CN115182892A - 一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，其特征在于经典翼型离心风机叶片主体上设置有曲变齿状结构，以实现有效抑制了风机内的涡尺度，减小叶片表面的压力脉动，达到明显的降噪效果。经典翼型离心风机叶片主体上设置有最佳布置位置的V型沟槽结构与圆形凹坑结构，以实现有效降低模型边界层内摩擦阻力，减少边界层内外动量交換,从而减小湍动能耗散的能量，提高了离心风机静压效率。无蜗壳离心风机后盘上设置有人字排列凸包结构，以实现降低靠近后盘出口处的速度梯度，减小了湍流强度，在凸包下游形成了比较明显的涡旋，将流体沿近壁面的滑动摩擦变为了滚动摩擦，进一步提高了风机的静压效率。

Description

一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机

技术领域

本发明涉及离心风机技术领域，具体涉及一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机。

背景技术

离心风机作为旋转类机械家族中的一员，因其压头大、流量小的特点而被广泛应用与换气、通风等设备中，离心风机是工业生产中提供气体动力的重要工艺设备，在国民经济和日常生活中占有重要的地位，其市场规模较大，约占风机市场总量的50％左右。作为主要的耗能设备，据统计离心风机的用电量占全国发电量的5％左右。离心通风机的损失主要有三个部分，流动损失、容积损失和机械损失，其中流动损失是离心通风机三种能量损失中最主要的损失，它产生的主要原因是因为气体具有黏性。流动损失主要由两部分构成的，一部分是摩擦损失，产生于边界层，另一部分是漩涡损失。因此，当气流流过风机叶轮流道时，会由于粘性作用受到叶片摩擦阻力，产生流动损失，进而引起风机全压的降低，影响风机性能。

另一方面，离心风机的噪声源可分为气动噪声、电磁噪声和结构振动噪声,其中气动噪声约占总噪声的45％,而无蜗壳离心风机的叶轮作为离心风机唯一的动部件,其性能决定了离心风机整体的气动和噪声特性。因此不管从国家实现双碳目标，加快推动绿色低碳发展，还是从提高企业的经济效益的角度来说，从效率和噪声两方面优化离心风机的叶轮是很有必要的。

前人在离心风机的结构优化上，取得了一定的成果，但对于将多种仿生因素因素耦合、尾缘优化，以及仿生结构的排列方式，仍需进一步探索，并且无蜗壳离心风机的效率以及噪音有待进一步优化。本发明受到自然界鸟翼的尾缘、鱼类的非光滑表面以及大雁“人字排列“飞行的启发，对无蜗壳离心风机进行了针对性优化，结合数值模拟和试验设计，优化设计了一款新型无蜗壳离心风机，以实现减少流动损失，降低气动噪声。

发明内容

针对现有无蜗壳离心风机的不足，本发明的目的在于优化无蜗壳离心风机，提供一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，以实现有效地减少流动总阻力，降低流动损失，提高静压效率，控制叶轮内的涡尺度，抑制压力脉动，降低气动噪声。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，包括风机叶片、风机后盘及风机前盘，一组所述风机叶片固定设置在风机后盘与风机前盘之间，所述风机叶片末端设有曲变齿状结构，所述风机叶片吸力面上设有V型沟槽结构，且风机叶片吸力面上靠近V型沟槽结构位置设有圆形凹坑结构；所述风机后盘上在位于相邻两风机叶片之间流道处设有人字排列凸包结构。

进一步的，所述曲变齿状结构包括曲变过渡面及齿状结构，曲变过渡面的前端与风机叶片的吸力面相切，曲变过渡面的后端与齿状结构的上平面相连，且与曲变过渡面的后端点的切线方向呈108-115°夹角。

进一步的，所述曲变齿状结构的根部布置在风机叶片的90％—93％弦长C处；所述的V型沟槽结构布置在离心风机叶片主体的63％—65％弦长C处；所述的圆形凹坑结构布置在风机叶片的67％—70％弦长C处。

进一步的，所述曲变齿状结构的上端与风机叶片的吸力面相切，下端与风机叶片压力面相切。

进一步的，所述曲变过渡面的表面曲变曲线N₁的弦长L₁＝1.6％C，其中C表示风机叶片弦长；

曲变曲线N₁的方程为：

N₁＝0.0023X²-0.2565X-18.7478。

进一步的，所述曲变齿状结构的齿长L₂＝5％C，齿宽w₁＝4%C，其中C表示风机叶片弦长；所述的齿状结构在压力面和吸力面均采用45°倒角处理。

进一步的，所述V型沟槽结构的槽深

槽宽

间距

D为风机叶片最大厚度；V型沟槽结构平行于风机叶片前缘布置4-6列。

进一步的，所述圆形凹坑结构直径

凹坑深

间距

D为风机叶片最大厚度；圆形凹坑结构平行于叶片前缘布置2-4列。

进一步的，所述人字排列凸包结构包括三组沿人字排列的曲线，每组沿人字排列的曲线包括人字曲线N₂及人字曲线N₃；所述人字曲线方程为:

