CN114352575A - 一种多翼离心风机蜗壳结构及其型线改型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于离心风机技术领域，公开了一种多翼离心风机蜗壳结构及其型线改型方法，其中多翼离心风机蜗壳的型线是由初始型线经过局部修改得到的，其中，初始型线具有控制点C、D、E、F、G、H，这6个控制点之间由非均匀有理B样条曲线依次相连；极坐标系下，这6个控制点的极角坐标θ、扩张角α在α‑θ坐标系中的映射点沿一条二阶贝塞尔曲线分布；蜗壳型线是由一段新的非均匀有理B样条曲线对初始型线进行局部替换得到的。本发明通过控制型线扩张角沿周向的分布规律来产生初始型线，并在此基础上，继续通过将某局部位置处的蜗壳截面积收缩，以达到较好的气动性能。

Description

一种多翼离心风机蜗壳结构及其型线改型方法

技术领域

本发明属于离心风机技术领域，更具体地，涉及一种多翼离心风机蜗壳结构及其型线改型方法。

背景技术

随着生活条件的不断改善，燃气热水器作为一种常见的家用电器，人们对其性能也提出了更高的要求。然而，作为燃气热水器核心部件之一的风机，常常存在高能耗、高噪声、低效率以及稳定工作范围小的不足，其中落后的设计方法是产生这一现象的原因之一。以蜗壳设计为例，传统设计理论将问题简化为动量矩守恒、无流动损失的流动，从而得到的是等角螺线，显然同实际流动情况相悖，因此有必要探索新的蜗壳型线设计方法，以改善风机整体的性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种多翼离心风机蜗壳结构及其型线改型方法，其中通过控制型线扩张角沿周向的分布规律来产生初始型线，并在此基础上，继续通过将某局部位置处的蜗壳截面积收缩，以达到缩小蜗壳尺寸，提升全压的目的。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多翼离心风机蜗壳，其特征在于，其蜗壳型线是由初始型线局部修改得到的，其中，

所述初始型线由控制点A、B、C、D、E、F、G、H、I依次相连构成，其中，AB段、HI段均为直线段，BC段为圆弧蜗舌段，C、D、E、F、G、H这6个控制点之间依次由非均匀有理B样条曲线按逆时针方向相连；

以叶轮中心O为原点，以蜗壳出风口中心的设计风向为X轴方向，建立XOY直角坐标系；以原点O为起点做一条平行于Y轴且指向蜗壳出风口所在一侧的射线，以该射线为极轴，以逆时针为旋转正方向，建立极坐标系；同时记C、D、E、F、G、H这6个控制点在该极坐标系中的极角坐标θ依次增大，则，

点C所对应极角θ_C为53°～67°；

点D所对应极角θ_D∈[124°,132°]；

点E所对应极角θ_E∈[186°,194°]；

点F所对应极角θ_F∈[249°,255°]；

点G所对应极角θ_G∈[310°,316°]；

点H所对应极角θ_H满足θ_H-θ_C<360°；

定义无量纲参数r＝R/R₂，其中，R为极坐标系中的极径坐标，R₂为叶轮外径，则C、D、E、F、G、H这6个控制点的极坐标均满足螺旋线方程

其中α表示各个控制点所对应的扩张角，r_C＝R_C/R₂，R_C、θ_C分别为点C在极坐标系中的极径坐标和极角坐标；

同时，以极角坐标θ为横坐标，以扩张角α为纵坐标，则C、D、E、F、G、H这6个控制点在对应α-θ坐标系中的映射点沿一条二阶贝塞尔曲线分布，记该二阶贝塞尔曲线的控制点依次为M、K、N，其中，M、N为该二阶贝塞尔曲线的两个端点，它们分别为控制点C和控制点H在α-θ坐标系中的映射点；此外，控制点K在α-θ坐标系中的横坐标等于控制点F的极角坐标，即θ_K＝θ_F；并且，C、D、E、F、G、H这6个控制点的极角坐标θ、扩张角α均满足：

