CN112628205B - 一种双圆弧型线的离心风机集流器 - Google Patents

一种双圆弧型线的离心风机集流器 Download PDF

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Abstract

本发明属于离心通风机技术领域，公开了一种双圆弧型线的离心风机集流器，该集流器的母线采用双圆弧型线，母线的外壁面型线ABCDE由进口段ABC、过渡段CD以及出口段DE组成，其中：进口段ABC由相切于B点的圆弧AB和圆弧BC组成，过渡段CD为一段圆弧，出口段DE为直线段DE；集流器母线的内壁面型线与母线的外壁面型线，两者形状相同。本发明通过控制母线的外壁面型线相较于叶轮进口端面、叶轮旋转轴及三条基准线的形状参数设定(如角度参数及距离参数)，如此对集流器的形状进行改进；通过对集流器的型线进行独特的形状设计及参数设置，改善了集流器内及叶轮入口的气流状态，从而减少了流动损失，最终提高了离心式通风机的效率，降低了能耗。

Description

一种双圆弧型线的离心风机集流器
技术领域
本发明属于离心通风机技术领域，更具体地，涉及一种双圆弧型线的离心风机集流器，为离心式通风机的集流器提供了一种新的设计方法。
背景技术
离心式通风机(即，离心风机)广泛应用于工厂、矿井、隧道等工业生产的各个场合，是一种依靠输入的机械能来提高气体的压力并对其进行输送的流体机械。离心风机主要包括叶轮、蜗壳和集流器三部分，集流器引导气体进入叶轮，叶轮对气体加压做工，蜗壳引导气体排出。国内外学者对离心风机的研究主要集中于叶轮和蜗壳部分，对于集流器的研究较少。集流器作为离心风机的重要部件，其结构形式改变了风机的进气状态，直接影响气流流动平稳性和风机内部的流动状况，对于集流器背部涡流区域也有较深的影响，合理的集流器结构可以优化进气条件，减小流动损失和噪声。集流器的形状主要有圆筒形、圆锥形、锥弧形和喷嘴形四种，目前使用较多的是锥弧形集流器，这种集流器的结构及加工工艺简单，性能有较大的改进空间，对于锥弧形集流器，多数学者的研究主要集中于叶轮与集流器的安装间隙、集流器偏心安装、扩张角、收缩角等，对于集流器的提到的较少，集流器线型对主气流的流动性、集流器背部涡流区均会产生影响。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种双圆弧型线的离心风机集流器，其中通过对集流器的形状进行改进，即，通过控制母线的外壁面型线相较于叶轮进口端面、叶轮旋转轴及三条基准线的形状参数设定(如角度参数及距离参数)，如此对集流器的形状进行改进；通过对集流器的型线进行独特的形状设计及参数设置，改善了集流器内及叶轮入口的气流状态，从而减少了流动损失，最终提高了离心式通风机的效率，降低了能耗。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种双圆弧型线的离心风机集流器，其特征在于，该集流器的母线采用双圆弧型线，母线的外壁面型线ABCDE由进口段ABC、过渡段CD以及出口段DE这相连的三部分组成，其中：
进口段ABC为双圆弧，由相切于B点的圆弧AB和圆弧BC组成，圆弧AB和圆弧BC的半径分别记为R1和R2；
过渡段CD为一段圆弧，与圆弧BC相切于C点；
出口段DE为直线段DE；
