CN115544878A - 叶片叶型的设计方法、叶片、风轮、风机及吸油烟设备 - Google Patents

叶片叶型的设计方法、叶片、风轮、风机及吸油烟设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种叶片叶型的设计方法、叶片、风轮、风机及吸油烟设备，涉及离心风机技术领域。本发明的叶片叶型的设计方法，包括如下步骤：确定叶片的设计参数；根据所述设计参数建立仿真模型，并通过仿真得到所述仿真模型对应的性能结果集；根据性能结果集，确定最优性能结果及其对应的目标设计参数；根据目标设计参数，确定控制参数；根据所述控制参数并基于贝塞尔曲线建立叶片的叶型曲线的曲线方程，确定所述叶片的叶型。用于解决现有技术中叶片形式为单圆弧叶型的表面容易发生流动分离，导致效率低、噪声大的问题。

Description

叶片叶型的设计方法、叶片、风轮、风机及吸油烟设备
技术领域
本发明涉及离心风机技术领域，特别地涉及一种叶片叶型的设计方法、叶片、风轮、风机及吸油烟设备。
背景技术
随着用户生活质量需求的提升，对于吸油烟设备噪声和性能要求也越来越高。前向离心风机结构紧凑，压力系数高，在油烟机中广泛应用，其风轮叶型直接影响吸油烟设备空气性能与噪声，目前常用的叶片形式多为单圆弧叶型，叶片表面流动分离明显，导致湍流噪声增大且效率降低。
为解决此问题，如申请号为CN114370428A的中国发明专利申请公开了一种非等厚叶片，通过对叶片吸力面型线改进以形成加速流道，减少叶轮流道内流动分离。但此种叶型并不适用于油烟机常用的金属等厚叶片。
等厚度叶型主要可调参数包括叶片入口角、出口角及叶片折弯位置和程度，入口角过大会导致冲击损失增加，入口角过小会导致流动分离增加；出口角增大可以提升风机压力系数和流量系数，但也会导致噪声增大；而叶片型线则会影响气流在叶道内的流动阻力和附面层脱离。因此叶型的参数对风机性能影响极大，如何确定叶型的参数以提高全压效率、降低噪声，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种风轮叶片叶型的设计方法、叶片、风轮、风机及吸油烟设备，用于解决现有技术中叶片形式为单圆弧叶型的表面容易发生流动分离，导致效率低、噪声大的问题。
第一方面，本发明提出一种叶片叶型的设计方法，包括如下步骤：确定叶片的设计参数；根据所述设计参数建立仿真模型，并通过仿真得到所述仿真模型对应的性能结果集；根据性能结果集，确定最优性能结果及其对应的目标设计参数；根据目标设计参数，确定控制参数；根据所述控制参数并基于贝塞尔曲线建立叶片的叶型曲线的曲线方程，确定所述叶片的叶型。
在一个实施方式中，所述叶型曲线的曲线方程基于三阶贝塞尔曲线建立，所述曲线方程满足以下关系式：
Figure BDA0003869802010000021
式中：Q(t)为所述叶型曲线上任一点的坐标；
Figure BDA0003869802010000022
为n次Bernstein基函数，Pi为所述叶型曲线的控制点的坐标值，所述坐标值根据所述控制参数确定。通过本实施方式，通过贝塞尔曲线设计风轮叶型，相比于单圆弧叶型，通过调整控制参数，可以对叶道流场进行优化。
在一个实施方式中，所述叶型曲线具有P0、P1、P2及P3至少四个控制点，其中控制点P0与控制点P3为所述叶型曲线两端的端点，控制点P1与控制点P2为位于所述叶型曲线路径外的点。通过本实施方式，满足三阶贝塞尔曲线需要四个控制点的需求，控制点P0与控制点P3为叶型曲线上两端的端点，即控制点P0与控制点P3位于风轮的内径和外径所在的圆弧上，能够通过测量获得，便于获得叶型曲线。
在一个实施方式中，以所述叶片所在风轮的圆心为坐标原点，所述控制点的坐标值分别为P0(0，r0)、
Figure BDA0003869802010000023
及
Figure BDA0003869802010000024
其中，r0为所述风轮的内径，r1为所述控制点P1到所述坐标原点的距离，r2为所述控制点P2到所述坐标原点的距离，R为所述风轮的外径，
Figure BDA0003869802010000025
为所述叶片的包角，
Figure BDA0003869802010000026
和
Figure BDA0003869802010000027
分别为所述控制点P1和所述控制点P2以所述坐标原点为旋转中心相对于所述控制点P0的旋转角。通过本实施方式，通过三角函数关系，便于确定四个坐标点相互之间的关系，通过尽量少的数据获取四个控制点的坐标关系，从而确定叶型曲线。