θ(m)＝(1-m)²θ_M+2m(1-m)θ_K+m²θ_N

α(m)＝(1-m)²α_M+2m(1-m)α_K+m²α_N

式中，m为二阶贝塞尔曲线参数，且满足m∈[0,1]；

所述蜗壳型线是由一段依次经过第一控制点(1)、第二控制点(2)、第三控制点(3)的非均匀有理B样条曲线对初始型线进行局部替换得到的，其中，所述第二控制点(2)位于极径OE上，第一控制点(1)和第三控制点(3)位于所述初始型线上且分别位于极径OE的两侧，第一控制点(1)、第二控制点(2)、第三控制点(3)的极角坐标依次增大，并且，

记该第二控制点(2)的极径坐标为R_O2，则R_O2/R_E∈[0.91,0.96]；

记θ₁为所述第二控制点(2)的极角坐标与所述第一控制点(1)的极角坐标的差，则，θ₁∈[28°,33°]；

记θ₂为所述第三控制点(3)的极角坐标与所述第二控制点(2)的极角坐标的差，则，θ₂∈[28°,33°]。

作为本发明的进一步优选，所述控制点K在α-θ坐标系中的纵坐标α_K满足：

作为本发明的进一步优选，点H所对应极角θ_H为375°～380°。

作为本发明的进一步优选，r_C＝r_C/R₂＝(t+R₂)/R₂≥1.05，其中，t为叶轮外周同蜗舌之间的间隙。

作为本发明的进一步优选，所述HI段平行于X轴。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种多翼离心风机，其特征在于，包括上述多翼离心风机蜗壳。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明设计的风机蜗壳具有变扩张角型线，通过控制扩张角沿周向的分布规律，使其呈现出沿着逆时针方向扩张角逐渐减小的趋势，从而更加贴合了蜗壳内部的实际流动，减弱了壁面的流动分离。

相应的，本发明对多翼离心风机蜗壳的型线改型方法，在确保蜗壳通流截面积连续变化的基础上，通过用一段非均匀有理B样条曲线对初始型线进行替换来缩小对应局部位置附近的蜗壳通流截面，从内部流动的角度而言，缩小局部位置附近的蜗壳通流截面可以改变风机内部的跨叶轮流动，提升其在各工况下的压力，增强其抗风性能。并且，考虑到近年来对家电结构紧凑性的要求越来越高，本发明可以有效减小蜗壳型线在E点附近的极径长度(相当于减小了蜗壳在Y轴方向上的宽度，Y轴方向在极坐标系中的极角对应为180°)，使蜗壳更适合于在Y轴方向有尺寸限制的场合；相比于直接将蜗壳按一定比例缩小的方案，本发明可以获得更高的效率。

附图说明

图1是型线控制点的分布示意图。

图2是扩张角α与极角θ变化关系图。

图3是型线修改方案示意图。

图4是基于本发明设计的蜗壳型线得到的多翼离心风机蜗壳结构立体示意图。

图5实施例1中的蜗壳同原型蜗壳的全压-流量曲线对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中的多翼离心风机蜗壳结构及其型线改型方法，总的来说，包括蜗壳型线的控制点分布规则，蜗壳型线扩张角沿周向的变化规律，型线的局部修改位置和修改方案。其中，蜗壳型线的控制点分布规则，是采用6个控制点来确定其型线，各控制点之间采用非均匀有理B样条曲线进行连接。

本发明采用极坐标表示控制点的位置，以叶轮中心O为原点，过点O且平行于蜗壳出口边的射线为极轴，并以点O指向蜗壳出口边所在的一侧为射线的方向，规定逆时针为旋转正方向，建立极坐标系，用该极坐标系表示各控制点的位置，其中，极径R表示型线上任一点到叶轮中心的距离，极角θ表示该点与原点的连线同极轴之间的夹角。

