CN113738694B - 一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮 - Google Patents

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Abstract

本申请提出一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮，包括：叶盘；多个叶片，叶片均匀设置在叶盘的上表面；其中，叶片的前缘呈圆弧型，且圆弧的凸面朝向叶盘，前缘的下端靠近叶盘的中心轴，其上端远离叶盘的中心轴，叶片的前缘为圆头结构，且圆头结构的直径大于叶片的叶顶宽度，本申请和现有技术相比所具有的优点是：利用该圆弧型前缘以及该前缘的圆头结构可以使前缘附近进口气流角更为均匀，增加离心叶轮的稳定性，提高其稳定裕度，使叶片的攻角适应性更好；圆头结构的前缘能够控制马蹄涡的发展，从而减小叶片前缘处端壁的二次流损失，实现离心叶轮高效率、宽工作范围的目的。

Description

一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮
技术领域
本申请涉及离心叶轮技术领域，尤其涉及一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮。
背景技术
在现代临床医学中，呼吸机作为一项能够通过外界提供能量代替人自身自主通气的有效手段，在现代医学领域内占有十分重要的位置，呼吸机的关键部位是离心叶轮，离心叶轮可以提供具有一定压力和流量的压缩空气，以得到临床治疗时所需要的氧气浓度和所需流量的混和气体，在离心叶轮应用的领域，尤其是民用领域，离心叶轮发展的方向与追求的目标主要为高效率、宽工作范围、低噪声、长寿命及低成本。
随着离心叶轮行业的发展，离心叶轮的体积越来越小，其压力和流量要求越来越高，导致其容易出现发热高、可靠性降低等问题。
现有用于呼吸机的离心叶轮有带过渡段和不带过渡段两种，两种离心叶轮的设计技术多采用无导风轮离心直叶片设计，离心叶轮的导风轮的作用是用叶片将气流进口方向由轴向变为斜向，由于离心叶轮的增压比一般较低，出于节约成本考虑，离心叶轮的叶片一般采用无导风轮设计，且离心段叶片采用直叶片，这种设计方案虽然便于研制及加工制造，且节约加工成本，但其存在下述问题：
1、气流由轴向转为径向过程没有导风轮约束，而且路径较短，变化比较剧烈，由于子午曲率的影响，容易在离心叶片前缘产生不均匀气流角，从而使径向段直叶片的攻角适应性较差。
2、随着离心叶轮向着高压力、高流量、高效率发展的趋势，叶片前缘部分的二次流损失在叶片通道总损失中所占的比例越来越大，而且这部分损失跟叶片几何形状有着强烈的关系。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的目的在于提出一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮。
为达到上述目的，本申请提出的一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮，包括：叶盘；多个叶片，所述叶片均匀设置在所述叶盘的上表面；其中，所述叶片的前缘呈圆弧型，且圆弧的凸面朝向所述叶盘，所述前缘的下端靠近所述叶盘的中心轴，其上端远离所述叶盘的中心轴，所述叶片的前缘为圆头结构，且所述圆头结构的直径大于所述叶片的叶顶宽度。
多个所述叶片的前缘下端在所述叶盘上形成有前下圆，所述前下圆的半径r2为1.5mm-2.5mm，多个所述叶片的前缘上端在所述叶盘上形成有前上圆，所述前上圆的半径r3为5mm-10mm。
所述叶片前缘下端处位于吸力面侧的气流进入方向与所述叶片前缘下端在所述前下圆上的切线之间具有夹角β1h，所述β1h不大于120°，所述叶片前缘上端处位于吸力面侧的气流进入方向与所述叶片前缘上端在所述前上圆上的切线之间具有夹角β1S，所述β1S不大于150°。
所述叶片的尾缘为平面结构，且所述平面与所述叶盘的中心轴平行，多个所述叶片的尾缘在所述叶盘上形成有尾圆，所述尾圆的半径r4为12mm-20mm。