进一步的，所述人字排列凸包结构，直径

高

人字曲线的相邻凸包间距

T为风机后盘厚度。

本发明具有以下有益的技术效果：

1)本发明风机叶片上创新性地设计了叶片尾部，该曲变齿状结构，能够先一步诱导离心风机叶片尾缘的涡结构，并将大涡破碎成小涡，有效抑制了风机内的涡尺度，降低压力面和吸力面的压差，减小叶片表面的压力脉动，进而降低叶顶间隙处二次流和涡量，降噪效果明显。

2)本发明风机叶片上设置有最佳布置位置的V型沟槽结构与圆形凹坑结构，两种仿生结构创新性的耦合，减小前后压差效果最优，V型沟槽结构布置在离心风机叶片主体的63％—65％弦长C处，并且圆形凹坑结构布置在离心风机叶片主体的67％—70％弦长C处时，在沟槽和凹坑底部产生涡流，使得结构内部的气流与流经叶片表面的气流形成气气接触,引发涡垫效应,将光滑模型气固表面滑动摩擦转变为滚动摩擦，类似滚动轴承作用,滚动摩擦远小于滑动摩擦,有效降低叶片边界层内摩擦阻力，降低边界层内外动量交換,从而减小湍动能耗散的能量，提高了离心风机的静压效率。

3)本发明无蜗壳离心风机后盘上创新性地设计了人字排列凸包结构，使得离心风机出口处的流场发生了改变，人字排列的凸包降低了靠近后盘出口处的速度梯度，减小了湍流强度，进而降低凸包的剪切应力，使凸包可以起到减阻作用。在凸包下游形成了比较明显的涡流。将流体沿近壁面的滑动摩擦变为了滚动摩擦。滚动摩擦的摩擦系数小于滑动摩擦系数，壁面凸包下游气流与壁面气流也形成涡垫效应，使来流在气垫上流动，不与壁面直接接触，使气固间摩擦转变成气气间摩擦，壁面的摩擦阻力降低，从而有效地减少了总阻力，进一步提高了离心风机的静压效率。

附图说明

图1为本发明的总体示意图；

图2为本发明的风机叶片吸力面示意图；

图3为本发明的V型沟槽结构示意图；

图4为本发明的圆形凹坑结构示意图；

图5为本发明的曲变齿状结构示意图；

图6为本发明的风机叶片压力面示意图；

图7为本发明的风机叶片轴侧图；

图8为本发明的A处结构放大图；

图9为本发明的风机后盘示意图；

图10为本发明的人字排列凸包结构示意图；

图11为本发明的单个凸包结构示意图；

图12为本发明的风机后盘三维图；

图13为本发明的离心风机静压效率—流量曲线示意图；

图14为本发明的离心风机噪声—流量曲线示意图；

图中：1、叶轮前盘；2、叶轮后盘；3、风机叶片；4、曲变齿状结构；5、V型沟槽结构；6、圆形凹坑结构；7、人字排列凸包结构；8、曲变曲线N₁；9、人字曲线N₂；10、人字曲线N₃；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，包括叶轮前盘1，叶轮后盘2和叶片3，当离心风机运转时，气体从叶轮前盘1的进气口流入，此时离心风机将输入的电能转化为机械能，通过传动轴带动叶片3转动，进而利用高速旋转的叶轮将气体加速，受到叶轮前盘1和叶轮后盘2的作用，改变流向，使气体从每两叶片3间的流道流出叶轮，使动能转换成势能，完成通流作用。

如图2-8所示，一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机叶片，包括曲变齿状结构4，V型沟槽结构5和圆形凹坑结构6(具体为半圆形内凹结构)，气体在流经叶片时会由于粘性作用受到叶片表面摩擦阻力，产生流动损失，此时当气体流过叶片的V型沟槽结构5和圆形凹坑结构6时，V型槽与凹坑结构内部生成了二次涡，产生了类似机械中的“滚动轴承”的作用。使内部气流与外部气流形成气—气接触,产生涡垫效应,将光滑模型气—固表面滑动摩擦转变为滚动摩擦，滚动摩擦远小于滑动摩擦,降低模型边界层内摩擦阻力，减小外层高速气流对内层低速气流的动量传递,使原本流不动即将离开物体表面的气流沿物体表面继续流动，延迟气流分离，减小压差阻力。同时，仿生结构表面湍流边界层近壁面的法向速度梯度也明显低于光滑表面，气体在流经叶片尾缘的曲变齿状结构4时，提前促发离心风机叶片尾缘的涡结构，并将大涡破碎成小蜗，有效抑制了风机内的涡尺度，有效降低压力面和吸力面的压差，减小叶片表面的压力脉动，进而降低叶顶间隙处二次流和涡量，达到降噪效果明显。