本发明中的多翼离心风机蜗壳结构，其原始型线主要是由C、D、E、F、G、H这6个控制点来控制，位于原始型线一端的控制点C决定着蜗舌的位置，且点C所对应极角θ_C处在53°～67°之间。

控制点H则控制着出口的纵向位置，为使蜗壳出口的位置满足在管网中的安装要求，点H对应极角θ_H应处在375°～380°之间，同时蜗壳出口段(HI)应保持水平。

控制点D～G所对应极角应依次满足：θ_D∈[124°,132°],θ_E∈[186°,194°],θ_F∈[249°,255°],θ_G∈[310°,316°]

定义无量纲参数r＝R/R₂，则所述控制点的极坐标均满足螺旋线方程

其中α为扩张角。此外，为防止叶轮同蜗壳壁面间发生干涉，可要求r_C＝r_C/R₂＝(t+R₂)/R₂≥1.05，t为叶轮外周同蜗舌之间的间隙。R₂为叶轮外径。

以每一个控制点的极角θ为横坐标，以扩张角α为纵坐标，则其在对应α-θ坐标系中的映射点将落在一条二阶贝塞尔曲线上，控制点依次为M、K、N(与常规相似，二阶贝塞尔曲线的三个控制点能够唯一确定二阶贝塞尔曲线；如图2所示，点M、K、N可以顺次连接形成一段折线，那么二阶贝塞尔曲线可以根据这段折线唯一确定)。而C、D、E、F、G、H各型线控制点则必然满足：

θ(m)＝(1-m)²θ_M+2m(1-m)θ_K+m²θ_N

α(m)＝(1-m)²α_M+2m(1-m)α_K+m²α_N

其中，点M、N分别为型线控制点C和点H在α-θ坐标系中的映射点。m为二阶贝塞尔曲线参数，与常规相似，贝塞尔曲线上任一点的两个坐标分量分别由以该参数为变量的函数来表示；贝塞尔曲线参数m的取值范围是[0,1]，m的每一个取值都同曲线上的点一一对应，当m由0增加至1时，对应的点相应由曲线的一端运动至另一端。

本发明设计思路是先由C、D、E、F、G、H这6个控制点所处位置(即极角)计算对应扩张角α与极径R，再用非均匀有理B样条曲线将控制点相连，从而得到原始蜗壳型线。

控制点K的横坐标等于型线控制点F的极角，即θ_K＝θ_F。同时，对于扩张角变化规律，扩张角尤其可沿着周向呈现出先快后慢的降低趋势，因而点K可位于点M和点N连线的下方，但同时又高于点N，即

蜗壳型线修改方案是将在一定极角范围内，蜗壳通流截面积相较于原蜗壳明显收缩，具体特征为：将点1和点3之间的原型线替换为一段新的非均匀有理B样条曲线，其中，点1、3处在原始型线上并位于E点两侧，θ₁和θ₂控制其位置；点2则位于极径OE上，R_O2被用于确定其位置。且θ₁∈[28°,33°],θ₂∈[28°,33°]，R_O2/R_E∈[0.91,0.96]。

以下为具体实施例：

实施例1

本实施例为一款燃气热水器用风机，叶轮外径R₂为113mm。

如图1所示，以叶轮中心O为原点，过点O且平行于蜗壳出口边的射线为极轴，并以点O指向蜗壳出口边所在的一侧为射线的方向，规定逆时针为旋转正方向，建立极坐标系；用该极坐标系表示各控制点的位置，其中，极径R表示型线上任一点到叶轮中心的距离，极角θ表示该点与原点的连线同极轴之间的夹角。

控制点C、H对应的极角分别取60°与380°，其余控制点D、E、F、G极角的取值分别为124°、188°、252°及316°。

假设控制点C处的扩张角取值为8°，控制点H处的扩张角为3°，以及α_K＝4°，可以计算得到控制点D～G处的扩张角依次为6.7157°、5.5425°、4.5051°和3.6393°。取蜗舌间隙t＝3mm，继续计算可得到C～H点的极径为59.5000mm、67.8640mm、73.9035mm、77.4791mm、79.0563mm和79.7324mm。

