CN114198324A - 一种多元耦合离心风机集流器、离心风机及其制备方法 - Google Patents

一种多元耦合离心风机集流器、离心风机及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多元耦合离心风机集流器、离心风机及其制备方法，集流器本体包括集流器外壁面和集流器内壁面，集流器外壁面和集流器内壁面由翼型吸力面型线沿圆周阵列而成，利用本申请集流器结构，能够减小叶片与蜗壳间隙的气体回流以及反吹风现象，同时对进入风机的气流进行整流梳理，使气流的大涡变成小涡甚至消失，从而更好的引导气流进入叶轮做功，减小风机叶片进口的涡流噪声，使气流以合适的冲角进入叶片，集流器出口端设置有整流格栅，整流格栅沿圆周阵列于集流器出口端集流器出口端处，能减小集流器前缘产生的小涡流，增大翼型最大升力和失速攻角，同时减小集流器上表面的流动阻力，具有良好的气动性能。

Description

一种多元耦合离心风机集流器、离心风机及其制备方法
技术领域
本发明属于离心风机集流结构，具体涉及一种多元耦合离心风机集流器、离心风机及其制备方法。
背景技术
多翼离心风机具有结构紧凑、压力系数高、流量系数大等特点，因此多翼离心风机广泛应用于空调、吸油烟机等家电领域，随着节能减排的大力推行，空调、吸油烟机等对多翼离心风机的风量和噪声有着越来越高的要求。集流器作为多翼离心风机进口处的主要整流部件，其性能的好坏决定了风机风量、风压以及噪音的大小。多翼离心风机运行时，集流器作为多翼离心风机进口处的主要部件，气流在其引导下进入叶轮做功，当气流流经时，会在集流器附近及表面产生较大湍流脉动和旋涡，这些漩涡会经过集流器进入叶轮，从而阻塞叶道内气流流动，产生气动噪声。多翼离心风机集流器与叶轮之间的间隙存在气体回流以及反吹风现象，造成了风机的流量损失和功率损失。因此在降低风机进口处湍流脉动以及噪声的前提下，减小叶片与蜗壳间隙的气体回流以及反吹风现象，这是多翼离心风机集流器结构设计的主要任务。而目前现有的多翼离心风机集流器结构均为圆弧形导流结构。由于圆弧本身的特点限制，并不能有效的引导气流进入叶轮，减小风机进口处的湍流脉动和噪声，同时，传统的集流器末端圆弧形导流并不能减小叶轮与蜗壳间隙的气体回流和反吹风现象，造成一定的风量和功率损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多元耦合离心风机集流器、离心风机及其制备方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多元耦合离心风机集流器，包括集流器本体，集流器本体包括集流器外壁面和集流器内壁面，集流器外壁面和集流器内壁面由翼型吸力面型线沿圆周阵列而成，翼型吸力面型线的曲线方程为：
Zu＝Zc+Zt
Figure RE-GDA0003448573200000021
Figure RE-GDA0003448573200000022
式中：Zu为翼型吸力面型线的分布坐标，Zc为翼型弦向截面的中弧线分布坐标，Zt为翼型弦向截面的厚度分布坐标，c为翼型截面的弦长，x为翼型的弦向坐标，Sm和An为描述翼型的多项式系数，m＝1，2，3；n＝1，2，3，4；ξ为翼型的展向比，ξ的取值范围为0.3-0.4。
进一步的，集流器本体外沿为集流器前端，集流器本体的内圈为集流器出口端，集流器出口端圆周阵列有波峰波谷结构，波峰波谷结构的波峰到集流器前端的距离为翼型截面弦长c的1.02～1.04倍，波峰波谷结构的波谷到集流器前端的距离为翼型截面弦长c的0.96～0.98倍，波峰波谷结构的波长的长度为翼型截面弦长c的0.05～0.1倍。
