CN117150818B - 一种斜流风机及其设计方法和设计装置 - Google Patents

一种斜流风机及其设计方法和设计装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及斜流风机技术领域，尤其涉及一种斜流风机及其设计方法和设计装置，其设计方法包括在机壳型线与轮毂型线之间截取数个叶高截面，根据叶高截面分别单独设计动叶叶型和静叶叶型，得到动叶叶型和静叶叶型的设计参数；其中获取动叶叶型的动叶叶型最大包角、动叶轴向弦长、动叶叶型弦长和动叶叶型安装角，并将其限定为 ；其中获取静叶叶型的静叶进口气流角和出口气流角，并将其限定为出口气流角=90°，45°<静叶进口气流角<60°；本发明通过其设计方法和设计装置得到的斜流风机，具有静压高、噪音低、真空度大、吸尘效果好的优点。

Description

一种斜流风机及其设计方法和设计装置
技术领域
本发明涉及斜流风机技术领域，尤其涉及一种斜流风机及其设计方法和设计装置。
背景技术
斜流风机是比转数和压头介于离心式风机和轴流式风机之间的一种风机型式。在斜流风机内，气体在叶轮中的流动方向与轴线成某一角度，因此，气体的流动具有强烈的三维特性。斜流风机不但具有离心式风机的高压强系数和大工况范围的特点，还具有轴流式风机的大流量系数和高效率的特点。近年来，随着斜流式风机研究的深入，斜流风机已广泛用于矿山、纺织、冶金、电站、航空、建筑等行业。
斜流风机是一种比转数和压头在离心风机和轴流风机之间的风机形式，主要由叶轮、导风锥、轮毂与轮盖等部分组成，其轮毂与轮盖的外形为圆锥状，叶片结构呈三元扭曲，气体从风机进口轴向流入，沿着流道流向叶轮，在叶道内气流由轴向逐渐变成斜向，叶轮后方是后置静叶，起到导向和提高静压的作用。
斜流叶轮为流道半径随流向变化较大的流体机械，因为其流动过程中较强的三维性以及滑移特征等一系列气动问题，运用传统方法对叶片进行优化设计依赖设计者的经验，往往需要花费较多的设计时间和经济成本，效率较低，难以满足风机越来越高的性能设计要求，因此从气动设计角度考虑，需要采取较为先进的设计方法设计叶片。
发明内容
本发明的目的在于提出一种斜流风机及其设计方法和设计装置，通过其设计方法和设计装置得到的斜流风机，具有静压高、噪音低、真空度大、吸尘效果好的优点。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种斜流风机的设计方法，包括以下步骤：
S1、根据斜流风机的旋转轴确定轴，沿垂直于/>轴的方向确定/>轴，并根据/>轴和/>轴对斜流风机建立/>三维坐标系；
S2、在二维坐标系下，设计导风进口额线、动叶进口额线、动叶出口额线、静叶进口额线和静叶出口额线，以将斜流风机的流通区域分为进口域、转子域和静叶域；
S3、根据斜流风机的安装尺寸确定进口域、转子域和静叶域的轴向长度参数与径向参数：进口域深度、轮毂轴向距离/>、轮盖轴向距离/>、静叶域轴向长度/>、叶轮进口轮毂半径/>、叶轮进口轮盖半径/>、叶轮出口轮毂半径/>和叶轮出口轮盖半径/>；
S4、根据上述轴向长度参数与径向参数，通过B样条控制点分别控制叶轮的外侧型线和内侧型线，以绘制斜流风机的集流器和轮盖以及导风锥和轮毂在子午流面的型线；
S5、在外侧型线和内侧型线的进口域设计集流器型线和导风锥型线，得到进口集流器和导风锥的设计参数；
S6、在外侧型线和内侧型线的转子域和静叶域依次设计轮盖型线和轮毂型线，得到轮盖和轮毂的设计参数；
S7、在机壳型线与轮毂型线之间截取数个叶高截面，根据叶高截面分别单独设计动叶叶型和静叶叶型，得到动叶叶型和静叶叶型的设计参数；
其中获取动叶叶型的动叶叶型最大包角、动叶轴向弦长/>、动叶叶型弦长/>和动叶叶型安装角/>，并将其限定为/> ；
其中获取静叶叶型的静叶进口气流角和出口气流角/>，并将其限定为出口气流角/>=90°，45°<静叶进口气流角/><60°；
S8、将进口集流器、导风锥、轮盖、轮毂、动叶叶型和静叶叶型的设计参数通过三维软件进行处理合并，得到斜流风机。
优选的，在S2中，导风进口额线、动叶进口额线、静叶进口额线和静叶出口额线均为垂直于轴的垂直线；
动叶出口额线为倾斜于轴的倾斜线；
动叶出口额线与静叶进口额线相交于内侧型线；
导风进口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
