CN111460585B - 一种离心风机的蜗壳型线生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心风机的蜗壳型线生成方法，包括如下步骤：1)根据对数螺旋线方程得到基础型线：Q：蜗壳的设计流量，R₂：蜗壳基圆半径，c′_2u：实际情况下有限叶片的切向分速度，θ：极角；其特征在于：还包括如下步骤：2)使得由此得到基础型线R＝R₂e^mθ；3)增大基圆半径和/或改变m、从而增大蜗壳的蜗舌间隙而得到蜗壳型线。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过增大蜗壳型线的基圆半径或改变m，能在增大蜗舌间隙降低噪音的同时，还能使得整体宽度不变保证流量，结合流体力学知识和蜗壳设计理论，与实际紧密结合，在原有螺旋线的基础上生成一段光滑过渡曲线，流场顺畅。

Description

一种离心风机的蜗壳型线生成方法

技术领域

本发明涉及动力装置，尤其是一种离心风机的蜗壳型线生成方法。

背景技术

离心风机蜗壳的作用包括两点，其一，将从叶轮内流出的流体进行收集，其二，将从叶轮流出的高速流体的动能转化为所需的势能。蜗壳型线是约束蜗壳内部流体运动的边界，其同时也决定了蜗舌的位置及蜗舌间隙的大小，对蜗壳的扩压性能有着极大的影响。

蜗舌作为影响整个风机系统的噪音和回流的关键部分，一般设计方法里面只有一个推荐的间隙值为：对于家用电器，常用的蜗壳基圆直径D₂的尺寸在50～500mm之间，蜗舌顶端与叶轮外圆周向间隙值为t:t＝(0.05～0.1)D₂，蜗舌顶端圆弧半径为r:r＝(0.03～0.05)D₂。对于小型风机系统而言，很多时候间隙值只能取到推荐范围的最小值，为了能够进一步降低噪音，必须取更大的蜗舌间隙。

现有的蜗壳型线，如申请号为201910333583.2的中国专利公开的一种用于吸油烟机的离心风机蜗壳，蜗壳的型线包括起始线AP和结束线HG，起始线AP和结束线HG之间设有相对于叶轮的圆心偏心设置的圆弧段PE，圆弧段PE的起始点P点位于蜗舌处，且该圆弧段PE上具有能与叶轮外圆周之间形成最小间隙的位置点D。又如申请号为201611052545.2的中国专利公开的一种离心风机蜗壳型线设计方法，包括：确定A、B、C三个控制点；计算确定A、B、C三个控制点在角度θ-距离d坐标系上的坐标，并在角度θ-距离d的坐标系中描绘出三个控制点，将三个控制点拟合成一条连续曲线；将A、B、C三点在角度θ-距离d坐标系上的坐标转化为极坐标系下的坐标；绘制蜗壳外型线。

上述的蜗壳型线，通过使用多段拼接式、或者使用三点法来绘制一个光滑的曲线而得到，但是多段拼接式拼接处流场不顺畅，产生不规则噪音；三点法是纯几何方法，不易与实际设计相结合，对蜗壳实际设计指导意义较小。

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，提供一种离心风机的蜗壳型线生成方法，能使得蜗壳内的流场顺畅又便于实际应用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种离心风机的蜗壳型线生成方法，包括如下步骤：1)根据对数螺旋线方程得到基础型线：

Q：蜗壳的设计流量，R₂：蜗壳基圆半径，c′_2u：实际情况下有限叶片的切向分速度，θ：极角；

其特征在于：还包括如下步骤：

2)使得由此得到基础型线R＝R₂e^mθ；

3)增大基圆半径和/或改变m、从而增大蜗壳的蜗舌间隙而得到蜗壳型线。

根据本发明的一个方面，在步骤3)中，增大基圆半径，使得蜗壳型线方程为：

C为常数，并且满足0<C<0.02*D₂，D₂为蜗壳基圆直径。

根据本发明的另一个方面，在步骤3)中，增大基圆半径，使得蜗壳型线方程为：

C为由蜗壳型线的起始点向终止点逐渐递减的变数。

优选的，由蜗壳型线的起始点向终止点，C呈线性变化或非线性变化。

根据本发明的另一个方面，在步骤3)中，改变m，使得m由蜗壳型线的起始点向终止点逐渐递减。

优选的，由蜗壳型线的起始点向终止点，m呈线性变化或非线性变化。

根据本发明的另一个方面，在步骤3)中，增大基圆半径同时改变m，使得蜗壳型线方程为

R＝(R₂+t1)*e^(m+t2)×θ

t1为常数，并且0<t1<0.02*D₂，D₂为蜗壳基圆直径；t2为变数，并且t2<0.5m，t1/t2由蜗壳型线的起始点向终止点逐渐递减。

优选的，由蜗壳型线的起始点向终止点，t1/t2呈线性变化或非线性变化。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过增大蜗壳型线的基圆半径或改变m，能在增大蜗舌间隙降低噪音的同时，还能使得整体宽度不变保证流量，结合流体力学知识和蜗壳设计理论，与实际紧密结合，在原有螺旋线的基础上生成一段光滑过渡曲线，流场顺畅。

