CN114483648B - 叶片的设计方法、叶片及离心风机 - Google Patents

叶片的设计方法、叶片及离心风机 Download PDF

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Abstract

本申请涉及吸油烟机领域，尤其是涉及一种叶片的设计方法、叶片及离心风机。叶片的设计方法包括以下步骤：步骤S1、确定叶片的压力面型线弧线AB；步骤S2、确定叶片的前缘型线弧线AD；步骤S3、确定叶片的尾缘型线弧线BC；步骤S4、确定叶片的吸力面型线；连接前缘型线远离压力面型线的一端点D及尾缘型线远离压力面型线的一端点C，以绘制形成叶片的吸力面型线；吸力面线型线为平滑的曲线CD，以使分别位于叶轮的相邻的两个叶片的压力面与吸力面之间形成的叶轮流道的宽度沿流体介质的流动方向逐渐收窄。本申请提出一种可直接控制叶轮流道形状的叶片型线设计方法，能够有效避免在叶轮流道内产生流动分离或者降低流动分离的程度。

Description

叶片的设计方法、叶片及离心风机
技术领域
本申请涉及吸油烟机领域，尤其是涉及一种叶片的设计方法、叶片及离心风机。
背景技术
目前，吸油烟机的多翼离心风机基本都采用了圆弧板叶片式离心叶轮结构。设计圆弧板叶片的横截面时，未考虑到离心叶轮在旋转工作过程中内部的运动流体介质因为同时受到流体粘性效应、逆压梯度以及旋转科氏力的作用影响，以使叶片容易产生流动分离，形成二次涡流，导致叶轮工作效率低下，进而直接影响风机的气动性能和工作噪音。
发明内容
本申请的目的在于提供一种叶片的设计方法、叶片及离心风机，以使得到的叶片不易产生流动分离，提升叶轮的工作效率。
本申请提供了一种叶片的设计方法，包括以下步骤：
步骤S1、确定叶片的圆弧形的压力面型线弧线AB；
步骤S2、确定叶片的圆弧形的前缘型线弧线AD；弧线AD与弧线AB相切于点A，前缘型线弧线AD的半径为第一预设长度，前缘型线弧线AD的圆心角为预设角度；
步骤S3、确定叶片的圆弧形的尾缘型线弧线BC；弧线BC与弧线AB相切于点B，尾缘型线弧线BC的半径为叶轮外径，尾缘型线弧线BC的弧长为第二预设长度；
步骤S4、确定叶片的吸力面型线；连接前缘型线远离压力面型线的一端点D及尾缘型线远离压力面型线的一端点C，以绘制形成叶片的吸力面型线；吸力面型线为平滑的曲线CD，以使分别位于叶轮的相邻的两个叶片的压力面与吸力面之间形成的叶轮流道的宽度沿流体介质的流动方向逐渐收窄。
在上述技术方案中，进一步地，步骤S4中，利用图形尺寸变化规律表征叶轮流道的宽度变化规律，包括以下步骤：
步骤S4.1、确定压力面型线的圆心点O，在压力面型线上依次选取N个选定点；连接点O与点A、点B及位于点A、点B之间的N个选定点点F1、点F2……点FN，以形成直线OA、直线OB及N个选定半径直线OF1、直线OF2……直线OFN；
步骤S4.2、沿流体介质的流动方向，分别在直线OA、直线OB及直线OF1、直线OF2……直线OFN上绘制相切于对应的选定点的M个相切圆，从直线OA到直线OB的旋转方向，随着选定半径相对于直线OA旋转角度的增加，相切圆的直径逐渐减小，绘制曲线CD与M个相切圆依次相切于M个特征点点E1、点E2……点EM；M个相切圆的直径分别表征叶轮流道各处的宽度。
在上述技术方案中，进一步地，选定点的数量N大于或等于2。
在上述技术方案中，进一步地，步骤S4.2中，多个相切圆的直径D1、D2……DN与多个选定半径的旋转角度拟合为函数/>函数/>在[0，θ]范围内连续可导且单调递减，弧线AB的圆心角为θ。
在上述技术方案中，进一步地，函数为线性方程/>且/>的一阶导数/>
或函数为曲线方程/>且/>的一阶导数D’u 二阶导数/>
或函数为曲线方程/>且/>的一阶导数D’d 二阶导数/>
在上述技术方案中，进一步地，步骤S4.2中、绘制曲线CD包括绘制圆弧段弧线E1EM、绘制圆弧段弧线DE1和绘制曲线段CEM；
连接M个特征点，M个特征点包括点E1、点E2……点EM，得到平滑的曲线E1EM；
连接点D和点E1以绘制弧线DE1，弧线DE1与曲线E1EM相切于点E1；