动叶进口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
动叶出口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
静叶进口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
静叶出口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为进口域深度/>；
控制点的纵坐标值为叶轮进口轮毂半径/>；
控制点的纵坐标值为叶轮进口轮盖半径/>；
控制点的纵坐标值为叶轮出口轮毂半径/>；
控制点的纵坐标值为叶轮出口轮盖半径/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为轮毂轴向距离/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为轮盖轴向距离/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为静叶域轴向长度/>。
优选的，在S5中，在外侧型线和内侧型线的进口域设计集流器型线和导风锥型线采用渐缩形式设计；
进口集流器和导风锥的设计参数如下：
集流器型线和导风锥型线分别为一条六控制点的3次B样条曲线；
导风锥型线的控制点为；
集流器型线的控制点为；
其中控制点位于/>轴上，线段/>和线段/>均与/>轴垂直，线段/>、线段和/>均与/>轴平行；
进口域的面积为。
优选的，在S6中，
轮毂型线的控制点为；
轮盖型线的控制点为；
其中线段、线段/>、线段/>、线段/>和/>均与/>轴平行；
控制点的横坐标值差值为/>，控制点/>的横坐标值差值为/>，控制点/>的横坐标值差值为/>，控制点/>的横坐标值差值为/>。
优选的，在S7中，在机壳型线与轮毂型线之间截取数个叶高截面，包括以下步骤：
a1、采用插值法在机壳型线与轮毂型线之间截取数个叶高截面；
a2、通过保角变换将三维的叶高截面转换为二维的平面，将三维坐标系转换为二维坐标系/>，
；
其中，为/>轴方向的坐标值，/>为径向方向的坐标值，/>为圆周角，/>为子午长度，/>为无量纲子午长度；
对于三维坐标系下的叶型离散点，通过如下的梯形法则积分获得二维坐标系/>：
；
；
；
其中，为圆周角，圆周角/>的单位为弧度，角度/>表示离散点序号，与/>轴垂直的平面为/>oy平面，/>为/>oy平面的/>方向的坐标值，/>为/>oy平面的y方向的坐标值，/>为/>oy平面的z方向的坐标值，/>为径向方向的坐标值，其中/>。
优选的，在a1中，采用插值法在机壳型线与轮毂型线之间按20%的高度梯度变化，分别构建0%、20%、40%、60%、80%和100%的叶高截面。
优选的，在S7中，动叶叶型采用中弧线叠加厚度分布函数的方法生成二维叶型，包括以下步骤：
b1、动叶叶型由动叶前缘、动叶尾缘、动叶吸力面和动叶压力面的四段曲线组成，动叶前缘上的动叶前缘点和动叶尾缘上的动叶尾缘点/>间的单圆弧连线为动叶中弧线，动叶前缘上的动叶前缘点/>和动叶尾缘上的动叶尾缘点/>间的直接连线为动叶中弦线；
定义动叶中弧线在动叶前缘点处的切线与动叶进口额线的夹角为动叶进口气流角/>；
定义动叶中弧线在动叶尾缘点处的切线与动叶出口额线的夹角为动叶出口气流角/>；
定义动叶中弧线对应的最大圆心角为动叶叶型最大包角；
定义动叶进口额线与动叶出口额线的距离为动叶轴向弦长；
定义动叶中弦线的弦长为动叶叶型弦长；
定义动叶中弦线与轴的夹角为动叶叶型安装角/>；
其中动叶叶型最大包角、动叶轴向弦长/>、动叶叶型弦长/>和动叶叶型安装角/>限定关系为/> ；
b2、厚度分布函数采用NACA四位数翼型的基本厚度分布：
；
b3、对二维的动叶叶型按照中弧线叠加厚度分布方式进行安放。
在S7中，静叶叶型的设计过程如下：
c1、确定静叶的设计结构：
静叶叶型由静叶前缘、静叶尾缘、静叶吸力面和静叶压力面的四段曲线组成，静叶前缘上的静叶前缘点和静叶尾缘上的静叶尾缘点/>间的单圆弧连线为静叶中弧线，静叶前缘上的静叶前缘点/>和静叶尾缘上的静叶尾缘点/>间的直线连线为静叶中弦线；
c2、确定静叶的设计位置：