在一个实施方式中，所述设计参数包括所述叶片的入口角β1、出口角β2、包角
Figure BDA0003869802010000028
控制点P1的比半径(r1-r0)/(R-r0)和控制点P2的比半径(r2-r0)/(R-r0)。通过本实施方式，研究上述设计参数对风轮性能的影响，能够获取上述参数的不同取值范围对风轮性能的影响，并且在风轮直径改变时，比半径的参数具有通用性，比值关系适用范围更广。
在一个实施方式中，所述叶片的入口角β1满足以下关系式：
Figure BDA0003869802010000031
通过本实施方式，叶片的入口角能够通过三角函数关系换算所得，通过计算可以，便于获取叶型曲线。
在一个实施方式中，所述叶片的出口角β2满足以下关系式：
Figure BDA0003869802010000032
通过本实施方式，叶片的出口角能够通过三角函数关系换算所得，通过计算即可获得，便于获取叶型曲线。
在一个实施方式中，根据性能结果集，确定最优性能结果及其对应的目标设计参数，包括：根据所述性能结果集，以全压效率最高且流量不低于预设流量为目标，通过遗传算法确定最优性能结果；根据所述最优性能结果，确定对应的目标设计参数。通过本实施方式，通过科学合理的方式能够获取目标设计参数，从而能够确定叶型曲线。
第二方面，本发明提出一种风轮叶片，包括如上述的叶片叶型的设计方法。
在一个实施方式中，所述叶片的叶型曲线满足三阶贝塞尔曲线方程，所述叶片的入口角为48～60°、出口角为160～167°、包角为3～6°、控制点P1的比半径(r1-r0)/(R-r0)为30％～41％及控制点P2的比半径(r2-r0)/(R-r0)为80％～90％；其中，r0为所述叶片所在风轮的内径，r1为所述控制点P1到所述风轮圆心的距离，r2为所述控制点P2到所述风轮圆心的距离，R为所述风轮的外径。
第三方面，本发明提出一种风轮，包括多个如上所述的叶片，多个所述叶片沿周向均匀分布。
在一个实施方式中，所述风轮的内径r0与其外径R之比的取值范围为0.83～0.88。
在一个实施方式中，所述风轮沿轴向的宽度与所述风轮的外径比值为0.4～0.55。
在一个实施方式中，所述叶片的数量为55～75片。
第四方面，本发明提出一种风机，包括如上述的风轮。
第五方面，本发明提出一种吸油烟设备，包括如上述的风机。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
通过贝塞尔曲线设计叶片叶型，相比于单圆弧叶型，通过设计参数的调整，可以对叶道流场进行优化，叶片表面流动分离减少，有利于降低湍流噪声，提高全压效率。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
图1为本发明的叶片的设计参数及控制点的示意图；
图2为风轮的结构示意图；
附图标记：
10、风轮；20、叶片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明提出一种叶片叶型的设计方法，包括如下步骤：
S10：确定叶片的设计参数。
S20：根据所述设计参数建立仿真模型，并通过仿真得到所述仿真模型对应的性能结果集。
S30：根据性能结果集，建立目标参数与设计参数间的神经网络模型，并以此确定最优性能结果及其对应的目标设计参数。
S40：根据目标设计参数，确定控制参数。
S50：根据所述控制参数并基于贝塞尔曲线建立叶片的叶型曲线的曲线方程，确定所述叶片的叶型。
实施例2
本发明提出一种叶片叶型的设计方法，包括如下步骤：
S10：确定叶片的设计参数。
具体的地，设计参数包括所述叶片的入口角β1、出口角β2、包角
Figure BDA0003869802010000041
控制点P1的比半径(r1-r0)/(R-r0)和控制点P2的比半径(r2-r0)/(R-r0)；优选地，优选参数为入口角为50°，出口角为162.7°控制点P1比半径(r1-r0)/(R-r0)为40％，控制点P2比半径(r2-r0)/(R-r0)为88.8％，包角为3.2°。通过此方法得到的叶片仿真结果与入口角、出口角相同的单圆弧叶片相比，同转速时最大风量提升约4.6％，全压效率提升约5％，湍动能降低约12％，噪声降低约1.2dB。
S20：根据所述设计参数建立仿真模型，并通过仿真得到所述仿真模型对应的性能结果集。
具体地，性能结果集为多个全压效率及流量的数据集合，下表为性能结果集的部分示意。
S30：根据性能结果集，确定最优性能结果及其对应的目标设计参数。
具体包括如下子步骤：
