CN118070454B - 一种用于清洁电器的双级离心风机及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及双级离心风机技术领域，尤其涉及一种用于清洁电器的双级离心风机及其设计方法，其设计方法包括对双级离心风机建立三维坐标系；在二维坐标系下，分别控制双级离心风机的子午流域中上蜗壳型线和内凸台型线；在上蜗壳型线和内凸台型线之间截取数个三维的静子导叶域截面，将截取的各三维的静子导叶域截面转换为二维平面，进行设计二维静子导叶的叶型；再转换得到上蜗壳流道中的三维静子导叶；将设计的上蜗壳型线和内凸台型线转换为上蜗壳和内凸台，再与一级叶轮、二级叶轮和设计得到的三维静子导叶合并得到双级离心风机。本发明设计得到的双级离心风机具有效率高、噪音低、真空度大、吸尘效果好的优点。

Description

一种用于清洁电器的双级离心风机及其设计方法
技术领域
本发明涉及双级离心风机技术领域，尤其涉及一种用于清洁电器的双级离心风机及其设计方法。
背景技术
小型高速离心风机是目前清洁电器领域的主要通风设备。随着电子产品向集成化、大功率化方向发展，对于高效节能的需求日益增大，小型离心风机的通风性能越来越引起人们的重视。
然而清洁电器设备使用的离心风机因受使用场合限制，一般要求体积小、转速高、升压比高、噪声低以及使用寿命长等。在相同转速条件下，双级离心风机所产生的真空度比单机离心风机大，而传统的双级离心风机流动损失较大。
发明内容
本发明的其一目的在于提出一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，通过对上蜗壳在子午流面的流道以及安装在内的静子导叶叶型的合理设计，一方面能有效减少气流从一级叶轮传递到二级叶轮过程中的相对涡流；另一方面，设计逐渐减小的上蜗壳流道过流面积来增大气流速度，从而进一步提高双级离心风机的气动性能。
本发明的另一目的在于提出一种用于清洁电器的双级离心风机，采用上述一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法设计得到，具有效率高、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：
一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，包括以下步骤：
S1、根据双级离心风机的旋转轴确定轴，沿垂直于轴的方向确定轴，并根据轴和轴对双级离心风机建立三维坐标系；
S2、在二维坐标系下，根据一级叶轮、静子导叶和二级叶轮的安装位置，设计进气额线、静子导叶上额线、静子导叶下额线和出气额线，以将双级离心风机的子午流域分为一级叶轮域、静子导叶域和二级叶轮域；
S3、在二维坐标系下，分别控制双级离心风机的子午流域中上蜗壳型线和内凸台型线，以绘制双级离心风机的子午流道中上蜗壳在子午流面的流道；
S4、在上蜗壳型线和内凸台型线之间控制静子导叶上额线和静子导叶下额线，以绘制静子导叶型面；并在静子导叶型面中截取数个三维的静子导叶域截面，将截取的各三维的静子导叶域截面转换为二维平面，将坐标系由三维坐标转换为二维坐标系；
S5、在二维坐标系下，设计二维静子导叶的叶型，包括设计叶栅稠度、静子导叶数量、静子导叶的轴向长度、静子导叶安装角和静子导叶厚度；
S6、将设计的二维静子导叶叶型由二维坐标系转换回三维坐标，得到上蜗壳流道中的三维静子导叶；
S7、将设计的上蜗壳型线和内凸台型线转换为上蜗壳和内凸台；
S8、将一级叶轮、二级叶轮和设计得到的三维静子导叶、上蜗壳和内凸台合并得到双级离心风机。
优选的，在S3中，通过贝塞尔曲线控制子午流域中的内凸台型线和上蜗壳型线。
优选的，在S3中，所述上蜗壳型线和内凸台型线均采用五控制点的四阶贝塞尔曲线控制；
所述上蜗壳型线的五控制点分别为、；
所述内凸台型线的五控制点分别为、；
令线段与轴保持水平，线段与轴保持水平；
根据矢量定义给出上述各控制点在R轴或Z轴上限定关系：
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
。
优选的，在S4中，所述静子导叶上额线与所述内凸台型线和上蜗壳型线的交点分别为；
所述静子导叶下额线与所述内凸台型线和上蜗壳型线的交点分别为；
限定以下关系：
P1Q1 P5Q5∥δ1δ2；
；
mm；
；
；
其中，A表示静子导叶上额线和出气额线在轴的相对距离；表示P1与Q1在轴的相对距离；表示与Q1在轴的相对距离或者是与Q1在轴的相对距离；表示静子导叶的攻角，即静子导叶的弦线与静子导叶下额线的夹角，为静子导叶的弦长，静子导叶上、下额线平行；表示静子导叶沿Z轴方向的长度，即。