定义静叶进口额线与静叶出口额线的距离为静叶轴向弦长，静叶进口额线与动叶出口额线的距离为/>，其中静叶轴向弦长/>和动静叶距离/>的限定关系为；
c3、确定静叶叶型的设计参数：
定义静叶中弧线在静叶前缘点处的切线与静叶进口额线的夹角为静叶进口气流角/>，静叶中弧线在静叶尾缘点/>处的切线与静叶出口额线的夹角为静叶出口气流角/>，静叶中弦线与/>轴的夹角为静叶安装角/>，其中出口气流角/>=90°，45°<静叶进口气流角<60°。
一种斜流风机的设计装置，用于执行如上述所述的一种斜流风机的设计方法，包括：
坐标系建立模块，用于根据斜流风机的旋转轴确定轴，沿垂直于/>轴的方向确定/>轴，并根据/>轴和/>轴对斜流风机建立/>三维坐标系；
划分区域模块，用于在二维坐标系下，设计导风进口额线、动叶进口额线、动叶出口额线、静叶进口额线和静叶出口额线，以将斜流风机的流通区域分为进口域、转子域和静叶域；
参数设定模块，用于根据斜流风机的安装尺寸确定进口域、转子域和静叶域的轴向长度参数与径向参数：进口域深度、轮毂轴向距离/>、轮盖轴向距离/>、静叶域轴向长度、叶轮进口轮毂半径/>、叶轮进口轮盖半径/>、叶轮出口轮毂半径/>和叶轮出口轮盖半径/>；
绘制型线模块，用于根据进口域轴向长度、动叶域轴向长度/>、静叶域轴向长度，通过B样条控制点分别控制叶轮的外侧型线和内侧型线，以绘制斜流风机的集流器和轮盖以及导风锥和轮毂在子午流面的型线；
第一设计模块，用于在外侧型线和内侧型线的进口域设计集流器型线和导风锥型线，得到进口集流器和导风锥的设计参数；
第二设计模块，用于在外侧型线和内侧型线的转子域和静叶域依次设计轮盖型线和轮毂型线，得到轮盖和轮毂的设计参数；
第三设计模块，用于根据轮盖型线和轮毂型线，分别单独设计动叶叶型和静叶叶型，得到动叶叶型和静叶叶型的设计参数；
风机合成模块，用于将进口集流器、导风锥、轮盖、轮毂、动叶叶型和静叶叶型的设计参数通过三维软件进行处理合并，得到斜流风机。
一种斜流风机，使用如上述所述的一种斜流风机的设计方法设计得到，包括轮盖、轮毂、集流器、导风锥、若干动叶和静叶；
所述轮盖沿前后方向设置，所述轮毂转动安装于所述轮盖的内部，所述轮盖的中轴线与所述轮毂的中轴线共轴设置，且所述轮毂以其自身的中轴线为旋转轴通过驱动件带动进行旋转；
所述集流器固定连接于所述轮盖的前方，所述集流器和所述轮盖的型线为外侧型线；
所述导风锥固定连接于所述轮毂的前方，所述导风锥和所述轮毂的型线为内侧型线；
所述外侧型线和内侧型线构成斜流风机的子午流面；
所述轮盖和轮毂之间的中空区域以及所述集流器导风锥之间的中空区域为斜流风机的流通区域；
若干个所述动叶安装于若干所述静叶的前方，若干个所述动叶和所述静叶均以所述旋转轴为轴线环形阵列连接于所述轮毂的外侧面上。
上述技术方案中的一个技术方案具有以下有益效果：提供一种基于风机基本参数进行斜流风机叶片、静叶、导气锥、集流器的设计方法，并根据具体工况进行参数优化，整个设计过程采用计算机辅助设计，减少了人工误差并提高了设计效率，便捷地做到参数可调。
附图说明
图1是本发明在一种斜流风机的立体结构示意图；
图2是本发明在一种斜流风机在另一视角的立体结构示意图；
图3是本发明在一种斜流风机的剖面示意图；
图4是本发明在一种斜流风机的设计方法的子午流面的结构示意图；
图5是本发明在一种斜流风机的设计方法的子午流面的设计示意图；
图6是本发明在一种斜流风机的设计方法的叶高的设计示意图；
图7是本发明在一种斜流风机的设计方法的动叶的结构示意图；
图8是本发明在一种斜流风机的设计方法的动叶的设计示意图；
图9是本发明在一种斜流风机的设计方法的静叶的结构示意图；
图10是本发明在一种斜流风机的设计方法的静叶的设计示意图；
图11是实施例与对比例的风机噪声频谱图；
附图中：轮盖1、轮毂2、集流器3、导风锥4、动叶5、静叶6。
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1-10所示，一种斜流风机的设计方法，包括以下步骤：
S1、根据斜流风机的旋转轴确定轴，沿垂直于/>轴的方向确定/>轴，并根据/>轴和/>轴对斜流风机建立/>三维坐标系；
S2、在二维坐标系下，设计导风进口额线、动叶进口额线、动叶出口额线、静叶进口额线和静叶出口额线，以将斜流风机的流通区域分为进口域、转子域和静叶域；