所述叶片上由上至下具有沿曲线分布的叶顶横截面、叶中横截面及叶根横截面，所述叶顶横截面与所述叶根横截面在所述叶盘上的正投影之间具有夹角α3，所述叶中横截面与所述叶根横截面在所述叶盘上的正投影之间以及所述叶中横截面与所述叶顶横截面在所述叶盘上的正投影之间均具有夹角α4，所述α4为α3的二分之一。
所述叶片尾缘下端处位于吸力面侧的气流排出方向与所述叶片尾缘下端在所述尾圆上的切线之间具有β2h，所述β2h不小于20°，所述叶片尾缘上端处位于吸力面侧的气流排出方向与所述叶片尾缘上端在所述尾圆上的切线之间具有β2S，所述β2S不小于50°。
所述前缘的长度l为尾圆半径r4的3％-10％。
所述圆头结构的半径为0.2mm-0.5mm，所述叶片的厚度为0.3mm-0.5mm。
所述叶顶上靠近所述叶盘边缘一端的延伸线与所述叶盘之间具有夹角α1，所述α1为5°-20°。
所述叶盘的上表面与所述叶盘的中心轴之间具有夹角α2，所述α2为60°-80°。
采用上述技术方案后，本申请和现有技术相比所具有的优点是：
利用该圆弧型前缘以及该前缘的圆头结构可以使前缘附近进口气流角更为均匀，增加离心叶轮的稳定性，提高其稳定裕度，使叶片的攻角适应性更好；
圆头结构的前缘能够控制马蹄涡的发展，从而减小叶片前缘处端壁的二次流损失，实现离心叶轮高效率、宽工作范围的目的。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请一实施例提出的一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮的结构示意图；
图2是本申请一实施例提出的一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮的局部剖面示意图；
图3是本申请一实施例提出的一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮的俯视图；
图4是本申请一实施例提出的一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮中叶片的俯视图；
如图所示：1、叶盘，2、叶片，3、叶顶，4、叶根，5、前缘，6、尾缘，7、吸力面，8、压力面，9、固定孔，10、电机轴孔，11、前下圆，12、前上圆，13、尾圆。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
如图1至图4所示，本申请实施例提出一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮，包括叶盘1及多个叶片2，叶片2均匀设置在叶盘1的上表面，多个叶片2在叶盘1上呈辐射状分布，且均焊接在叶盘1的上表面。
叶片2的数量根据实际需要进行设置，优选的，叶片2的数量为8个-15个，在本实施例中，叶片2的数量为12个。
叶盘1具有环形盘及轴套，轴套与环形盘一体成型，且轴套的中心轴与环形盘的中心轴重合并形成叶盘1的中心轴，同时，环形盘具有上表面及下表面。
在本实施例中，环形盘的上表面与下表面平行，以使环形盘的厚度均匀，为保证叶盘1的强度，环形盘的厚度b2根据叶盘1实际使用时所需的强度进行设置，优选的，环形盘的厚度b2为0.4mm-0.8mm，其中，b2的具体取值在此不再一一列举。
在一些实施例中，为满足实际需要，环形盘的上表面与下表面之间可存在夹角，但应保证该夹角为锐角。
叶盘1中心轴处的轴套内设置有呈阶梯状相连的固定孔9及电机轴孔10，固定孔9相对电机轴孔10更靠近叶盘1的上表面，电机轴孔10则相对固定孔9更靠近叶盘1的下表面，而且，固定孔9的中心轴及电机轴孔10的中心轴均与叶盘1的中心轴重合，通过固定孔9及电机轴孔10，使叶盘1能够安装在电机的输出轴上，在电机的驱动下，实现叶盘1的转动，电机是把外界电能转化为机械能，并通过其输出轴将机械能传递到叶盘1和叶片2上，然后再通过叶片2做功将机械能转化为气流的动能及压力能。
其中，应根据电机转速、电机输出轴的直径等参数选择固定孔9及电机轴孔10的半径，优选的，固定孔9的半径r0为1mm-2mm，电机轴孔10半径r1为1.5mm-2.5mm。
同时，还应根据电机转速、电机输出轴的直径等参数选择轴套的壁厚，优选的，轴套上位于电机轴孔10处的壁厚b3为2mm-5mm。
其中，半径r0、半径r1及壁厚b4的具体取值根据实际需要进行设置，在此不再一一列举。
