CN113217410B - 一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机，包括蜗壳，叶轮，设于所述蜗壳内；导流器，所述导流器其中一端与所述叶轮相连，另一端形成有圆锥状的导流部；其中，所述叶轮包括后盘，所述后盘为锥形设置形成有锥侧面；三元扭叶片，所述三元扭叶片围绕所述叶轮的中心呈放射状分布在所述后盘的锥侧面。本发明在现有离心式鼓风机机壳上进行结构的优化，使得在临近空间环境条件下，气流由叶轮出口流出后，沿逐渐扩大的风道腔体，从而气流从出风口竖直流出，达到了给浮空气球提供稳定气流的充气效果，实现了临界空间对浮空气球的充气作用。

Description

一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机

技术领域

本发明涉及离心风机技术领域，尤其是涉及一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机。

背景技术

当今，航空航天逐渐走进人们的视野。一般来讲，常规的航空器飞行高度为距离地面20km以下，航天器运行的空间则距地面100km以上，而距地面20km到100km之间的这段区域，则被称为临近空间。临近空间是一个特殊空域，由于这里的空气过于稀薄，以致大多数飞行器都难以在该空域正常工作。基于现有技术的卫星也无法在这个空域以某一高度形成绕地球运行的轨道，以平衡万有引力的作用。因此，目前还没有任何人造的可操纵飞行器能在该空域长航时飞行或者定点驻留。世界各国由此提出了多种临近空间飞行器发展方案，按飞行速度，可分为高速和低速临近空间飞行器，按充气压力，可分为零压力和高压力临近空间飞行器；按推进方式，可分为自由浮空和机动飞行临近空间飞行器，按结构，可分为硬式、半硬式和软式临近空间飞行器，现在一般采用软式结构，它通过气囊中氦气的压力来保持外形等。

普通飞行器难以在大气密度极小的临界空间正常工作，飞行平台的工作高度和尺寸大小受大气密度影响极大，在低大气密度条件下，同等有效载荷条件下飞行平台所需的体积越大，飞行高度越低。大气密度还会对飞行平台的动力和推进系统造成影响。在临近空间，普通燃油发动机无法正常工作，只能采用带压缩机的涡轮发动机或电动机来提供动力。低密度还会严重降低热传导效果，使整个仪器设备系统的热环境控制变得复杂，如解决发动机散热等问题比在地面的难度大得多。

对用于浮空气球在临近空间持续充气的鼓风机，由于轴流式风机通常用在流量要求较高而压力要求较低的场合，且轴流风机的风压和风量较小，而离心风机的风量和风压都非常大，基于此条件，应采用于离心式鼓风机。

因此对于离心式鼓风机，提出一种在结构上满足且适用于临近空间大气环境的用于给浮空气球提供稳定压力气体的离心鼓风机显得尤为重要。

现有的离心鼓风机能够提供的压力较小，效率不高，在使用过程中噪声大，难以满足临界空间下，对于浮空气球的充气要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种在结构上满足且适用于临近空间大气环境的适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机。

本发明为了实现上述目的，提供如下技术方案，一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机，包括

蜗壳，所述蜗壳具有风道腔体、与所述风道腔体连通的进风口及与所述进风口位于同一轴线上的出风口；

叶轮，设于所述蜗壳内；

导流器，设于所述蜗壳内，所述导流器其中一端与所述叶轮相连，另一端形成有圆锥状的导流部；其中，所述叶轮包括

后盘，所述后盘为锥形设置形成有锥侧面，其中所述后盘的底端与所述导流器相连；

三元扭叶片，所述三元扭叶片围绕所述叶轮的中心呈放射状分布在所述后盘的锥侧面上；

所述三元扭叶片包括长叶片和短叶片，多个所述长叶片沿着所述叶轮的中心均匀分布，多个所述短叶片位于两个所述长叶片之间。

本发明在现有离心式鼓风机机壳上进行结构的优化，使得在临近空间环境条件下，气流由叶轮出口流出后，沿逐渐扩大的风道腔体，从而气流从出风口竖直流出，达到了给浮空气球提供稳定气流的充气效果，实现了临界空间对浮空气球的充气作用。