连接点C和点EM以绘制弧线CEM，弧线CEM与曲线E1EM相切于点EM。
在上述技术方案中，进一步地，叶轮流道的入口处的相切圆的直径D1的长度与叶轮流道的出口处的相切圆的直径DM的长度的比值在1.5至2.5之间。
在上述技术方案中，进一步地，步骤S1中，根据多个设计参数，并依据强前弯通风机圆弧型叶片绘制法，确定叶片的圆弧形的压力面型线弧线AB；
多个设计参数包括叶轮内径R1、叶轮外径R2，叶片进口安装角β1，叶片出口安装角β2；其中，叶片进口安装角β1的度数在60°至80°之间；叶片出口安装角β2的度数在160°至175°之间；叶轮内径R1的长度与叶轮外径R2的长度的比值在0.8至0.9之间。
在上述技术方案中，进一步地，弧线AB的圆心角大于90°。
在上述技术方案中，进一步地，步骤S2中，第一预设长度在1mm至3mm之间，预设角度在120°至160°之间。
在上述技术方案中，进一步地，步骤S3中，第二预设长度在2mm至4mm之间。
本申请还提供了一种叶片，应用上述方案所述的叶片的设计方法得到。
本申请还提供了一种离心风机，包括上述方案所述的叶片。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请提出一种可直接控制叶轮流道形状的叶片型线设计方法，通过提升叶片的截面型线设计，以使叶轮流道形成加速流道，增强了对叶轮流道内特别是吸力面上气体流动的控制，能够有效避免在叶轮流道内产生流动分离或者降低流动分离的程度，有效提升离心叶轮工作效率，降低涡流噪音。
本申请还提供了叶片，应用上述方案所述的叶片的设计方法得到，该叶片能够有效避免在叶轮流道内产生流动分离或者降低流动分离的程度，有效提升离心叶轮工作效率，降低涡流噪音。
本申请还提供了离心风机，包括上述方案所述的叶片。基于上述分析可知，离心风机同样具有上述有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施方式，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。
图1为本申请提供的叶轮的局部结构示意图；
图2为本申请提供的叶片在第一视角下的结构示意图；
图3为本申请提供的叶片在第二视角下的结构示意图；
图4为图3中处的放大示意图；
图5为本申请提供的叶轮流道内部相切圆直径变化曲线示意图；
图6为本申请提供的叶轮的结构示意图。
图中：1-叶轮；11-叶片；111-前缘；112-尾缘；113-压力面；114-吸力面；12-第一端环；13-第二端环；14-中盘；2-蜗壳；3-电机；4-支架；5-减震垫；6-导风圈。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在介绍本申请的方案之前，先对相关术语进行解释，以便于后续的解释说明。
叶轮流道：指叶轮机械中流体介质在叶轮部件内流动的通路。
叶片吸力面：即叶片上表面，一般是高速和低静压。
叶片压力面：即叶片下表面，静压相对较高，一般也叫工作面。
边界层：高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层。
逆压梯度：气流沿管道扩张的方向，由于流速减小，压力逐渐升高的，称为逆压梯度。
涡流噪音：又称为紊流噪声，它主要是气流流经叶片界面产生分裂时，形成附面层及漩涡分裂脱离，而引起叶片上压力的脉动，辐射出一种非稳定的流动噪声。
叶片安装角：过叶片型线上任意一点的切线与过该同一点回转圆切线之间的夹角。
连续性定理：流体流经不同截面的通道时流速与通道截面积大小的关系，即在同一流管内流体的流速和它流经的截面积成反比。
实施例一
根据离心叶轮的内流理论分析和大量工程实践数据表明，圆弧板叶片式离心叶轮流道靠近压力面一侧的气体流动相对较好，叶轮流道内的流动分离多发生在吸力面侧。本申请的方案改进重点在于增强对叶轮流道内、特别是靠近吸力面侧气体流动的控制，以避免叶轮流道内产生气体流动分离或者降低气体流动分离的程度。