叶盘1的上表面与叶盘1的中心轴之间具有夹角α2，夹角α2的角度根据实际需要进行设置，优选的，α2为60°-80°，该角度的设置，能够便于空气的流动，降低能量损失，提高离心叶轮的效率，且其中夹角α2的具体取值在此不再一一列举。
叶片2具有叶顶3、叶根4、前缘5、尾缘6、吸力面7及压力面8。
叶顶3为叶片2的顶部，叶顶3为楔形，其上靠近叶盘1边缘一端的延伸线与叶盘1之间具有夹角α1，夹角α1的角度根据实际需要进行设置，优选的，α1为5°-20°，该角度的设置，能够便于空气的流动，降低能量损失，提高离心叶轮的效率，且其中α1的具体取值在此不再一一列举。
叶根4为叶片2的底部，叶片2通过叶根4与叶盘1的环盘连接。
叶片2的前缘5为叶顶3与叶根4之间靠近叶盘1中心轴的一端，叶片2的前缘5呈圆弧型，且圆弧的凸面朝向叶盘1，前缘5的下端靠近叶盘1的中心轴，其上端远离叶盘1的中心轴，叶片2的前缘5为圆头结构。
需要说明的是，叶片2的前缘5是在叶高截面上呈圆弧型，在叶型截面上呈圆形，叶高截面是指叶片2上被叶高所在平面截得的截面，叶型截面则是与叶高截面垂直的截面，且叶型截面与叶片型线方向平行，而叶片型线方向是指由前缘5沿叶片2的外形弧线到尾缘6的方向。
利用该圆弧型前缘5以及该前缘5的圆头结构可以使前缘5附近进口气流角更为均匀，增加离心叶轮的稳定性，提高其稳定裕度，使叶片2的攻角适应性更好；圆头结构的前缘5能够控制马蹄涡的发展，从而减小叶片2前缘5处端壁的二次流损失，实现离心叶轮高效率、宽工作范围的目的。
叶片2的厚度由叶顶3宽度b1决定，叶顶3宽度b1沿叶片型线方向不变，且圆头结构的直径大于叶片2的叶顶3宽度，可以理解的是，叶片2的厚度除其前缘5外均相同设置。
叶片2的厚度根据实际需要进行设置，而叶顶3宽度b1的大小则根据叶片2的厚度进行设置，优选的，叶片2的厚度为0.3mm-0.5mm，其中叶片2厚度的具体取值在此不再一一列举。
圆头结构的半径根据可能用到的空气流量范围进行确定，太大会产生较大的能量损失，太小不足以满足流量范围内的攻角适应性，优选的，圆头结构的半径R为0.2mm-0.5mm，其中R的具体取值在此不再一一列举。
为使圆头结构与吸力面7及压力面8的连接更为顺滑，圆头结构与叶盘1的吸力面7及压力面8之间具有过渡段，且过渡段与圆头结构的长度之和即为前缘5的长度，前缘5的长度l根据尾圆13的半径r4进行确定，优选的，前缘5的长度l为尾圆半径r4的3％-10％，其中l的具体取值在此不再一一列举。
叶片2的尾缘6为叶顶3与叶根4之间靠近叶盘1边缘的一端，叶片2的尾缘6为直线型结构，即叶片2的尾缘6为平面结构，且该平面与叶盘1的中心轴平行，该平面位于尾圆13上，同时，叶片2的尾缘6上端与下端在叶盘1上的正投影不重合。
叶片2的吸力面7及压力面8即为叶顶3与叶根4之间的两侧面。
多个叶片2的前缘5下端在叶盘1上形成有前下圆11，多个叶片2的前缘5上端在叶盘1上形成有前上圆12，前上圆12的半径r3及前下圆11的半径r2根据抛物线的具体形状进行设置，优选的，前下圆11的半径r2为1.5mm-2.5mm，前上圆12的半径r3为5mm-10mm，该尺寸的设置，符合小体积呼吸机的要求，且其中r2及r3的具体取值在此不再一一列举。
可以理解的是，叶片2前缘5的高度能够根据r2及r3进行确定，而叶片2尾缘6的高度则能够根据叶片2前缘5高度及α1进行确定，同时，通过调整r2与r3，可得到所需的空气进口流量和流速。
多个叶片2的尾缘6在叶盘1上形成有尾圆13，尾圆13的半径r4根据实际需要进行设置，优选的，尾圆13的半径r4为12mm-20mm，其中r4的具体取值在此不再一一列举。
可以理解的是，尾圆13的半径r4决定了离心叶轮的径向尺寸。
叶片2前缘5下端处位于吸力面7侧的气流进入方向与叶片2前缘5下端在前下圆11上的切线之间具有夹角β1h，叶片2前缘5上端处位于吸力面7侧的气流进入方向与叶片2前缘5上端在前上圆12上的切线之间具有夹角β1S，叶片2尾缘6下端处位于吸力面7侧的气流排出方向与叶片2尾缘6下端在尾圆13上的切线之间具有夹角β2h，叶片2尾缘6上端处位于吸力面7侧的气流排出方向与叶片2尾缘6上端在尾圆13上的切线之间具有夹角β2S。
通过β1h、β1S、β2h及β2S能够确定气流流动方向以及叶片2的型线，由于叶片2会对气流做功，从而叶片2也会受到气流的反作用力，因此叶片2如果过于弯曲，可能会不满足强度要求，优选的，β1h不大于120°，β1S不大于150°，β2h不小于20°，β2S不小于50°，其中，β1h、β1S、β2h及β2S的具体取值在此不再一一列举。
