CN117094181A - 一种非等厚度扭曲后向离心风机及其设计方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离心风机技术领域，尤其涉及一种非等厚度扭曲后向离心风机及其设计方法和装置，包括根据叶轮基本参数，通过多点控制法分别控制叶轮的轮盖型线和轮盘型线，沿垂直于旋转轴的方向截取数个叶高轴向截面，并通过保角变换转换为二维矩形平面；在每个二维矩形平面上设计中弧线和厚度分布，得到每个二维矩形平面对应的叶型；将设计的各叶型通过二维的平面坐标系转换回二维的截面坐标系，得到叶轮的设计参数；在坐标系下，通过多点控制法按照渐阔流道的方式设计蜗壳型线，得到蜗壳的设计参数。本发明便捷地做到参数可调，以减少了人工误差并提高了设计效率，同时能够有效地提高风机性能，具有非常大的应用价值。

Description

一种非等厚度扭曲后向离心风机及其设计方法和装置

技术领域

本发明涉及离心风机技术领域，尤其涉及一种非等厚度扭曲后向离心风机及其设计方法和装置。

背景技术

随着生活水平的提高，扫地机器人因为操作简单及使用方便的优点越来越多地走入了人们生活，并和家庭、办公紧密联系在了一起，成为了小家电中重要的一员，深受欢迎。而在扫地机器人中，发挥主要作用的是其内部的高速离心风机，而随着人民生活水平和健康意识的大幅提升，高速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。

在传统扫地机器人风机的叶轮设计中，通常根据设计的二维叶型轴向拉伸一定高度，但风机内部是复杂的三维流动，因此叶轮的型线应是一个复杂的三维空间曲线。因此大多数扫地机器人离心风机采用原始的设计方法，效率比较低，噪音较高。在运行过程中耗能大，影响周围环境，大大浪费能源，不利于可持续发展。

发明内容

本发明的目的在于提出一种非等厚度扭曲后向离心风机及其设计方法和装置，便捷地做到参数可调，以减少了人工误差并提高了设计效率，同时能够有效地提高风机性能，具有非常大的应用价值。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据非等厚度扭曲后向离心风机的旋转轴确定z轴和轴心O，并分别沿相互垂直于z轴的两个方向分别定义x轴和y轴，形成三维笛卡尔坐标系；

S2、根据非等厚度扭曲后向离心风机的安装尺寸确定叶轮进口半径和叶轮出口半径，根据给定的电机尺寸确定轮盘根部半径；并限定叶轮进口半径、叶轮出口半径和轮盘根部半径之间的尺寸关系；

S3、根据非等厚度扭曲后向离心风机的通流能力确定叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离；并限定叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离之间的尺寸关系；

S4、根据叶轮进口半径、叶轮出口半径、轮盘根部半径、叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离，在坐标系的平面上，通过多点控制法分别控制叶轮的轮盖型线和轮盘型线，以绘制叶轮的轮盖和轮盘在子午面的型线；

S5、根据叶轮的轮盖型线的起始点确定叶片入口边，以将叶轮的轮盖型线及轮盘型线之间的区域划分为进口域和叶轮域；

S6、在叶轮域形成数个叶高，在坐标系上，沿垂直于旋转轴的方向截取数个叶高轴向截面；

S7、将截取的数个叶高轴向截面通过保角变换转换为二维矩形平面，将坐标系由二维的坐标系变换成二维的坐标系；

S8、在平面坐标系下，获取叶型安装角，根据叶型扭转规律寻找出需设计的叶高；

S9、在每个需设计的叶高对应的二维矩形平面上设计中弧线和厚度分布，得到每个二维矩形平面对应的叶型；

S10、将设计的各叶型通过二维的平面坐标系转换回二维的截面坐标系，得到叶轮的设计参数；

S11、在坐标系下，通过多点控制法按照渐阔流道的方式设计蜗壳型线，得到蜗壳的设计参数。

优选的，在S2中，所述叶轮进口半径、叶轮出口半径和轮盘根部半径之间的尺寸关系，具体限定为：及。

优选的，在S3中，所述叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离之间的尺寸关系，具体限定为：、及。

优选的，在S4中，所述在坐标系的平面上，通过多点控制法分别控制叶轮的轮盖型线和轮盘型线，以绘制叶轮的轮盖和轮盘在子午面的型线；具体为：

所述轮盖型线为一条五控制点的3次B样条曲线；所述轮盖型线的控制点分别为，其中线段保持水平，线段保持垂直，记线段的长度为，线段的长度为；

所述轮盘型线为一条直线和一条五控制点的3次B样条曲线；所述轮盘型线的控制点分别为，其中线段保持水平，线段保持垂直，线段保持垂直，记线段的长度为，线段的长度为，线段的长度为；