参见图1所示，图中示出了叶轮1中叶片11的分布情况。多个叶片11沿叶轮1周向上均匀分布，叶轮1中任意一个叶片11的压力面113与相邻叶片11的吸力面114形成了一个叶轮流道。
参见图2和图3所示，叶片11包括前缘111、尾缘112、压力面113和吸力面114，沿叶片11长度方向投影，叶片11不同位置的截面上的型线均在一个相同轮廓形状范围内。叶片11的横截面轮廓形状如图3所示，前缘型线为弧线AD，尾缘型线为弧线BC，压力面型线为弧线AB，吸力面型线即为本申请所要改进的图形轨迹。
曲线AD与曲线AB相切连接于A点，曲线AD与曲线CD相切连接于D点，曲线BC与曲线AB连接于B点，曲线BC与曲线CD连接于C点。
本申请提供的叶片的设计方法，包括以下步骤：
步骤S1、确定叶片11的圆弧形的压力面型线弧线AB；
具体地，参见图1所示，根据所选设计参数：叶轮内径R1，叶轮外径R2，叶片进口安装角β1，叶片出口安装角β2，并依据强前弯通风机圆弧型叶片绘制法，得到压力面型线弧线AB。强前弯通风机圆弧型叶片绘制法为现有技术。其中，为达到更优的气动性能，优选地，60°≤β1≤80°，160°≤β2≤175°，弧线AB的圆心角大于90°。
步骤S2、确定叶片11的圆弧形的前缘型线弧线AD；弧线AD与弧线AB相切于点A，前缘型线弧线AD的半径为第一预设长度，前缘型线弧线AD的圆心角为预设角度；
具体地，前缘型线是一条圆弧线，基于减小进口冲击损失、并能提升不同进气角度下气体流动性能的目的，弧线AD的半径在1mm至3mm之间，弧线AD的圆心角在120°至160°之间。
步骤S3、确定叶片11的圆弧形的尾缘型线弧线BC；弧线BC与弧线AB相切于点B，尾缘型线弧线BC的半径为叶轮外径，尾缘型线弧线BC的弧长为第二预设长度；
具体地，尾缘型线是一条圆弧线即弧线BC，弧线BC的圆心与叶轮1周向中心重合，弧线BC的半径与叶轮外径相同。为增强叶片11安装连接结构的强度，并兼顾叶片出口流动性能，优选地，尾缘型线弧线BC的弧长在2mm至4mm之间。
步骤S4、确定叶片11的吸力面型线；连接前缘型线远离压力面型线的一端点D及尾缘型线远离压力面型线的一端点C，以绘制形成叶片11的吸力面型线；吸力面型线为平滑的曲线CD，以使分别位于叶轮1的相邻的两个叶片11的压力面113与吸力面114之间形成的叶轮流道的宽度沿流体介质的流动方向逐渐收窄。
在该步骤中，为了减小叶轮流道内靠近吸力面114侧气体的流动分离程度，本申请通过改进压力面型线结构，以使叶轮流道的宽度沿流体介质的流动方向逐渐收窄。根据流体力学中的连续性定理可知，在逐渐收窄的叶轮流道内，流体速度能够一直处于加速状态；由离心叶轮的基本内流理论可知，这样的速度分布有益于减弱吸力面114上的分离流动，消除流道中的涡流区域，以提升叶轮工作效率。
具体地，参见图1所示，步骤S4中，本申请利用图形尺寸变化规律表征叶轮流道的宽度变化规律，具体包括以下步骤：
步骤S4.1、确定压力面型线的圆心点O，在压力面型线上依次选取N个选定点；连接点O与点A、点B及位于点A、点B之间的N个选定点点F1、点F2……点FN，以形成直线OA、直线OB及N个选定半径直线OF1、直线OF2……直线OFN；
步骤S4.2、沿流体介质的流动方向，即从前缘111到尾缘112的方向，分别在直线OA、直线OB及直线OF1、直线OF2……直线OFN上绘制相切于对应的选定点的M个相切圆，从直线OA到直线OB的旋转方向，随着选定半径相对于直线OA旋转角度的增加，相切圆的直径逐渐减小，绘制曲线CD与M个相切圆依次相切于M个特征点，M个特征点包括点E1、点E2……点EM；M个相切圆的直径分别表征叶轮流道各处的宽度。也就是说，相切圆的直径变化规律即表征了叶轮流道的宽度变化规律，随着选定半径相对于直线OA旋转角度的增加，即沿气流的流动方向，相切圆的直径逐渐减小，叶轮流道形成加速流道，可以实现更好的流动效应。
优选地，叶轮流道的进出口加速比，即叶轮流道的入口处的相切圆的直径D1的长度与叶轮流道的出口处的相切圆的直径DM的长度的比值在1.5至2.5之间。