需要说明的是，叶片2前缘5下端可视为前下圆11的切点，位于该切点处的切线即为叶片2前缘5下端在前下圆11上的切线，叶片2前缘5上端可视为前上圆12的切点，位于该切点处的切线即为叶片2前缘5上端在前上圆12上的切线，叶片2尾缘6上端在叶盘1上的正投影可视为尾圆13的切点，位于该切点处的切线即为叶片2尾缘6上端在尾圆13上的切线，叶片2尾缘6下端在叶盘1上的正投影可视为尾圆13的切点，位于该切点处的切线即为叶片2尾缘6下端在尾圆13上的切线。
叶片2上由上至下具有沿曲线分布的叶顶3横截面、叶中横截面及叶根4横截面，叶顶3横截面、叶中横截面及叶根4横截面均与叶型截面平行，且其之间具有相同的大小、形状，叶中横截面到叶顶3横截面以及叶中横截面到叶根4横截面的距离相同。
叶顶3横截面与叶根4横截面在叶盘1上的正投影之间具有夹角α3，叶中横截面与叶根4横截面在叶盘1上的正投影之间以及叶中横截面与叶顶3横截面在叶盘1上的正投影之间均具有夹角α4，α4为α3的二分之一。
需要说明的是，上述正投影的投影线与叶盘1的中心轴平行。
离心叶轮在工作中，电机驱动其转动，外界空气进入离心叶轮时，其首先与圆弧型前缘5接触，与抛物线型前缘5接触的空气由于受到冲击，会被分为两股，两股空气分别沿着吸力面7及压力面8流向尾缘6，在流动过程中，由于叶片2的转动，叶片2会对该气流做功，尾缘6处的气流总压及静压将比前缘5处的气流总压及静压要高，从而达到模拟人自身呼吸的目的。
其中在叶片2的前缘5处，由于是圆头结构，当气流不以设置的流量、速度或者角度与前缘53接触时，前缘53能够在不同进口气流情况下具有更好的攻角适应性。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮，其特征在于，包括：
叶盘；
多个叶片，所述叶片均匀设置在所述叶盘的上表面；
其中，所述叶片的前缘在所述叶轮的轴截面上呈圆弧型，且圆弧的凸面朝向所述叶盘，所述前缘的下端靠近所述叶盘的中心轴，其上端远离所述叶盘的中心轴，所述叶片的前缘为圆头结构，且所述圆头结构的直径大于所述叶片的叶顶宽度；
多个所述叶片的前缘下端在所述叶盘上形成有前下圆，所述前下圆的半径r2为1.5mm-2.5mm，多个所述叶片的前缘上端在所述叶盘上形成有前上圆，所述前上圆的半径r3为5mm-10mm；
所述叶片的尾缘为平面结构，且所述平面与所述叶盘的中心轴平行，多个所述叶片的尾缘在所述叶盘上形成有尾圆，所述尾圆的半径r4为12mm-20mm；
所述叶片由上至下具有沿曲线分布的叶顶横截面、叶中横截面及叶根横截面，所述叶顶横截面与所述叶根横截面在所述叶盘上的正投影之间具有夹角α3，所述叶中横截面与所述叶根横截面在所述叶盘上的正投影之间以及所述叶中横截面与所述叶顶横截面在所述叶盘上的正投影之间均具有夹角α4，所述α4为α3的二分之一；
所述叶片尾缘下端处位于吸力面侧的气流排出方向与所述叶片尾缘下端在所述尾圆上的切线之间具有夹角β2h，所述β2h不小于20°，所述叶片尾缘上端处位于吸力面侧的气流排出方向与所述叶片尾缘上端在所述尾圆上的切线之间具有夹角β2S，所述β2S不小于50°；
所述前缘的长度l为尾圆半径r4的3%-10%，其中，所述圆头结构与所述叶片的吸力面及压力面之间具有过渡段，且所述过渡段与所述圆头结构的长度之和为所述前缘的长度l；
所述圆头结构的半径为0.2mm-0.5mm，所述叶片的厚度为0.3mm-0.5mm；
所述叶顶上靠近所述叶盘边缘一端的延伸线与所述叶盘之间具有夹角α1，所述α1为5°-20°；
所述叶盘的上表面与所述叶盘的中心轴之间具有夹角α2，所述α2为60°-80°；
所述叶盘具有环形盘，所述环形盘的厚度b2为0.4mm-0.8mm。
2.根据权利要求1所述具有圆头形前缘叶型的高性能呼吸机离心叶轮，其特征在于，所述叶片前缘下端处位于吸力面侧的气流进入方向与所述叶片前缘下端在所述前下圆上的切线之间具有夹角β1h，所述β1h不大于120°，所述叶片前缘上端处位于吸力面侧的气流进入方向与所述叶片前缘上端在所述前上圆上的切线之间具有夹角β1S，所述β1S不大于150°。
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