并且，若记A点距离叶轮旋转轴的径向距离为R、距离叶轮进口端面的轴向距离为h1，叶轮前盘内壁型线与叶轮进口端面的交点为G点，叶轮前盘与集流器间的实际安装间隙为dt，dt的取值预先设定，记F点是由G点出发、沿垂直于叶轮旋转轴方向得到的与外壁面型线ABCDE的交点；同时在外壁面型线ABCDE所在平面内定义三条基准线的位置，记这三条基准线分别为第一基准线、第二基准线和第三基准线，其中，第二基准线过F点、且与叶轮旋转轴平行，第一基准线过F点、且与第二基准线之间的角度为α，第三基准线过A点、且与叶轮旋转轴成β角，所述第一基准线绕F点逆时针旋转α即达到与所述第二基准线相重合的位置，所述第三基准线绕A点顺时针旋转β即达到与所述叶轮旋转轴相平行的位置；并且，所述第二基准线与所述第三基准线相交于C点，所述过渡段CD与第一基准线相切于D点；此外，还记E点距离叶轮进口端面的轴向距离为h2，则：
R不超过0.7×Dout；
h1不超过0.40×Dout；
h2不超过0.072×Dout；
R1不超过0.52×Dout；
R2不超过0.52×Dout；
α为40°～50°，β为30°～40°；
其中，Dout为叶轮外径；
并且，所述集流器母线的内壁面型线与母线的外壁面型线，两者形状相同；所述集流器的两端面均与叶轮进口端面相平行，所述集流器母线的内壁面型线与所述集流器母线之间的距离即对应集流器的壁厚。
作为本发明的进一步优选，
R＝(0.4～0.7)Dout；
h1＝(0.25～0.40)Dout；
h2＝(0.08～0.18)h1；
R1＝(0.8～1.3)h1；
R2＝(0.8～1.3)h1。
作为本发明的进一步优选，R1＝R2。
作为本发明的进一步优选，R＝0.5Dout，h1＝0.302Dout，h2＝0.093h1，R1＝R2＝0.86h1，并且，α＝45°，β＝35°。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明的目的在于提供一种等半径的双圆弧型线集流器，基于风机进口处集流器背部流场非均匀的特点，设计三条基准线控制母线的内外壁面线型，形成具有特定形状及形状参数设计的集流器，满足风机进口主气流流动平稳性的要求，即气流沿AB段弧线流入时，在保持集流器进口面积不变的情况下使进口气流方向变化得更加平缓，BCD段与AB段相切，气流随BCD弧型线平缓改变，减小了因气流方向突变引起的流动分离，从而削弱了集流器背部涡流区域，减小进气损失。
对于离心风机集流器，现有技术通常是采用进口段ABC为直线型的设计方式，而本发明通过将进口段ABC改变成双圆弧线型，并通过设计第一基准线、第二基准线和第三基准线，利用R、h1、h2、R1、R2、α及β的整体配合控制外壁面型线ABCDE形状；其中，h1、h2由叶轮外径Dout决定，h1最大不超过(0.4Dout)，h2最大不超过(0.072Dout)，且随叶轮外径增大而增大，保证双圆弧形型线曲率不变时，增大叶轮外径Dout，由于h1、h2随叶轮外径增大而增大，相应半径R1、R2也随之增大，即R1、R2受限于h1且随h1变化而变化，间接受限于Dout，且最大不超过(0.52Dout)，保证进口段ABC呈双圆弧型线。集流器进口端A点距离叶轮旋转轴的距离R同样受限于叶轮外径Dout，最大不超过(0.7Dout)。
第一基准线与第二基准线的夹角α取决于出口段DE，即出口段DE与叶轮进口端面弧度相匹配,第二基准线与第三基准线的夹角β受进口段ABC双圆弧型线的制约，由直线长度h1及径向距离R决定，间接受叶轮外径Dout控制，在Dout,h1及R确定的情况下为固定值。集流器安装间隙dt由安装精度决定，在安装精度允许的范围内越小越好，实际安装间隙dt大于设计值，实际安装间隙dt的取值可预先设定。