优选的，在S4中，所述将坐标系由三维坐标转换为二维坐标系，具体包括：
通过保角变换将三维坐标转换为二维坐标系，其中：
；
其中，为轴方向的坐标值，为R轴方向的坐标值，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二维静子导叶叶型离散点，通过如下的梯形法则积分获得二维坐标系：
；
；
；
其中，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R轴方向的的坐标值，其中。
优选的，在S5中，所述叶栅稠度的公式表示为：
其中表示叶栅稠度，表示静子导叶的弦长，表示栅距。
优选的，在S5中，所述静子导叶数量为3~7叶。
优选的，在S5中，所述静子导叶安装角，且所述静子导叶安装角的分布特点为：
在同一三维的静子导叶域截面上，所述静子导叶安装角沿Z轴正方向逐渐增大且沿径向由内向外逐渐增大。
优选的，在S5中，所述静子导叶厚度为0.8mm~1.5mm。
一种用于清洁电器的双级离心风机，包括从上到下连接设置的上蜗壳和下蜗壳，所述上蜗壳设有进风口，所述下蜗壳设有出风口；
所述上蜗壳的上端安装有一级叶轮，所述上蜗壳的中部安装有内凸台，所述上蜗壳和内凸台之间形成的上蜗壳流道安装有若干静子导叶；
所述下蜗壳的内部安装有二级叶轮；
所述上蜗壳流道和静子导叶的叶型均采用如上述所述的一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法设计得到。
上述技术方案中的一个技术方案具有以下有益效果：能够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与计算机辅助工程，减少了人工误差并提高了设计效率，便捷地做到参数可调。
其中针对上蜗壳流道部分的合理型线设计，能有效减少气流在上蜗壳流道内的涡流情况带来的能量损失，并且逐渐缩小过流面积，使气流速度得以提升。同时基于不等安装角的三元扭曲设计方法以及叶栅稠度理论，在上蜗壳流道中合理设计出静子导叶的叶型，包括叶栅稠度、静子导叶数量、静子导叶的轴向长度、静子导叶安装角和静子导叶厚度，能有效改善风道内的气体流动，更加顺畅地将气体输送至第二基元级。从而提高双级离心风机的气动性能，具有非常大的应用价值。
附图说明
图1是本发明一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法的流程示意图；
图2是本发明一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法中进气额线、出气额线、静子导叶上额线和静子导叶下额线的参数示意图；
图3是本发明一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法中上蜗壳型线和内凸台型线的参数示意图；
图4是本发明一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法中轴向长度的参数示意图；
图5是本发明一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法中静子导叶的参数示意图；
图6是本发明一种用于清洁电器的双级离心风机的结构示意图；
图7是本发明一种用于清洁电器的双级离心风机的剖面示意图；
附图中：上蜗壳1、下蜗壳2、一级叶轮3、内凸台4、静子导叶5、二级叶轮6、进风口10、出风口20。
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1-4所示，一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，包括以下步骤：
S1、根据双级离心风机的旋转轴确定轴，沿垂直于轴的方向确定轴，并根据轴和轴对双级离心风机建立三维坐标系；
S2、在二维坐标系下，根据一级叶轮、静子导叶和二级叶轮的安装位置，设计进气额线、静子导叶上额线、静子导叶下额线和出气额线，以将双级离心风机的子午流域分为一级叶轮域、静子导叶域和二级叶轮域；
S3、在二维坐标系下，分别控制双级离心风机的子午流域中上蜗壳型线和内凸台型线，以绘制双级离心风机的子午流道中上蜗壳在子午流面的流道；
S4、在上蜗壳型线和内凸台型线之间控制静子导叶上额线和静子导叶下额线，以绘制静子导叶型面；并在静子导叶型面中截取数个三维的静子导叶截面，将截取的各三维的静子导叶截面转换为二维平面，将坐标系由三维坐标转换为二维坐标系；