在坐标系的平面上，控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（ )/2）。

优选的，在S7中，所述将截取的数个叶高轴向截面通过保角变换转换为二维矩形平面，将坐标系由二维的坐标系变换成二维的坐标系；具体包括以下转换过程：

S71、在截面坐标系上，所述叶高轴向截面由内圆和外圆组成，所述内圆和外圆为以z轴为中心的同轴圆，所述内圆半径为叶轮进口半径，所述外圆半径为叶轮出口半径；其中；

S72、将坐标系由二维的截面坐标系变换成二维的平面坐标系，其转换公式为：

；

；

S73、经上述转换公式转换后，所述叶高轴向截面转换为二维矩形平面，所述内圆的弧长转换为所述二维矩形平面的下边，所述外圆的弧长转换为所述二维矩形平面的上边，定义所述二维矩形平面的下边为进口额线，定义所述二维矩形平面的上边为出口额线；

S74、平面坐标系上，所述进口额线的纵坐标值为，所述出口额线的纵坐标值为，所述二维矩形平面的长度为及宽度为。

优选的，在S8中，所述在平面坐标系下，获取叶型安装角，根据叶型扭转规律寻找出需设计的叶高；具体包括以下步骤：

以叶根截面安装角、叶中截面安装角和叶顶截面安装角的变量值为基准，拟合出叶型安装角的二次函数：

，其中；

=0.0，其中35° 40°；

=0.5，其中40° 45°

=1.0，其中45° 50°

其中，为相对叶高，为轮盘轴向位置；为叶型轴向位置。

优选的，在S9中，所述在每个需设计的叶高对应的二维矩形平面上设计中弧线和厚度分布，得到每个二维矩形平面对应的叶型；具体包括：

S91、设计一条与进口额线的距离为的水平线，定义为进口基准线；设计一条与出口额线的距离为的水平线，定义为出口基准线；其中；

S92、设计中弧线：

中弧线包括前缘点、尾缘点和弦线，前缘点位于进口基准线，尾缘点位于出口基准线，弦线为前缘点和尾缘点的连接线；

定义弦线的长度为叶型弦长，弦线与进口额线的夹角为叶型安装角，中弧线在前缘点的切线与进口额线的夹角为几何进口角，中弧线在尾缘点的切线与出口额线的夹角为几何出口角；

限定叶型弦长、叶型安装角、几何进口角和几何出口角的关系：

；

、；

；

根据单个中弧线建立坐标系，将单位中弧线经过旋转、放大、平移处理：

；

；

其中 、 分别为单位中弧线的坐标，单位中弧线的方程为：

；

其中，；

S93、设计厚度分布曲线：

根据单个厚度分布曲线进行叶型-厚度设计，设计一条3控制点的二阶B样条曲线，3控制点的二阶B样条曲线的控制点分别为的点坐标为,的点坐标为，的点坐标为，定义 、 ，限定，， ；

根据控制点确定最大相对厚度位置，最大相对厚度位置的点坐标为，定义为最大相对厚度，形成厚度分布曲线；

S94、采用中弧线叠加厚度分布的方式生成叶型：

叶型的前缘厚度为，叶型的后缘厚度为。

优选的，在S11中，所述在坐标系下，通过多点控制法按照渐阔流道的方式设计蜗壳型线，得到蜗壳的设计参数，具体包括：

S111、在坐标系下，根据轴心，确定四个方位点四个方位点分别与轴心的距离为，并限定、、和；

S112、根据方位点，绘制蜗壳出口子型线：

首先，以方位点为起点，设计一条倾斜角为的线段，；

接着，过点设计一条长度为的水平线段，其中定义线段为蜗壳出口宽度，且限定蜗壳出口宽度=；

最后，过点设计一条倾斜角为的线段，点与点的竖直距离为；

S113、根据四个方位点，绘制蜗壳主体子型线：

蜗壳主体子型线由13个依次相连的控制点、、、、、、、、、 组成，其中13个控制点的关系如下：

所述控制点和为四控制点的三阶样条曲线，且控制点与方位点重合，控制点位于方位点的左侧，线段与线段共线；

所述控制点为直线，定义∠为，∠为；

所述控制点和为四控制点的三阶样条曲线；

所述控制点为直线，定义∠为，∠为；

所述控制点和为四控制点的三阶样条曲线；

所述控制点为直线；

S114、根据控制点绘制蜗舌结构子型线：

蜗舌结构子型线由四个依次相连的控制点、、组成。

一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计装置，用于执行如上述所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，包括：

