CN113757133A - 高效率内转子电机驱动的双进口多翼风机及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体机械技术领域，具体涉及一种高效率内转子电机驱动的双进口多翼风机及其设计方法。本高效率内转子电机驱动的双进口多翼风机及其设计方法包括：叶轮和位于叶轮上的若干叶片；以及所述叶片的型线参数包括叶片圆弧半径R₁、叶片出口尺寸R₂和叶片进口尺寸R₃，且满足R₁＝(R₂‑R₃)/[2*cosθ*sin(α/2)]；其中θ＝(90°‑α/2‑β)；β为叶片出口角，其取值范围为25°～35°；α为叶片圆弧角，其取值范围为80～105°；R₃＝(0.75～0.85)*R₂。通过对叶片的型线参数进行限定，使多翼风机以保证在较小的能耗条件下达到更好的散热效果，优化了风机气动性能，提高风量风压，降低了能耗。

Description

高效率内转子电机驱动的双进口多翼风机及其设计方法

技术领域

本发明属于流体机械技术领域，具体涉及一种高效率内转子电机驱动的双进口多翼风机及其设计方法。

背景技术

目前风力发电机冷却器的外风路以多翼风机和轴流风扇为主。随着发电机新产品持续开发，发电机功率进一步提高，冷却器的散热需求也逐步增加；当散热功率增大时，冷却器尺寸并没有逐渐增大太多，散热面积也没有增加很多，因此需要提高散热气流速度来实现理想的冷却效果。轴流风扇由于所能提供的压力低，导致无法满足使用要求，慢慢地被大风量多翼离心风机所取代。

由于冷却器风量需求大，因此双进风口多翼风机无疑是上乘之选。对于大功率驱动电机而言，多数采用内转子电机来驱动大功率多翼风机，但始终不能有效解决自身的散热问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：双进风口多翼风机的散热问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：第一方面，本双进口多翼风机包括：叶轮和位于叶轮上的若干叶片；以及所述叶片的型线参数包括叶片圆弧半径R₁、叶片出口尺寸R₂和叶片进口尺寸R₃，且满足R₁＝(R₂-R₃)/[2*cosθ*sin(α/2)]；其中θ＝(90°-α/2-β)；β为叶片出口角，其取值范围为25°～35°；α为叶片圆弧角，其取值范围为80～105°；R₃＝(0.75～0.85)*R₂。

进一步，所述叶轮的总宽度B₁＝(1.95～2.05)R₂。

进一步，所述双进口多翼风机还包括蜗壳；所述蜗壳包括：包裹在叶轮外侧的壳体、沿壳体向外伸出的蜗壳出口；所述壳体包括圆心交汇且依次连接的第一圆弧蜗壳、第二圆弧蜗壳、第三蜗壳圆弧、第四圆弧蜗壳；其中第一圆弧蜗壳的圆弧半径R₅＝(1～1.1)R₂；第二圆弧蜗壳的圆弧半径R₆＝(1.3～1.4)R₂；第三圆弧蜗壳的圆弧半径R₇＝(1.6～1.7)R₂；第四圆弧蜗壳的圆弧半径R₈＝(1.9～2)R₂；所述蜗壳出口位于第一圆弧蜗壳与第四圆弧蜗壳之间，且所述蜗壳出口的高度H＝(1.6～1.7)R₂；以及所述蜗壳的宽度B₂＝(1.15～1.3)R₂。

进一步，所述蜗壳还包括：位于第一圆弧蜗壳与出口之间的蜗舌；所述蜗舌呈凹弧状，所述蜗舌的半径R₄＝(0.15～0.22)R₂。

进一步，所述壳体的两侧分别设有第一进风口、第二进风口；所述第一进风口的直径Ф₁＝(1.6～1.7)R₂；以及所述第二进风口的直径Ф₂满足R₂＝(0.82～0.86)Ф₂。