使用非均匀有理B样条曲线将各控制点相连，得到蜗壳的初始型线，并使其各点扩张角满足要求。

继续对原始蜗壳型线的局部进行修改，取θ₁＝30°,θ₂＝30°,R_O2＝68mm确定点1、2、3的位置，顺次经过三点得到非均匀有理B样条曲线13，并用于替换点1和3之间的原始型线。

使用该实施例下的蜗壳进行气动实验，并同原型蜗壳的实验数据进行对比，结果如图5所示，从中可以看出该实施例设计得到的蜗壳，在各工况点的全压均较原型蜗壳有显著提升，达到了较好的气动性能。

原型蜗壳仅与本实施例下的蜗壳在蜗壳型线上存在差异，经测量可得，原型蜗壳型线所对应的极角范围为60°～360°，并且可将其近似视作一段等扩张角的螺旋线，扩张角取值为3.5°，因此其方程近似为：

R＝59.421e^0.061163θ

Θ为极角，此处单位为rad；R为极径，单位为mm(极坐标系与本发明相一致)。

实施例2

本实施例仍为一款燃气热水器用风机，叶轮外径R2为113mm。

如图1所示，以叶轮中心O为原点，过点O且平行于蜗壳出口边的射线为极轴，并以点O指向蜗壳出口边所在的一侧为射线的方向，规定逆时针为旋转正方向，建立极坐标系；用该极坐标系表示各控制点的位置，其中，极径R表示型线上任一点到叶轮中心的距离，极角θ表示该点与原点的连线同极轴之间的夹角。

控制点C、H对应的极角分别取67°与380°，其余控制点D、E、F、G极角的取值分别为132°、194°、255°及316°。

假设控制点C处的扩张角取值为8°，控制点H处的扩张角为3°，以及α_K＝4°，可以计算得到控制点D～G处的扩张角依次为。取蜗舌间隙t＝3mm，继续计算可得到C～H点的极径为59.5000mm、67.9408mm、73.6914mm、77.0472mm、78.5522mm和79.2236mm。

使用非均匀有理B样条曲线将各控制点相连，得到蜗壳的初始型线，并使其各点扩张角满足要求。

继续对原始蜗壳型线的局部进行修改，取θ₁＝33°,θ₂＝33°,

即R_O2＝70.7437mm，确定点1、2、3的位置，顺次经过三点得到非均匀有理B样条曲线13，并用于替换点1和3之间的原始型线。

实施例3

本实施例仍为一款燃气热水器用风机，叶轮外径R2为113mm。

如图1所示，以叶轮中心O为原点，过点O且平行于蜗壳出口边的射线为极轴，并以点O指向蜗壳出口边所在的一侧为射线的方向，规定逆时针为旋转正方向，建立极坐标系；用该极坐标系表示各控制点的位置，其中，极径R表示型线上任一点到叶轮中心的距离，极角θ表示该点与原点的连线同极轴之间的夹角。

控制点C、H对应的极角分别取53°与375°，其余控制点D、E、F、G极角的取值分别为124°、186°、249°及310°。

假设控制点C处的扩张角取值为8°，控制点H处的扩张角为3°，以及α_K＝4°，可以计算得到控制点D～G处的扩张角依次为。取蜗舌间隙t＝3mm，继续计算可得到C～H点的极径为59.5000mm、68.6822mm、74.3799mm、77.8080mm、79.2647mm和79.8784mm。

使用非均匀有理B样条曲线将各控制点相连，得到蜗壳的初始型线，并使其各点扩张角满足要求。

继续对原始蜗壳型线的局部进行修改，取θ₁＝28°,θ₂＝28°,

即R_O2＝67.6857mm，确定点1、2、3的位置，顺次经过三点得到非均匀有理B样条曲线13，并用于替换点1和3之间的原始型线。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多翼离心风机蜗壳，其特征在于，其蜗壳型线是由初始型线局部修改得到的，其中，