S31：根据所述性能结果集，建立目标参数与设计参数间的神经网络模型。
S32：以全压效率最高且流量不低于预设流量为目标，通过遗传算法确定最优性能结果。
具体的，最大流量不低于26m^3/min，通过多岛遗传算法确定最优性能结果。
S33：根据所述最优性能结果，确定对应的目标设计参数。
S40：根据目标设计参数，确定控制参数。
具体地，控制参数包括叶型曲线具有的至少四个控制点，其中控制点P0与控制点P3为所述叶型曲线两端的端点，控制点P1与控制点P2为位于所述叶型曲线路径外的点。
S50：根据所述控制参数并基于贝塞尔曲线建立叶片的叶型曲线的曲线方程，确定所述叶片的叶型。
具体的，所述叶型曲线的曲线方程基于三阶贝塞尔曲线建立，所述曲线方程满足以下关系式：
Figure BDA0003869802010000051
式中：Q(t)为所述叶型曲线上任一点的坐标；
Figure BDA0003869802010000052
为n次Bernstein基函数，
Figure BDA0003869802010000053
Pi为所述叶型曲线的控制点的坐标值，所述坐标值根据所述控制参数确定。
需要进一步说明的是：下表为设计参数与性能结果集对应的部分数据集合：
Figure BDA0003869802010000054
Figure BDA0003869802010000061
实施例3
本实施例是在实施例2的基础上做出的进一步优化如下：以所述叶片所在风轮的圆心为坐标原点，所述控制点的坐标值分别为P0(0，r0)、
Figure BDA0003869802010000062
Figure BDA0003869802010000063
及
Figure BDA0003869802010000064
其中，r0为所述风轮的内径，r1为所述控制点P1到所述坐标原点的距离，r2为所述控制点P2到所述坐标原点的距离，R为所述风轮的外径，
Figure BDA0003869802010000071
为所述叶片的包角，
Figure BDA0003869802010000072
和
Figure BDA0003869802010000073
分别为所述控制点P1和所述控制点P2以所述坐标原点为旋转中心相对于所述控制点P0的旋转角。
具体地，如图1，控制点P0和控制点P3连接形成的曲线为叶片曲线，控制点P0为靠近坐标原点的端点，控制点P3为远离坐标原点的端点，控制点P1和控制点P2为位于叶片曲线外的控制点，并且P1位于靠近坐标原点的一侧。
实施例4
本实施例是在实施例2的基础上做出的进一步优化如下：所述叶片的入口角β1满足以下关系式：
Figure BDA0003869802010000074
叶片的入口角能够通过三角函数关系换算所得，通过计算可以，便于获取叶型曲线。
所述叶片的出口角β2满足以下关系式：
Figure BDA0003869802010000075
叶片的出口角能够通过三角函数关系换算所得，通过计算可以，便于获取叶型曲线。
实施例5
本发明提出一种风轮叶片，包括如上述的叶片叶型的设计方法，进而具备其所具备的全部技术特征。
实施例6
本实施例是在实施例5的基础上做出的进一步优化如下：叶片20的叶型曲线满足三阶贝塞尔曲线方程，叶片20的入口角为48～60°、出口角为160～167°、包角为3～6°、控制点P1的比半径(r1-r0)/(R-r0)为30％～41％及控制点P2的比半径(r2-r0)/(R-r0)为80％～90％；其中，r0为叶片20所在风轮10的内径，r1为控制点P1到风轮10圆心的距离，r2为控制点P2到风轮10圆心的距离，R为风轮10的外径。
实施例7
本发明提出一种风轮，包括多个如上述的叶片20，进而具备其所具备的全部技术效果，多个叶片20沿周向均匀分布。如图2，显示了叶片20装配到风轮10上的立体示意图。
实施例8
本实施例是在实施例7的基础上做出的进一步优化如下：风轮10的内径r0与其外径R之比的取值范围为0.83～0.88，例如0.83、0.85、0.87和0.88等，优选为0.85。
风轮10沿轴向的宽度与风轮10的外径比值为0.4～0.55，例如0.4、0.45、0.5和0.55等，优选为0.5。
叶片20的数量为55～75片，例如55片、50片、60片、71片和75片等，优选为71片。
实施例9
本发明提出一种风机，包括如上述的风轮10，进而具备其所具备的全部技术效果。
实施例10
本发明提出一种吸油烟设备，包括如上述的风机，进而具备其所具备的全部有益效果。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (16)

