CN115788957B - 一种带涡流发生器的蜗壳及使用其的多翼离心风机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及离心风机技术领域，尤其涉及一种带涡流发生器的蜗壳及使用其的多翼离心风机。一种带涡流发生器的蜗壳，包括围板以及设置于所述围板的左右两侧的侧板，所述围板包括蜗舌、出风围板以及连接于所述蜗舌和所述出风围板之间的蜗壳围板，所述出风围板位于所述蜗舌的下方，所述蜗舌、所述出风围板与左右两侧的所述侧板围合形成出风口；所述出风围板于所述出风口处设置有多个涡流发生器。所述带涡流发生器的蜗壳，涡流发生器与蜗壳的贴合性好，符合流线型的空气动力学造型，有效抑制蜗壳出风口处的二次流，进而抑制多翼离心风机的失速，提高风机的安全工作裕度，解决了现有蜗壳中气流流动时容易发生分离，容易产生二次流的问题。

Description

一种带涡流发生器的蜗壳及使用其的多翼离心风机
技术领域
本发明涉及离心风机技术领域，尤其涉及一种带涡流发生器的蜗壳及使用其的多翼离心风机。
背景技术
多翼离心风机加工简单、结构紧凑，被广泛应用于空调、吸油烟机、空气净化器等通风、换气和排尘场合，随着人民生活水平和健康意识的大幅提升，多翼离心风机在这些设备中如何高效、稳定、安静地运行是相关产品设计和工程优化中的关键问题。蜗壳作为多翼离心风机回收气流能量的重要组成部分，其结构对风机气动和噪声性能具有同样巨大的影响。由于叶轮出流的轴向不均匀将导致现有的蜗壳结构中产生二次流，会进一步加剧叶轮出口流动的轴向不平衡，导致风机压力系数下降。
发明内容
针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提出一种带涡流发生器的蜗壳，涡流发生器与蜗壳的贴合性好，符合流线型的空气动力学造型，有效抑制蜗壳出风口处的二次流，解决了现有蜗壳中气流流动时容易发生分离，容易产生二次流的问题。
本发明的另一目的在于提出一种使用上述带涡流发生器的蜗壳的多翼离心风机，通过在多翼离心风机的蜗壳设置多个涡流发生器，涡流发生器能够有效抑制蜗壳的出风口处的二次流，进而抑制多翼离心风机的失速，提高风机的安全工作裕度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种带涡流发生器的蜗壳，包括围板以及设置于所述围板的左右两侧的侧板，所述围板包括蜗舌、出风围板以及连接于所述蜗舌和所述出风围板之间的蜗壳围板，所述出风围板位于所述蜗舌的下方，所述蜗舌、所述出风围板与左右两侧的所述侧板围合形成出风口；
所述出风围板于所述出风口处设置有多个涡流发生器，多个所述涡流发生器沿所述蜗壳的宽度方向间隔排列设置于所述出风围板的内壁面，且相邻两个所述涡流发生器的间距相同，所述涡流发生器的前端面与所述出风围板的前端面相平齐；
所述涡流发生器呈流线型设置，所述涡流发生器的宽度沿所述涡流发生器的长度方向均匀线性变化，所述涡流发生器的左端设有左边线，所述涡流发生器的右端设有右边线，所述左边线和所述右边线分别与所述出风围板的内壁面相切，所述左边线和所述右边线分别呈直线；
所述涡流发生器的上端面的前端中部设有前缘，所述涡流发生器的上端面的后端中部设有尾缘，所述前缘和所述尾缘分别与所述出风围板相平行。
更进一步说明，所述涡流发生器的数量为6～12个。
更进一步说明，相邻两个所述涡流发生器的间距满足以下公式：
S＝B/(N+1)；
其中，S为相邻两个所述涡流发生器的间距，B为所述蜗壳的宽度，N为所述涡流发生器的数量。
更进一步说明，所述涡流发生器的截面几何形状通过以下函数控制：
Figure BDA0003970877510000021