进一步，所述叶轮通过电机带动；所述电机适于部分插入所述第二进风口中；所述双进口多翼风机还包括位于第二进风口处的集流器；所述第二进风口与电机安装支架之间的间距L＝(0.19～0.21)Ф₂。

第二方面，本双进口多翼风机的设计方法包括：选取电机；根据电机的参数获取蜗壳的参数；根据蜗壳的参数匹配叶轮的参数。

进一步，所述蜗壳的参数包括蜗舌的半径R₄、蜗壳的宽度B₂、蜗壳出口的高度H、第一圆弧蜗壳的圆弧半径R₅＝(1～1.1)R₂、二圆弧蜗壳的圆弧半径R₆、第三圆弧蜗壳的圆弧半径R₇、第四圆弧蜗壳的圆弧半径R₈、第一进风口的直径Ф₁、第二进风口的直径Ф₂。

进一步，所述根据蜗壳的参数匹配叶轮的参数包括：初步建立蜗壳型线，即根据电机的目标风流量大致确定蜗壳的参数；仿真模拟，即仿真与蜗壳匹配的叶轮，大致确定叶轮的参数；气动性能测试，即仿真在不同叶片出口角β、叶片圆弧半径R₁条件下双进口多翼风机的气动性能；叶片出口角β优化，即调节叶片出口角β，联动改变蜗壳的参数和叶轮的参数获取叶片出口角β的最优值；叶轮优化匹配，即调整叶轮的参数与蜗壳出口的参数匹配。

进一步，所述叶轮的参数包括叶轮的总宽度B₁和叶片的型线参数；所述叶片的型线参数包括：叶片出口尺寸R₂、叶片圆弧半径R₁、叶片进口尺寸R₃、叶片圆弧角α、叶片出口角β。

本发明的有益效果是，本发明的双进口多翼风机采用高效率内转子电机驱动，可以提升其气动效率和风量风压，然后通过对叶片的型线参数进行限定，可以使多翼风机以保证在较小的能耗条件下达到更好的散热效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

图1是本双进口多翼风机的结构图；

图2是本双进口多翼风机的主视图；

图3是本双进口多翼风机的左视图；

图4是本双进口多翼风机的右视图；

图5是本双进口多翼风机的叶轮叶片的主视图；

图6是电机采用B3方式安装的结构图；

图7是叶轮结构示意图；

图8是本双进口多翼风机的仿真过程总体流线图；

图9是本双进口多翼风机的仿真过程轴剖(子午面)流线图；

图10是本双进口多翼风机的仿真过程中与风机垂直轴剖面流线图；

图中：

驱动装置1，电机11，电机安装支架12，集流器13，电机轴14，轴套141，端盖142，电机外壳15；

叶轮2，叶片21，叶片圆弧211，叶片出口212，叶片进口213，叶片圆弧角α，叶片出口角β；

蜗壳3，蜗舌31，壳体32，第一段圆弧蜗壳321，第二段圆弧蜗壳322，第三段圆弧蜗壳323，第四段圆弧蜗壳324，蜗壳出口33，第一进风口34，第二进风口35；

网罩4。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

见图1-图4，本发明的高效率内转子电机驱动的双进口多翼风机的机械结构和连接关系如下：驱动装置1包括用于带动叶轮2转动的电机11，用于支撑电机11的电机安装支架12，叶轮2通过轴套141安装在电机11的电机轴14上并通过端盖142密封；蜗壳3套设在叶轮2的外侧并通过电机安装支架12与内电机11连接在一起。蜗壳3的两侧分别设置有第一进风口34、第二进风口35；电机11从第二进风口35插入蜗壳3的壳体32内；集流器13安装在第二进风口35处且适于内转子电机11的转动轴穿过，用来传递转动轴的应变信号。所述第一进风口34处还设有网罩4。