S3、根据斜流风机的安装尺寸确定进口域、转子域和静叶域的轴向长度参数与径向参数：进口域深度，轮毂轴向距离/>，轮盖轴向距离/>，静叶域轴向长度/>，叶轮进口轮毂半径/>，叶轮进口轮盖半径/>，叶轮出口轮毂半径/>，叶轮出口轮盖半径/>；
S4、根据上述轴向长度参数与径向参数，通过B样条控制点分别控制叶轮的外侧型线和内侧型线，以绘制斜流风机的集流器和轮盖以及导风锥和轮毂在子午流面的型线；
S5、在外侧型线和内侧型线的进口域设计集流器型线和导风锥型线，得到进口集流器和导风锥的设计参数；
S6、在外侧型线和内侧型线的转子域和静叶域依次设计轮盖型线和轮毂型线，得到轮盖和轮毂的设计参数；
S7、在机壳型线与轮毂型线之间截取数个叶高截面，根据叶高截面分别单独设计动叶叶型和静叶叶型，得到动叶叶型和静叶叶型的设计参数；
其中获取动叶叶型的动叶叶型最大包角、动叶轴向弦长/>、动叶叶型弦长/>和动叶叶型安装角/>，并将其限定为/> ；
其中获取静叶叶型的静叶进口气流角和出口气流角/>，并将其限定为出口气流角/>=90°，45°<静叶进口气流角/><60°；
S8、将进口集流器、导风锥、轮盖、轮毂、动叶叶型和静叶叶型的设计参数通过三维软件进行处理合并，得到斜流风机。
本发明提供了一种基于风机基本参数进行斜流风机叶片、静叶、导气锥、集流器的设计方法，并根据具体工况进行参数优化，整个设计过程采用计算机辅助设计，减少了人工误差并提高了设计效率，便捷地做到参数可调。
更进一步的说明，在S2中，导风进口额线、动叶进口额线、静叶进口额线和静叶出口额线均为垂直于轴的垂直线；
动叶出口额线为倾斜于轴的倾斜线；
动叶出口额线与静叶进口额线相交于内侧型线；
导风进口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
动叶进口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
动叶出口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
静叶进口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
静叶出口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为进口域深度/>；
控制点的纵坐标值为叶轮进口轮毂半径/>；
控制点的纵坐标值为叶轮进口轮盖半径/>；
控制点的纵坐标值为叶轮出口轮毂半径/>；
控制点的纵坐标值为叶轮出口轮盖半径/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为轮毂轴向距离/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为轮盖轴向距离/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为静叶域轴向长度/>。
更进一步的说明，在S5中，在外侧型线和内侧型线的进口域设计集流器型线和导风锥型线采用渐缩形式设计；
进口集流器和导风锥的设计参数如下：
集流器型线和导风锥型线分别为一条六控制点的3次B样条曲线；
导风锥型线的控制点为；
集流器型线的控制点为；
其中控制点位于/>轴上，线段/>和线段/>均与/>轴垂直，线段/>、线段/> 和/>均与/>轴平行；
进口域的面积为。
为了确保气流在风机的进口前段建立起均匀的速度场和压力场，将集流器型线和导风锥型线之间的进口域的流道设计为渐缩的形式，形成加速流道，以提高风机效率。
更进一步的说明，在S6中，
轮毂型线的控制点为；
轮盖型线的控制点为；
其中线段、线段/>、线段/>、线段/>和/>均与/>轴平行；
控制点和控制点/>的横坐标值差值为/>，控制点/>的横坐标值差值为，控制点/>和控制点/>的横坐标值差值为/>，控制点/>控制点/>的横坐标值差值为/>。
在本实施例中，通过上述限定保证斜流风机的轴向进气特征。
更进一步的说明，在S7中，在机壳型线与轮毂型线之间截取数个叶高截面，包括以下步骤：
a1、采用插值法在机壳型线与轮毂型线之间截取数个叶高截面；
a2、通过保角变换将三维的叶高截面转换为二维的平面，将三维坐标系转换为二维坐标系/>，