为了使吸力面型线的精度更高，曲线CD更加平滑，相切圆的数量越多越好，以对应更多的特征点，从而得到精度更高的曲线CD。得到曲线CD至少需要四个特征点，即相切圆的数量至少为四个。M个特征点对应M个相切圆，直线OA和直线OB对应的相切圆加上N个选定点对应的相切圆即为全部的M个相切圆，所以选定点的数量N至少为两个。
步骤S4.2中、绘制曲线CD包括绘制圆弧段弧线E1EM、绘制圆弧段弧线DE1和绘制曲线段CEM。
绘制曲线段E1EM：连接点E1、点E2……点EM，得到平滑的曲线E1EM；曲线E1EM与弧线AB之间的区域即形成气流在叶轮流道中流通的主要通道区域，该区域内形成加速流道。
绘制圆弧段弧线DE1：连接点D和点E1以绘制弧线DE1，弧线DE1与曲线E1EM相切于点E1以确定弧线DE1的半径。弧线DE1位于加速流道的入口处，在与弧线DE1所在的叶片11相邻的叶片11的压力面型线上，没有与弧线DE1对应的部分，该处即为单侧开放的空间区域，为形成通道结构，此处只需设置成圆弧线段即可。
绘制圆弧段弧线CEM：连接点C和点EM以绘制弧线CEM，弧线CEM与曲线E1EM相切于点EM以确定弧线CEM的半径。圆弧段弧线CEM的绘制原理与制圆弧段弧线DE1的绘制原理等同，在此不再赘述。
步骤S4.2中，多个相切圆的直径D1、D2……DM与多个选定半径的旋转角度拟合为函数/>函数/>在[0，θ]范围内连续可导且单调递减，弧线AB的圆心角为θ。
参见图4所示，图中给出了流道内部的相切圆直径变化曲线，相切圆直径变化曲线即可等同为叶轮流道内部通流宽度的变化(由于叶片11的长度恒定，即等同于通流面积的变化)规律曲线。将相切圆直径的变化曲线可拟合为函数并且函数/>在[0，θ]范围内连续可导，单调递减。也就是说，随着气流的流动，叶轮流道内部通流宽度连续减小，气流的速度连续增大，叶轮流道形成加速流道，即气流的流速与叶轮流道内部通流宽度呈负相关。将相切圆直径的变化规律拟合为函数，从而可对叶轮流道宽度变化进行定量计算。
可选地，如图4所示，函数包括三种可行性方案：
方案一：函数为线性方程/>且/>的一阶导数
方案二：函数为曲线方程/>且/>的一阶导数二阶导数/>
方案三：函数为曲线方程/>且/>的一阶导数二阶导数/>
函数的一阶导数表征了气流的速度变化，函数/>的二阶导数表征了气流的加速度的变化。在上述三种方案中，函数/> 的一阶导数均小于0，叶轮流道内部通流宽度递减，流体速度均一直处于加速状态，三种方案均形成了加速流道的结构。
在上述三种方案中，方案二为优选方案，的一阶导数D’u 二阶导数/>对应了上凸型曲线方程。根据流体力学中的连续性定理可知，这样的通流面积变化规律曲线表明，在叶轮流道内，流体速度一直处于加速状态，并且加速度也逐渐增大。由离心叶轮的基本内流理论可知，这样的速度分布有益于减弱吸力面114上的分离流动，消除流道中的涡流区域，提升叶轮工作效率。
实施例二
本申请实施例二提供了一种叶片，应用上述任一实施例的叶片的设计方法得到，因而，具有上述任一实施例的叶片的设计方法的全部有益技术效果，在此，不再赘述。
实施例三
本申请实施例三提供了一种离心风机，包括上述实施例的叶片，因而，具有上述实施例的叶片的全部有益技术效果，在此，不再赘述。
参见图5所示，图中示出了多翼离心风机的结构，叶轮1通过两侧布置的支架4与离心蜗壳2相固定连接，其中离心蜗壳2上设置有导风圈6结构，起到进气导流作用。支架4与电机3主轴之间设有减震垫5，可以有效降低叶轮1旋转时产生的振动噪音。
参见图6所示，图中示出了叶轮1整体结构，叶轮1主要由若干个叶片11、第一端环12、第二端环13和中盘14组合构成。其中，第一端环12和第二端环13分别与每个叶片11的端部相连接，起到紧固整个叶轮1结构的作用。中盘14与每个叶片11的中部相连接，起到了连接叶轮1与驱动电机3的作用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。

Claims (11)

1.一种叶片的设计方法，叶片用于叶轮，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、确定叶片的圆弧形的压力面型线弧线AB；
