CN114658689A

CN114658689A - 蜗壳和离心压气机

Info

Publication number: CN114658689A
Application number: CN202210268012.7A
Authority: CN
Inventors: 罗磊; 杜巍; 罗千千
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2022-06-24

Abstract

本发明公开一种蜗壳和离心压气机。其中，所述蜗壳的内部设置有涡室，所述蜗壳的外侧面设置有与所述涡室相连通的进气口，叶轮工作时产生的气流从所述进气口进入所述涡室，沿所述进气方向，所述蜗壳的头部设置有与所述涡室相连通的出气口，所述涡室的表面凹设有多条通风槽体。本发明的技术方案有利于气流混合过程的进行，改善了叶片脱落涡结构。其降噪作用来源于：1、降低了低频部分的噪声；2、使得频谱分布曲线的峰值向高频移动、峰值的大气吸收衰减增加，降低气流的压力脉动，从而减小气动噪声。本发明还提出一种离心压气机。

Description

蜗壳和离心压气机

技术领域

本发明涉及呼吸机降噪技术领域，特别涉及一种蜗壳和应用所述蜗壳的离心压气机。

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压气机，离心压气机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。在离心压气机应用的领域，尤其是民用领域，离心压气机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、长寿命与低成本。对于呼吸机而言，除了需要对效率高的要求以外，对噪音还有特别的要求。对于离心压气机，它的噪声主要由内部产生的气动噪声和蜗壳结构辐射的噪声。

从噪声产生的机理来看，离心压气机气动噪声又可以分为旋转噪声和涡流噪声。现有技术中，蜗壳径向方向的截面多为圆形，旋转噪声主要是由于叶轮在旋转时，产生的气流从蜗壳外侧面的进气口进入蜗壳涡室，再从蜗壳的出气口直接排出，在此过程中，叶轮旋转产生离心惯性力，在旋转过程中引起周围气体产生压力脉动。气流从叶轮进入蜗壳时还会产生脱落涡。在该类结构设置的蜗壳内，对于给定空间内的某质点，由于叶片通过时，这一质点周围气体的压力迅速变化一次，叶片连续的通过进而不断的产生压力脉动，造成涡室内流动的气流具有很大的不均匀性，向周围产生辐射噪声。涡流噪声一般又称为紊流噪声，它主要是气体流经叶片界面产生分裂时形成附面层以及漩涡的分裂和脱落，进而导致叶片上的压力脉动所产生一种非稳定的流动噪声。关于涡室内气流不均匀性导致出现压力脉动的技术问题，本技术领域未出现解决上述技术问题的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蜗壳，旨在使涡室内的气流混动均匀，降低气流的压力脉动，从而减小气动噪声。

为实现上述目的，本发明提出的蜗壳，应用于离心压气机，所述蜗壳的内部设置有涡室，所述蜗壳的外侧面设置有与所述涡室相连通的进气口，叶轮工作时产生的气流从所述进气口进入所述涡室，沿所述进气方向，所述蜗壳的头部设置有与所述涡室相连通的出气口，所述涡室的表面凹设有多条通风槽体。

可选地，沿所述蜗壳的径向方向，每条所述通风槽体的截面形状均为圆弧线段，多条所述圆弧线段拼接围合为具有开口的环形结构。

可选地，每条所述圆弧线段的半径和长度均相同。

可选地，所述圆弧线段的数量为4条至7条。

可选地，沿所述蜗壳的径向方向，所述蜗壳和所述涡室的截面形状相同。

可选地，沿所述蜗壳的尾部至所述蜗壳的头部方向，所述涡室的径向截面面积逐渐增大。

可选地，所述蜗壳的基圆直径和所述叶轮直径的比值为1.03至1.10。

可选地，所述进气口的宽度比所述叶轮出口宽度宽7mm至20mm。

可选地，所述蜗壳设置有涡舌，所述涡舌安放角为30度至50度。

本发明还提出一种离心压气机，包括如上所述的蜗壳。

本发明技术方案中，蜗壳可与现有的叶轮组合使用，叶轮旋转产生的气流从进气口进入涡室内，气流流经多条通风槽体，被通风槽体分割，相邻两槽体间被分割的气流又可相互扰动，使涡室内的气流混动均匀，有利于气流混合过程的进行，改善了叶片脱落涡结构。其降噪作用来源于：1、降低了低频部分的噪声；2、使得频谱分布曲线的峰值向高频移动、峰值的大气吸收衰减增加，降低气流的压力脉动，从而减小气动噪声。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明蜗壳一实施例的立体结构示意图；