可选的，本发明的采用的电机11为内转子电机，以保证风机在使用时电机11的稳定性，以及电机11可采用B3方式(如图6所示)安装，电机11的底脚有安装孔，通过安装孔与电机安装支架12相连，电机轴14与轴套141通过螺栓连接在叶轮2上，蜗壳的第二进风口35与电机外壳15的距离仍为L，由于电机外壳15正对蜗壳的第二进风口35，会影响第二进风口35的进风效果，控制第二进风口35与电机外壳15的距离L，可以保证双进口多翼风机的工作效率达到最高。

可选的，见图5和图7，叶轮2可以选择对称的双叶轮，其上设置有叶片安装架，所述叶片安装架上排列有多个叶片21；所述叶片21包括叶片圆弧211、叶片出口212、叶片进口213，通过控制叶片圆弧211、叶片出口212、叶片进口213的尺寸可以控制叶片21的型线参数。

可选的，见图3，所述蜗壳3包括：包裹在叶轮2外侧的壳体32、沿壳体向外伸出的蜗壳出口33；所述壳体包括圆心交汇且依次连接的第一圆弧蜗壳321、第二圆弧蜗壳322、第三蜗壳圆弧323、第四圆弧蜗壳32,所述蜗壳出口33位于第一圆弧蜗壳321与第四圆弧蜗壳324之间。所述蜗壳3还包括：位于第一圆弧蜗壳321与出口33之间的蜗舌31；所述蜗舌31呈凹弧状。

基于多翼风机的上述机械结构和连接关系，本发明根据多翼型风机的安装尺寸限制并通过CFD数值仿真分析，找到了叶轮2的参数与蜗壳3、电机的堵塞系数之间的关系，建立起具有较好气动性能的多翼风机叶型及蜗壳型线尺寸关系，以提高风量风压及气动效率。具体仿真过程包括以下步骤：步骤S1，初步建立蜗壳型线，即根据电机的目标风流量大致确定蜗壳3的参数；步骤S2，仿真模拟，即仿真与蜗壳3匹配的叶轮2，大致确定叶轮2的参数；步骤S3，气动性能测试，即仿真在不同叶片出口角β、叶片圆弧半径R1条件下双进口多翼风机的气动性能；步骤S4，叶片出口角β优化，即调节叶片出口角β，联动改变蜗壳3的参数和叶轮2的参数获取叶片出口角β的最优值；步骤S5，叶轮2优化匹配，即调整叶轮2的参数与蜗壳3出口的参数匹配。具体的，由于电机11适于部分插入所述第二进风口35中，因此通过电机11的目标风流量选择电机11的种类，然后通过电机11的外形尺寸基本确定第二进风口35的参数尺寸，进一步确定第一进风口34的参数尺寸，从而大致确定蜗壳3的参数。

其中，所述叶轮2的参数包括叶轮2总宽度B₁和叶片21的型线参数；所述叶片21的型线参数包括：叶片出口212尺寸R₂、叶片圆弧211半径R₁、叶片进口213尺寸R₃、叶片圆弧角α、叶片出口角β。所述蜗壳3的参数包括蜗舌31的半径R₄、蜗壳3的宽度B₂、蜗壳出口33的高度H、第一圆弧蜗壳321的圆弧半径R₅＝(1～1.1)R₂、第二圆弧蜗壳322的圆弧半径R₆、第三圆弧蜗壳323的圆弧半径R₇、第四圆弧蜗壳324的圆弧半径R₈、第一进风口34的直径Ф₁、第二进风口35的直径Ф₂。

现结合具体仿真的结果，以叶片出口212尺寸R₂为基准，描述叶轮2的参数与蜗壳3的参数之间的尺寸关系：

(1)叶轮2的参数尺寸如下：所述叶轮2的总宽度B₁＝(1.95～2.05)R₂，可选为B₁＝2R₂；所述叶片21的型线参数包括：叶片圆弧211半径R₁、叶片出口213尺寸R₂和叶片进口212尺寸R₃，且满足R₁＝(R₂-R₃)/[2*cosθ*sin(α/2)]；其中θ＝(90°-α/2-β)；β为叶片21出口角，其取值范围为25°～35°，可选为30°；α为叶片圆弧角，其取值范围为80～105°，可选为90°、100°；R₃＝(0.75～0.85)*R₂，可选为R₃＝0.8*R₂。