坐标建立模块，用于根据非等厚度扭曲后向离心风机的旋转轴确定z轴和轴心O，并分别沿相互垂直于z轴的两个方向分别定义x轴和y轴，形成三维笛卡尔坐标系；

第一限定模块，用于限定叶轮进口半径、叶轮出口半径和轮盘根部半径之间的尺寸关系；

第二限定模块，用于限定叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离之间的尺寸关系；

型线绘制模块，用于根据叶轮进口半径、叶轮出口半径、轮盘根部半径、叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离，在坐标系的平面上，通过多点控制法分别控制叶轮的轮盖型线和轮盘型线，以绘制叶轮的轮盖和轮盘在子午面的型线；

区域划分模块，用于根据叶轮的轮盖型线的起始点确定叶片入口边，以将叶轮的轮盖型线及轮盘型线之间的区域划分为进口域和叶轮域；

截面截取模块，用于在叶轮域形成数个叶高，在坐标系上，沿垂直于旋转轴的方向截取数个叶高轴向截面；

坐标系转换模块，用于将截取的数个叶高轴向截面通过保角变换转换为二维矩形平面，将坐标系由二维的坐标系变换成二维的坐标系；

叶型扭转规律模块，用于在平面坐标系下，获取叶型安装角，根据叶型扭转规律寻找出需设计的叶高；

叶型设计模块，用于在每个需设计的叶高对应的二维矩形平面上设计中弧线和厚度分布，得到每个二维矩形平面对应的叶型；

叶轮获取模块，用于将设计的各叶型通过二维的平面坐标系转换回二维的截面坐标系，得到叶轮的设计参数；

蜗壳获取模块，用于在坐标系下，通过多点控制法按照渐阔流道的方式设计蜗壳型线，得到蜗壳的设计参数。

一种非等厚度扭曲后向离心风机，使用如上述所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法设计得到，包括蜗壳和叶轮，所述叶轮安装于所述蜗壳的内部，所述蜗壳设有进口和出口；

所述叶轮包括轮盖、轮盘以及设置于轮盖与轮盘之间的若干叶片，且所述若干叶片在所述轮盖和轮盘之间的叶轮域沿旋转轴的周向均匀分布。

上述技术方案中的一个技术方案具有以下有益效果：减少了人工误差并提高了设计效率，便捷地做到参数可调，此外基于基元级概念的三元设计方法设计出流量大、噪音低、抗压性强的高速离心风机，能够有效地提高风机性能，具有非常大的应用价值。

附图说明

图1是本发明在一种非等厚度扭曲后向离心风机的结构示意图；

图2是本发明在一种非等厚度扭曲后向离心风机的爆炸示意图；

图3是本发明在一种非等厚度扭曲后向离心风机设计方法的子午面示意图；

图4是本发明在一种非等厚度扭曲后向离心风机设计方法的子午面型线设计示意图；

图5是本发明在一种非等厚度扭曲后向离心风机设计方法的坐标变换示意图；

图6是本发明在一种非等厚度扭曲后向离心风机设计方法的中弧线设计示意图；

图7是本发明在一种非等厚度扭曲后向离心风机设计方法的厚度分布设计示意图；

图8是本发明在一种非等厚度扭曲后向离心风机设计方法的叶型几何示意图；

图9是本发明在一种非等厚度扭曲后向离心风机设计方法的叶型几何坐标变换示意图；

图10是本发明在一种非等厚度扭曲后向离心风机设计方法的蜗壳型线设计示意图；

图11是本发明在一种非等厚度扭曲后向离心风机设计方法的蜗舌结构设计示意图；

图12是实施例1的性能曲线图；

图13是实施例2的性能曲线图；

附图中：蜗壳1、叶轮2、进口11、出口12、轮盖21、轮盘22、叶片23。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-13所示，一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据非等厚度扭曲后向离心风机的旋转轴确定z轴和轴心O，并分别沿相互垂直于z轴的两个方向分别定义x轴和y轴，形成三维笛卡尔坐标系；

S2、根据非等厚度扭曲后向离心风机的安装尺寸确定叶轮进口半径和叶轮出口半径，根据给定的电机尺寸确定轮盘根部半径；并限定叶轮进口半径、叶轮出口半径和轮盘根部半径之间的尺寸关系；