图2为本发明蜗壳一实施例的主视图；

图3为本发明蜗壳一实施例的侧视图；

图4为本发明蜗壳一实施例的侧视图；

图5为本发明蜗壳一实施例中涡室结构原理图；

图6为本发明蜗壳一实施例中涡室成型步骤流程图；

附图标号说明：

名称	标号
		蜗壳	2
涡室	21
		通风槽体	211
扩散管	3
		出气口	14
涡舌	4
		进气口	5

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在本发明实施例中，该蜗壳2，应用于离心压气机(图中未画出)，所述蜗壳2的内部设置有涡室21，所述蜗壳2的外侧面设置有与所述涡室21相连通的进气口5，叶轮工作时产生的气流从所述进气口5进入所述涡室21，沿所述进气方向，所述蜗壳2的头部设置有与所述涡室21相连通的出气口14，所述涡室21的表面凹设有多条通风槽体211。如图1和图2所示。

本发明工作原理：实际应用中，本申请的蜗壳2可与现有的叶轮组合使用，叶轮旋转产生的气流从进气口5进入涡室21内，气流流经多条通风槽体 211，被通风槽体211分割，相邻两槽体间被分割的气流又可相互扰动，使涡室21内的气流混动均匀，有利于气流混合过程的进行，改善了叶片脱落涡结构。其降噪作用来源于：1、降低了低频部分的噪声；2、使得频谱分布曲线的峰值向高频移动、峰值的大气吸收衰减增加，降低气流的压力脉动，从而减小气动噪声。实际应用中，进气口5沿蜗壳2边缘延伸，具体地，进气口5 从蜗壳2的头部延伸至蜗壳2的尾部，确保高效进气，该结构为现有技术，本文不再赘述。出气口14设置在蜗壳2的头部，该类结构也为现有技术，本文不再赘述。实际应用中，蜗壳2的头部设置有扩散管3，出气口14设置在扩散管3上，扩散管3的内腔作为涡室21的一部分，与涡室21的截面形状相同，扩散管3与蜗壳2的尾部之间设置有涡舌4。蜗壳2的涡室21呈螺旋形，该结构为现有技术，本文不再赘述。在专业设计中，进气口5又称涡室 21入口宽度，常用b3表示，本文不再赘述。

本发明技术方案中，沿所述蜗壳2的径向方向，每条所述通风槽体211 的截面形状均为圆弧线段，多条所述圆弧线段拼接围合为具有开口的环形结构。

该类结构设置，沿所述蜗壳2的径向方向，涡室21的截面形状是由多条圆弧线段拼接围合成的具有开口的环形结构，为便于理解，本申请还将进气口5的截面形状表现为直线段(即为环形结构开口处)，并绘制在后文附图5 和6中(详见下文)，则进一步地，涡室21的截面形状由一条直线段和多条圆弧线段首尾相接呈花形(本领域技术人员的通用叫法)截面。实际应用中，本申请的蜗壳2可应用和组合到现有的离心压气机中使用，由于蜗壳2具有花形截面，增大了脱落涡间的距离，削弱了脱落涡对尾迹流动的影响，降低叶片(叶片气流)的压力脉动，最终使得尾迹涡引起的气动噪声减小的同时，还减轻了叶片出口的尾迹气流与蜗壳2之间存在着的非定常干涉，最终使得尾迹涡与蜗壳2间非定常干涉引起的气动噪声显著减小，有效抑制了离心压气机的噪声，当具有本申请蜗壳2结构的离心压气机应用到呼吸机中使用时，可显著降低了呼吸机的噪音。