进一步的，集流器出口端设置有整流格栅，整流格栅沿圆周阵列于集流器出口端集流器出口端处，整流格栅的一端与波峰波谷结构的波峰连接，另一端通过圆环支架支撑连接。
进一步的，整流格栅的宽度为波峰波谷结构波长的0.1-0.08倍。
进一步的，圆环支架的直径为叶轮内径的0.2～0.3倍。
一种多元耦合离心风机集流器的制备方法，包括以下步骤：
S1，对长耳鸮翅膀轮廓进行3D扫描，获得鸮翼翅膀点云，以翼型截面鸮翼翼型30％-40％展向截面，构建翼型吸力面型线的轮廓曲线方程；
S2，以翼型吸力面型线的尾缘点为集流器的前端点，翼型吸力面型线的前缘点为集流器的出口端点，构成多翼离心风机集流器的集流器外壁面轮廓，然后根据集流器的壁面厚度将集流器外壁面轮廓进行等距偏移，获得集流器内壁面的轮廓，从而得到集流器横截面形状，将所获得的集流器横截面进行圆周旋转，得到集流器本体。
进一步的，根据多翼离心风机的叶轮内径和叶轮外径确定所需翼型截面弦长的翼吸力面轮廓型线，翼型截面弦长c＝D4-D3，D4为集流器的前端直径，D3为集流器出口端直径，集流器的前端直径为叶轮外径的1.1～1.15倍，集流器的出口端直径为叶轮内径的0.97～0.98倍。
一多元耦合离心风机装置，包括蜗壳，蜗壳一侧设有进风口，集流器本体设置于蜗壳的进风口处，集流器本体的集流器前端与蜗壳出风口侧壁连接，蜗壳内设置有风机叶轮，集流器本体的集流器出口端与风机叶轮的叶片前缘间隔距离为叶轮内径的0.03～0.05倍。
进一步的，翼型截面弦长c＝D4-D3，D4为集流器的前端直径，D3为集流器出口端直径，集流器的前端直径为叶轮外径的1.1～1.15倍，集流器的出口端直径为叶轮内径的0.97～0.98倍。
进一步的，集流器前端的波峰波谷结构的个数N＝π*(D3/2)2/l。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种多元耦合离心风机集流器，集流器本体包括集流器外壁面和集流器内壁面，集流器外壁面和集流器内壁面由翼型吸力面型线沿圆周阵列而成，利用本申请集流器结构，能够减小叶片与蜗壳间隙的气体回流以及反吹风现象，同时对进入风机的气流进行整流梳理，使气流的大涡变成小涡甚至消失，从而更好的引导气流进入叶轮做功，减小风机叶片进口的涡流噪声，使气流以合适的冲角进入叶片。
进一步的，集流器出口端设置有整流格栅，整流格栅沿圆周阵列于集流器出口端集流器出口端处，能减小集流器前缘产生的小涡流，增大翼型最大升力和失速攻角，同时减小集流器上表面的流动阻力，具有良好的气动性能。
本发明多元耦合离心风机集流器制备方法，通过多元耦合仿鸮翼集流器极大的改善了风机蜗舌处和出口扩压段处的湍流脉动现象，极大地减小了风机内部较大的能量损失和流动紊乱，降低了风机内部由于湍流压力脉动所产生的噪声。
本发明多元耦合离心风机装置，过仿鸮翼集流器翼型形状和出口端连续波状凸起形状更好地引导气流进入风机叶轮和蜗壳，在叶轮进口前铺垫一段均匀的压力场和速度场，使速度的大小和方向分布与叶轮匹配，提高各叶高截面的进气效率，增加风机风量，同时通过出口段的连续波峰波谷结构和整流格栅通道对气流进行整流，减小进入风机气流的湍流脉动程度和涡流大小程度，使大涡变为小涡，降低风机噪声。同时改集流器能够阻挡蜗壳内气体回流和反吹风现象，降低风机风量损失。
附图说明
图1为本发明实施例中集流器横截面示意图。
图2为本发明实施例中鸮翼翼型结构示意图。
图3为本发明实施例中集流器出口端波峰波谷结构示意图。
图4为本发明实施例中多翼离心风机安装结构示意图。
图5为本发明实施例中多翼离心风机安装结构侧视图。
图6为本发明实施例中集流器与风机蜗壳的截面相对位置结构示意图。
图7为现有集流器结构示意图。