可选的，所述短叶片的前端和所述长叶片的前端均位于同一圆上，并且各个所述短叶片均布置在相邻的两个长叶片的周向中心位置。

可选的，相邻布置的所述长叶片和所述短叶片之间所形成夹角的大小为24°。

可选的，所述长叶片和所述短叶片的扭曲方向相同，所述的长叶片和短叶片的进口扭曲角度均为30°，所述的长叶片和所述的短叶片的出口角均为90°。

可选的，所述导流器与所述叶轮相连的一端从所述叶轮的边缘沿着所述导流器的径向方向延伸形成有扩压部。

可选的，所述圆锥状的导流部的倾斜角度为α，α＝30～50°。

可选的，所述三元扭叶片的厚度为1～2mm。

可选的，所述长叶片和所述短叶片均为8片。

可选的，所述扩压部的宽度为a，a＝5～10mm，所述导流部的顶端至所述导流部底端的垂直距离为b，b＝58mm。

可选的，所述蜗壳内壁与所述叶轮边缘相距3～8mm。

综上所述，本发明在现有离心式鼓风机机壳上进行结构的优化，使得在临近空间环境条件下，气流由叶轮出口流出后，沿逐渐扩大的风道腔体，从而气流从出风口竖直流出，达到了给浮空气球提供稳定气流的充气效果，实现了临界空间对浮空气球的充气作用；并且进气口、出气口以及叶轮的中心均在同一轴线上，进而气流在进入蜗壳之后，基本沿着同一方向流动，减少了气流和蜗壳内壁之间的摩擦；

同时还对叶片上进行优化，使叶轮槽道、叶片和出口变宽，从而增加流通能力，提高了叶轮效率，本发明加入短叶片后，能提高风机的全压，即增加做功能力，一定范围内，短叶片从吸力面向压力面移动，压力和效率都上升，转子理论效率可达89％。

附图说明

图1为本发明的离心鼓风机轴测剖切图。

图2为本发明的离心鼓风机的上视图。

图3为本发明离心鼓风机叶轮的主视图。

图4为本发明离心鼓风机叶轮的上视图。

图5为本发明离心鼓风机导流器和叶轮的主视图。

图6为本发明离心鼓风机导流器的主视图。

图7为本发明离心鼓风机蜗壳的主视图。

图8为本发明离心鼓风机蜗壳的轴测剖切图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

参考图1-8，一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机，包括蜗壳1、导流器2以及叶轮3，其中蜗壳1的上端和下端分别设有出风口11和进风口10，出风口11和进风口10布置在同一轴线上，减少了气流进入蜗壳1之后和蜗壳1内壁之间的摩擦，使得气流可以更好的通过蜗壳1。

蜗壳1包括前段101、中段102以及后段103，其中出风口11布置在前段101，进风口10布置在后段103，中段102布置在前段101和中段102之间，其中前段101和后端103的横截面积均小于中段102的横截面积。

叶轮3包括后盘31和三元扭叶片5，后盘31为沿着所述中段102至后端103方向延伸的锥状结构，后盘31上形成有锥侧面，且后盘31的中心穿设有轴4。三元扭叶片5围绕着叶轮3的中心呈放射状分布在后盘31的锥侧面上。三元扭叶片5的进口扭曲角度为30°，三元扭叶片5整体呈“S”形设置。三元扭叶片5的厚度为1～2mm。

三元扭叶片5包括长叶片51和短叶片52，多个长叶片51沿着叶轮3的中心均匀分布，多个短叶52片位于两个长叶片51之间，具体的，短叶片52的前端和长叶片52的前端位于同一圆上，并且两个短叶片52均布置在相邻的两个长叶片51的周向中心位置，进而长叶片51和短叶片52为间隔布置，在相邻的长叶片51和短叶片52之间形成有叶轮槽道7。其中，长叶片51和短叶片52均设置为8个。

在一些实施例中，叶轮3的转速控制在34040-37000rpm。

相比较于离心风机中常用的二元叶片，本发明对叶片进行了优化，使叶轮槽道7、叶片和出口变宽，主要原因为：采用此三元叶片后,增加了压力面于吸力面的压差，同时反动度沿叶高的分布得到均化，提高根部的通流能力,从而提高整级的通流能力,并有利于减少端部损失，从而对叶轮槽道、叶片以及出口宽度进行了优化。优化后的参数如下，长短叶片在后盘31上相间分布，每隔24°放置一个；长短叶片扭曲方向相同，长叶片51和短叶片52的进口扭曲角度均为30°，长叶片51和短叶片52的出口角为50°-80°。

如此，增加了气体流通能力，提高了叶轮效率。并且解决了在临界空间下，单一种类叶片提供压力较小的问题。离心风机加入短叶片后，能提高风机的全压，即增加做功能力，一定范围内，短叶片从吸力面向压力面移动，压力和效率都上升，转子理论效率可达89％。通过对叶轮机组的改进，使得该离心风机有高效率、低噪声的特性。在临界空间环境工况下运行时，三元扭叶片叶轮可以有效提供所需压力与流量，从而满足浮空气球的充气要求。

导流器2和叶轮3相连，导流器2布置在蜗壳1的前段101，叶轮3布置在蜗壳1的后段103，导流器2和叶轮3于蜗壳1的中端102部分相连，进而蜗壳1、叶轮3以及导流器2界定出风道腔体，而蜗壳1的中端102对应风道腔体上的环状腔体1021，气流从进风口10进入风道腔体之后，会在环状腔体处1021处发生转向。其中，蜗壳1内壁与叶轮3边缘相距3～5mm。