；
其中，为/>轴方向的坐标值，/>为径向方向的坐标值，/>为圆周角，/>为子午长度，/>为无量纲子午长度；
对于三维坐标系下的叶型离散点，通过如下的梯形法则积分获得二维坐标系/>：
；
；
；
其中，为圆周角，圆周角/>的单位为弧度，角度/>表示离散点序号，与/>轴垂直的平面为/>oy平面，/>为/>oy平面的/>方向的坐标值，/>为/>oy平面的y方向的坐标值，/>为/>oy平面的z方向的坐标值，/>为径向方向的坐标值，其中/>。
更进一步的说明，在a1中，采用插值法在机壳型线与轮毂型线之间按20%的高度梯度变化，分别构建0%、20%、40%、60%、80%和100%的叶高截面。
在本实施例中，按20%的高度梯度变化，分别构建从0%、20%、40%、60%、80%和100%叶高截面，共六个叶高截面，如图3所示。
每个叶高截面需要单独设计动叶型线和静叶型线这两种三维基元级型线，为方便对多个三维基元级型线进行设计，本发明通过保角变换将三维的叶高截面转换为二维的平面，将三维坐标系转换为二维坐标系/>，将二维叶型定义在/>流面坐标系下，将三维空间曲线转换成二维曲线。
通过基于基元级概念的三维设计方法设计高速斜流风机，能够有效地提高设计效率和直观风机性能，具有非常大的应用价值。
更进一步的说明，在S7中，动叶叶型采用中弧线叠加厚度分布函数的方法生成二维叶型，包括以下步骤：
b1、动叶叶型由动叶前缘、动叶尾缘、动叶吸力面和动叶压力面的四段曲线组成，动叶前缘上的动叶前缘点和动叶尾缘上的动叶尾缘点/>间的单圆弧连线为动叶中弧线，动叶前缘上的动叶前缘点/>和动叶尾缘上的动叶尾缘点/>间的直接连线为动叶中弦线；
定义动叶中弧线在动叶前缘点处的切线与动叶进口额线的夹角为动叶进口气流角/>；
定义动叶中弧线在动叶尾缘点处的切线与动叶出口额线的夹角为动叶出口气流角/>；
定义动叶中弧线对应的最大圆心角为动叶叶型最大包角；
定义动叶进口额线与动叶出口额线的距离为动叶轴向弦长；
定义动叶中弦线的弦长为动叶叶型弦长；
定义动叶中弦线与轴的夹角为动叶叶型安装角/>；
其中动叶叶型最大包角、动叶轴向弦长/>、动叶叶型弦长/>和动叶叶型安装角/>，并将其限定为/> ；
b2、厚度分布函数采用NACA四位数翼型的基本厚度分布：
；
b3、对二维的动叶叶型按照中弧线叠加厚度分布方式进行安放。
在本实施例中，得到二维的动叶叶型后，将二维坐标系转换为三维坐标系，即可得到不同叶高处的动叶叶型，通过边界混合，得到三维叶型。
更进一步的说明，在S7中，静叶叶型的设计过程如下：
c1、确定静叶的设计结构：
静叶叶型由静叶前缘、静叶尾缘、静叶吸力面和静叶压力面的四段曲线组成，静叶前缘上的静叶前缘点和静叶尾缘上的静叶尾缘点/>间的单圆弧连线为静叶中弧线，静叶前缘上的静叶前缘点/>和静叶尾缘上的静叶尾缘点/>间的直线连线为静叶中弦线；
c2、确定静叶的设计位置：
定义静叶进口额线与静叶出口额线的距离为静叶轴向弦长，静叶进口额线与动叶出口额线的距离为/>，其中静叶轴向弦长/>和动静叶距离/>的限定关系为；
当动静叶距离过小，导致动静叶的干涉太强，导致风机出现异音；/>过大，增大了风机的轴向尺寸，而且导致静叶的导流增压的效果减弱。
c3、确定静叶叶型的设计参数：
定义静叶中弧线在静叶前缘点处的切线与静叶进口额线的夹角为静叶进口气流角/>，静叶中弧线在静叶尾缘点/>处的切线与静叶出口额线的夹角为静叶出口气流角/>，静叶中弦线与/>轴的夹角为静叶安装角/>，其中出口气流角/>=90°，45°<静叶进口气流角<60°。
为了方便模具加工以及脱模，静叶叶型设计成单圆弧的等厚叶型。为了保证进气格栅的导流作用，将气流切向速度转换成轴向速度，保证静叶格栅的出口角与轴向平行即垂直于静叶出口额线，即静叶出口气流角=90°，同时限定45°<静叶进口气流角/><60°，因为当静叶进口气流角/>过小时，气流冲角过大，容易造成流动分离，导致流动损失增大；过大时，静叶进口气流角/>气流冲角过小，气流动压转换成静压的能力不足，导致风机静压过低。
在本实施例中，给定静叶进口额线位置、静叶出口额线位置、静叶安装角、静叶进口气流角/>，静叶叶型唯一确定。
一种斜流风机的设计装置，用于执行如上述所述的一种斜流风机的设计方法，包括：
坐标系建立模块，用于根据斜流风机的旋转轴确定轴，沿垂直于/>轴的方向确定/>轴，并根据/>轴和/>轴对斜流风机建立/>三维坐标系；
