CN113339299A - 一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，包括蜗壳，所述蜗壳设有风道、与所述风道相连通的腔体、与所述腔体相连通的进风口及与所述风道相连通的出风口；流叶轮，设于所述腔体内；旋转轴，与所述流叶轮相连；驱动电机，与所述旋转轴相关联；还包括无叶扩压器，所述无叶扩压器沿着所述流叶轮的周向方向所布置，并位于所述蜗壳和所述流叶轮之间；本发明所设计的三元流涡轮风机通过设置无叶扩压器，实现流叶轮和蜗壳之间的无缝连接，可以有效防止流体在叶片间的泄露，减少机械摩擦损耗；并且无叶扩压器可以有效改善叶片尾部流动状态，得到较大的静压升。

Description

一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机

技术领域

本发明属于涡轮风机技术领域，尤其涉及一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机。

背景技术

目前瑞士Micronel公司U65H2型双叶轮涡轮风机，是呼吸机中常用的蜗轮风机。该型号的风机流量为50～370L/min，采用二元双叶轮做功，功率大，在200 L/min的典型工作状态条件下，风机可提供最高达10472Pa的静压升，最佳气动效率保持在58.3％。

需要进一步的对呼吸机的涡轮风机进行技术革新，提升涡轮风机的静压升和最佳气动效率。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种提高气动效率的高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机。

本发明为了实现上述目的，提供如下技术方案，一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，包括

蜗壳，所述蜗壳上设有风道、与所述风道相连通的腔体、与所述腔体相连通的进风口及与所述风道相连通的出风口；

旋转轴，穿设于所述腔体内；

驱动电机，与所述旋转轴相关联；

三元流叶轮，所述三元流叶轮具有通孔，所述三元流叶轮穿设于所述旋转轴上，且所述驱动电机驱动所述旋转轴转动，以带动所述三元流叶轮转动；

无叶扩压器，所述无叶扩压器沿着所述三元流叶轮的周向方向所布置，并位于所述蜗壳和所述三元流叶轮之间，且所述三元流叶轮的出口和蜗壳通过无叶扩压器无缝连接；

流体通道，设于所述无叶扩压器上，所述三元流叶轮的出口与所述流体通道相连通，所述蜗壳的风道与所述流体通道相连通，流体沿着所述进风口进入流体通道，然后从所述流体通道进入风道，再由所述出风口排出。

本发明所设计的三元流涡轮风机通过设置无叶扩压器，实现流叶轮和蜗壳之间的无缝连接，可以有效防止流体在叶片间的泄露，减少机械摩擦损耗；并且无叶扩压器可以有效改善叶片尾部流动状态，得到较大的静压升；同时，相对于二元叶轮来说，三元叶片在设计时优化叶片的进出安放角、叶片数、扭曲叶片各截面形状等要素，能够适应流体的真实流态，从而形成较好的叶片表面载荷分布，从而获得最优的叶片表面速度分布，能有效地减少流动损失，从而达到提高效率的目的。

可选的，所述三元流叶轮具有多个均匀分布的螺旋曲线型的三元叶片；基于三元分析所设计的螺旋曲线型的三元叶片可以减少流体在叶片表面的流动损失。

可选的，所述三元叶片的叶片长度38％处为扭转方向分界点，叶顶至38％处扭转28.3°，38％叶末段反向扭转28.3°。

可选的，所述三元叶片的数量为9个，所述三元叶片的入口角为135°，出口角为72°；三元叶片的数量为9个、入口角为135°、出口角为72°，可以最大限度的增加涡轮风机的性能。

可选的，所述蜗壳上设有前盖板，所述前盖板与所述三元流叶轮之间的间距为1.5mm。

可选的，所述无叶扩压器与所述蜗壳无缝焊接；无缝焊接可以增加涡轮风机整体的气密性，减少机械摩擦。

可选的，还包括导流器，所述导流器设于所述旋转轴的端部，且所述导流器布置于所述三元流叶轮的上方，所述导流器具有导向型的光滑曲面；导流器能够对进入进风口的流体进行改善。

可选的，所述导流器具有锥状的导流部，所述导流部横截面的直径沿着流体进入所述进风口的方向逐渐增加。锥状的导流部可以起到导流的效果。

可选的，形成所述出风口的出风管道的端部设有出风管道，所述出风管道的横截面的直径沿着所述流体排出所述出风管道的方向逐渐增加，且所述出风管道首尾两端横截面的直径之差为5～8mm；可以在出风口获得更高的静压升。

可选的，所述三元流叶轮横截面的直径为45-55mm；可以缩小整个涡轮风机的体积。

综上所述：

(1)本发明提供了一种高速微型的三元流叶轮涡轮风机，在基于三元流理论与CFD流体力学计算，基于粘性熵分析内部流动损失，对于多个工况进行尝试，寻找出不同的流动和几何参数的最优组合，进而设计相应的螺旋曲线型的三元叶片，以此设计的三元叶片，能够让叶轮效率能达到84.6％，总机效率达到 66％，优于传统的二元叶轮。