本发明技术方案中，每条所述圆弧线段的半径和长度均相同。

该类结构设置，可使涡室21内的气流被均匀分割，增加气流间扰动均匀性，提高最终降噪效果。

本发明技术方案中，沿所述蜗壳2的尾部至所述蜗壳2的头部方向，所述涡室21的径向截面面积逐渐增大。

如图3至图5所示，为方便理解，先在本申请蜗壳2的平面图中，沿周向方向标注0°(包括360°)、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°的划分线，编号分别为6-13，0°，即蜗壳2的尾部所在角度，360°，即蜗壳2的头部所在角度，沿所述蜗壳2的尾部至所述蜗壳2的头部，所述涡室21的径向截面面积逐渐增大。该类结构设置，当外界空气经过离心压气机的叶轮和扩压器之后，具有较高的速度，通过蜗壳2的进气口5进入涡室 21，涡室21收集气流后，气流在涡室21内在周向均呈螺旋线型分布并流向出气口14。在这各过程中气流的截面积一直处于增大的状态，所以气体速度降低，压力增大(详见伯努利定律)，从而达到增压和导流的目的。蜗壳2内压力沿周向呈现出高压与低压交替变化的特征，这是因为叶片的扰动扩展至蜗壳2时仍具有较强的能量。叶片的尾迹脱落涡进入蜗壳2，由于涡室21的花形截面使尾迹脱落涡间的距离增大，较好地改变了叶片出口的尾迹气流与蜗壳2之间非定常干涉的情况，有效抑制了离心压气机的噪声，进而显著降低了声压级。叶片旋转产生的气流从涡舌4附近进入蜗壳2时开始旋转，导致0°截面内有很高的涡量值，经过最靠近舌部、面积最小的0°截面后，质量平均涡量值下降明显。由于截面面积的增大和壁面摩擦，下游流道截面内的质量平均涡量值依次减小。由于蜗壳2的花形截面，初始的涡量值会明显降低，气流的流动会更好。蜗壳2内的速度由于动量守恒，越靠近压气机中心轴线，即半径越小的地方气流速度越大。另外，在蜗壳2轮廓的曲率变化比较大的地方，会有较小的速度出现，所以花形的存在会使速度降低更多，导致增压更多。蜗壳2入口径向速度决定了蜗壳2内气流旋转强度，大流量时的径向速度高于小流量，小流量时切向速度明显高于大流量时的气流。小流量时涡舌4下游会出现低压区，大流量时不存在。较大的切向速度促使气体需要流经更长的周向距离，花费更长的时间才能进入蜗壳2，导致摩擦损失增大，因此，在小流量时使用较短的扩散管3很有效。

本发明技术方案中，所述圆弧线段的数量为4条至7条。

为保证良好的降噪效果，圆弧线段的数量为4条至7条，当然，通风槽体211有4～7条，若通风槽体211较少，则难以实现气流的有效扰动，若通风槽体211较多，涡室21的径向截面形状趋于圆形，也难以实现气流的有效扰动。实际应用中，深的通风槽体(指槽体截面的弧度更大，花形截面形状更明显)或较多个通风槽体使得噪声降低得更多，但是也导致了蜗轮性能的损失，因此需要对通风槽体211的深度和数目多如上规定。本申请中，以5 条圆弧线段为例(即，涡室21内设置有五条通风槽体211)，以详细说明本申请中涡室21的“花形”截面的成型过程：

实际应用中，以现有技术中，蜗壳涡室的径向截面为圆形为基础进行计算，如图3和图4所示，所示螺旋形涡室的基圆直径为D₃，所述螺旋形涡室的成型工艺原理是运用以速度为基础的pfleiderer理论所形成，如图6所示，所述花形截面是由所述气体入口和所述螺旋线在相应位置所形成的直径为d₁的圆形经过一系列处理得来的，具体地，当蜗壳(涡室)的径向截面为圆形时(以现有技术中，蜗壳涡室的径向截面为圆形为基础进行计算)，在任一蜗壳的径向截面上，d₁为该截面圆的直径(d₁为无限量值),且该截面圆的内部画一条长度为b₃的直线段(如图6中的第一附图所示，直线段的左右端点均在截面圆上)，b₃为进气口5的宽度(有具体公式计算该值，详见下文)，从截面圆圆心画一条竖直虚线段至该直线段的中点，则该虚线段的长度为r₁，以该截面圆的圆心为矩阵中心等角度画五条与该虚线段等长的线段后，可得到图中的正六边形，在最靠近该虚线段的其中一条等长线段的中点，画一条连接直线段(长度为b₃)左端点的斜线，该斜线的长度为r₂，再以每条上述等长线段的中点为圆心，在每条等长线段上均绘制半径为r₂的圆形，将圆形进行修剪留下最外面的部分与气体入口所在线段(长度为b₃的直线段)形成花形截面。实际应用中，所述扩散管3采用二次方面积递增的方法来实现，所述扩散管3的出气口14当量直径为D_d(图中未标出)，所述扩散管3的长度为L。所述涡舌4的半径为r₃(图中未标出)，所示涡舌螺旋角为α₀，所示涡舌安放角为φ₀，进气口5的宽度为b₃。如上所述的：