划分区域模块，用于在二维坐标系下，设计导风进口额线、动叶进口额线、动叶出口额线、静叶进口额线和静叶出口额线，以将斜流风机的流通区域分为进口域、转子域和静叶域；
参数设定模块，用于根据斜流风机的安装尺寸确定进口域、转子域和静叶域的轴向长度参数与径向参数：进口域深度、轮毂轴向距离/>、轮盖轴向距离/>、静叶域轴向长度、叶轮进口轮毂半径/>、叶轮进口轮盖半径/>、叶轮出口轮毂半径/>和叶轮出口轮盖半径/>；
绘制型线模块，用于根据进口域轴向长度、动叶域轴向长度/>、静叶域轴向长度，通过B样条控制点分别控制叶轮的外侧型线和内侧型线，以绘制斜流风机的集流器和轮盖以及导风锥和轮毂在子午流面的型线；
第一设计模块，用于在外侧型线和内侧型线的进口域设计集流器型线和导风锥型线，得到进口集流器和导风锥的设计参数；
第二设计模块，用于在外侧型线和内侧型线的转子域和静叶域依次设计轮盖型线和轮毂型线，得到轮盖和轮毂的设计参数；
第三设计模块，用于根据轮盖型线和轮毂型线，分别单独设计动叶叶型和静叶叶型，得到动叶叶型和静叶叶型的设计参数；
风机合成模块，用于将进口集流器、导风锥、轮盖、轮毂、动叶叶型和静叶叶型的设计参数通过三维软件进行处理合并，得到斜流风机。
使用斜流风机的设计装置进行斜流风机的设计，设计过程中可以根据具体工况进行参数优化，整个设计过程采用计算机辅助设计，减少了人工误差并提高了设计效率，便捷地做到参数可调。
一种斜流风机，使用如上述所述的一种斜流风机的设计方法设计得到，包括轮盖1、轮毂2、集流器3、导风锥4、若干动叶5和静叶6；
所述轮盖1沿前后方向设置，所述轮毂2转动安装于所述轮盖1的内部，所述轮盖1的中轴线与所述轮毂2的中轴线共轴设置，且所述轮毂2以其自身的中轴线为旋转轴通过驱动件带动进行旋转；
所述集流器3固定连接于所述轮盖1的前方，所述集流器3和所述轮盖1的型线为外侧型线；
所述导风锥4固定连接于所述轮毂2的前方，所述导风锥4和所述轮毂2的型线为内侧型线；
所述外侧型线和内侧型线构成斜流风机的子午流面；
所述轮盖1和轮毂2之间的中空区域以及所述集流器3导风锥4之间的中空区域为斜流风机的流通区域；
若干个所述动叶5安装于若干所述静叶6的前方，若干个所述动叶5和所述静叶6均以所述旋转轴为轴线环形阵列连接于所述轮毂2的外侧面上。
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1
进口域深度，叶轮进口轮毂半径/>，叶轮进口轮盖半径 ，叶轮出口轮毂半径/>，叶轮出口轮盖半径/>，轮毂轴向距离/>，轮盖轴向距离/>，静叶域轴向长度/>。采用外转子无刷直流电机，电机设计转速为6500rpm。动叶二维叶型参数为动叶进口气流角/>，动叶出口气流角/>，动叶叶型最大包角/>，静叶二维叶型参数为静叶进口气流角，静叶安装角/>。/>
表1为转速7500rpm下原型机与实施例的测试结果。在给定不同的静压条件下实施例流量增大，相对来说会降低噪声，而且功率减小、效率提升，说明通过所述的一种斜流风机的设计方法设计得到的斜流风机，其具有静压高、噪音低、真空度大、吸尘效果好的优点。
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)

1.一种斜流风机的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据斜流风机的旋转轴确定轴，沿垂直于/>轴的方向确定/>轴，并根据/>轴和/>轴对斜流风机建立/>三维坐标系；
S2、在二维坐标系下，设计导风进口额线、动叶进口额线、动叶出口额线、静叶进口额线和静叶出口额线，以将斜流风机的流通区域分为进口域、转子域和静叶域；
S3、根据斜流风机的安装尺寸确定进口域、转子域和静叶域的轴向长度参数与径向参数：进口域深度、轮毂轴向距离/>、轮盖轴向距离/>、静叶域轴向长度/>、叶轮进口轮毂半径/>、叶轮进口轮盖半径/>、叶轮出口轮毂半径/>和叶轮出口轮盖半径/>；
S4、根据上述轴向长度参数与径向参数，通过B样条控制点分别控制叶轮的外侧型线和内侧型线，以绘制斜流风机的集流器和轮盖以及导风锥和轮毂在子午流面的型线；
S5、在外侧型线和内侧型线的进口域设计集流器型线和导风锥型线，得到进口集流器和导风锥的设计参数；