S5、在二维坐标系下，设计二维静子导叶的叶型，包括设计叶栅稠度、静子导叶数量、静子导叶的轴向长度、静子导叶安装角和静子导叶厚度；
S6、将设计的二维静子导叶叶型由二维坐标系转换回三维坐标，得到上蜗壳流道中的三维静子导叶；
S7、将设计的上蜗壳型线和内凸台型线转换为上蜗壳和内凸台；
S8、将一级叶轮、二级叶轮和设计得到的三维静子导叶、上蜗壳和内凸台合并得到双级离心风机。
本发明提供了一种基于双级离心风机的基本结构参数进行上蜗壳流道以及安装在内的静子导叶叶型的设计方法。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与计算机辅助工程，减少了人工误差并提高了设计效率，便捷地做到参数可调。
其中针对上蜗壳流道部分的合理型线设计，能有效减少气流在上蜗壳流道内的涡流情况带来的能量损失，并且逐渐缩小过流面积，使气流速度得以提升。同时基于不等安装角的三元扭曲设计方法以及叶栅稠度理论，在上蜗壳流道中合理设计出静子导叶的叶型，包括叶栅稠度、静子导叶数量、静子导叶的轴向长度、静子导叶安装角和静子导叶厚度，能有效改善风道内的气体流动，更加顺畅地将气体输送至第二基元级。从而提高双级离心风机的气动性能，具有非常大的应用价值。
更进一步的说明，在S3中，通过贝塞尔曲线控制子午流域中的内凸台型线和上蜗壳型线。具体的，贝塞尔曲线的基本思想是通过线性插值和二次插值，利用一组控制点来描述一条曲线。这种曲线具有很多优良性质，如凸包性、对称性、几何不变性、仿射不变性、拟局部性等，保证了生成曲线的平滑性、连续性和可控性。
更进一步的说明，在S3中，所述上蜗壳型线和内凸台型线均采用五控制点的四阶贝塞尔曲线控制；
所述上蜗壳型线的五控制点分别为、；
所述内凸台型线的五控制点分别为、；
令线段与轴保持水平，线段与轴保持水平；
根据矢量定义给出上述各控制点在R轴或Z轴上限定关系：
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
。
具体的，通过控制十二个控制点之间的大小，使上蜗壳形成先凹后凸、内凸台形成先凸后凹的型线，两型线共同构成过流面积渐缩的子午流道，一方面能有效减少气流在该流道部分的流动损失，另一方面能增大气流进入第二基元级的速度。
更进一步的说明，在S4中，所述静子导叶上额线与所述内凸台型线和上蜗壳型线的交点分别为；
所述静子导叶下额线与所述内凸台型线和上蜗壳型线的交点分别为；
限定以下关系：
P1Q1 P5Q5∥δ1δ2；
；
mm；
；
；
其中，A表示静子导叶上额线和出气额线在轴的相对距离；表示P1与Q1在轴的相对距离；表示与Q1在轴的相对距离或者是与Q1在轴的相对距离；表示静子导叶的攻角，即静子导叶的弦线与静子导叶下额线的夹角，为静子导叶的弦长，静子导叶上、下额线平行；表示静子导叶沿Z轴方向的长度，即。
需要说明的是，δ3与δ4的连线形状取决于各等值面静子导叶Z轴方向长度B以及最大长度位置与最小长度位置关系，可通过参数化调整设计成包含贝塞尔曲线、抛物线函数、周期函数、复合函数等其他任意形式作为权利保护要点，其目的在于改善气体从静子域流向转子域时因气体流速不均而存在的流动分离情况，降低噪音，提升整体的气动性能。
更进一步的说明，在S5中，所述将坐标系由三维坐标转换为二维坐标系，具体包括：
通过保角变换将坐标系由三维坐标转换为二维坐标系，其中：
；
其中，z为轴方向的坐标值，r为轴方向的坐标值，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二维静子导叶叶型离散点，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i表示离散点序号，与Z轴垂直的平面为xoy平面，x为xoy平面的x方向的坐标值；y为xoy平面的y方向的坐标值；z为xoy平面的z方向的坐标值；r为轴方向的坐标值；其中。
由于每个静子导叶域截面需要单独设计静子导叶叶型这种三维基元级型线，为方便对多个三维基元级型线进行设计，本申请通过保角变换将三维的叶高静子导叶域截面转换为二维的平面，将坐标系由三维坐标转换为二维坐标系，将二维叶型定义在二维坐标系，将三维空间曲线转换成二维曲线。本申请通过基于基元级概念的三维设计方法设计双级离心风机，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S5中，所述叶栅稠度的公式表示为：
其中表示叶栅稠度，表示静子导叶的弦长，表示栅距。
在静子导叶的设计中，叶栅稠度对于气流在静子导叶风道间的流动有显著的影响，其取决于静子导叶的长度和栅距。当叶栅稠度过小时，气流会在叶片处由于流动分离而产生较大损失；当叶栅稠度过大时，会增加气流经过叶片时的摩擦损失，故需要合理设计导叶长度与数量的匹配。