S3、根据非等厚度扭曲后向离心风机的通流能力确定叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离；并限定叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离之间的尺寸关系

S4、根据叶轮进口半径、叶轮出口半径、轮盘根部半径、叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离，在坐标系的平面上，通过多点控制法分别控制叶轮的轮盖型线和轮盘型线，以绘制叶轮的轮盖和轮盘在子午面的型线；

S5、根据叶轮的轮盖型线的起始点确定叶片入口边，以将叶轮的轮盖型线及轮盘型线之间的区域划分为进口域和叶轮域；

S6、在叶轮域形成数个叶高，在坐标系上，沿垂直于旋转轴的方向截取数个叶高轴向截面；

S7、将截取的数个叶高轴向截面通过保角变换转换为二维矩形平面，将坐标系由二维的坐标系变换成二维的坐标系；

S8、在平面坐标系下，获取叶型安装角，根据叶型扭转规律寻找出需设计的叶高；

S9、在每个需设计的叶高对应的二维矩形平面上设计中弧线和厚度分布，得到每个二维矩形平面对应的叶型；

S10、将设计的各叶型通过二维的平面坐标系转换回二维的截面坐标系，得到叶轮的设计参数；

S11、在坐标系下，通过多点控制法按照渐阔流道的方式设计蜗壳型线，得到蜗壳的设计参数。

本发明基于非等厚度扭曲后向离心风机的基本参数进行扫地机器人专用的非等厚度扭曲后向离心风机的叶轮、蜗壳快速成型设计，其中叶轮通过坐标变换将复杂的圆形坐标转化成简单的矩形坐标，在平面的矩形坐标的设计算法更加简单，设计变量更加直观，几何参数如叶型安装角等更加明确，消耗时间短，从而加快了叶轮的生成速度。

综上，本发明的设计方法减少了人工误差并提高了设计效率，便捷地做到参数可调，此外基于基元级概念的三元设计方法设计出流量大、噪音低、抗压性强的高速离心风机，能够有效地提高风机性能，具有非常大的应用价值。

更进一步的说明，在S2中，所述叶轮进口半径、叶轮出口半径和轮盘根部半径之间的尺寸关系，具体限定为：及。

在本实施例中，上述限定能够保证进口处足够的通流面积和叶轮足够的做功能力。

更进一步的说明，在S3中，所述叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离之间的尺寸关系，具体限定为：、及。

在本实施例中，上述限定能够保证气体在进入叶轮后、进入叶片区前，有足够的整流空间。

更进一步的说明，在S4中，所述在坐标系的平面上，通过多点控制法分别控制叶轮的轮盖型线和轮盘型线，以绘制叶轮的轮盖和轮盘在子午面的型线；具体为：

所述轮盖型线为一条五控制点的3次B样条曲线；所述轮盖型线的控制点分别为，其中线段保持水平，线段保持垂直，记线段的长度为，线段的长度为；

所述轮盘型线为一条直线和一条五控制点的3次B样条曲线；所述轮盘型线的控制点分别为，其中线段保持水平，线段保持垂直，线段保持垂直，记线段的长度为，线段的长度为，线段的长度为；

在坐标系的平面上，控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（)/2）。

更进一步的说明，在S7中，所述将截取的数个叶高轴向截面通过保角变换转换为二维矩形平面，将坐标系由二维的坐标系变换成二维的坐标系；具体包括以下转换过程：

S71、在截面坐标系上，所述叶高轴向截面由内圆和外圆组成，所述内圆和外圆为以z轴为中心的同轴圆，所述内圆半径为叶轮进口半径，所述外圆半径为叶轮出口半径；其中；

S72、将坐标系由二维的截面坐标系变换成二维的平面坐标系，其转换公式为：

；

；

S73、经上述转换公式转换后，所述叶高轴向截面转换为二维矩形平面，所述内圆的弧长转换为所述二维矩形平面的下边，所述外圆的弧长转换为所述二维矩形平面的上边，定义所述二维矩形平面的下边为进口额线，定义所述二维矩形平面的上边为出口额线；

S74、平面坐标系上，所述进口额线的纵坐标值为，述出口额线的纵坐标值为，所述二维矩形平面的长度为及宽度为。

在不同的叶高轴向截面上设计二维叶型，将叶高轴向截面展开为矩形平面，通过保角变换将极坐标系变换成平面直角坐标系，在平面的矩形坐标的设计算法更加简单，设计变量更加直观。