导流器2一端与叶轮3相连，另一端设有圆锥状的导流部21，导流器2上设有扩压部9，扩压部9为形成于叶轮3的边缘沿着导流器2径向方向延伸至导流器2边缘的部分，扩压部9与叶轮3的叶轮出口之间自然弯曲、光滑过渡，进而扩压部3可以起到无叶扩压器的作用。

其中扩压部3的宽度为a，a＝5～10mm，在本实施例中，导流器3于叶轮3相连的一端从叶轮3的边缘沿着导流器2的径向方向向外延伸7mm，即扩压部的宽度等于7mm。

进一步的，锥形设置的导流部21的倾斜角度为α，α＝30°～50°，也就是导流部21顶端至导流部21底端边缘上任一点的连线与导流部21的中轴线所形成夹角的范围在30°～50°。并且导流部21顶端至导流部21底端的垂直距离为b，b＝58mm。

导流器2一端设置有扩压部22另一端设置有导流部21，进而气体从叶轮3的叶轮出口排出后，会沿着导流器2的扩压部22流动，然后再沿着导流部21的侧壁所流动，并在蜗壳1的出风口11汇集。导流器2可以让气流从叶轮流出后紊流程度明显降低，同时减小了气流在蜗壳内的扰动，保障空气的舒畅流动，增大风机效率；同时锥状设置的导流部，让蜗壳1前端101的气体流道是逐渐扩大的，可以起到缓冲气流冲击，降低噪音和能量损失的作用。

在驱动叶轮3的转速达到34040-37000rpm之后，气体从蜗壳1下方的进风口10进入蜗壳1的下段103，然后进入叶轮3内，从叶轮出口排出，沿着扩压部22进入环状腔体1021，然后沿着导流部21从出风口11排出。

在蜗壳1的中段，沿着气体整体的流动方向，环状腔体1021的横截面积逐渐增加，同时扩压部22和叶轮3之间平滑过渡，进而保障了空气的正常流动，增大风机效率，在保证风机流量和风压不受损失的同时，有效地缓冲气流冲击，降低噪音，从而保证了鼓风机能够在临界空间环境条件下给浮空器提供稳定的压力和气流。

显然，所描述的实施例仅仅本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机，其特征在于，包括蜗壳(1)，所述蜗壳(1)具有风道腔体、与所述风道腔体连通的进风口(10)及与所述进风口(10)位于同一轴线上的出风口(11)；

叶轮(3)，设于所述蜗壳(1)内；

导流器(2)，设于所述蜗壳(1)内，所述导流器(2)其中一端与所述叶轮(3)相连，另一端形成有圆锥状的导流部(21)；

其中，所述叶轮(3)包括

后盘(31)，所述后盘(31)为锥形设置形成有锥侧面，其中所述后盘(31)的底端与所述导流器(2)相连；

三元扭叶片(5)，所述三元扭叶片(5)围绕所述叶轮(3)的中心呈放射状分布在所述后盘(31)的锥侧面上；

所述三元扭叶片(5)包括长叶片(51)和短叶片(52)，多个所述长叶片(51)沿着所述叶轮(3)的中心均匀分布，多个所述短叶片(52)位于两个所述长叶片(51)之间；

所述短叶片(52)的前端和所述长叶片(51)的前端均位于同一圆上，并且各个所述短叶片(52)均布置在相邻的两个长叶片(51)的周向中心位置；

相邻布置的所述长叶片(51)和所述短叶片(52)之间所形成夹角的大小为24°；

所述长叶片(51)和所述短叶片(52)的扭曲方向相同，所述的长叶片(51)和短叶片(52)的进口扭曲角度均为30°，所述的长叶片(51)和所述的短叶片(52)的出口角为50°-80°。

2.根据权利要求1所述的一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机，其特征在于，所述导流器(2)与所述叶轮(3)相连的一端从所述叶轮(3)的边缘沿着所述导流器(2)的径向方向延伸形成有扩压部(22)。

3.根据权利要求1所述的一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机，其特征在于，所述圆锥状的导流部(21)的倾斜角度为α，α＝30～50°。

4.根据权利要求1所述的一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机，其特征在于，所述三元扭叶片(5)的厚度为1～2mm。

5.根据权利要求1所述的一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机，其特征在于，所述长叶片(51)和所述短叶片(52)均为8片。

6.根据权利要求2所述的一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机，其特征在于，所述扩压部(22)的宽度为a，a＝5～10mm，所述导流部(21)的顶端至所述导流部(21)底端的垂直距离为b，b＝58mm。

7.根据权利要求1所述的一种适用于临近空间的三元叶片离心鼓风机，其特征在于，所述蜗壳(1)内壁与所述叶轮(3)边缘相距3～5mm。

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