(2)蜗壳3的参数尺寸如下：第一圆弧蜗壳321的圆弧半径R₅＝(1～1.1)R₂，可选为R₅＝1.05R₂；第二圆弧蜗壳322的圆弧半径R₆＝(1.3～1.4)R₂，可选为R₆＝1.35R₂；第三圆弧蜗壳323的圆弧半径R₇＝(1.6～1.7)R₂，可选为R₇＝1.65R₂；第四圆弧蜗壳324的圆弧半径R₈＝(1.9～2)R₂，可选为R₈＝1.95R₂；所述蜗壳出口33的高度H＝(1.6～1.7)R₂，可选为H＝1.65R₂；所述蜗壳3的宽度B₂＝(1.15～1.3)R₂，可选为B₂＝1.25R₂；所述蜗舌31的半径R₄＝(0.15～0.22)R₂，可选为R₄＝0.20R₂；所述第一进风口34的直径Ф₁＝(1.6～1.7)R₂，可选为Ф₁＝1.65R₂；以及所述第二进风口35的直径Ф₂满足R₂＝(0.82～0.86)Ф₂，可选为R₂＝0.84Ф₂。

(3)其他参数尺寸如下：所述蜗壳3的第二进风口35与电机外壳15的的间距L＝(0.19～0.21)Ф₂，可选为L＝0.2Ф₂，通过此间隙可以确保风机的进风量，使风机的效率得到最大化。

见图8-10，为本次CFD仿真过程示意图，在仿真过程中，设置仿真边界条件为质量流量进口4.9kg/s,静压出口边界：1000Pa，风机转速为1450rpm，而后在此条件之上进行仿真，结果如下：

见图9，仿真过程中流线在叶轮流道中比较顺畅，气流进入蜗壳3后，两股气流相合，在轴截面上形成一对不可避免的漩涡；见图10，气流在叶轮2流道和蜗壳3流道中均很顺畅，无明显漩涡出现，表明此时本双进口多翼风机的工作效率为最佳状态，而蜗壳出口处延长段的小漩涡为仿真稳定性需要而设，无需纳入考虑范围。

经过经仿真分析及试验验证，在外形与原有风机保持一致或相差5％范围的条件下，本发明的双进口多翼风机在相同风力发电机冷却器的外风路中，相比行业现有风机，其总体效率提高15％以上，大幅增强了冷却效果，降低了风机能耗。

综上所述，本发明的双进口多翼风机采用高效率内转子电机驱动，可以提升其气动效率和风量风压，然后根据电机的目标风流量选择电机的种类，并根据电机的外形尺寸确定第二进风口的直径Ф2，从而来合理设计第一进风口34的直径Ф1，从而大致确定蜗壳3的参数，然后通过仿真匹配对应的叶轮2的参数，通过气动性能测试后，联动改变蜗壳3的参数和叶轮2的参数获取叶片出口角β的最优值，然后调整叶轮2的参数与蜗壳出口33的参数匹配，使叶轮2优化匹配，尤其是将风阻匹配到风机高效区域，进一步优化叶片的型线参数(如叶片圆弧211、叶片出口212、叶片进口213，叶片出口角β、叶片圆弧角α等)。对叶片的型线参数进行限定，可以使多翼风机以保证在较小的能耗条件下达到更好的散热效果。采用CFD仿真手段，找到了一种更优的多翼风机叶轮2与蜗壳3设计型式，优化了风机气动性能，提高风量风压，降低了能耗。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种双进口多翼风机，其特征在于，包括：叶轮和位于叶轮上的若干叶片；以及所述叶片的型线参数包括叶片圆弧半径R₁、叶片出口尺寸R₂和叶片进口尺寸R₃，且满足R₁＝(R₂-R₃)/[2*cosθ*sin(α/2)]；其中θ＝(90°-α/2-β)；β为叶片出口角，其取值范围为25°～35°；α为叶片圆弧角，其取值范围为80～105°；R₃＝(0.75～0.85)*R₂。