更进一步的说明，在S8中，所述在平面坐标系下，获取叶型安装角，根据叶型扭转规律寻找出需设计的叶高；具体包括以下步骤：

以叶根截面安装角、叶中截面安装角和叶顶截面安装角的变量值为基准，拟合出叶型安装角的二次函数：

；

=0.0，其中35° 40°

=0.5，其中40° 45°

=1.0，其中45° 50°

其中，为相对叶高，为轮盘轴向位置；为叶型轴向位置。

以叶型安装角为例，以往需采用6个叶高轴向截面分别设计叶型，若每个叶型设计变量独立，则需要6个设计变量。若让叶型安装角满足一定的函数关系变化，则可以减小设计变量个数。因此，在本实施例中采用二次函数变化，只需要3个设计变量，将原来的设计变量减少了一半，提高了设计效率与优化效率。

更进一步的说明，在S9中，所述在每个需设计的叶高对应的二维矩形平面上设计中弧线和厚度分布，得到每个二维矩形平面对应的叶型；具体包括：

S91、设计一条与进口额线的距离为的水平线，定义为进口基准线；设计一条与出口额线的距离为的水平线，定义为出口基准线；其中；

S92、设计中弧线：

中弧线包括前缘点、尾缘点和弦线，前缘点位于进口基准线，尾缘点位于出口基准线，弦线为前缘点和尾缘点的连接线；

定义弦线的长度为叶型弦长，弦线与进口额线的夹角为叶型安装角，中弧线在前缘点的切线与进口额线的夹角为几何进口角，中弧线在尾缘点的切线与出口额线的夹角为几何出口角；

限定叶型弦长、叶型安装角、几何进口角和几何出口角的关系：

；

、；

；

根据单个中弧线建立坐标系，将单位中弧线经过旋转、放大、平移处理：

；

；

其中 、 分别为单位中弧线的坐标，单位中弧线的方程为：

；

其中 , ；

S93、设计厚度分布曲线：

根据单个厚度分布曲线进行叶型-厚度设计，设计一条3控制点的二阶B样条曲线，3控制点的二阶B样条曲线的控制点分别为 的点坐标为,的点坐标为,的点坐标为，定义 、 ，限定，，，其中叶型相对厚度；

根据控制点确定最大相对厚度位置，最大相对厚度位置的点坐标为，定义为最大相对厚度，形成厚度分布曲线；

S94、采用中弧线叠加厚度分布的方式生成叶型：

叶型的前缘厚度为，叶型的后缘厚度为。

对于小型后向离心风机，叶型阻力造成的流动损失占主导因素，因此在本实施例中，采用中弧线叠加厚度分布的方法生成二维叶型，使得叶型厚度分布方式几何意义明确，而且能够通过调整最大厚度的位置，控制叶型的重心位置。同时通过上述限定设计前缘和尾缘两处薄、中间厚的叶型，能够有效减小叶型阻力，既可以降低功率、提高效率，同时增强了风叶的做功能力，即提高风叶抗压能力。

更进一步的说明，在S11中，所述在坐标系下，通过多点控制法按照渐阔流道的方式设计蜗壳型线，得到蜗壳的设计参数，具体包括：

S111、在坐标系下，根据轴心，确定四个方位点四个方位点分别与轴心的距离为，并限定、、和；

S112、根据方位点，绘制蜗壳出口子型线：

首先，以方位点为起点，设计一条倾斜角为的线段，；

接着，过点设计一条长度为的水平线段，其中定义线段为蜗壳出口宽度，且限定蜗壳出口宽度=；

最后，过点设计一条倾斜角为的线段，点与点的竖直距离为；

S113、根据四个方位点 ，绘制蜗壳主体子型线：

蜗壳主体子型线由13个依次相连的控制点、、、、、、、、、组成，其中13个控制点的关系如下：

所述控制点和为四控制点的三阶样条曲线，且控制点与方位点重合，控制点位于方位点的左侧，线段与线段共线；

所述控制点为直线，定义∠为，∠为；

所述控制点和为四控制点的三阶样条曲线；

所述控制点为直线，定义∠为，∠为；

所述控制点和为四控制点的三阶样条曲线；

所述控制点为直线；

S114、根据控制点，绘制蜗舌结构子型线：

蜗舌结构子型线由四个依次相连的控制点、、组成。

在本实施例中，所述蜗壳型线由蜗壳出口子型线、蜗壳主体子型线和蜗舌结构子型线组成，根据上述设计方法进行蜗壳的匹配设计后进行扩压，将叶轮产生的动压一部分转换为静压以获得较高的真空度满足扫地机高真空度的需求。