所述初始型线由控制点A、B、C、D、E、F、G、H、I依次相连构成，其中，AB段、HI段均为直线段，BC段为圆弧蜗舌段，C、D、E、F、G、H这6个控制点之间依次由非均匀有理B样条曲线按逆时针方向相连；

以叶轮中心O为原点，以蜗壳出风口中心的设计风向为X轴方向，建立XOY直角坐标系；以原点O为起点做一条平行于Y轴且指向蜗壳出风口所在一侧的射线，以该射线为极轴，以逆时针为旋转正方向，建立极坐标系；同时记C、D、E、F、G、H这6个控制点在该极坐标系中的极角坐标θ依次增大，则，

点C所对应极角θ_C为53°～67°；

点D所对应极角θ_D∈[124°,132°]；

点E所对应极角θ_E∈[186°,194°]；

点F所对应极角θ_F∈[249°,255°]；

点G所对应极角θ_G∈[310°,316°]；

点H所对应极角θ_H满足θ_H-θ_C<360°；

定义无量纲参数r＝R/R₂，其中，R为极坐标系中的极径坐标，R₂为叶轮外径，则C、D、E、F、G、H这6个控制点的极坐标均满足螺旋线方程

其中α表示各个控制点所对应的扩张角，r_C＝R_C/R₂，R_C、θ_C分别为点C在极坐标系中的极径坐标和极角坐标；

同时，以极角坐标θ为横坐标，以扩张角α为纵坐标，则C、D、E、F、G、H这6个控制点在对应α-θ坐标系中的映射点沿一条二阶贝塞尔曲线分布，记该二阶贝塞尔曲线的控制点依次为M、K、N，其中，M、N为该二阶贝塞尔曲线的两个端点，它们分别为控制点C和控制点H在α-θ坐标系中的映射点；此外，控制点K在α-θ坐标系中的横坐标等于控制点F的极角坐标，即θ_K＝θ_F；并且，C、D、E、F、G、H这6个控制点的极角坐标θ、扩张角α均满足：

θ(m)＝(1-m)²θ_M+2m(1-m)θ_K+m²θ_N

α(m)＝(1-m)²α_M+2m(1-m)α_K+m²α_N

式中，m为二阶贝塞尔曲线参数，且满足m∈[0,1]；

所述蜗壳型线是由一段依次经过第一控制点(1)、第二控制点(2)、第三控制点(3)的非均匀有理B样条曲线对初始型线进行局部替换得到的，其中，所述第二控制点(2)位于极径OE上，第一控制点(1)和第三控制点(3)位于所述初始型线上且分别位于极径OE的两侧，第一控制点(1)、第二控制点(2)、第三控制点(3)的极角坐标依次增大，并且，

记该第二控制点(2)的极径坐标为R_O2，则R_O2/R_E∈[0.91,0.96]；

记θ₁为所述第二控制点(2)的极角坐标与所述第一控制点(1)的极角坐标的差，则，θ₁∈[28°,33°]；

记θ₂为所述第三控制点(3)的极角坐标与所述第二控制点(2)的极角坐标的差，则，θ₂∈[28°,33°]。

2.如权利要求1所述多翼离心风机蜗壳，其特征在于，所述控制点K在α-θ坐标系中的纵坐标α_K满足：

3.如权利要求1所述多翼离心风机蜗壳，其特征在于，点H所对应极角θ_H为375°～380°。

4.如权利要求1所述多翼离心风机蜗壳，其特征在于，r_C＝r_C/R₂＝(t+R₂)/R₂≥1.05，其中，t为叶轮外周同蜗舌之间的间隙。

5.如权利要求1所述多翼离心风机蜗壳，其特征在于，所述HI段平行于X轴。

6.一种多翼离心风机，其特征在于，包括如权利要求1－5任意一项所述多翼离心风机蜗壳。

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