基圆直径D3：

D₃＝(1.03～1.10)D₂

式中D₂为叶轮的直径，可选地，基圆大小可在上述范围内选取，对于离心压气机的性能并没有明显的影响。

进气口宽度(涡室入口宽度)b₃：

b₃＝b₂+2S+C

式中，b₂为叶轮出口宽度，S为叶轮盖板厚度，C为常数，一般取 C＝5～20mm，可选地，C值依据具体情况来选取。比转速小、叶轮小时，应取小值；否则，取大值。

涡舌螺旋角α₀，是在涡室螺旋线的起始点，螺旋线的切线与基圆切线之间的夹角。为了使气体无冲击地从叶轮进入涡室，可选地，一般选取α₀等于叶轮出口稍后的绝对速度的液流角。

涡舌安放角φ₀，理论上涡舌应该在涡室螺旋线起始点的基圆D₃上，但是这样会使得涡舌和叶轮之间的间隙过小，容易产生振动和噪声，并且涡舌也太薄，所以一般都将涡舌沿着涡室螺旋线移动φ₀角。可选地，涡舌安放角按照比转速来进行选取。所示涡舌半径r₃由涡舌旋转角α₀和涡舌安放角φ₀以及扩散管的相关参数来决定。

出气口14当量直径D_d，就是离心压气机的出口直径，见叶轮设计部分，有标准可以选取。扩散管3高度L，在保证扩散角和安装要求的条件下，应尽量取小值，以减小压气机的尺寸。扩散角θ，常用范围为7°～13°。

基于上述内容，本发明技术方案中，所述蜗壳2的基圆直径和叶轮直径的比值为1.03至1.10。本发明技术方案中，所述进气口5的宽度比叶轮出口宽度宽7mm至20mm。本发明技术方案中，所述蜗壳2设置有涡舌4，所述涡舌安放角为30度至50度。值得补充的是，在编号13截面上，在理论上涡舌应该设置在该截面的基圆D₃上，但是这样做会使得涡舌4和叶轮之间的间隙过小，容易产生振动，并且涡舌4也太薄。所以一般都将涡舌4沿着涡室2 螺旋线移动φ₀角，此角度即为涡舌安放角。

本发明技术方案中，沿所述蜗壳2的径向方向，所述蜗壳2和所述涡室 21的截面形状相同。

该类结构设置，有利于减少结构厚度和原材料。

本发明还提出一种离心压气机，包括所述的蜗壳2，该蜗壳2的具体结构参照上述实施例，由于本离心压气机采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种蜗壳，应用于离心压气机，其特征在于，所述蜗壳的内部设置有涡室，所述蜗壳的外侧面设置有与所述涡室相连通的进气口，叶轮工作时产生的气流从所述进气口进入所述涡室，沿所述进气方向，所述蜗壳的头部设置有与所述涡室相连通的出气口，所述涡室的表面凹设有多条通风槽体。

2.根据权利要求1所述的蜗壳，其特征在于，沿所述蜗壳的径向方向，每条所述通风槽体的截面形状均为圆弧线段，多条所述圆弧线段拼接围合为具有开口的环形结构。

3.根据权利要求2所述的蜗壳，其特征在于，每条所述圆弧线段的半径和长度均相同。

4.根据权利要求3所述的蜗壳，其特征在于，所述圆弧线段的数量为4条至7条。

5.根据权利要求2所述的蜗壳，其特征在于，沿所述蜗壳的径向方向，所述蜗壳和所述涡室的截面形状相同。

6.根据权利要求2所述的蜗壳，其特征在于，沿所述蜗壳的尾部至所述蜗壳的头部方向，所述涡室的径向截面面积逐渐增大。

7.根据权利要求1所述的蜗壳，其特征在于，所述蜗壳的基圆直径和所述叶轮直径的比值为1.03至1.10。

8.根据权利要求1所述的蜗壳，其特征在于，所述进气口的宽度比所述叶轮出口宽度宽7mm至20mm。

9.根据权利要求1所述的蜗壳，其特征在于，所述蜗壳设置有涡舌，所述涡舌安放角为30度至50度。

10.一种离心压气机，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一所述的蜗壳。