一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计装置，用于执行如上述所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，包括：

坐标建立模块，用于根据非等厚度扭曲后向离心风机的旋转轴确定z轴和轴心O，并分别沿相互垂直于z轴的两个方向分别定义x轴和y轴，形成三维笛卡尔坐标系；

第一限定模块，用于限定叶轮进口半径、叶轮出口半径和轮盘根部半径之间的尺寸关系；

第二限定模块，用于限定叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离之间的尺寸关系；

型线绘制模块，用于根据叶轮进口半径、叶轮出口半径、轮盘根部半径、叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离，在坐标系的平面上，通过多点控制法分别控制叶轮的轮盖型线和轮盘型线，以绘制叶轮的轮盖和轮盘在子午面的型线；

区域划分模块，用于根据叶轮的轮盖型线的起始点确定叶片入口边，以将叶轮的轮盖型线及轮盘型线之间的区域划分为进口域和叶轮域；

截面截取模块，用于在叶轮域形成数个叶高，在坐标系上，沿垂直于旋转轴的方向截取数个叶高轴向截面；

坐标系转换模块，用于将截取的数个叶高轴向截面通过保角变换转换为二维矩形平面，将坐标系由二维的坐标系变换成二维的坐标系；

叶型扭转规律模块，用于在平面坐标系下，获取叶型安装角，根据叶型扭转规律寻找出需设计的叶高；

叶型设计模块，用于在每个需设计的叶高对应的二维矩形平面上设计中弧线和厚度分布，得到每个二维矩形平面对应的叶型；

叶轮获取模块，用于将设计的各叶型通过二维的平面坐标系转换回二维的截面坐标系，得到叶轮的设计参数；

蜗壳获取模块，用于在坐标系下，通过多点控制法按照渐阔流道的方式设计蜗壳型线，得到蜗壳的设计参数。

一种非等厚度扭曲后向离心风机，使用如上述所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法设计得到，包括蜗壳1和叶轮2，所述叶轮2安装于所述蜗壳1的内部，所述蜗壳1设有进口11和出口12；

所述叶轮2包括轮盖21、轮盘22以及设置于轮盖21与轮盘22之间的若干叶片23，且所述若干叶片23在所述轮盖21和轮盘22之间的叶轮域沿旋转轴的周向均匀分布。

为了更进一步说明本发明的性能效果，提供以下两种实施例和对应的性能曲线。

实施例一

叶轮进口半径，叶轮出口半径，轮盘根部半径=5mm，叶轮出口宽度，叶轮整体高度11.2mm，叶轮进口距轮盖底端的距离；当 =0.0， 36°，当 =0.5，其中 42°，当 =1.0，其中 46°。采用外转子无刷直流电机，电机设计转速为37000rpm。二维叶型参数为，，，，。

实施例二

叶轮进口半径，叶轮出口半径，轮盘根部半径=3mm，叶轮出口宽度，叶轮整体高度7mm，叶轮进口距轮盖底端的距离；当 =0.0， 39°，当 =0.5，其中 44°，当 =1.0，其中 49°。采用外转子无刷直流电机，电机设计转速为37000rpm。二维叶型参数为，，，，。

需要说明的是，对比例1和2为相同叶轮尺寸下，叶型等厚未扭曲的离心风机，通过对比对比例1和实施例1，以及对比例2与实施例2的数值模拟结果，如表1所示，实施例1和2通过改变叶型厚度分布与扭曲规律，大幅度地提高了风机的风量，有效提高风机效率。

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，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据非等厚度扭曲后向离心风机的旋转轴确定z轴和轴心O，并分别沿相互垂直于z轴的两个方向分别定义x轴和y轴，形成三维笛卡尔坐标系；

S2、根据非等厚度扭曲后向离心风机的安装尺寸确定叶轮进口半径和叶轮出口半径，根据给定的电机尺寸确定轮盘根部半径；并限定叶轮进口半径、叶轮出口半径和轮盘根部半径之间的尺寸关系；

S3、根据非等厚度扭曲后向离心风机的通流能力确定叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离；并限定叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离之间的尺寸关系；

S4、根据叶轮进口半径、叶轮出口半径、轮盘根部半径、叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离，在坐标系的平面上，通过多点控制法分别控制叶轮的轮盖型线和轮盘型线，以绘制叶轮的轮盖和轮盘在子午面的型线；