如图2-8所示，曲变齿状结构的根部布置在风机叶片的90％-93％弦长C处(C表示风机叶片弦长)；曲变齿状结构4的上端与风机叶片3的吸力面相切，下端与风机叶片3压力面相切。曲变齿状结构4，包括曲变曲线N₁8和齿状结构，曲变曲线N₁8的前端与风机叶片3的吸力面相切，曲变曲线N₁8的后端与齿状结构的上平面相连，且与曲变曲线N₁的后端点的切线方向呈108度夹角。

曲变曲线N₁8的弦长L₁＝1.6％C；

曲变曲线N₁8的方程为：

N₁＝-0.0023X²-0.2565X-18.7478。

齿状结构的齿长L₂＝5％C，齿宽w₁＝4％C，齿状结构在压力面和吸力面均采用45°倒角处理。

V型沟槽结构5布置在离心风机叶片3主体的63％-65％弦长C处，V型沟槽结构的槽深

(D为叶片最大厚度)，槽宽

间距

平行于叶片前缘布置4-6列。

圆形凹坑结构6布置在离心风机叶片主体的67％-70％弦长C处，凹坑结构直径

凹坑深

间距

平行于叶片前缘布置2-4列。

如图9-12所示，一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机后盘，包括人字排列凸包结构7，布置在风机后盘2每两风机叶片3间流道处，设置三组沿人字曲线N₂9、N₃10排列。

仿人字排列凸包结构7，直径

(T为凸包所在的离心风机后盘2厚度)，高

人字曲线N₂9、N₃10的相邻凸包之间间距

人字曲线方程为：

当气体流经后盘时，人字排列凸包结构7，使得离心风机出口处的流场发生了改变，人字排列的凸包降低了靠近风机后盘2出口处的速度梯度，减小了湍流强度，进而降低凸包的剪切应力，使凸包可以起到减阻作用，进一步减小了总阻力，提高了叶轮的静压效率。

如图13-14所示，为本发明通过数值模拟与原型风机进行静压效率与噪声的对比，通过模拟分析，本发明在一定程度上提高了原型风机的静压效率并降低了噪声。

Claims (10)

1.一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，其特征在于，包括风机叶片、风机后盘及风机前盘，一组所述风机叶片固定设置在风机后盘与风机前盘之间，所述风机叶片末端设有曲变齿状结构，所述风机叶片吸力面上设有V型沟槽结构，且风机叶片吸力面上靠近V型沟槽结构位置设有圆形凹坑结构；所述风机后盘上在位于相邻两风机叶片之间流道处设有人字排列凸包结构。

2.根据权利要求1所述的一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，其特征在于，所述曲变齿状结构包括曲变过渡面及齿状结构，曲变过渡面的前端与风机叶片的吸力面相切，曲变过渡面的后端与齿状结构的上平面相连，且与曲变过渡面的后端点的切线方向呈108-115°夹角。

3.根据权利要求1所述的一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，其特征在于，所述曲变齿状结构的根部布置在风机叶片的90％-93％弦长C处；所述的V型沟槽结构布置在离心风机叶片主体的63％-65％弦长C处；所述的圆形凹坑结构布置在风机叶片的67％-70％弦长C处。

4.根据权利要求1所述的一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，其特征在于，所述曲变齿状结构的上端与风机叶片的吸力面相切，下端与风机叶片压力面相切。

5.根据权利要求1所述的一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，其特征在于，所述曲变过渡面的表面曲变曲线N₁的弦长L₁＝1.6％C，其中C表示风机叶片弦长；

曲变曲线N₁的方程为：

N₁＝-0.0023X²-0.2565X-18.7478。

6.根据权利要求1所述的一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，其特征在于，所述曲变齿状结构的齿长L₂＝5％C，齿宽w₁＝4％C，其中C表示风机叶片弦长；所述的齿状结构在压力面和吸力面均采用45°倒角处理。

7.根据权利要求1所述的一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，其特征在于，所述V型沟槽结构的槽深

槽宽

间距

D为风机叶片最大厚度；V型沟槽结构平行于风机叶片前缘布置4-6列。

8.根据权利要求1所述的一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，其特征在于，所述圆形凹坑结构直径

凹坑深

间距

D为风机叶片最大厚度；圆形凹坑结构平行于叶片前缘布置2-4列。

9.根据权利要求1所述的一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，其特征在于，所述人字排列凸包结构包括三组沿人字排列的曲线，每组沿人字排列的曲线包括人字曲线N₂及人字曲线N₃；所述人字曲线方程为：

10.根据权利要求1所述的一种仿生多因素耦合的无蜗壳离心风机，其特征在于，所述人字排列凸包结构，直径

高

人字曲线的相邻凸包间距

T为风机后盘厚度。

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