S6、在外侧型线和内侧型线的转子域和静叶域依次设计轮盖型线和轮毂型线，得到轮盖和轮毂的设计参数；
S7、在机壳型线与轮毂型线之间截取数个叶高截面，根据叶高截面分别单独设计动叶叶型和静叶叶型，得到动叶叶型和静叶叶型的设计参数；
其中获取动叶叶型的动叶叶型最大包角、动叶轴向弦长/>、动叶叶型弦长/>和动叶叶型安装角/>，并将其限定为/>；
其中获取静叶叶型的静叶进口气流角和出口气流角/>，并将其限定为出口气流角/>=90°，45°<静叶进口气流角/><60°；
S8、将进口集流器、导风锥、轮盖、轮毂、动叶叶型和静叶叶型的设计参数通过三维软件进行处理合并，得到斜流风机。
2.根据权利要求1所述的一种斜流风机的设计方法，其特征在于，在S2中，导风进口额线、动叶进口额线、静叶进口额线和静叶出口额线均为垂直于轴的垂直线；
动叶出口额线为倾斜于轴的倾斜线；
动叶出口额线与静叶进口额线相交于内侧型线；
导风进口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
动叶进口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
动叶出口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
静叶进口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
静叶出口额线分别与外侧型线和内侧型线的交点为控制点和控制点/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为进口域深度/>；
控制点的纵坐标值为叶轮进口轮毂半径/>；
控制点的纵坐标值为叶轮进口轮盖半径/>；
控制点的纵坐标值为叶轮出口轮毂半径/>；
控制点的纵坐标值为叶轮出口轮盖半径/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为轮毂轴向距离/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为轮盖轴向距离/>；
控制点和控制点/>的横坐标差值为静叶域轴向长度/>。
3.根据权利要求1所述的一种斜流风机的设计方法，其特征在于，在S5中，在外侧型线和内侧型线的进口域设计集流器型线和导风锥型线采用渐缩形式设计；
进口集流器和导风锥的设计参数如下：
集流器型线和导风锥型线分别为一条六控制点的3次B样条曲线；
导风锥型线的控制点为；
集流器型线的控制点为；
其中控制点位于/>轴上，线段/>和线段/>均与/>轴垂直，线段/>、线段/> 和/>均与/>轴平行；
进口域的面积为。
4.根据权利要求2所述的一种斜流风机的设计方法，其特征在于，在S6中，
轮毂型线的控制点为；
轮盖型线的控制点为；
其中线段、线段/>、线段/>、线段/>和/>均与/>轴平行；
控制点的横坐标值差值为/>，控制点/>的横坐标值差值为/>，控制点/>的横坐标值差值为/>，控制点/> 的横坐标值差值为/>。
5.根据权利要求1所述的一种斜流风机的设计方法，其特征在于，在S7中，在机壳型线与轮毂型线之间截取数个叶高截面，包括以下步骤：
a1、采用插值法在机壳型线与轮毂型线之间截取数个叶高截面；
a2、通过保角变换将三维的叶高截面转换为二维的平面，将三维坐标系转换为二维坐标系/>，
；
其中，为/>轴方向的坐标值，/>为径向方向的坐标值，/>为圆周角，/>为子午长度，/>为无量纲子午长度；
对于三维坐标系下的叶型离散点，通过如下的梯形法则积分获得二维坐标系：
；
；
；
其中，为圆周角，圆周角/>的单位为弧度，角标/>表示离散点序号，与/>轴垂直的平面为/>oy平面，/>为/>oy平面的/>方向的坐标值，y为xoy平面的y方向的坐标值，/>为/>oy平面的z方向的坐标值，/>为径向方向的坐标值，其中/>。
6.根据权利要求5所述的一种斜流风机的设计方法，其特征在于，在a1中，采用插值法在机壳型线与轮毂型线之间按20%的高度梯度变化，分别构建0%、20%、40%、60%、80%和100%的叶高截面。
7.根据权利要求1所述的一种斜流风机的设计方法，其特征在于，在S7中，动叶叶型采用中弧线叠加厚度分布函数的方法生成二维叶型，包括以下步骤：