步骤S2、确定叶片的圆弧形的前缘型线弧线AD；弧线AD与弧线AB相切于点A，前缘型线弧线AD的半径为第一预设长度，前缘型线弧线AD的圆心角为预设角度；
步骤S3、确定叶片的圆弧形的尾缘型线弧线BC；弧线BC与弧线AB相切于点B，尾缘型线弧线BC的半径为叶轮外径，尾缘型线弧线BC的弧长为第二预设长度；
步骤S4、确定叶片的吸力面型线；连接前缘型线远离压力面型线的一端点D及尾缘型线远离压力面型线的一端点C，以绘制形成叶片的吸力面型线；吸力面线型线为平滑的曲线CD，以使分别位于叶轮的相邻的两个叶片的压力面与吸力面之间形成的叶轮流道的宽度沿流体介质的流动方向逐渐收窄；
步骤S4中，利用图形尺寸变化规律表征叶轮流道的宽度变化规律，包括以下步骤：
步骤S4.1、确定压力面型线的圆心点O，在压力面型线上依次选取N个选定点；连接点O与点A、点B及位于点A、点B之间的N个选定点点F1、点F2……点FN，以形成直线OA、直线OB及N个选定半径直线OF1、直线OF2……直线OFN；
步骤S4.2、沿流体介质的流动方向，分别在直线OA、直线OB及直线OF1、直线OF2……直线OFN上绘制相切于对应的选定点的M个相切圆，从直线OA到直线OB的旋转方向，随着选定半径相对于直线OA旋转角度的增加，相切圆的直径逐渐减小，绘制曲线CD与M个相切圆依次相切于M个特征点点E1、点E2……点EM；M个相切圆的直径分别表征叶轮流道各处的宽度；
步骤S4.2中，多个相切圆的直径D1、D2……DM与多个选定半径的旋转角度、/>……拟合为函数D（/>），函数D（/>）在[0，/>]范围内连续可导且单调递减，弧线AB的圆心角为。
2.根据权利要求1所述的叶片的设计方法，其特征在于，选定点的数量N大于或等于2。
3.根据权利要求1所述的叶片的设计方法，其特征在于，函数D（）为线性方程Dx（/>），且D（/>）的一阶导数D’x（/>）< 0 (/>∈[0，/>])；
或函数D（）为曲线方程 Du（/>），且Du（/>）的一阶导数D’u（/>）< 0 (/>∈[0，/>])，二阶导数D’’u（/>）< 0 (/>∈[0，/>])；
或函数D（）为曲线方程Dd（/>），且Dd（/>）的一阶导数D’d（/>）< 0 (/>∈[0，/>])，二阶导数D’’d（/>）> 0 (/>∈[0，/>])。
4.根据权利要求1所述的叶片的设计方法，其特征在于，步骤S4.2中、绘制曲线CD包括绘制圆弧段弧线E1EM、绘制圆弧段弧线DE1和绘制曲线段CEM；
连接M个特征点，M个特征点包括点E1、点E2……点EM，得到平滑的曲线E1EM；
连接点D和点E1以绘制弧线DE1，弧线DE1与曲线E1EM相切于点E1；
连接点C和点EM以绘制弧线CEM，弧线CEM与曲线E1EM相切于点EM。
5.根据权利要求1所述的叶片的设计方法，其特征在于，叶轮流道的入口处的相切圆的直径D1的长度与叶轮流道的出口处的相切圆的直径DM的长度的比值在1.5至2.5之间。
6.根据权利要求1所述的叶片的设计方法，其特征在于，步骤S1中，根据多个设计参数，并依据强前弯通风机圆弧型叶片绘制法，确定叶片的圆弧形的压力面型线弧线AB；
多个设计参数包括叶轮内径R1、叶轮外径R2，叶片进口安装角β1，叶片出口安装角β2；其中，叶片进口安装角β1的度数在60°至80°之间；叶片出口安装角β2的度数在160°至175°之间；叶轮内径R1的长度与叶轮外径R2的长度的比值在0.8至0.9之间。
7.根据权利要求6所述的叶片的设计方法，其特征在于，弧线AB的圆心角大于90°。
8.根据权利要求1所述的叶片的设计方法，其特征在于，步骤S2中，第一预设长度在1mm至3mm之间，预设角度在120°至160°之间。
9.根据权利要求1所述的叶片的设计方法，其特征在于，步骤S3中，第二预设长度在2mm至4mm之间。
10.一种叶片，其特征在于，应用如权利要求1至9中任一项所述的叶片的设计方法得到。
11.一种离心风机，其特征在于，包括如权利要求10所述的叶片。
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