图8为本发明实施例中集流器放大结构示意图。
图9为本发明实施例中鸮翼翅膀扫描建立示意图。
图10为本发明实施例中鸮翼翅膀尾缘圆周分布格栅整流通道示意图。
图11为本发明实施例中采用现有集流器风机与本发明集流器风机内部速度场云图。
图12为本发明实施例中采用现有集流器风机与本发明集流器风机内部湍动能云图。
图13为本发明实施例中采用现有集流器风机与本发明集流器风机内部流线图。
图中，1、蜗壳；2、集流器本体；3、整流格栅；5、风机叶轮；6、叶轮内径；7、叶轮外径；8、波峰波谷结构；9、集流器外壁面；10、集流器内壁面；11、间隔距离；12、圆环支架；13、蜗壳侧壁；14、出口端直径；15、集流器的前端直径；16、圆环支架直径；17、翼型吸力面型线；18、翼型弦向截面的中弧线；19、翼型吸力下面型线；20、集流器前端圆周弧长S；21、翼型截面弦长；22、凸起形态结构；23、波长；24、波峰；25、波谷；26、格栅导流通道；27、集流器前端；28、集流器出口端；29、现有集流器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种多元耦合离心风机集流器，包括集流器本体2，集流器本体包括集流器外壁面9和集流器内壁面10，集流器外壁面9和集流器内壁面10由翼型吸力面型线沿圆周阵列而成，翼型吸力面型线的曲线方程为：
Zu＝Zc+Zt
Figure RE-GDA0003448573200000051
Figure RE-GDA0003448573200000052
式中：Zu为翼型吸力面型线17的分布坐标，Zc为翼型弦向截面的中弧线 18分布坐标，Zt为翼型弦向截面的厚度分布坐标，c为翼型截面的弦长，x为翼型的弦向坐标，Sm和An为描述翼型的多项式系数，m＝1，2，3；n＝1，2，3， 4；其中，S1＝3.9362，S2＝-0.770，S3＝0.8485,A1＝-29.486,A2＝66.4565,A3＝- 59.806,A4＝19.0439,ξ为翼型的展向比，选取的翼型范围为30％-40％展向截面，ξ的取值范围为0.3-0.4，c为翼型截面弦长。
集流器本体外沿用于与离心风机蜗壳侧壁13连接，集流器本体外沿为集流器前端27，集流器本体的内圈为集流器出口端28，集流器出口端28圆周阵列有波峰波谷结构8，波峰波谷结构8的波峰24到集流器前端27的距离为翼型截面弦长c的1.02～1.04倍，波峰波谷结构8的波谷25到集流器前端27的距离为翼型截面弦长c的0.96～0.98倍，波峰波谷结构8的波长23的长度为翼型截面弦长c的0.05～0.1倍；集流器出口端28设置的连续波状凸起结构8的个数N＝D3/l。在集流器出口端28表面沿周向建立连续的波谷V和波峰W结构，获得具有前缘波状变化特征的离心风机集流器。
集流器出口端28设置有整流格栅3，整流格栅3沿圆周阵列于集流器出口端28集流器出口端28处，整流格栅3的一端与波峰波谷结构8的波峰连接，另一端通过圆环支架12支撑连接，整流格栅3的宽度为0.1-0.08倍的波长23，整流格栅3用于对气流进行折向整流，减小风机进口的涡流噪声，采用本申请集流器减小叶片与蜗壳间隙的气体回流以及反吹风现象，同时对进入风机的气流进行整流梳理，使气流的大涡变成小涡甚至消失，从而更好的引导气流进入叶轮做功，减小风机叶片进口的涡流噪声，使气流以合适的冲角进入叶片。
根据离心风机的叶轮内径D1和叶轮外径D2，先确定集流器的前端直径D4和集流器出口端直径D3，集流器的前端直径15为1.1～1.15倍的叶轮外径7，集流器的出口端直径14为0.97～0.98倍的叶轮内径6，确定翼型截面弦长c值，根据翼型截面弦长c确定尺寸确定的仿鸮翼翼型吸力面型线，图1中翼型截面弦长21，c＝D4-D3。