附图说明

图1为本发明的蜗壳型线生成方法第一个实施例得到的蜗壳型线；

图2为本发明的蜗壳型线生成方法第一、二个实施例得到的蜗壳型线；

图3为本发明的蜗壳型线生成方法第一、二个实施例C的曲线；

图4为本发明的蜗壳型线生成方法第三个实施例得到的蜗壳型线；

图5为本发明的蜗壳型线生成方法第三个实施例m的曲线；

图6为本发明的蜗壳型线生成方法第三、四个实施例得到的蜗壳型线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

离心风机的蜗壳型线，一般为螺旋线，通过流体力学的计算可以知道标准的对数螺旋线方程为

上述方程得到的为基础型线，极坐标中任意一点的坐标由半径R₂和角度θ表示，此外，Q：蜗壳的设计流量，R₂：蜗壳基圆半径，一般与叶片外圆半径相等，c′_2u：实际情况下有限叶片的切向分速度，θ：极角(蜗壳型线的角度)，其定义为本领域公认的定义：从水平方向旋转，蜗壳型线距离基圆的距离逐渐变大，距离最小处为起始点、θ＝0°，型线远离起始点的末端为终止点、θ＝360°。

上述公式可以简化表示为

R＝R₂e^mθ (2)

其中

转换成阿基米德螺旋线方程：R＝R₂+R₂mθ(4)

其中，m为与流量、速度以及基圆半径有关的参数。

在本发明中，采用增大蜗舌间隙法，生成蜗壳型线。

实施例一

将上述公式(1)改进为：

其中C为一个常数：0<C<0.02*D₂，D₂为蜗壳基圆直径。

由此，参见图1，基础型线L1的型线方程为r＝117*exp(0.077*θ/180*π)，而通过本实施例的方法，蜗壳型线外圆整体加大，其型线方程为：R＝(117+3)*exp(0.077*θ/180*π)。

实施例二

上述实施例一的方法，在尺寸受限，和流量变化范围较大的时候，会导致小流量下衰减明显。

因此，在本实施例中，改变实施例一中的C，使其不再为一个不变的常数，而是将其改为一个从型线起始点到终止点逐渐减小的变数，在增大蜗舌处间隙的同时，又不增加整体的宽度，同时对小流量衰减减小影响。

其中一种方法是，使得C呈线性变化。在蜗壳型线的起始点(θ＝0°)时，C＝3，在终止点(θ＝360°)时，C＝0。在本实施例中，C由起始点向终止点为线性变化，具体的，可表示为：

参见图2，位于最内侧的为基础型线L1，最外侧的为实施例一得到的蜗壳型线L2，中间的为本实施例得到的蜗壳型线L3，本实施例的型线方程为R＝(117+C)*exp(0.077*θ/180*π)，其中

另一种方法是，使得C呈非线性变化，非线性变化也可以分成两种方式：先快后慢变化和先慢后快变化。线性变化和非线性变化，选择一个中间点θ＝180°为参考点，该参考点大于线性变化取值的为先快后慢变化，该参考点小于线性变化取值的为先慢后快变化。可以通过二元一次方程拟合C的非线性变化。

如图3所示，横坐标为θ，纵坐标为C，其中，位于最上面的曲线为先快后慢变化，曲线方程为c＝-2E-0.5θ²-0.0028θ+3，中间的曲线为线性变化，曲线方程为c＝-0.0083θ+3，最下面的曲线为先慢后快变化，曲线方程为c＝2E-0.5θ²-0.0139θ+3。上述方程为EXCEL回归后得到的方程。

参见表1，上述两种非线性变化曲线和实施例一中的线性变化比较，非线性变化在下述三个特定角度的值确定后而得到：

表1C值变化对照表

当然，C也可以采用其他一元二次方程得到，只要满足随着θ的增大，C逐渐减小即可。

实施例三

在实际优化设计过程中，参见上述的公式(2)：R＝R₂e^mθ，m的取值范围一般较大。为了适应这种更宽范围的m值变化，在本实施例中，对此进一步优化。基圆半径不变，仅仅变化m值，从降噪的角度来说，m采用从起始点到终止点逐渐递减的方法，即蜗舌处间隙加大。

以目前市面上某一型号的吸油烟机为例，最高效率点m值为0.065，最大风量点m为0.095。m从蜗壳型线起始点到终止点逐渐减小。其中一种方法是，使得m呈线性变化。在蜗壳型线的起始点(θ＝0°)时，m＝0.095，在终止点(θ＝360°)时，m＝0.065。另一种方法是，使得m呈非线性变化，非线性变化也可以分成两种方式：先快后慢变化和先慢后快变化。线性变化和非线性变化，选择一个中间点θ＝180°为参考点，该参考点大于线性变化取值的为先快后慢变化，该参考点小于线性变化取值的为先慢后快变化。可以通过二元一次方程拟合m的非线性变化。