本发明通过对集流器的型线进行独特的设计，改善了集流器内及叶轮入口的气流状态，从而减少了流动损失，最终提高了离心式通风机的效率，降低了能耗。采用本发明中集流器设计方法所得的集流器的优化后风机与采用传统的锥弧形集流器的原机性能相比，在除小流量工况外的其他工况下，风机效率均有提升，最优工况下效率提高了1.19％。综上，本发明能够提高离心式通风机的气动性能，从而达到提高离心风机效率、降低能耗的目的。
附图说明
图1为本发明中集流器设计方法示意图；
图2为采用本发明中集流器设计方法所得的集流器的三维几何图；
图3为采用本发明中集流器设计方法所得的集流器与离心式通风机叶轮的组装图。
图1至图3中，各附图标记的含义如下：1-叶轮前盘，2-集流器母线，3-集流器，4-叶轮。
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。
本发明中一种双圆弧型线的离心风机集流器，其设计方法可包括如下步骤：步骤1，确定三条基准参考线(即，第一基准线、第二基准线和第一基准线；也即，基准线1、基准线2及基准线3)；步骤2，设计出集流器型线；步骤3，根据型线生成完整的集流器结构。
如图1所示，总的来说，本发明将集流器母线的外壁面型线ABCDE分为进口段ABC、过渡段CD以及出口段DE三部分进行设计，具体过程如下：
步骤1.1，首先确定A点位置；
A点距离叶轮旋转轴的径向距离为R，距离叶轮进口端面的轴向距离为h1，根据R和h1即可确定A点的位置；
步骤1.2，确定F点位置；
F点距离叶轮前盘内壁面上的G点的径向距离为dt，dt根据集流器与叶轮之间的安装间隙决定，取值大小可预先设定；
步骤1.3，确定基准线位置；
基准线2过F点与叶轮旋转轴平行，基准线1过F点与基准线2之间的角度为α，基准线3过A点与叶轮旋转轴成β角；
步骤1.4，确定C点和E点的位置；
基准线2与基准线3相交于C点，E点距离叶轮进口端面的轴向距离为h2，h2＝(0.08～0.12)h1，根据α与h2即可确定E点位置；
步骤2.1，设计进口段型线ABC；
进口段ABC由相切于B点的圆弧AB和圆弧BC组成，其半径分别为R1和R2；
步骤2.2，设计过渡段CD；
过渡段CD为一段圆弧，与圆弧BC相切于C点，与基准线1相切于D点；
步骤2.3，设计出口段DE；
出口段DE为点D与点E之间的一段直线；
步骤3，如图1所示，将集流器型线ABCDE朝叶轮旋转轴进行曲线偏置，偏置距离等于集流器的壁厚大小，偏置完成后获得集流器的内壁面型线A1B1C1D1E1，至此，集流器母线ABCDEA1B1C1D1E1设计完成；将集流器母线ABCDEA1B1C1D1E1绕叶轮旋转轴回转即得集流器最终结构，如图2所示。
优选的，所述步骤1.1中通过如下公式(1)、(2)确定R和h1：
R＝(0.4～0.6)Dout (1)；
h1＝(0.25～0.31)Dout (2)；
其中，Dout为叶轮外径。
所述步骤1.3中α为40～50度，β为30～40度。
所述步骤2.1中通过如下公式(3)确定R1和R2：
R1＝R2＝(0.8～0.9)h1 (3)。
以下为具体实施例：
实例1
本发明一种用于离心式通风机的集流器设计方法，具体包括如下步骤：
步骤1，确定三条基准线，具体过程如下：
步骤1.1，首先确定A点位置；
如图1所示，A点距离叶轮旋转轴的径向距离为R，距离叶轮进口端面的轴向距离为h1，根据R和h1即可确定A点的位置；
步骤1.1中通过如下公式(1)、(2)确定R和h1：
R＝(0.5)Dout (1)；
h1＝(0.302)Dout (2)；
其中，Dout为叶轮外径；
进一步优选，R＝0.5Dout＝250mm，h1＝0.302Dout＝151mm，其中Dout＝500mm。
步骤1.2，确定F点位置；
F点距离叶轮前盘1内壁面上的G点的径向距离为dt，dt根据集流器3与叶轮4之间的安装间隙决定。