1.一种叶片叶型的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定叶片的设计参数；
根据所述设计参数建立仿真模型，并通过仿真得到所述仿真模型对应的性能结果集；
根据性能结果集，确定最优性能结果及其对应的目标设计参数；
根据目标设计参数，确定控制参数；
根据所述控制参数并基于贝塞尔曲线建立叶片的叶型曲线的曲线方程，确定所述叶片的叶型。
2.根据权利要求1所述的叶片叶型的设计方法，其特征在于，所述叶型曲线的曲线方程基于贝塞尔曲线建立，所述曲线方程满足以下关系式：
Figure FDA0003869802000000011
式中：Q(t)为所述叶型曲线上任一点的坐标；
Figure FDA0003869802000000012
为n次Bernstein基函数，Pi为所述叶型曲线的控制点的坐标值，所述坐标值根据所述控制参数确定。
3.根据权利要求2所述的叶片叶型的设计方法，其特征在于，所述叶型曲线具有P0、P1、P2及P3至少四个控制点，其中控制点P0与控制点P3分别为所述叶型曲线两端的端点，控制点P1与控制点P2分别为位于所述叶型曲线路径外的点。
4.根据权利要求3所述的叶片叶型的设计方法，其特征在于，以所述叶片所在风轮的圆心为坐标原点，所述控制点的坐标值分别为P0(0，r0)、
Figure FDA0003869802000000013
Figure FDA0003869802000000014
及
Figure FDA0003869802000000015
其中，r0为所述风轮的内径，r1为所述控制点P1到所述坐标原点的距离，r2为所述控制点P2到所述坐标原点的距离，R为所述风轮的外径，
Figure FDA0003869802000000016
为所述叶片的包角，
Figure FDA0003869802000000017
和
Figure FDA0003869802000000018
分别为所述控制点P1和所述控制点P2以所述坐标原点为旋转中心相对于所述控制点P0的旋转角。
5.根据权利要求3所述的叶片叶型的设计方法，其特征在于，所述设计参数包括所述叶片的入口角β1、出口角β2、包角
Figure FDA0003869802000000019
控制点P1的比半径(r1-r0)/(R-r0)和控制点P2的比半径(r2-r0)/(R-r0)。
6.根据权利要求5所述的叶片叶型的设计方法，其特征在于，所述叶片的入口角β1满足以下关系式：
Figure FDA0003869802000000021
7.根据权利要求5所述的叶片叶型的设计方法，其特征在于，所述叶片的出口角β2满足以下关系式：
Figure FDA0003869802000000022
8.根据权利要求1所述的叶片叶型的设计方法，其特征在于，根据性能结果集，确定最优性能结果及其对应的目标设计参数，包括：
根据所述性能结果集，以全压效率最高且流量不低于预设流量为目标，通过遗传算法确定最优性能结果；
根据所述最优性能结果，确定对应的目标设计参数。
9.一种叶片，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的叶片叶型的设计方法。
10.根据权利要求9所述的叶片，其特征在于，所述叶片的叶型曲线满足三阶贝塞尔曲线方程，所述叶片的入口角为48～60°、出口角为160～167°、包角为3～6°、控制点P1的比半径(r1-r0)/(R-r0)为30％～41％及控制点P2的比半径(r2-r0)/(R-r0)为80％～90％；
其中，r0为所述叶片所在风轮的内径，r1为所述控制点P1到所述风轮圆心的距离，r2为所述控制点P2到所述风轮圆心的距离，R为所述风轮的外径。
11.一种风轮，其特征在于，包括多个如权利要求9或10所述的叶片，多个所述叶片沿周向均匀分布。
12.根据权利要求11所述的风轮，其特征在于，所述风轮的内径r0与其外径R之比的取值范围为0.83～0.88。
13.根据权利要求11所述的风轮，其特征在于，所述风轮沿轴向的宽度与所述风轮的外径比值为0.4～0.55。
14.根据权利要求11所述的风轮，其特征在于，所述叶片的数量为55～75片。
15.一种风机，其特征在于，包括如权利要求11-14任一项所述的风轮。
16.一种吸油烟设备，其特征在于，包括如权利要求15所述的风机。
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