2.根据权利要求1所述的双进口多翼风机，其特征在于，所述叶轮的总宽度B₁＝(1.95～2.05)R₂。

3.根据权利要求1所述的双进口多翼风机，其特征在于，所述双进口多翼风机还包括蜗壳；所述蜗壳包括：包裹在叶轮外侧的壳体、沿壳体向外伸出的蜗壳出口；所述壳体包括圆心交汇且依次连接的第一圆弧蜗壳、第二圆弧蜗壳、第三蜗壳圆弧、第四圆弧蜗壳；其中第一圆弧蜗壳的圆弧半径R₅＝(1～1.1)R₂；第二圆弧蜗壳的圆弧半径R₆＝(1.3～1.4)R₂；第三圆弧蜗壳的圆弧半径R₇＝(1.6～1.7)R₂；第四圆弧蜗壳的圆弧半径R₈＝(1.9～2)R₂；所述蜗壳出口位于第一圆弧蜗壳与第四圆弧蜗壳之间，且所述蜗壳出口的高度H＝(1.6～1.7)R₂；以及所述蜗壳的宽度B₂＝(1.15～1.3)R₂。

4.根据权利要求3所述的双进口多翼风机，其特征在于，所述蜗壳还包括：位于第一圆弧蜗壳与出口之间的蜗舌；所述蜗舌呈凹弧状，所述蜗舌的半径R₄＝(0.15～0.22)R₂。

5.根据权利要求3所述的双进口多翼风机，其特征在于，所述壳体的两侧分别设有第一进风口、第二进风口；所述第一进风口的直径Ф₁＝(1.6～1.7)R₂；以及所述第二进风口的直径Ф₂满足R₂＝(0.82～0.86)Ф₂。

6.根据权利要求5所述的双进口多翼风机，其特征在于，所述叶轮通过电机带动；所述电机适于部分插入所述第二进风口中；所述双进口多翼风机还包括位于第二进风口处的集流器；所述第二进风口与电机安装支架之间的间距L＝(0.19～0.21)Ф₂。

7.一种双进口多翼风机的设计方法，其特征在于，包括：选取电机；根据电机的参数获取蜗壳的参数；根据蜗壳的参数匹配叶轮的参数。

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述蜗壳的参数包括蜗舌的半径R₄、蜗壳的宽度B₂、蜗壳出口的高度H、第一圆弧蜗壳的圆弧半径R₅＝(1～1.1)R₂、二圆弧蜗壳的圆弧半径R₆、第三圆弧蜗壳的圆弧半径R₇、第四圆弧蜗壳的圆弧半径R₈、第一进风口的直径Ф₁、第二进风口的直径Ф₂。

9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述根据蜗壳的参数匹配叶轮的参数包括：

初步建立蜗壳型线，即根据电机的目标风流量大致确定蜗壳的参数；

仿真模拟，即仿真与蜗壳匹配的叶轮，大致确定叶轮的参数；

气动性能测试，即仿真在不同叶片出口角β、叶片圆弧半径R₁条件下双进口多翼风机的气动性能；

叶片出口角β优化，即调节叶片出口角β，联动改变蜗壳的参数和叶轮的参数获取叶片出口角β的最优值；以及

叶轮优化匹配，即调整叶轮的参数与蜗壳出口的参数匹配。

10.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，

所述叶轮的参数包括叶轮的总宽度B₁和叶片的型线参数；所述叶片的型线参数包括：叶片出口尺寸R₂、叶片圆弧半径R₁、叶片进口尺寸R₃、叶片圆弧角α、叶片出口角β。

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