更进一步的说明，在S5中，所述静子导叶数量为3~7叶。需要说明的是，所述静子导叶在上蜗壳流道中为均匀的环形阵列分布。
更进一步的说明，在S5中，所述静子导叶安装角，且所述静子导叶安装角的分布特点为：
在同一三维的静子导叶域截面上，所述静子导叶安装角沿Z轴正方向逐渐增大且沿径向由内向外逐渐增大。
具体的，通过数值模拟分析出气流流线在上蜗壳风道流场中任意位置的气流角，即该位置气体质点的轴向速度与切向速度比值的反正切，由此设计三元扭曲的静子导叶叶型，所述静子导叶的安装角为叶型骨线上任意位置的切线与静子导叶上额线之间所夹锐角。
更进一步的说明，在S5中，所述静子导叶厚度为0.8mm~1.5mm。
一种用于清洁电器的双级离心风机，包括从上到下连接设置的上蜗壳1和下蜗壳2，所述上蜗壳1设有进风口10，所述下蜗壳2设有出风口20；
所述上蜗壳1的上端安装有一级叶轮3，所述上蜗壳1的中部安装有内凸台4，所述上蜗壳1和内凸台4之间形成的上蜗壳流道安装有若干静子导叶5；
所述下蜗壳2的内部安装有二级叶轮6；
所述上蜗壳流道和静子导叶5的叶型均采用如上述所述的一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法设计得到。
根据上述设计方法得到的一种用于清洁电器的双级离心风机，其具有效率高、噪音低、真空度大、吸尘效果好的优点。
所述双级离心风机在50000rpm的设计转速下的静压效率为40%~45%，额定工作点处噪声为72~78db，真空度为7600~8400pa。
实施例1
对于上蜗壳流道尺寸L=50mm，x1=24mm，x2=10mm，x3=31mm，x4=7mm，x5=6mm，x6=31mm，x7=13mm，y1=30mm，y2=6mm，y3=14mm，y4=15mm，y5=9mm，y6=16mm，y7=10mm，静子导叶前缘位置τ=3mm，Z轴方向长度B=25mm，φ=45°，尾缘位置δ 3与δ 4在Z轴方向等高，尾缘形状不做特殊处理，叶片数为11叶。采用外转子无刷直流电机，电机设计转速为50000rpm。
实施例2
对于上蜗壳流道尺寸L=50mm，x1=24mm，x2=10mm，x3=31mm，x4=7mm，x5=6mm，x6=31mm，x7=13mm，y1=30mm，y2=6mm，y3=14mm，y4=15mm，y5=9mm，y6=16mm，y7=10mm，静子导叶前缘位置τ=2mm，Z轴方向长度B=30mm，φ=48°，尾缘位置δ 3与δ 4在Z轴方向等高，尾缘形状采用锯齿状设计，叶片数为9叶。采用外转子无刷直流电机，电机设计转速为50000rpm。
实施例3
对于上蜗壳流道尺寸L=50mm，x1=24mm，x2=10mm，x3=31mm，x4=7mm，x5=6mm，x6=31mm，x7=13mm，y1=30mm，y2=6mm，y3=14mm，y4=15mm，y5=9mm，y6=16mm，y7=10mm，静子导叶前缘位置τ=1mm，Z轴方向长度B=35mm，φ=52°，尾缘位置δ 3与δ 4在Z轴方向等高，尾缘形状采用正弦曲线设计，叶片数为7叶。采用外转子无刷直流电机，电机设计转速为50000rpm。
实施例1～实施例3采用相同尺寸的叶轮及蜗壳。
对比例1
本对比例采用和实施例1～实施例3一样的叶轮，一级蜗壳外径为85mm，上蜗壳与下蜗壳的轴向高度相等为20mm，上蜗壳内不设置静子导流叶片结构。
实施例1～3和对比例1的测试结果如下表所示：
实施例1~3通过改变上蜗壳结构及增设静子导流叶，在不改变叶轮的情况下，大幅度的提高了风机的风量，有效提高风机效率。实施例2中的风机在给定工作被压7000情况下，性能最优。实施例2与其它实施例相比，改变了静子叶片的安装位置、长度、安装角以及叶片数，提高了风机效率，同时也降低了风机的工作噪音。
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)

1.一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据双级离心风机的旋转轴确定轴，沿垂直于轴的方向确定轴，并根据轴和轴对双级离心风机建立三维坐标系；
S2、在二维坐标系下，根据一级叶轮、静子导叶和二级叶轮的安装位置，设计进气额线、静子导叶上额线、静子导叶下额线和出气额线，以将双级离心风机的子午流域分为一级叶轮域、静子导叶域和二级叶轮域；
S3、在二维坐标系下，分别控制双级离心风机的子午流域中上蜗壳型线和内凸台型线，以绘制双级离心风机的子午流道中上蜗壳在子午流面的流道；