S5、根据叶轮的轮盖型线的起始点确定叶片入口边，以将叶轮的轮盖型线及轮盘型线之间的区域划分为进口域和叶轮域；

S6、在叶轮域形成数个叶高，在坐标系上，沿垂直于旋转轴的方向截取数个叶高轴向截面；

S7、将截取的数个叶高轴向截面通过保角变换转换为二维矩形平面，将坐标系由二维的坐标系变换成二维的坐标系；

S8、在平面坐标系下，获取叶型安装角，根据叶型扭转规律寻找出需设计的叶高；

S9、在每个需设计的叶高对应的二维矩形平面上设计中弧线和厚度分布，得到每个二维矩形平面对应的叶型；

S10、将设计的各叶型通过二维的平面坐标系转换回二维的截面坐标系，得到叶轮的设计参数；

S11、在坐标系下，通过多点控制法按照渐阔流道的方式设计蜗壳型线，得到蜗壳的设计参数。

2.根据权利要求1所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，其特征在于，在S2中，所述叶轮进口半径、叶轮出口半径和轮盘根部半径之间的尺寸关系，具体限定为：及。

3.根据权利要求2所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，其特征在于，在S3中，所述叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离之间的尺寸关系，具体限定为：、及。

4.根据权利要求3所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，其特征在于，在S4中，所述在坐标系的平面上，通过多点控制法分别控制叶轮的轮盖型线和轮盘型线，以绘制叶轮的轮盖和轮盘在子午面的型线；具体为：

所述轮盖型线为一条五控制点的3次B样条曲线；所述轮盖型线的控制点分别为，其中线段保持水平，线段保持垂直，记线段的长度为，线段的长度为；

所述轮盘型线为一条直线和一条五控制点的3次B样条曲线；所述轮盘型线的控制点分别为，其中线段保持水平，线段保持垂直，线段保持垂直，记线段的长度为，线段的长度为，线段的长度为；

在坐标系的平面上，控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（），控制点的点坐标为（ )/2）。

5.根据权利要求4所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，其特征在于，在S7中，所述将截取的数个叶高轴向截面通过保角变换转换为二维矩形平面，将坐标系由二维的坐标系变换成二维的坐标系；具体包括以下转换过程：

S71、在截面坐标系上，所述叶高轴向截面由内圆和外圆组成，所述内圆和外圆为以z轴为中心的同轴圆，所述内圆半径为叶轮进口半径，所述外圆半径为叶轮出口半径；其中；

S72、将坐标系由二维的截面坐标系变换成二维的平面坐标系，其转换公式为：

；

；

S73、经上述转换公式转换后，所述叶高轴向截面转换为二维矩形平面，所述内圆的弧长转换为所述二维矩形平面的下边，所述外圆的弧长转换为所述二维矩形平面的上边，定义所述二维矩形平面的下边为进口额线，定义所述二维矩形平面的上边为出口额线；

S74、在平面坐标系上，所述进口额线的纵坐标值为，所述出口额线的纵坐标值为，所述二维矩形平面的长度为及宽度为。

6.根据权利要求5所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，其特征在于，在S8中，所述在平面坐标系下，获取叶型安装角，根据叶型扭转规律寻找出需设计的叶高；具体包括以下步骤：

以叶根截面安装角、叶中截面安装角叶顶截面安装角的变量值为基准，拟合出叶型安装角的二次函数：

，其中；

=0.0，其中35° 40°；

=0.5，其中40° 45°；

=1.0，其中45° 50°；

其中，为相对叶高，为轮盘轴向位置；为叶型轴向位置。

7.根据权利要求6所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，其特征在于，在S9中，所述在每个需设计的叶高对应的二维矩形平面上设计中弧线和厚度分布，得到每个二维矩形平面对应的叶型；具体包括：S91、设计一条与进口额线的距离为的水平线，定义为进口基准线；设计一条与出口额线的距离为的水平线，定义为出口基准线；其中；

S92、设计中弧线：

中弧线包括前缘点、尾缘点和弦线，前缘点位于进口基准线，尾缘点位于出口基准线，弦线为前缘点和尾缘点的连接线；

定义弦线的长度为叶型弦长，弦线与进口额线的夹角为叶型安装角，中弧线在前缘点的切线与进口额线的夹角为几何进口角，中弧线在尾缘点的切线与出口额线的夹角为几何出口角；

限定叶型弦长、叶型安装角、几何进口角和几何出口角的关系：

；

、；

；

根据单个中弧线建立坐标系，将单位中弧线经过旋转、放大、平移处理：

；

；

其中 、 分别为单位中弧线的坐标，单位中弧线的方程为：

；

其中，；

S93、设计厚度分布曲线：

根据单个厚度分布曲线进行叶型厚度设计，设计一条3控制点的二阶B样条曲线，3控制点的二阶B样条曲线的控制点分别为 的点坐标为，的点坐标为，的点坐标为，定义 、 ，限定，，，其中叶型相对厚度；

