的流动状态，且其过小的曲率半径将会导致弯道内弯处产生流动分离，并在之后的通风管道中产生流动损失，而其过大的曲率半径可以缓解流动、降低损失，但会造成蜗壳体积过大，将蜗壳整体轴向宽度控制在上述范围，可在缓解蜗壳内气体流动、降低损失的同时，避免蜗壳整体体积过大。
此外，环壁面13和蜗舌侧平面24间设置有圆弧直蜗舌14，通过在环壁面13和蜗舌侧平面24相交处倒圆角得到。
工作时，该蜗壳中安装有叶轮，气流从前螺旋面11一端进入蜗壳中的叶轮，气体从叶轮中流出并进入收集段1，收集段1中的气体轴向速度分量逐渐增大，并提前完成部分轴向偏折后进入转向段2，最后气体通过转向段2的导向作用从转向段2中流出并流向指定方向。
以下以一具体实施例对该蜗壳及其设计过程进行详细说明：
现有常见的风机蜗壳型线是二维曲线，用极坐标可表示为
Figure BDA0002202949300000061
如图3中虚线所示，其可为各种形式的螺旋线或经过处理的曲线，其设计方法在各类书籍中均有描述，此处不再赘述；在此二维蜗壳型线
Figure BDA0002202949300000062
的基础上添加轴向偏移量
Figure BDA0002202949300000063
形成三维蜗壳型线
Figure BDA0002202949300000064
如图3中实线所示；其中，轴向偏移量
Figure BDA0002202949300000065
为关于方位角
Figure BDA0002202949300000066
的函数，其选用4次多项式曲线，单调递增且对应的导函数连续单调不减，初始值
Figure BDA0002202949300000067
最大轴向偏移量为原蜗壳宽度(即环壁面13宽度)B的1/3，即
Figure BDA0002202949300000068
如图4所示，曲线
Figure BDA0002202949300000069
为第一型线，将其沿轴向平移距离B得第二型线
Figure BDA00022029493000000610
然后过第一型线的末端点A和第二型线的末端点B，作环壁末端的切平面S1，显然S1是垂直于XOY平面的；
图5为在S1平面上做转向段2关键转弯圆弧的示意图，通过第一型线L1的末端点A，沿第一型线L1的法向，以距离R3找圆心点O3；以O3为圆心，过A点绘制圆弧
Figure BDA00022029493000000611
O3C的角度依据设计的出气方向确定，本实施例中气流为沿轴线流出，因此O3C与轴向垂直；通过第二型线L’3的末端点B做垂线与O3C相交于O4，作小圆弧
Figure BDA00022029493000000612
显然R3的大小决定了蜗壳的整体厚度H，这里取H＝2B；
图6为蜗壳各个型面的造型过程，将前述的圆弧段
Figure BDA00022029493000000613
沿着切平面S1的法向向着轴一侧拉伸距离W得到大圆弧面21、小圆弧面22，得到的四个端点分别记为A’、B’、C’、D’，则平面ABDC以及A’B’D’C’则分别为环壁侧平面23以及蜗舌侧平面24；B’与蜗壳轴之间的距离为Rs，选取W值时使Rs≤R2，R2为安装在该蜗壳中叶轮的半径；
工作时，气流从截面ABB’A’进入转向段2，由CDD’C’流出，由于圆弧
Figure BDA0002202949300000071
和
Figure BDA0002202949300000072
不同心，长度上CD<AB，因此依据上述方法设计的转向段2沿流向呈现逐渐收缩的趋势。
在第一型线L1和第二型线L1’上分别取方位角
Figure BDA0002202949300000073
所对应的点An及Bn，选取点Bn’使线段BnBn’垂直于An Bn且垂直于第二型线L1’在Bn点处的切线，并且满足点Bn’与轴之间的距离等于Rs；同理可确定点An’的位置，那么矩形AnBnBn’An’即本实施例提供的蜗壳在方位角
Figure BDA0002202949300000074
上的通流截面，依次可以做出各个方位角对应的通流截面矩形。可见不同方位角上的蜗壳通流矩形截面在截面积不断扩大的同时，沿着三维蜗壳型线L1逐渐产生轴向偏移，使得其中叶轮流出的气体在通过时产生的轴向速度分量并逐渐增大。将线段AnAn’，BnBn’，AnBn分别沿三维蜗壳型线L1或L1’扫描得到包络收集段1的关键三维型面前螺旋面11、后螺旋面12和环壁面13；
将不同方位角
Figure BDA0002202949300000075
所对应的Bn’点连线得到线L2，由上述方式，点Bn’到轴的距离恒定为Rs，因此L2沿轴向向下投影一定深度可得到半径为Rs的圆L2’(如图2中所示)，将L2和L2’作为上下边沿得到后圆弧壁面16；圆L2’围成圆形平面为电机安装面17，在该平面上开孔用以安装和固定电机；前螺旋面11一侧则有圆孔以供将叶轮安装到蜗壳中，并以前圆弧壁面15来封闭前螺旋面11在轴向上的错位在蜗壳体上所产生的缝隙；环壁面13和蜗舌侧平面24间设置有圆弧直蜗舌14，通过在环壁面13和蜗舌侧平面24相交处以一定半径倒圆角得到；从而完成该转向蜗壳的整体设计，如图7所示即为安装有叶轮及集流器的该转向蜗壳立体图。
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 (3)

1.一种离心风机转向蜗壳，其特征在于，包括收集段(1)和转向段(2)，其中：
所述收集段(1)由环壁面(13)、前螺旋面(11)和后螺旋面(12)包络而成，其中，所述环壁面(13)下边按型线
Figure FDA0002623871220000011
设计而成，上边按型线
Figure FDA0002623871220000012
设计而成，
Figure FDA0002623871220000013
为方位角，
Figure FDA0002623871220000014
为型线上点与蜗壳轴线的距离，
Figure FDA0002623871220000015
为轴向偏移量，其为连续单调增函数，且初始值
Figure FDA0002623871220000016
B为环壁面(13)宽度；所述前螺旋面(11)和后螺旋面(12)均垂直于所述环壁面(13)，且前螺旋面(11)与所述环壁面(13)下边相连，后螺旋面(12)与所述环壁面(13)上边相连；使用时，该蜗壳中安装有叶轮，叶轮出口面位于所述前螺旋面(11)和后螺旋面(12)之间，从而所述收集段(1)和叶轮出口面共同形成一个收集流道；
所述轴向偏移量
Figure FDA0002623871220000017
的导函数
Figure FDA0002623871220000018
连续单调不减，且轴向偏移量最大值
Figure FDA0002623871220000019
所述转向段(2)是由大圆弧面(21)、小圆弧面(22)、环壁侧平面(23)和蜗舌侧平面(24)包络构成的肘形流道，且所述大圆弧面(21)、小圆弧面(22)、环壁侧平面(23)分别与所述前螺旋面(11)、后螺旋面(12)、环壁面(13)的末端相切，所述蜗舌侧平面(24)连接所述大圆弧面(21)和小圆弧面(22)，且与所述环壁侧平面(23)平行；
所述收集段(1)和叶轮出口面形成的收集流道的截面面积逐渐增大，所述转向段(2)流道截面面积逐渐减小；蜗壳整体轴向宽度为H，且1.5B<H<2.5B。
2.如权利要求1所述的离心风机转向蜗壳，其特征在于，所述蜗舌侧平面(24)与蜗壳轴线距离最小处的距离值不大于该蜗壳中叶轮的半径。
3.如权利要求1或2所述的离心风机转向蜗壳，其特征在于，所述收集段(1)和转向段(2)为一体成型。
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