其中，x表征z长度位置处型线的x坐标，y表征z长度位置处型线的y坐标，Hz为z长度位置处的所述涡流发生器的高度H，Tz为z长度位置处的所述涡流发生器的宽度T，N1和N2均为几何控制因子，N1取2.0～7.0，N2取2.0～7.0，且N1＝N2。
更进一步说明，所述涡流发生器的高度系数和宽度系数满足以下公式：
ε＝H/L；
λ＝(Ts-Te)/L；
其中，ε为高度系数，H为所述涡流发生器的最大高度，L为所述涡流发生器的长度，λ为宽度系数，Ts为所述涡流发生器的前端的宽度，Te为所述涡流发生器的后端的宽度，其中L取25～60mm，ε取0.1～0.5,λ取0.05～0.15。
更进一步说明，所述涡流发生器的宽度满足以下公式：
Tz＝Te+λ(L-z)；
其中，Tz为z长度位置处的所述涡流发生器的宽度T，Te为所述涡流发生器的后端的宽度，λ为宽度系数，L为所述涡流发生器的长度，且0≤z≤L。
更进一步说明，所述涡流发生器的高度通过单位长度的五控制点3阶B样条曲线控制，其中，控制点P1与P2的连线和控制点P4与P5的连线保持水平，控制点P2、P3和P4共线，线段P1P2的长度为Ls，线段P4P5的长度为Le，P5与横轴之间的距离为δ，其中δ＝ε，Ls＝0.2～0.4，Le＝0.1～0.4。
一种多翼离心风机，使用所述的带涡流发生器的蜗壳，包括蜗壳和离心叶轮，所述离心叶轮设置于所述蜗壳内，所述涡流发生器沿所述离心叶轮的轴向间隔排列于所述出风围板的内壁面。
与现有技术相比，本发明的实施例具有以下有益效果：
提出带涡流发生器的蜗壳，涡流发生器与蜗壳的贴合性好，符合流线型的空气动力学造型，有效抑制蜗壳出风口处的二次流，解决了现有蜗壳中气流流动时容易发生分离，容易产生二次流的问题；
进而提出使用上述带涡流发生器的蜗壳的多翼离心风机，通过在多翼离心风机的蜗壳设置多个涡流发生器，涡流发生器能够有效抑制蜗壳的出风口处的二次流，进而抑制多翼离心风机的失速，提高风机的安全工作裕度。
附图说明
图1是本发明一个实施例的多翼离心风机的立体结构示意图；
图2是本发明一个实施例的带涡流发生器的蜗壳的涡流发生器的安装结构示意图；
图3是本发明一个实施例的带涡流发生器的蜗壳的涡流发生器的立体结构示意图；
图4是本发明一个实施例的带涡流发生器的蜗壳的涡流发生器的线框结构示意图；
图5是本发明一个实施例的带涡流发生器的蜗壳的涡流发生器的安装位置示意图；
图6是本发明一个实施例的带涡流发生器的蜗壳的涡流发生器的型线示意图；
图7是本发明一个实施例的带涡流发生器的蜗壳的涡流发生器的截面型线控制示意图；
图8是本发明一个实施例的带涡流发生器的蜗壳的涡流发生器的高度控制示意图；
附图中：蜗壳10、围板1、蜗舌11、出风围板12、蜗壳围板13、侧板2、出风口3、涡流发生器4、左边线41、右边线42、前缘43、尾缘44、离心叶轮20。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上。
如图1至图4所示，一种带涡流发生器的蜗壳，包括围板1以及设置于所述围板1的左右两侧的侧板2，所述围板1包括蜗舌11、出风围板12以及连接于所述蜗舌11和所述出风围板12之间的蜗壳围板13，所述出风围板12位于所述蜗舌11的下方，所述蜗舌11、所述出风围板12与左右两侧的所述侧板2围合形成出风口3；
所述出风围板12于所述出风口3处设置有多个涡流发生器4，多个所述涡流发生器4沿所述蜗壳10的宽度方向间隔排列设置于所述出风围板12的内壁面，且相邻两个所述涡流发生器4的间距相同，所述涡流发生器4的前端面与所述出风围板12的前端面相平齐；
所述涡流发生器4呈流线型设置，所述涡流发生器4的宽度沿所述涡流发生器4的长度方向均匀线性变化，所述涡流发生器4的左端设有左边线41，所述涡流发生器4的右端设有右边线42，所述左边线41和所述右边线42分别与所述出风围板12的内壁面相切，所述左边线41和所述右边线42分别呈直线；