波峰波谷结构8仿鸮翼的波状前缘连续凸起形态结构22。本申请形成集流器本体的翼型吸力面型线为仿鸮翼30％～40％翼型截面的吸力面轮廓外形17。
用于上述多元耦合离心风机集流器的制备方法，包括以下步骤：
S1，通过对长耳鸮翅膀轮廓进行3D扫描，获得鸮翼翅膀点云，从图9和图10可以看出，其翅膀前缘呈连续波状凸起结构22，翅膀尾缘呈梳状格栅导流通道26形状结构，据此建立图9中的三维耦合鸮翼模型，提取气动性能优良和低噪声特性的长耳鸮翅膀展向截面处翼型结构，优选30％-40％展向截面，如图2所示，将其应用于集流器横截面型线(如图1)设计中；
本申请通过提取40％翼型截面鸮翼翼型，如图1所示，基于翼型曲线，构建翼型吸力面型线17的轮廓曲线方程，并对翼型吸力面型线17的轮廓曲线方程进行离散化，从而获得翼型吸力面型线17的特征点(x，y)，然后根据翼型吸力面型线17的特征点(x，y)进行拟合绘制翼型吸力面型线，然后根据多翼离心风机的叶轮内径D16和叶轮外径D27确定所需翼型截面弦长21的翼吸力面轮廓型线，如图1中翼型截面弦长21，c＝D4-D3。
S2，根据获取的翼型吸力面型线17，以翼型吸力面型线17的尾缘点为集流器的前端点，翼型吸力面型线17的前缘点为集流器的出口端点，构成多翼离心风机集流器的集流器外壁面9轮廓，然后根据集流器的壁面厚度将集流器外壁面9轮廓进行等距偏移，获得集流器内壁面10的轮廓，从而得到如图1所示的集流器横截面形状，将所获得的集流器横截面进行圆周旋转，得到集流器本体2。
长耳鸮飞行时的良好气动性能除了与其翼型特征有关外，与其翅膀前缘连续波状凸起结构22有关，长耳鸮的翅膀前缘呈圆滑过渡的近似正弦线状连续凸起形态，该形态能减小翅膀前缘产生的小涡流，增大翼型最大升力和失速攻角，同时减小翼型上表面的流动阻力，具有良好的气动性能，因此将前缘连续波状凸起结构22在集流器上进行耦合仿生应用。这种连续性波状结构可以用波峰 24、波谷25与波长3个特征量来限定，如图3所示，其中波谷25和波峰24的中间线到集流器前端27的距离即为鸮翼的翼型截面弦长c(图3中附图标记21)，翼型截面弦长c长度等于集流器前端直径D4与集流器出口端直径D3之差，即 c＝D4-D3。波峰24到集流器前端27的距离为翼型截面弦长c的1.02～1.04倍；波谷25到集流器前端27的距离为翼型截面弦长c的0.96～0.98倍，波长23的长度为翼型截面弦长c的0.05～0.1倍，集流器前端27的波峰波谷结构8的个数N＝π*(D3/2)2/l。
鸮在静音飞行时其翅膀尾缘的羽毛相互分离乍开，如图10所示，形成沿圆周分布的梳状格栅导流通道26，该阵列羽毛形成的圆周分布的格栅导流通道能够能细化来流的气泡和减小来流的压力脉动峰值，并且能够减小格栅通道后缘处产生的涡流，干扰导流格栅涡脱落的频率，从而能够降低涡流噪声。基于此，在集流器出口端28沿圆周分布的连续波峰24上设置呈圆周分布的整流格栅3，整流格栅3的宽度为0.1-0.08倍的波长23，一个波峰对应一个整流格栅，如图 8中局部视图，所有沿圆周分布的整流格栅的末端通过圆环支架12进行连接固定，整流格栅3末端圆环支架12的直径(圆环支架直径16)D5为0.2～0.3倍的叶轮内径6，最终形成的多元耦合仿鸮翼集流器如图8所示。该集流器的作用主要是通过仿鸮翼集流器翼型形状和出口端连续波状凸起形状更好地引导气流进入风机叶轮和蜗壳，在叶轮进口前铺垫一段均匀的压力场和速度场，使速度的大小和方向分布与叶轮匹配，提高各叶高截面的进气效率，增加风机风量，同时通过出口段的连续波峰波谷结构8和整流格栅3通道对气流进行整流，减小进入风机气流的湍流脉动程度和涡流大小程度，使大涡变为小涡，降低风机噪声。同时改集流器能够阻挡蜗壳内气体回流和反吹风现象，降低风机风量损失。