步骤1.3，确定基准线位置；
基准线2过F点与叶轮旋转轴平行，基准线1过F点与基准线2之间的角度为α，基准线3过A点与叶轮旋转轴成β角；
步骤1.3中α与β的取值范围满足，α＝45°，β＝35°。
步骤1.4，确定C点和E点的位置；
基准线2与基准线3相交于C点，E点距离叶轮进口端面的轴向距离为h2，根据α与h2即可确定E点位置；
进一步优选，h2＝0.093h1＝14mm。
步骤2，根据基准线设计出集流器型线，将集流器母线的外壁面型线ABCDE分为进口段ABC、过渡段CD以及出口段DE三部分进行设计，具体过程如下：
步骤2.1，设计进口段型线ABC；
如图1所示，进口段ABC由相切于B点的圆弧AB和圆弧BC组成，其半径分别为R1和R2；
步骤2.1中根据R1,R2取值范围公式确定R1和R2：
进一步优选，R1＝R2＝0.86h1＝130mm。
步骤2.2，设计过渡段CD；
过渡段CD为一段圆弧，与圆弧BC相切于C点，与基准线1相切于D点。
步骤2.3，设计出口段DE；
出口段DE为点D与点E之间的一段直线。
步骤3，根据型线生成最终的集流器结构；
如图1所示，将集流器型线ABCDE朝叶轮旋转轴进行曲线偏置，偏置的方向垂直于叶轮旋转轴(也就是说，集流器的两端面均与叶轮进口端面相平行)，偏置距离等于集流器的壁厚大小，偏置完成后获得集流器的内壁面型线A1B1C1D1E1，至此，集流器母线2设计完成，将集流器母线ABCDEA1B1C1D1E1绕叶轮旋转轴回转即得集流器最终结构3，如图2所示。集流器3与离心风机叶轮4的组装图如图3所示。
如图1所示，若将ABC段设计成一段直线，即为传统的锥弧形集流器，此时气流的方向从C点到D点需要改变α+β＝80°，而在如此短距离内气流方向往往难以发生如此大的转变，因此在CDE段可能会发生流动分离，引起流动损失，同时也会导致叶轮入口的气流方向发生改变，增大叶轮内部的流动损失，使得风机效率较低。而本发明将集流器改为双圆弧型线后，气流改变角将小于80°，气流方向变化更加平缓，减小由于气流方向极速变化而产生的涡流损失。
实例2
在风机的不同工况下，在实例1的基础之上，保持R,h1,h2不变，保持A,B,C三点位置固定，改变R1＝R2＝0.80*h1＝120mm，即双圆弧弦长长度和位置不变，缩小圆弧半径，双圆弧型线曲率增加，按照实例1中的步骤绘制集流器型线，按照改变后的集流器母线，设计与之匹配的蜗壳尺寸参数。与实例1相比，实例2双圆弧型线弧度明显增加，使进口处气流方向与集流器型线夹角变大，相比实例1由于双圆弧型线进口段AB曲率增加，对于小流量工况易造成气流与集流器壁面冲撞形成漩涡，降低气流流动的平缓度因此实例2更适用于适用于大流量工况。
实例3
在风机的不同工况下，在实例1的基础之上，保持R,h1,h2不变，保持A,B,C三点位置固定，改变R1＝R2＝0.90*h1＝136mm，即双圆弧弦长长度和位置不变，增加圆弧半径，双圆弧型线曲率减小，按照实例1中的步骤绘制集流器型线，按照改变后的集流器母线，设计与之匹配的蜗壳尺寸参数。与实例1相比，实例3双圆弧型线弧度减小，气流方向改变角增大，削弱了双圆弧线型减小风机进口处流动分离的能力，但相比原型机，气流流动稳定性有所增强，更适用于小流量工况。
表1为本发明中具有双圆弧型线集流器的离心风机实验测试数据，采取10个工况下的效率数据进行对比。
表1
Figure BDA0002895963320000071
Figure BDA0002895963320000081