S4、在上蜗壳型线和内凸台型线之间控制静子导叶上额线和静子导叶下额线，以绘制静子导叶型面；并在静子导叶型面中截取数个静子导叶域截面，将截取的各静子导叶域截面转换为二维平面，将坐标系由三维坐标转换为二维坐标系；
S5、在二维坐标系下，设计二维静子导叶的叶型，包括设计叶栅稠度、静子导叶数量、静子导叶的轴向长度、静子导叶安装角和静子导叶厚度；
S6、将设计的二维静子导叶叶型由二维坐标系转换回三维坐标，得到上蜗壳流道中的三维静子导叶；
S7、将设计的上蜗壳型线和内凸台型线转换为上蜗壳和内凸台；
S8、将一级叶轮、二级叶轮和设计得到的三维静子导叶、上蜗壳和内凸台合并得到双级离心风机。
2.根据权利要求1所述的一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，其特征在于，在S3中，通过贝塞尔曲线控制子午流域中的内凸台型线和上蜗壳型线。
3.根据权利要求2所述的一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，其特征在于，在S3中，所述上蜗壳型线和内凸台型线均采用五控制点的四阶贝塞尔曲线控制；
所述上蜗壳型线的五控制点分别为、；
所述内凸台型线的五控制点分别为、；
令线段与轴保持水平，线段与轴保持水平；
根据矢量定义给出上述各控制点在R轴或Z轴上限定关系：
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
。
4.根据权利要求3所述的一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，其特征在于，在S4中，所述静子导叶上额线与所述内凸台型线和上蜗壳型线的交点分别为；
所述静子导叶下额线与所述内凸台型线和上蜗壳型线的交点分别为；
限定以下关系：
P1Q1 P5Q5∥δ1δ2；
；
mm；
；
；
其中，A表示静子导叶上额线和出气额线在轴的相对距离；表示P1与Q1在轴的相对距离；表示与Q1在轴的相对距离或者是与Q1在轴的相对距离；表示静子导叶的攻角，即静子导叶的弦线与静子导叶下额线的夹角，为静子导叶的弦长，静子导叶上、下额线平行；表示静子导叶沿Z轴方向的长度，即。
5.根据权利要求4所述的一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，其特征在于，在S4中，所述将坐标系由三维坐标转换为二维坐标系，具体包括：
通过保角变换将三维坐标转换为二维坐标系，其中：
；
其中，为轴方向的坐标值，为R轴方向的坐标值，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二维静子导叶叶型离散点，通过如下的梯形法则积分获得二维坐标系：
；
；
；
其中，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R轴方向的坐标值，其中。
6.根据权利要求1所述的一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，其特征在于，在S5中，所述叶栅稠度的公式表示为：
其中表示叶栅稠度，表示静子导叶的弦长，表示栅距。
7.根据权利要求5所述的一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，其特征在于，在S5中，所述静子导叶数量为3~7叶。
8.根据权利要求6所述的一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，其特征在于，在S5中，所述静子导叶安装角，且所述静子导叶安装角的分布特点为：
在同一三维的静子导叶域截面上，所述静子导叶安装角沿Z轴正方向逐渐增大且沿径向由内向外逐渐增大。
9.根据权利要求7所述的一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法，其特征在于，在S5中，所述静子导叶厚度为0.8mm~1.5mm。
10.一种用于清洁电器的双级离心风机，其特征在于，包括从上到下连接设置的上蜗壳和下蜗壳，所述上蜗壳设有进风口，所述下蜗壳设有出风口；
所述上蜗壳的上端安装有一级叶轮，所述上蜗壳的中部安装有内凸台，所述上蜗壳和内凸台之间形成的上蜗壳流道安装有若干静子导叶；
所述下蜗壳的内部安装有二级叶轮；
所述上蜗壳流道和静子导叶的叶型均采用如权利要求1-9任一项所述的一种用于清洁电器的双级离心风机的设计方法设计得到。
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