CN113153811B - 一种采用轴盘降低静压损失的无蜗壳离心通风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用轴盘降低静压损失的无蜗壳离心通风机。普通无蜗壳离心通风机在电机侧面易形成涡旋，造成较大的能量损失。本发明在原有没有轴盘结构的无蜗壳离心通风机基础上添加轴盘型线，将轴盘固定在轮盘上，轮盖型线与轴盘侧型线的间距由流道入口至出口方向逐渐增大；根据离心通风机气体内部流速公式来确定轴盘型线，假设从叶轮入口处进入的气体质量流量是恒定的，根据质量流量与流道截面积、速度的关系式，当流量不变时，通过控制轴盘型线来控制流道截面积，进行控制速度分布，优化气流进入叶道前的速度分布，从而减少流动损失，提升风机的静压与效率。

Description

一种采用轴盘降低静压损失的无蜗壳离心通风机

技术领域

本发明属于风机设备领域，涉及离心通风机，具体涉及一种采用轴盘降低静压损失的无蜗壳离心通风机。

背景技术

作为通用机械的一种，无蜗壳离心通风机广泛应用于建筑行业中，其在通风与空调系统中的使用量巨大，消耗着大量的能源。因此，提升无蜗壳离心通风机的效率能够获得非常可观的经济和社会效益。

普通无蜗壳离心通风机的电机直接固定在轮盘上，旋转轴则固定在电机上。这样的设计导致无蜗壳离心通风机没有轴盘结构，从而使电机在叶轮内突出的圆台结构影响了风机的气动性能。尤其是大流量工况时，电机顶面垂直于气流方向，电机两侧可视为阶梯结构，此时在电机侧面易形成涡旋。涡旋的轴向高度近似于电机伸入叶轮的高度，该涡旋的存在会挤压正常流道，且由于涡旋处于流道中间位置，流道中部有效面积减小，则气流经由叶轮入口进入叶道前的过程中会发生明显的先加速后减速的过程，造成较大的能量损失。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种采用轴盘降低静压损失的无蜗壳离心通风机，在原有没有轴盘结构的无蜗壳离心通风机基础上添加轴盘型线，根据离心通风机气体内部流速公式来确定轴盘型线，假设从叶轮入口处进入的气体质量流量是恒定的，根据质量流量与流道截面积、速度的关系式，当流量不变时，通过控制轴盘型线来控制流道截面积，进行控制速度分布，优化气流进入叶道前的速度分布，从而减少流动损失，提升风机的静压与效率。

本发明一种采用轴盘降低静压损失的无蜗壳离心通风机，包括叶片、轮盖、轮盘和轴盘；轮盖和轮盘之间固定有沿周向均布的若干叶片；所述的轴盘固定在轮盘上；轮盖型线与轴盘侧型线的间距由流道入口至出口方向逐渐增大。

优选地，轴盘侧型线的确定步骤如下：

以轮盘中心轴线与轮盘内侧面的交点为原点(0，0)，建立笛卡尔坐标系，其中，轮盘中心轴线为旋转轴Z1；设轴盘侧型线位于流道入口处的起点为O，轴盘侧型线的终点为E，轮盖型线喉部端点为H_O，经过点O与点H_O的直线与旋转轴Z1交于点Z_O，设定终点E到原点的距离等于叶轮内径D₁的一半；起点O位置则由质量流量决定，具体如下：设质量流量为Q，质量流量Q除以叶轮喉部截面面积，得气流进入叶轮时的平均速度V，设定气流到达轴盘侧型线入口流道截面时平均速度v_O为V的一半，则轴盘侧型线入口流道截面面积