本申请以40％展向位置的鸮翼横截面轮廓的前缘点为原点构建X-Zc坐标系，其中，x的方向为鸮翼翼型轮廓由前缘指向尾缘的方向，Zc轴为翼型轮廓的厚度方向，翼型吸力面型线的曲线方程为：
Zu＝Zc+Zt
Figure RE-GDA0003448573200000081
Figure RE-GDA0003448573200000082
式中：Zu为翼型吸力面型线17的分布坐标，Zc为翼型弦向截面的中弧线 18分布坐标，Zt为翼型弦向截面的厚度分布坐标，c为翼型截面的弦长，x为翼型的弦向坐标，Sm(m＝1，2，3)和An(n＝1，2，3，4)为描述翼型的多项式系数，其中，S1＝3.9362，S2＝-0.770，S3＝0.8485,A1＝-29.486,A2＝66.4565,A3＝- 59.806,A4＝19.0439,ξ为翼型的展向比，选取的翼型范围为30％-40％展向截面，ξ的取值范围为0.3-0.4。
如图4至图6所示，一种多元耦合离心风机装置，包括蜗壳1，蜗壳1一侧设有进风口，集流器本体2设置于蜗壳1的进风口处，集流器本体2的集流器前端27与蜗壳1出风口侧壁连接，蜗壳1内设置有风机叶轮5，集流器本体 2的集流器出口端28与风机叶轮5的叶片前缘间隔距离(T)11为叶轮内径6 的0.03～0.05倍。
利用计算流体力学商业软件FLUENT，数值求解三维雷诺平均Navier- Stokes方程组，对现有集流器结构和本发明集流器的风机进行数值计算。风机内部流动马赫数较小，可将其视为不可压缩流动，湍流模型为standard的k-e模型。对比分析采用现有集流器29的多翼离心风机与采用本发明多元耦合仿鸮翼集流器的多翼离心风机的内部流动状态和风量。
计算出口静压为0时的最大风量，采用多元耦合仿鸮翼集流器2的多翼离心风机风量为18.7m3/min，对应的效率为41.2％，采用现有集流器29的多翼离心风机风量为17.9m3/min，对应的效率为38.6％，相比之下，多元耦合仿鸮翼集流器风机风量提升了相对提升4.5％，效率相对提升了6.7％，因此采用多元耦合仿鸮翼集流器风机的气动性能得到大幅改善。这是由于多元耦合仿鸮翼集流器能够对气流更好的导流，使气流更顺畅的进入风机，减小气流的沿程阻力损失。
基于上述数值计算模型，对采用现有集流器29的多翼离心风机与采用多元耦合仿鸮翼集流器的多翼离心风机的内部流场的速度云图、湍动能云图以及流线图进行分析，分别如图11、图12、图13所示。从图11的风机内部速度场云图可以看出，多元耦合仿鸮翼集流器极大的改善了风机蜗舌处和出口处的低速流动区域，风机内部的低速流动区域基本消失，同时蜗壳和叶轮流道内的速度场分布更加均匀，减小了由于气流速度分布不均匀所造成的风机内部漩涡产生的可能性，这使的风机的内部流动更加稳定，作功能力更强，从而增加了风机的风量和效率。从图12的风机内部湍动能云图可以看出，多元耦合仿鸮翼集流器极大的改善了风机蜗舌处和出口扩压段处的湍流脉动现象，极大地减小了风机内部较大的能量损失和流动紊乱，降低了风机内部由于湍流压力脉动所产生的噪声。从图13的风机蜗壳开度1-3截面的内部流线图可以看出，多元耦合仿鸮翼集流器极大的改善了蜗壳内部以及叶轮与蜗壳间隙内漩涡的大小，同时抑制了了叶轮与蜗壳间隙内的气流回流现象，从而减小了风机风量损失并抑制了涡流噪声的产生。

Claims (10)

1.一种多元耦合离心风机集流器，其特征在于，包括集流器本体(2)，集流器本体包括集流器外壁面(9)和集流器内壁面(10)，集流器外壁面(9)和集流器内壁面(10)由翼型吸力面型线沿圆周阵列而成，翼型吸力面型线的曲线方程为：