所述涡流发生器4的上端面的前端中部设有前缘43，所述涡流发生器4的上端面的后端中部设有尾缘44，所述前缘43和所述尾缘44分别与所述出风围板12相平行。
通过设置多个所述涡流发生器4，所述涡流发生器4能够有效抑制所述蜗壳10的出风口3处的二次流，相邻两个所述涡流发生器4的间距相同，对气流分离的抑制作用更均匀；由于所述涡流发生器4呈流线型设置，所述涡流发生器4的宽度沿所述涡流发生器4的长度方向均匀线性变化，所述左边线41和所述右边线42分别呈直线，且所述左边线41和所述右边线42分别与所述出风围板12的内壁面相切，使得所述涡流发生器4与所述出风围板12更贴合，且更符合流线型的空气动力学造型，避免气流沿所述涡流发生器4的左边线41和右边线42流动时发生分离，可以有效抑制所述出风口3处的二次流；所述前缘43和所述尾缘44分别与所述出风围板12相平行，气动性能更优。
此外，由于所述所述涡流发生器4设置于所述出风围板12对应所述出风口3处，所述涡流发生器4的前端面与所述出风围板12的前端面相平齐，安装于所述出风口3处，能够避免安装在蜗壳流道内易产生啸叫的工程问题，且在所述出风口3处易于进行工程安装，节约成本。
所述带涡流发生器4的蜗壳10，涡流发生器4与蜗壳10的贴合性好，符合流线型的空气动力学造型，有效抑制蜗壳10的出风口3处的二次流，解决了现有蜗壳中气流流动时容易发生分离，容易产生二次流的问题。
如图5所示，优选地，所述涡流发生器4的数量为6～12个。
通过进一步优选设置所述涡流发生器4的数量，如果所述涡流发生器4的数量太少，则会影响所述涡流发生器4对气流分离的抑制作用，如果所述涡流发生器4的数量过多，则会导致气流的流通面积减少，进而使得气流的流量减小，影响了出风流量，从而影响了蜗壳10的使用效果。
更进一步说明，相邻两个所述涡流发生器4的间距满足以下公式：
S＝B/(N+1)；
其中，S为相邻两个所述涡流发生器4的间距，B为所述蜗壳的宽度，N为所述涡流发生器4的数量。
相邻两个所述涡流发生器4的间距与所述涡流发生器4的数量以及所述蜗壳10的宽度相关，通过设置相邻两个所述涡流发生器4的间距满足以上公式，既能实现快速高效的参数设计，也能迅速根据实际工况调节所述涡流发生器4的数量。
如图6所示，更进一步说明，所述涡流发生器4的截面几何形状通过以下函数控制：
Figure BDA0003970877510000071
其中，x表征z长度位置处型线的x坐标，y表征z长度位置处型线的y坐标，Hz为z长度位置处的所述涡流发生器4的高度H，Tz为z长度位置处的所述涡流发生器4的宽度T，N1和N2均为几何控制因子，N1取2.0～7.0，N2取2.0～7.0，且N1＝N2。
如图7所示，N1和N2的取值不同，所述涡流发生器4的截面几何形状不同。通过上述公式可以严格保证所述涡流发生器4的左边线41和右边线42分别与所述出风围板12的内壁面相切，有效避免所述涡流发生器4的边线结构(左边线41和右边线42)由于没有与所述出风围板12的内壁面相切而对气动性能产生负面影响。在本实施例中，通过限定N1＝N2，能够控制所述涡流发生器4的几何截面对称，使得气流在通过所述涡流发生器4时的气动稳定性好。
更进一步说明，所述涡流发生器4的高度系数和宽度系数满足以下公式：
ε＝H/L ；
λ＝(Ts-Te)/L ；
其中，ε为高度系数，H为所述涡流发生器4的最大高度，L为所述涡流发生器4的长度，λ为宽度系数，Ts为所述涡流发生器4的前端的宽度，Te为所述涡流发生器4的后端的宽度，其中L取25～60mm，ε取0.1～0.5,λ取0.05～0.15。
通过设置所述涡流发生器4的高度系数和宽度系数，所述高度系数和所述宽度系数将所述涡流发生器4的尺寸进行无量纲化处理，便于对不同尺寸进行相似换算设计。