然后设定起点O所在位置在旋转轴Z1上的坐标值，从而确定起点O位置；其中，点O与点H_O的连线OH_O绕旋转轴Z1旋转一周形成轴盘侧型线入口流道截面。

在确定点O与点E后，设n为将轴盘侧型线沿轴向等分成的段数，v_Z为第Z段起点所在流道截面气流平均速度，设定每段速度的比值保持恒定为c，则有：

从而计算得到点E所在流道截面气流平均速度v_E；其中，c取值范围为1-1.4；

又根据

计算得到第Z段起点所在流道截面气流平均速度v_Z；

由于

其中，S_O为母线是l_O、底面半径是r_O的圆锥侧面积，母线l_O为点H_O与点Z_O的连线，半径r_O为点H_O到旋转轴Z1的距离；S′_O为母线是l_O′、底面半径是r_O′的圆锥侧面积，母线l_O′为点O与点Z_O的连线，半径r_O′为点O到旋转轴Z1的距离；A_Z为第Z段起点所在流道截面面积；S_Z为母线是l_Z、底面半径是r_Z的圆锥侧面积，母线l_Z为点H_Z与点Z_Z的连线，半径r_Z为点H_Z到旋转轴Z1的距离；S′_Z为母线是l_Z′、底面半径是r_Z′的圆锥侧面积，母线l_Z′为轴盘侧型线第Z段起点与点Z_Z的连线，半径r_Z′为轴盘侧型线第Z段起点到旋转轴Z1的距离；其中，将轮盖型线也沿轴向等分成n段，点H_Z为轮盖型线第Z段起点，点Z_Z为轴盘侧型线第Z段起点与点H_Z的连线和旋转轴Z1的交点。

则有

从而计算得到轴盘侧型线第Z段起点所在流道截面面积：

然后，结合轮盖型线第Z段起点位置和轴盘侧型线第Z段起点所在流道截面面积确定轴盘侧型线第Z段起点位置。

本发明具有的有益效果：

相比于没有轴盘结构的无蜗壳离心通风机原始模型，本发明通过设计无蜗壳风机轴盘型线型线来改善风机内部的流场；根据离心通风机叶道速度分布设计理论，气流进入叶道之前的速度分布也至关重要，本发明在气流进入叶道之前的速度分布由轮盖型线与轴盘型线共同控制，使得气流沿叶道的初始段快速减速而后缓慢减速，从而使边界层的动量厚度较小，叶道内的流动损失也较小，避免出现先加速后减速的高流动损失情况，离心通风机的静压增长过渡地更加平缓均匀，静压损失得到降低，进而提高风机的性能。

附图说明

图1为现有无蜗壳离心通风机的结构示意图。

图2为现有无蜗壳离心通风机的叶轮子午面示意图。

图3为本发明无蜗壳离心通风机的叶轮子午面带轴盘型线示意图。

图4为本发明无蜗壳离心通风机的轴盘侧型线计算解析图。

具体实施方式

下图结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，现有无蜗壳离心通风机的结构包括叶片I、轮盖H和轮盘S；电机通过电机固定螺栓M直接固定在轮盘上，没有轴盘结构。

如图2所示，现有无蜗壳离心通风机的轮盖型线1为曲线，轮盘型线2为直线，电机内型线3为90度折线，轮盘S的中心轴线为旋转轴Z1，虚线A、B、C绕旋转轴Z1旋转一圈后的圆环面均为叶轮的一个流道截面。电机顶面垂直于气流方向，电机两侧可视为阶梯结构，此时在电机侧面易形成涡旋。涡旋的轴向高度近似于电机伸入叶轮的高度，该涡旋的存在会挤压正常流道，且由于涡旋处于流道中间位置，流道中部有效面积减小，则气流经由叶轮入口进入叶道前的过程中会发生明显的先加速后减速的过程，造成较大的能量损失。

本发明一种采用轴盘降低静压损失的无蜗壳离心通风机，包括叶片I、轮盖H、轮盘S和轴盘；轮盖H和轮盘S之间固定有沿周向均布的若干叶片I；轴盘固定在轮盘S上；如图3所示，使用时，电机通过电机固定螺栓M固定在轴盘外侧；该无蜗壳离心通风机的轮盖型线1为曲线，轮盘型线2为直线，轴盘顶型线5为直线，轴盘侧型线4也为曲线，且轮盖型线1与轴盘侧型线4的间距由流道入口至出口方向逐渐增大；电机内型线3为90度折线但位于轴盘顶型线5和轴盘侧型线4外侧，对叶轮的流道形状没有任何影响。虚线A、B、C绕旋转轴Z1旋转一圈后的圆环面均为叶轮的一个流道截面。由于轴盘型线的过渡作用，流道截面A、B、C依次增大，气流在叶轮内依次经过流道截面A、B、C时，控制速度呈现减速分布，且流道不受电机结构影响，流道内不会出现明显漩涡结构与速度变化剧烈情况。