参见图4，位于最内侧的为基础型线L1，最外侧的m线性变化得到的蜗壳型线L4，中间的为m非线性变化得到的蜗壳型线L5。

如图5所示，横坐标为θ，纵坐标为m，其中，中间的曲线为线性变化递减，曲线方程为m＝-9E-0.5θ+0.101，两点可确定一条直线，当角度和m值确定后，直线具有唯一性，但由于m的选取具有一定灵活性，可以在最大和最小值间取值。上述方程为EXCEL回归后得到的方程。

另外两条则为非线性变化曲线，位于最上面的曲线为先快速递减、后面缓慢变化保留蜗舌处间隙较大的同时，整体尺寸较小，曲线方程为m＝-3E-0.7θ²+5E-0.05θ+0.093。最下面的曲线为先慢速递减，收尾时快速递减，曲线方程为m＝5E-0.7θ²-0.0003θ+0.114。上述方程为EXCEL回归后得到的方程。非线性的确定三点后，起始点选择范围比较明确，中间点一般选在120到180度之间取值，如果为了增大间隙，一般取值大于该点线性变化的值，同时小于最大值。

确定为一元二次方程拟合非线性变化曲线后，则具有唯一性，但是拟合方法有多种，一般推荐一元二次方程拟合的进度就足够。也可以用三次甚至四次方程来拟合，甚至是其他形式的指数形式等，这样就不具有唯一性。但总体上都是满足在线性变化的基础上，相对于线性变化先快后慢或先慢后快变化。

参见表2，上述两种非线性变化曲线和线性变化比较，非线性变化在下述三个特定角度的值确定后而得到：

角度	线性变化	先快后慢变化	先慢后快变化
				65	0.095	0.095	0.095
180	0.0848	0.092	0.072
				390	0.065	0.065	0.065

表2 m值变化对照表

实施例四

在实施例三中，由于基圆半径没有变化，其在蜗舌处增大有限。因此，在本实施例中，采用双参数变化。

增加两个变量t1、t2，其中t1用来控制基圆半径R2的变化，t2控制m的变化，二者相互独立

R＝(R₂+t1)*e^(m+t2)×θ (8)

其中，t1为常数，t2为变数，0<t1<0.02*D₂，m以计算取得的最小值作为基础，t2<0.5m，优选范围0.1m<t2<0.2m。

其中t1/t2可以线性变化，也可以非线性变化，线性和非线性变化可以参照实施例二和实施例三中的变化方式。

以下实际案例以线性递减作为案例。

离心风机一般追求低噪音，大都是增加蜗舌间隙，在本实施例中，在起始点时候增大基圆半径R2和m值来增大蜗舌间隙，同时在终止点将基圆半径R2和m值又降低到原来水平，来保证型线的左右宽度基本不变。

参见图6，其中，位于内侧的为本实施例t1和t2双递减得到的蜗壳型线L6，位于外侧的实施例三得到的L4。可以看出，相比单一的m线性递减，t1和t2双递减得到的前段蜗舌间隙更大，而整体尺寸又基本不变。

在图6中，m/R双线性递减：

m＝0.0000003886*θ^2-0.000269*θ+0.095

a＝0.02*θ+3.5

型线方程为：r＝(117+a)*exp(m*θ/180*π)

m线性递减：

m＝0.0000003886*θ^2-0.000269*θ+0.095

型线方程为：r＝117*exp(m*θ/180*π)。

Claims (3)

1.一种离心风机的蜗壳型线生成方法，包括如下步骤：1)根据对数螺旋线方程得到基础型线：

Q：蜗壳的设计流量，R₂：蜗壳基圆半径，c′_2u：实际情况下有限叶片的切向分速度，θ：极角；

其特征在于：还包括如下步骤：

2)使得由此得到基础型线R＝R₂e^mθ；

3)增大基圆半径，或者，增大基圆半径和改变m，从而增大蜗壳的蜗舌间隙而得到蜗壳型线，其中增大基圆半径通过如下方式：

使得蜗壳型线方程为：

C为常数，并且满足0<C<0.02*D2，D2为蜗壳基圆直径；

或者使得蜗壳型线方程为：

C为由蜗壳型线的起始点向终止点逐渐递减的变数；

增大基圆半径和改变m通过如下方式：

使得蜗壳型线方程为：

R＝(R₂+t1)*e^(m+t2)×θ

t1为常数，并且0<t1<0.02*D2，D2为蜗壳基圆直径；t2为变数，并且t2<0.5m，t1/t2由蜗壳型线的起始点向终止点逐渐递减。

2.根据权利要求1所述的蜗壳型线生成方法，其特征在于：在步骤3)中，C为由蜗壳型线的起始点向终止点逐渐递减的变数时，由蜗壳型线的起始点向终止点，C呈线性变化或非线性变化。

3.根据权利要求1所述的蜗壳型线生成方法，其特征在于：在步骤3)中，增大基圆半径和改变m时，由蜗壳型线的起始点向终止点，t1/t2呈线性变化或非线性变化。