Zu＝Zc+Zt
Figure FDA0003405241090000011
Figure FDA0003405241090000012
式中：Zu为翼型吸力面型线(17)的分布坐标，Zc为翼型弦向截面的中弧线(18)分布坐标，Zt为翼型弦向截面的厚度分布坐标，c为翼型截面的弦长，x为翼型的弦向坐标，Sm和An为描述翼型的多项式系数，m＝1，2，3；n＝1，2，3，4；ξ为翼型的展向比，ξ的取值范围为0.3-0.4。
2.根据权利要求1所述一种多元耦合离心风机集流器，其特征在于，集流器本体外沿为集流器前端(27)，集流器本体的内圈为集流器出口端(28)，集流器出口端(28)圆周阵列有波峰波谷结构(8)，波峰波谷结构(8)的波峰(24)到集流器前端(27)的距离为翼型截面弦长c的1.02～1.04倍，波峰波谷结构(8)的波谷(25)到集流器前端(27)的距离为翼型截面弦长c的0.96～0.98倍，波峰波谷结构(8)的波长(23)的长度为翼型截面弦长c的0.05～0.1倍。
3.根据权利要求1所述一种多元耦合离心风机集流器，其特征在于，集流器出口端(28)设置有整流格栅(3)，整流格栅(3)沿圆周阵列于集流器出口端(28)集流器出口端(28)处，整流格栅(3)的一端与波峰波谷结构(8)的波峰连接，另一端通过圆环支架(12)支撑连接。
4.根据权利要求3所述一种多元耦合离心风机集流器，其特征在于，整流格栅(3)的宽度为波峰波谷结构波长的0.1-0.08倍。
5.根据权利要求3所述一种多元耦合离心风机集流器，其特征在于，圆环支架(12)的直径为叶轮内径的0.2～0.3倍。
6.一种用于权利要求1所述多元耦合离心风机集流器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，对长耳鸮翅膀轮廓进行3D扫描，获得鸮翼翅膀点云，以翼型截面鸮翼翼型30％-40％展向截面，构建翼型吸力面型线的轮廓曲线方程；
S2，以翼型吸力面型线的尾缘点为集流器的前端点，翼型吸力面型线的前缘点为集流器的出口端点，构成翼离心风机集流器的集流器外壁面轮廓，然后根据集流器的壁面厚度将集流器外壁面轮廓进行等距偏移，获得集流器内壁面的轮廓，从而得到集流器横截面形状，将所获得的集流器横截面进行圆周旋转，得到集流器本体。
7.根据权利要求6所述多元耦合离心风机集流器的制备方法，其特征在于，根据多翼离心风机的叶轮内径和叶轮外径确定所需翼型截面弦长的翼吸力面轮廓型线，翼型截面弦长c＝D4-D3，D4为集流器的前端直径，D3为集流器出口端直径，集流器的前端直径为叶轮外径的1.1～1.15倍，集流器的出口端直径为叶轮内径的0.97～0.98倍。
8.一种基于权利要求1所述多元耦合离心风机集流器的一多元耦合离心风机装置，其特征在于，包括蜗壳(1)，蜗壳(1)一侧设有进风口，集流器本体(2)设置于蜗壳(1)的进风口处，集流器本体(2)的集流器前端(27)与蜗壳(1)出风口侧壁连接，蜗壳(1)内设置有风机叶轮(5)，集流器本体(2)的集流器出口端(28)与风机叶轮(5)的叶片前缘间隔距离为叶轮内径的0.03～0.05倍。
9.根据权利要求8所述的一多元耦合离心风机装置，其特征在于，翼型截面弦长c＝D4-D3，D4为集流器的前端直径，D3为集流器出口端直径，集流器的前端直径为叶轮外径的1.1～1.15倍，集流器的出口端直径为叶轮内径的0.97～0.98倍。
10.根据权利要求8所述的一多元耦合离心风机装置，其特征在于，集流器前端(27)的波峰波谷结构的个数N＝π*(D3/2)2/l。
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