(2)本发明所设计的三元流叶片的涡轮风机，叶片面积较大，具有优于二元叶轮的流通能力，流量大，具有较高的效率和更宽的变工况范围，最高流量能达到400L/min，50L/min工况下能提供10000pa的静压，更好地满足了呼吸机对涡轮风机性能需求。

(3)本发明在制作工艺方面上，采用超声波焊接技术，提高了涡轮风机的整体气密性，以及减少机械摩擦损耗，在提高效率和减少噪声等方面有着不错的效果，具有较长的使用寿命。

(4)本发明所生产的三元流涡轮风机生产成本低、效率高、性能好并且使用寿命长。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图。

图2是图1中流叶轮和无叶扩压器的结构示意图。

图3是图2中三元叶片的结构示意图。

图4是图1中三元流叶轮的俯视图，并示出了三元叶片的入口角和出口角。

图5是图1中三元叶片另一角度的立体图。

图6是图5中三元叶片扭转角度的示意图。

图7是图2中的局部视图，展示了无叶扩压器和三元叶片之间的间距。

图中：1蜗壳；100腔体；2进气口；3导流器；4无叶扩压器；三元流叶轮50；5三元叶片；70流体通道；6旋转轴7前盖板；8后盖板；9出气口；10 前盖板与叶片间距。

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。

现如今，市场上流通的呼吸机涡轮风机大都采用二元叶轮，三元流理论和三元流叶轮经过几十年的发展，在理论研究和生产技术方面都较为成熟，三元流的叶轮也更加能够适应流体的真实流态。相比之下，三元流叶轮较二元叶轮具有更高的效率和工作性能，所以将三元流叶轮应用于呼吸机涡轮风机是一种具有可行性的方案。

参考图1-7，一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，包括蜗壳1、旋转轴6、三元流叶轮50以及驱动电机，其中蜗壳1整体盘旋设置，蜗壳1的中间部分设有腔体100，旋转轴6以及三元流叶轮50布置于上述腔体100内，整个三元流涡轮风机以旋转轴6为中心进行装配；三元流叶轮50中心具有通孔，进而三元流叶轮50穿设在旋转轴6上，驱动电机驱动旋转轴6带动三元流叶轮 50转动。

进一步的，蜗壳1中心部分设有与腔体100相连通的进风口2，进而空气可以沿着蜗壳1的轴向方向进入至腔体100内，蜗壳1的边缘部分还形成有风道，风道沿着蜗壳1的边缘部分盘旋设置，风道与腔体100相互连通，风道上还设有出风口9，如此在驱动电机转动之后，旋转轴6带动三元流叶轮50转动，进而空气沿着进风口2进入腔体100，然后再进入风道内，最后从出风口9排出。

本发明通过设置三元流叶轮，增加叶轮效率，提升涡轮风机的总机效率，具体的，三元流叶轮50由9个均匀分布的三元螺旋曲线型的三元叶片5所组成，具体的，三元流叶轮50为基于三元流理论与CFD流体力学计算，对子午面上的流场求解，根据流动特性与设计准则，分析三元流叶轮内部流场计算结果，按照设计优化的约束条件重新修改三元叶轮几何形状(反问题—正问题—反问题)设计而成；三元叶片5的螺旋扭曲型线满足中间流面形状、子午线流面倾角、子午面流线曲率以及流面转角变化规律；具体的，叶片型线如图6所示，扭转度如图 7所示，在三元叶片长度38％处为扭转方向分界点，叶顶至38％处扭转28.3°，38％叶末段反向扭转28.3°。

进一步的，参考图3～5，三元叶片5的入口角为135°，出口角保持72°，如此可以在保证涡轮风机功率的情况下，进一步缩小三元流叶轮50的直径；同时，蜗壳1型线也是根据动量矩阵设计，蜗壳1与三元流叶轮50之间形成良好的适配性。

进一步的，三元流叶轮50的体积小，三元流叶轮50的直径为45-55mm之间，在本实施例中为50mm，属于呼吸机内部精密的零件。

所述三元流涡轮风机整体呈半开式结构，三元流涡轮风机还包括有无叶扩压器4，无叶扩压器4沿着三元流叶轮50的周向方向所布置，并布置在蜗壳1和三元流叶轮50之间，同时无叶扩压器4将三元流叶轮50的出口和蜗壳1无缝连接，从而在蜗壳1和三元流叶轮50之间形成良好的流体通道70，如此三元流涡轮风机所形成的半开式结构，具有良好的气密性；

进一步的，蜗壳1上设有前盖板7，前盖板7与无叶扩压器4相连，三元流叶轮5上设有后盖板8，后盖板8与三元流叶轮50为一体设置，其中无叶扩压器4与蜗壳1为一体式设置。