如图4所示，根据速度控制法确定轴盘侧型线，具体步骤如下：

以轮盘中心轴线与轮盘内侧面的交点为原点(0，0)，建立笛卡尔坐标系，其中，轮盘中心轴线为旋转轴Z1；设轴盘侧型线位于流道入口处的起点为O，轴盘侧型线的终点为E，轮盖型线喉部端点(轮盖型线位于流道入口处的起点)为H_O，经过点O与点H_O的直线与旋转轴Z1交于点Z_O，设定终点E到原点的距离等于叶轮内径D₁的一半；起点O位置则由质量流量决定，具体如下：设质量流量为Q，质量流量Q除以叶轮喉部截面面积(以半径为r_O的圆的面积)，得气流进入叶轮时的平均速度V，气流在进入叶轮后开始减速，设定气流到达轴盘侧型线入口流道截面时平均速度v_O为V的一半，则轴盘侧型线入口流道截面面积

然后设定起点O所在位置在旋转轴Z1上的坐标值，从而确定起点O位置；其中，点O与点H_O的连线OH_O绕旋转轴Z1旋转一周形成的圆台为轴盘侧型线入口流道截面。

在确定点O与点E后，设n为将轴盘侧型线沿轴向等分成的段数，v_Z为第Z段起点所在流道截面气流平均速度，设定每段速度的比值保持恒定为c(即采用速度控制法)，则有：

从而计算得到点E所在流道截面气流平均速度v_E；其中，c取值范围为1-1.4；

又根据

计算得到第Z段起点所在流道截面气流平均速度v_Z；

由于

其中，S_O为母线是l_O、底面半径是r_O的圆锥侧面积，母线l_O为点H_O与点Z_O的连线，半径r_O为点H_O到旋转轴Z1的距离；S′_O为母线是l_O′、底面半径是r_O′的圆锥侧面积，母线l_O′为点O与点Z_O的连线，半径r_O′为点O到旋转轴Z1的距离；A_Z为第Z段起点所在流道截面面积；S_Z为母线是l_Z、底面半径是r_Z的圆锥侧面积，母线l_Z为点H_Z与点Z_Z的连线，半径r_Z为点H_Z到旋转轴Z1的距离；S′_Z为母线是l_Z′、底面半径是r_Z′的圆锥侧面积，母线l_Z′为轴盘侧型线第Z段起点与点Z_Z的连线，半径r_Z′为轴盘侧型线第Z段起点到旋转轴Z1的距离；其中，将轮盖型线也沿轴向等分成n段，点H_Z为轮盖型线第Z段起点，点Z_Z为轴盘侧型线第Z段起点与点H_Z的连线和旋转轴Z1的交点。

则有

从而计算得到轴盘侧型线第Z段起点所在流道截面面积：

然后，结合轮盖型线第Z段起点位置和轴盘侧型线第Z段起点所在流道截面面积确定轴盘侧型线第Z段起点位置。

下面取n＝6，c＝1.1，举例说明本发明对无蜗壳离心通风机静压和效率的提升效果。

设轴盘侧型线第1段起点所在流道截面面积为24045mm²(以下流道截面面积单位均为mm²)，点O所在位置在旋转轴Z1上的坐标值为120mm，轴盘侧型线第2段起点所在位置在旋转轴Z1上的坐标值为100mm，则