更进一步说明，所述涡流发生器4的宽度满足以下公式：
Tz＝Te+λ(L-z)；
其中，Tz为z长度位置处的所述涡流发生器4的宽度T，Te为所述涡流发生器4的后端的宽度，λ为宽度系数，L为所述涡流发生器4的长度，且0≤z≤L。
所述涡流发生器4的宽度满足上述公式时，所述涡流发生器4的宽度沿长度z方向均匀线性变化，使得所述的涡流发生器4的左边线41和右边线42分别呈直线，能够避免气流沿所述涡流发生器4的左边线41和右边线42流动时发生分离，可以有效抑制所述出风口3处的二次流。
如图8所示，更进一步说明，所述涡流发生器4的高度通过单位长度的五控制点3阶B样条曲线控制，其中，控制点P1与P2的连线和控制点P4与P5的连线保持水平，控制点P2、P3和P4共线，线段P1P2的长度为Ls，线段P4P5的长度为Le，P5与横轴之间的距离为δ，其中δ＝ε，Ls＝0.2～0.4，Le＝0.1～0.4。
需要说明的是，P5与横轴之间的距离δ等于高度系数ε，由于控制点P1与P2的连线和控制点P4与P5的连线保持水平，根据B样条的切矢特性，保证所述涡流发生器4与所述出风围板12的内壁面相贴合，五控制点3阶B样条曲线可以保证所述涡流发生器4的前缘43和尾缘44分别与所述出风围板12的曲面相平行，所述涡流发生器4的前缘43也可以保证与所述出风围板12完全贴合，气动性能更优。
一种多翼离心风机，使用所述的带涡流发生器4的蜗壳10，包括蜗壳10和离心叶轮20，所述离心叶轮20设置于所述蜗壳10内，所述涡流发生器4沿所述离心叶轮20的轴向间隔排列于所述出风围板12的内壁面。
通过在所述多翼离心风机的蜗壳10设置多个所述涡流发生器4，所述涡流发生器4能够有效抑制所述蜗壳10的出风口3处的二次流，进而抑制所述多翼离心风机的失速，提高风机的安全工作裕度。
实施例1
本实例中带涡流发生器的多翼离心风机，叶轮外径为330mm，内径为268mm，叶片数为69，蜗壳的宽度为234mm，设计静压为400Pa，设计转速为四级电机标准转速1450rpm。设置涡流发生器的个数为11，涡流发生器长度L取40mm，高度系数ε取0.2，宽度系数λ取0.1，几何控制因子N1＝N2＝3.0，线段P1P2长度Ls＝0.3，线段P4P5的长度为Le＝0.3。
实施例2
本实例中带涡流发生器的多翼离心风机，叶轮外径为330mm，内径为268mm，叶片数为69，蜗壳的宽度为234mm，设计静压为400Pa，设计转速为四级电机标准转速1450rpm。设置涡流发生器的个数为9，涡流发生器长度L取50mm，高度系数ε取0.2，宽度系数λ取0.08，几何控制因子N1＝N2＝5.0，线段P1P2长度Ls＝0.3，线段P4P5的长度为Le＝0.3。
实施例3
本实例中带涡流发生器的多翼离心风机，叶轮外径为330mm，内径为268mm，叶片数为69，蜗壳的宽度为234mm，设计静压为400Pa，设计转速为四级电机标准转速1450rpm。设置涡流发生器的个数为7，涡流发生器长度L取60mm，高度系数ε取0.3，宽度系数λ取0.06，几何控制因子N1＝N2＝7.0，线段P1P2长度Ls＝0.3，线段P4P5的长度为Le＝0.3。
对比例1
本对比例中带涡流发生器的多翼离心风机，叶轮外径为330mm，内径为268mm，叶片数为69，蜗壳的宽度为234mm，设计静压为400Pa，设计转速为四级电机标准转速1450rpm，没有设置涡流发生器。
对实施例1～3以及无涡流发生器的对比例1用现有的测试方法进行风量、全压、全压效率和噪声的测试，测试结果如下表所示：
表1实施例1～3和对比例1的测试结果
Figure BDA0003970877510000111