进一步的，前盖板7和三元叶片5之间具有间距10，前盖板7和三元叶片5 之间的间距宽度为1.5mm；后盖板8与三元叶片5之间未设有间距。

在一些实施例中，三元流涡轮风机还包括导流器3，导流器3设于旋转轴6 的端部，进而导流器3设于三元流叶轮50的上方，具体的，在进风口2内，流体先经过导流器3，再由导流器3导流至三元流叶轮50上。

导流器3正对着流体流入进风口2的一侧设有锥状的导流部，导流部的整体呈现出炮弹状的流线型，导流部横截面的直径沿着流体进入进风口2的方向逐渐增加；从而能够对无叶扩压器4与蜗壳1及三元叶轮50所形成的封闭流场，起到较好的改善作用，具体的，锥状导流器3对流体有发散疏通作用，优化流体进入叶轮的初始流态，能有效抑制附面层和二次流的发展，减弱尾迹——射流效应，减少流动损失。

在一些实施例中，风道的末端设有出风管道，出风口9形成于出风管道的出口，其中沿着流体排出出风管道的方向，出风管道的横截面的直径逐渐增加，且出风管管道首尾两端横截面的直径之差为5～8mm，如此风道的末端形成渐扩型的出风口；进风流体从出风管道排出出风口时，可以获得静压升。

在一些实施例中，为了降低三元流涡轮风机的体积，驱动电机采用体积小的驱动电机，该驱动电机的整机高度为50mm，且能够提供15000～60000r/min的高转速。

进一步的，蜗壳1和无叶扩压器4均采用一体铸造的方式做制成，制作材料为医用要求的PA6工程塑料，具体的，前盖板7和无叶扩压器4为一体成型，无叶扩压器4和蜗壳1焊接；后盖板8与三元流叶轮50为采用一体注塑成型工艺一体成型，主要采用医用要求的PA6工程塑料；后盖板8与无叶扩压器4之间为无缝连接，进而后盖板8可以随着三元流叶轮50转动时，气流不会从后盖板8和无叶扩压器4之间的部分溢出。

在一些实施例中，三元流涡轮风机整体采用PA6工程塑料制作，采用注塑工艺一体成型，具有长久的使用寿命。所述焊接均采用超声波焊接形式完成。

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 (9)

1.一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，其特征在于，包括

蜗壳(1)，所述蜗壳(1)上设有风道、与所述风道相连通的腔体(100)、与所述腔体(100)相连通的进风口(2)及与所述风道相连通的出风口(9)；

旋转轴(6)，穿设于所述腔体(100)内；

驱动电机，与所述旋转轴(6)相关联；

三元流叶轮(50)，所述三元流叶轮(50)具有通孔，所述三元流叶轮(50)穿设于所述旋转轴(6)上，且所述驱动电机驱动所述旋转轴(6)转动，以带动所述三元流叶轮(50)转动；

无叶扩压器(4)，所述无叶扩压器(4)沿着所述三元流叶轮(50)的周向方向所布置，并位于所述蜗壳(1)和所述三元流叶轮(50)之间，且所述三元流叶轮(50)的出口和蜗壳(1)通过无叶扩压器(4)无缝连接；

流体通道(70)，设于所述无叶扩压器(4)上，所述三元流叶轮(50)的出口与所述流体通道(70)相连通，所述蜗壳(1)的风道与所述流体通道(70)相连通，流体沿着所述进风口(2)进入流体通道(70)，然后从所述流体通道(70)进入风道，再由所述出风口(9)排出。

2.根据权利要求1所述的一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，其特征在于，所述三元流叶轮(50)具有多个均匀分布的螺旋曲线型的三元叶片(5)。

3.根据权利要求2所述的一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，其特征在于，所述三元叶片(5)的叶片长度38％处为扭转方向分界点，叶顶至38％处扭转28.3°，38％叶末段反向扭转28.3°。

4.根据权利要求2所述的一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，其特征在于，所述三元叶片(5)的数量为9个，所述三元叶片(5)的入口角为135°，出口角为72°。

5.根据权利要求5所述的一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，其特征在于，所述蜗壳(1)上设有前盖板(7)，所述前盖板(7)与所述三元流叶轮(50)之间的间距为1.5mm。

6.根据权利要求5所述的一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，其特征在于，所述无叶扩压器(4)与所述蜗壳(1)无缝焊接。

7.根据权利要求1所述的一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，其特征在于，还包括导流器(3)，所述导流器(3)设于所述旋转轴(6)的端部，且所述导流器(3)布置于所述三元流叶轮(50)的上方，所述导流器(3)具有导向型的光滑曲面。

8.根据权利要求8所述的一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，其特征在于，所述导流器(3)具有锥状的导流部，所述导流部横截面的直径沿着流体进入所述进风口(2)的方向逐渐增加。

9.根据权利要求1所述的一种高速微型适用于呼吸机的三元流涡轮风机，其特征在于，形成所述出风口(9)的出风管道的端部设有出风管道，所述出风管道的横截面的直径沿着所述流体排出所述出风管道的方向逐渐增加，且所述出风管道首尾两端横截面的直径之差为5～8mm。

Images