采用本发明中集流器设计方法所得的集流器，气流方向可以在BCD段逐渐改变，从而避免了气流方向突变引起的流动分离，同样的，AB段设计为一段与BC段相切的圆弧，可以在保持集流器进口面积不变的情况下使进口气流方向变化得更加平缓，减小进气损失。
本发明通过对集流器的型线进行独特的设计，改善了集流器内及叶轮入口的气流状态，从而减少了流动损失，最终提高了离心式通风机的效率，降低了能耗。采用本发明中集流器设计方法所得的集流器的优化后风机与采用传统的锥弧形集流器的原机性能对比，以实例1为例，如上表表1所示，可以发现除了小流量工况外，其他工况下风机效率均有提升，最优工况下效率提高了1.19％。
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 (4)

1.一种双圆弧型线的离心风机集流器，其特征在于，该集流器的母线采用双圆弧型线，母线的外壁面型线ABCDE由进口段ABC、过渡段CD以及出口段DE这相连的三部分组成，其中：
进口段ABC为双圆弧，由相切于B点的圆弧AB和圆弧BC组成，圆弧AB和圆弧BC的半径分别记为R1和R2；
过渡段CD为一段圆弧，与圆弧BC相切于C点；
出口段DE为直线段DE；
并且，若记A点距离叶轮旋转轴的径向距离为R、距离叶轮进口端面的轴向距离为h1，叶轮前盘内壁型线与叶轮进口端面的交点为G点，叶轮前盘与集流器间的实际安装间隙为dt，dt的取值预先设定，记F点是由G点出发、沿垂直于叶轮旋转轴方向得到的与外壁面型线ABCDE的交点；同时在外壁面型线ABCDE所在平面内定义三条基准线的位置，记这三条基准线分别为第一基准线、第二基准线和第三基准线，其中，第二基准线过F点、且与叶轮旋转轴平行，第一基准线过F点、且与第二基准线之间的角度为α，第三基准线过A点、且与叶轮旋转轴成β角，所述第一基准线绕F点逆时针旋转α即达到与所述第二基准线相重合的位置，所述第三基准线绕A点顺时针旋转β即达到与所述叶轮旋转轴相平行的位置；并且，所述第二基准线与所述第三基准线相交于C点，所述过渡段CD与第一基准线相切于D点；此外，还记E点距离叶轮进口端面的轴向距离为h2，则：
R不超过0.7×Dout；
h1不超过0.40×Dout；
h2不超过0.072×Dout；
R1不超过0.52×Dout；
R2不超过0.52×Dout；
α为40°～50°，β为30°～40°；
其中，Dout为叶轮外径；
并且，所述集流器母线的内壁面型线与母线的外壁面型线，两者形状相同；所述集流器的两端面均与叶轮进口端面相平行，所述集流器母线的内壁面型线与所述集流器母线之间的距离即对应集流器的壁厚。
2.如权利要求1所述双圆弧型线的离心风机集流器，其特征在于，
R＝(0.4～0.7)Dout；
h1＝(0.25～0.40)Dout；
h2＝(0.08～0.18)h1；
R1＝(0.8～1.3)h1；
R2＝(0.8～1.3)h1。
3.如权利要求2所述双圆弧型线的离心风机集流器，其特征在于，R1＝R2。
4.如权利要求2所述双圆弧型线的离心风机集流器，其特征在于，R＝0.5Dout，h1＝0.302Dout，h2＝0.093h1，R1＝R2＝0.86h1，α＝45°，β＝35°。
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多翼离心风机主要部件对风机流动特性影响的研究现状;刘路等;《轻工机械》;20091015;第第27卷卷(第05期);第4-7页 *
集流器偏心对多翼离心风机性能及噪声的影响研究;杨伟刚等;《工程热物理学报》;20180715;第第36卷卷(第07期);第1466-1470页 *

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