在原有风机蜗壳的基础上加涡流发生器，经过实验测试发现，会使得风机流量增大，全压与全压效率也增大，噪声降低0.4～1.3dB(见表1)，而且随着涡流发生器的数量减少，涡流发生器的高度增大，性能提升的越明显。这是由于在风机出口处增加涡流发生器结构，改善了风机出口流动的轴向不平衡，进而提高了风机出口压力系数。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带涡流发生器的蜗壳，其特征在于，包括围板以及设置于所述围板的左右两侧的侧板，所述围板包括蜗舌、出风围板以及连接于所述蜗舌和所述出风围板之间的蜗壳围板，所述出风围板位于所述蜗舌的下方，所述蜗舌、所述出风围板与左右两侧的所述侧板围合形成出风口；
所述出风围板于所述出风口处设置有多个涡流发生器，多个所述涡流发生器沿所述蜗壳的宽度方向间隔排列设置于所述出风围板的内壁面，且相邻两个所述涡流发生器的间距相同，所述涡流发生器的前端面与所述出风围板的前端面相平齐；
所述涡流发生器呈流线型设置，所述涡流发生器的宽度沿所述涡流发生器的长度方向均匀线性变化，所述涡流发生器的左端设有左边线，所述涡流发生器的右端设有右边线，所述左边线和所述右边线分别与所述出风围板的内壁面相切，所述左边线和所述右边线分别呈直线；
所述涡流发生器的上端面的前端中部设有前缘，所述涡流发生器的上端面的后端中部设有尾缘，所述前缘和所述尾缘分别与所述出风围板相平行；
所述涡流发生器的截面几何形状通过以下函数控制：
Figure QLYQS_1
；
其中，x表征z长度位置处型线的x坐标，y表征z长度位置处型线的y坐标，H z 为z长度位置处的所述涡流发生器的高度H，T z 为z长度位置处的所述涡流发生器的宽度T，N 1 和N 2 均为几何控制因子，N 1 取2.0～7.0，N 2 取2.0～7.0，且N 1 = N 2 。
2.根据权利要求1所述的带涡流发生器的蜗壳，其特征在于，所述涡流发生器的数量为6～12个。
3.根据权利要求1所述的带涡流发生器的蜗壳，其特征在于，相邻两个所述涡流发生器的间距满足以下公式：
Figure QLYQS_2
；
其中，S为相邻两个所述涡流发生器的间距，B为所述蜗壳的宽度，N为所述涡流发生器的数量。
4.根据权利要求1所述的带涡流发生器的蜗壳，其特征在于，所述涡流发生器的高度系数和宽度系数满足以下公式：
Figure QLYQS_3
；
Figure QLYQS_4
；
其中，ε为高度系数，H为所述涡流发生器的最大高度，L为所述涡流发生器的长度，λ为宽度系数，T s 为所述涡流发生器的前端的宽度，T e 为所述涡流发生器的后端的宽度，其中L取25～60mm，ε取0.1～0.5，λ取0.05～0.15。
5.根据权利要求4所述的带涡流发生器的蜗壳，其特征在于，所述涡流发生器的宽度满足以下公式：
Figure QLYQS_5
；
其中，T z 为z长度位置处的所述涡流发生器的宽度T，T e 为所述涡流发生器的后端的宽度，λ为宽度系数，L为所述涡流发生器的长度，且0≤z≤L。
6.根据权利要求1所述的带涡流发生器的蜗壳，其特征在于，所述涡流发生器的高度通过单位长度的五控制点3阶B样条曲线控制，其中，控制点P1与P2的连线和控制点P4与P5的连线保持水平，控制点P2、P3和P4共线，线段P1P2的长度为L s ，线段P4P5的长度为L e ，P5与横轴之间的距离为δ，其中δ=ε，L s =0.2～0.4，L e =0.1～0.4。
7.一种多翼离心风机，其特征在于，包括蜗壳和离心叶轮，所述蜗壳为权利要求1～6任意一项所述的带涡流发生器的蜗壳，所述离心叶轮设置于所述蜗壳内，所述涡流发生器沿所述离心叶轮的轴向间隔排列于所述出风围板的内壁面。
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