b1、动叶叶型由动叶前缘、动叶尾缘、动叶吸力面和动叶压力面的四段曲线组成，动叶前缘上的动叶前缘点和动叶尾缘上的动叶尾缘点/>间的单圆弧连线为动叶中弧线，动叶前缘上的动叶前缘点/>和动叶尾缘上的动叶尾缘点/>间的直接连线为动叶中弦线；
定义动叶中弧线在动叶前缘点处的切线与动叶进口额线的夹角为动叶进口气流角；
定义动叶中弧线在动叶尾缘点处的切线与动叶出口额线的夹角为动叶出口气流角；
定义动叶中弧线对应的最大圆心角为动叶叶型最大包角；
定义动叶进口额线与动叶出口额线的距离为动叶轴向弦长；
定义动叶中弦线的弦长为动叶叶型弦长；
定义动叶中弦线与轴的夹角为动叶叶型安装角/>；
其中动叶叶型最大包角动叶轴向弦长/>、动叶叶型弦长/>和动叶叶型安装角/>的限定关系为：/>=/>；
b2、厚度分布函数采用NACA四位数翼型的基本厚度分布：
；
b3、对二维的动叶叶型按照中弧线叠加厚度分布方式进行安放。
8.根据权利要求1所述的一种斜流风机的设计方法，其特征在于，在S7中，静叶叶型的设计过程如下：
c1、确定静叶的设计结构：
静叶叶型由静叶前缘、静叶尾缘、静叶吸力面和静叶压力面的四段曲线组成，静叶前缘上的静叶前缘点和静叶尾缘上的静叶尾缘点/>间的单圆弧连线为静叶中弧线，静叶前缘上的静叶前缘点/>和静叶尾缘上的静叶尾缘点/>间的直线连线为静叶中弦线；
c2、确定静叶的设计位置：
定义静叶进口额线与静叶出口额线的距离为静叶轴向弦长，静叶进口额线与动叶出口额线的距离为/>，其中静叶轴向弦长/>和动静叶距离/>的限定关系为；
c3、确定静叶叶型的设计参数：
定义静叶中弧线在静叶前缘点处的切线与静叶进口额线的夹角为静叶进口气流角，静叶中弧线在静叶尾缘点/>处的切线与静叶出口额线的夹角为静叶出口气流角/>，静叶中弦线与/>轴的夹角为静叶安装角/>，其中出口气流角/>=90°，45°<静叶进口气流角<60°。
9.一种斜流风机的设计装置，其特征在于，用于执行如权利要求1-8任一项所述的一种斜流风机的设计方法，包括：
坐标系建立模块，用于根据斜流风机的旋转轴确定轴，沿垂直于/>轴的方向确定/>轴，并根据/>轴和/>轴对斜流风机建立/>三维坐标系；
划分区域模块，用于在二维坐标系下，设计导风进口额线、动叶进口额线、动叶出口额线、静叶进口额线和静叶出口额线，以将斜流风机的流通区域分为进口域、转子域和静叶域；
参数设定模块，用于根据斜流风机的安装尺寸确定进口域、转子域和静叶域的轴向长度参数与径向参数：进口域深度、轮毂轴向距离/>、轮盖轴向距离/>、静叶域轴向长度/>、叶轮进口轮毂半径/>、叶轮进口轮盖半径/>、叶轮出口轮毂半径/>和叶轮出口轮盖半径/>；
绘制型线模块，用于根据、动叶域轴向长度、静叶域轴向长度/>，通过B样条控制点分别控制叶轮的外侧型线和内侧型线，以绘制斜流风机的集流器和轮盖以及导风锥和轮毂在子午流面的型线；
第一设计模块，用于在外侧型线和内侧型线的进口域设计集流器型线和导风锥型线，得到进口集流器和导风锥的设计参数；
第二设计模块，用于在外侧型线和内侧型线的转子域和静叶域依次设计轮盖型线和轮毂型线，得到轮盖和轮毂的设计参数；
第三设计模块，用于根据轮盖型线和轮毂型线，分别单独设计动叶叶型和静叶叶型，得到动叶叶型和静叶叶型的设计参数；
风机合成模块，用于将进口集流器、导风锥、轮盖、轮毂、动叶叶型和静叶叶型的设计参数通过三维软件进行处理合并，得到斜流风机。
10.一种斜流风机，其特征在于，使用如权利要求1-8任一项所述的一种斜流风机的设计方法设计得到，包括轮盖、轮毂、集流器、导风锥、若干动叶和静叶；
所述轮盖沿前后方向设置，所述轮毂转动安装于所述轮盖的内部，所述轮盖的中轴线与所述轮毂的中轴线共轴设置，且所述轮毂以其自身的中轴线为旋转轴通过驱动件带动进行旋转；
所述集流器固定连接于所述轮盖的前方，所述集流器和所述轮盖的型线为外侧型线；
所述导风锥固定连接于所述轮毂的前方，所述导风锥和所述轮毂的型线为内侧型线；
所述外侧型线和内侧型线构成斜流风机的子午流面；
所述轮盖和轮毂之间的中空区域以及所述集流器导风锥之间的中空区域为斜流风机的流通区域；
若干个所述动叶安装于若干所述静叶的前方，若干个所述动叶和所述静叶均以所述旋转轴为轴线环形阵列连接于所述轮毂的外侧面上。
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