轴盘侧型线第2段起点处有：

S_Z＝πr_Zl_Z＝π×194.37×137＝26628.69π

S′_Z＝πr′_Zl′_Z＝π×15.86×11.21＝177.79π

A_Z＝S_Z-S′_Z＝26450.90π

轴盘侧型线第3段起点所在位置在旋转轴Z1上的坐标值为80mm，该处有：

S_Z＝πr_Zl_Z＝π×212.71×137＝29141.27π

S′_Z＝πr′_Zl′_Z＝π×21.06×13.57＝285.78π

A_Z＝S_Z-S′_Z＝28855.49π

轴盘侧型线第4段起点所在位置在旋转轴Z1上的坐标值为60mm，该处有：

S_Z＝πr_Zl_Z＝π×234.76×137＝32162.12π

S′_Z＝πr′_Zl′_Z＝π×29.57×17.22＝509.20π

A_Z＝S_Z-S′_Z＝31652.92π

轴盘侧型线第5段起点所在位置在旋转轴Z1上的坐标值为40mm，该处有：

S_Z＝πr_Zl_Z＝π×266.56×137＝36518.72π

S′_Z＝πr′_Zl′_Z＝π×49.03×25.2＝1235.56π

A_Z＝S_Z-S′_Z＝35283.16π

轴盘侧型线第6段起点所在位置在旋转轴Z1上的坐标值为20mm，该处有：

S_Z＝πr_Zl_Z＝π×330.91×137＝45334.67π

S′_Z＝πr′_Zl′_Z＝π×43.03×103.94＝4472.54π

A_Z＝S_Z-S′_Z＝40862.13π

而点E所在位置在旋转轴Z1上的坐标值为0mm，此处所在流道截面面积为44948mm²，可见，沿旋转轴Z1负向，轴盘侧型线各段起点所在位置流道截面面积依次以1.1倍增大，这是由c＝1.1决定的。而且，由于轴盘侧型线各段起点所在位置流道截面质量流量不变，那么无蜗壳离心通风机内部流速会沿着改进后的轴盘子午型线逐步减小，这样的无蜗壳离心通风机轴盘子午型线设计可以让无蜗壳离心通风机内部流场变化更加平缓。

下面将现有无蜗壳离心通风机与上述取n＝6、c＝1.1、点O所在位置在旋转轴Z1上的坐标值为120mm的实例进行对比，将静压和效率随质量流量的变化情况列于表1中；其中，两者的轮盖型线1完全一致，流道截面A处的面积均为24045mm²。

表1带轴盘模型与原模型(现有无蜗壳离心通风机模型)性能对比

由表1可见，本发明带轴盘模型与现有无蜗壳离心通风机相比，在同样质量流量情况下，静压和效率均有较大提高。

Claims (1)

1.一种采用轴盘降低静压损失的无蜗壳离心通风机，包括叶片、轮盖额轮盘；轮盖和轮盘之间固定有沿周向均布的若干叶片；其特征在于：还包括轴盘；所述的轴盘固定在轮盘上；轮盖型线与轴盘侧型线的间距由流道入口至出口方向逐渐增大；

轴盘侧型线的确定步骤如下：

以轮盘中心轴线与轮盘内侧面的交点为原点(0，0)，建立笛卡尔坐标系，其中，轮盘中心轴线为旋转轴Z1；设轴盘侧型线位于流道入口处的起点为O，轴盘侧型线的终点为E，轮盖型线喉部端点为H_O，经过点O与点H_O的直线与旋转轴Z1交于点Z_O，设定终点E到原点的距离等于叶轮内径D₁的一半；起点O位置则由质量流量决定，具体如下：设质量流量为Q，质量流量Q除以叶轮喉部截面面积，得气流进入叶轮时的平均速度V，设定气流到达轴盘侧型线入口流道截面时平均速度v_O为V的一半，则轴盘侧型线入口流道截面面积

然后设定起点O所在位置在旋转轴Z1上的坐标值，从而确定起点O位置；其中，点O与点H_O的连线OH_O绕旋转轴Z1旋转一周形成轴盘侧型线入口流道截面；

在确定点O与点E后，设n为将轴盘侧型线沿轴向等分成的段数，v_Z为第Z段起点所在流道截面气流平均速度，设定每段速度的比值保持恒定为c，则有：

从而计算得到点E所在流道截面气流平均速度v_E；其中，c取值范围为1-1.4；

又根据

计算得到第Z段起点所在流道截面气流平均速度v_Z；

由于

其中，S_O为母线是l_O、底面半径是r_O的圆锥侧面积，母线l_O为点H_O与点Z_O的连线，半径r_O为点H_O到旋转轴Z1的距离；S′_O为母线是l_O′、底面半径是r_O′的圆锥侧面积，母线l_O′为点O与点Z_O的连线，半径r_O′为点O到旋转轴Z1的距离；A_Z为第Z段起点所在流道截面面积；S_Z为母线是l_Z、底面半径是r_Z的圆锥侧面积，母线l_Z为点H_Z与点Z_Z的连线，半径r_Z为点H_Z到旋转轴Z1的距离；S′_Z为母线是l_Z′、底面半径是r_Z′的圆锥侧面积，母线l_Z′为轴盘侧型线第Z段起点与点Z_Z的连线，半径r_Z′为轴盘侧型线第Z段起点到旋转轴Z1的距离；其中，将轮盖型线也沿轴向等分成n段，点H_Z为轮盖型线第Z段起点，点Z_Z为轴盘侧型线第Z段起点与点H_Z的连线和旋转轴Z1的交点；

则有

从而计算得到轴盘侧型线第Z段起点所在流道截面面积：

然后，结合轮盖型线第Z段起点位置和轴盘侧型线第Z段起点所在流道截面面积确定轴盘侧型线第Z段起点位置。

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