根据控制点确定最大相对厚度位置，最大相对厚度位置的点坐标为，定义为最大相对厚度，形成厚度分布曲线；

S94、采用中弧线叠加厚度分布的方式生成叶型：

叶型的前缘厚度为，叶型的后缘厚度为。

8.根据权利要求7所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，其特征在于，在S11中，所述在坐标系下，通过多点控制法按照渐阔流道的方式设计蜗壳型线，得到蜗壳的设计参数，具体包括：

S111、在坐标系下，根据轴心，确定四个方位点 分别与轴心的距离为，并限定、、和；

S112、根据方位点，绘制蜗壳出口子型线：

首先，以方位点为起点，设计一条倾斜角为的线段，；

接着，过点设计一条长度为的水平线段，其中定义线段为蜗壳出口宽度，且限定蜗壳出口宽度=；

最后，过点设计一条倾斜角为的线段，点与点的竖直距离为；

S113、根据四个方位点，绘制蜗壳主体子型线：

蜗壳主体子型线由13个依次相连的控制点、、、、、、、、、组成，其中13个控制点的关系如下：

所述控制点和为四控制点的三阶样条曲线，且控制点与方位点重合，控制点位于方位点的左侧，线段与线段共线；

所述控制点为直线，定义∠为，∠为；

所述控制点和为四控制点的三阶样条曲线；

所述控制点为直线，定义∠为，∠为；

所述控制点和为四控制点的三阶样条曲线；

所述控制点为直线；

S114、根据控制点，绘制蜗舌结构子型线：

蜗舌结构子型线由四个依次相连的控制点、、组成。

9.一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计装置，其特征在于，用于执行如权利要求1～8任意一项所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法，包括：

坐标建立模块，用于根据非等厚度扭曲后向离心风机的旋转轴确定z轴和轴心O，并分别沿相互垂直于z轴的两个方向分别定义x轴和y轴，形成三维笛卡尔坐标系；

第一限定模块，用于限定叶轮进口半径、叶轮出口半径和轮盘根部半径之间的尺寸关系；

第二限定模块，用于限定叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离之间的尺寸关系；

型线绘制模块，用于根据叶轮进口半径、叶轮出口半径、轮盘根部半径、叶轮出口宽度、叶轮整体高度和叶轮进口距轮盖底端的距离，在坐标系的平面上，通过多点控制法分别控制叶轮的轮盖型线和轮盘型线，以绘制叶轮的轮盖和轮盘在子午面的型线；

区域划分模块，用于根据叶轮的轮盖型线的起始点确定叶片入口边，以将叶轮的轮盖型线及轮盘型线之间的区域划分为进口域和叶轮域；

截面截取模块，用于在叶轮域形成数个叶高，在坐标系上，沿垂直于旋转轴的方向截取数个叶高轴向截面；

坐标系转换模块，用于将截取的数个叶高轴向截面通过保角变换转换为二维矩形平面，将坐标系由二维的坐标系变换成二维的坐标系；

叶型扭转规律模块，用于在平面坐标系下，获取叶型安装角，根据叶型扭转规律寻找出需设计的叶高；

叶型设计模块，用于在每个需设计的叶高对应的二维矩形平面上设计中弧线和厚度分布，得到每个二维矩形平面对应的叶型；

叶轮获取模块，用于将设计的各叶型通过二维的平面坐标系转换回二维的截面坐标系，得到叶轮的设计参数；

蜗壳获取模块，用于在坐标系下，通过多点控制法按照渐阔流道的方式设计蜗壳型线，得到蜗壳的设计参数。

10.一种非等厚度扭曲后向离心风机，其特征在于，使用如权利要求1～8任意一项所述的一种非等厚度扭曲后向离心风机的设计方法设计得到，包括蜗壳和叶轮，所述叶轮安装于所述蜗壳的内部，所述蜗壳设有进口和出口；

所述叶轮包括轮盖、轮盘以及设置于轮盖与轮盘之间的若干叶片，且所述若干叶片在所述轮盖和轮盘之间的叶轮域沿旋转轴的周向均匀分布。