一种仿生多翼离心风机叶轮及其制备方法

本发明属于风机叶轮结构，具体涉及一种仿生多翼离心风机叶轮及其制备方法。

背景技术：

多翼离心风机具有结构紧凑、压力系数高、流量系数大等特点。基于多翼离心风机风量和风压的特点，使得多翼离心风机广泛应用于空调、吸油烟机等家电领域，随着节能减排的大力推行，空调、吸油烟机等对多翼离心风机的风量风压有着越来越高的要求。叶轮作为多翼离心风机的主要做功部件，其性能的好坏决定了风机风量、风压以及噪音的大小。多翼离心风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。根据动能转换为势能的原理，利用高速旋转的叶轮将气体加速,然后减速、改变流向，使动能转换成势能(压力)。在单级离心风机中，气体从轴向进入叶轮，气体流经叶轮时改变成轻向，然后进入扩压器。在扩压器中，气体改变了流动方向造成减速，这种减速作用将动能转换成压力能。压力增高主要发生在叶轮中，其次发生在扩压过程。在多级离心风机中，用回流器使气流进入下一叶轮，产生更高压力，目前采用的多翼离心风机结构在运行时，气流流经叶轮叶道时在叶片壁面会产生较大压力脉动，从而阻塞叶道内气流流动，产生气动噪声。在叶轮转动时，旋转的叶轮与静止的蜗壳之间相互干渉，使得叶轮出口受到较大的压力和阻力，在叶片出口边沿产生较大的压力脉动，从而影响出口侧的气流流动，产生较大的气动噪声。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种仿生多翼离心风机叶轮及其制备方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种仿生多翼离心风机叶轮，包括叶轮前盘、叶轮后盘和叶片，叶片沿圆周方向阵列于叶轮前盘和叶轮后盘之间，叶片沿垂直于叶轮轴线的截面的中间型线沿叶轮内径的型线为第一拟合曲线，中间型线沿叶轮外径的型线为第三拟合曲线，中间型线沿叶轮中间的型线为第二拟合曲线，第一拟合曲线为第一拟合型线y1k在叶轮叶片内径圆上的投影曲线，第二拟合曲线为第二拟合型线y2k在叶轮叶片中间圆上的投影曲线，第三拟合曲线为第三拟合型线y1k在叶轮叶片外径圆上的投影曲线，其中：

k＝0.36-1.64，e为指数，x为横向坐标值，y为纵向坐标值。

进一步的，叶片沿垂直于叶轮轴线的截面的中间型线位于叶轮内径一端的切线与叶轮内径切线夹角为叶片进口角角度β1为45-70度。

进一步的，叶片沿垂直于叶轮轴线的截面的中间型线位于叶轮外径一端的切线与叶轮外径切线夹角为叶片出口角角度β2为150-175度。

进一步的，叶片沿垂直于叶轮轴线的截面的中间型线的圆弧中心角角度α为75-110度。

进一步的，沿叶轮圆周方向上相邻两个叶片之间的叶片间距b为：

e为指数,a为叶片弦长。

进一步的，叶片的厚度不大于0.5mm。

一种仿生多翼离心风机叶轮的制备方法，包括以下步骤：

s1，采用逆向重构方式获取海豚前额型线方程，将获取的海豚前额型线在叶轮不同圆周上投影得到拟合曲线；

s2，根据风机叶轮已知的内圈直径、外圈直径以及叶片进口角角度、叶片出口角角度和圆弧中心角角度获取叶片沿垂直于叶轮轴线的截面的中间型线；

s3，将中间型线沿拟合曲线扫描形成中间型面，将中间型面进行左右等厚偏移得到仿海豚额头型线的叶片，将叶片沿圆周阵列于叶轮前盘和叶轮后盘之间即可得到多翼离心风机叶轮。

进一步的，具体的，以海豚外形的中心线为y轴，以海豚宽度方向为x轴，以海豚前额型线两侧终点与x轴相交分别建立x-y坐标系，测量获得曲线上各特征点的位置坐标(x,y)，将各特征点的位置坐标(x,y)进行拟合得到海豚前额型线。

进一步的，具体获取第一拟合型线y1k、第二拟合型线y2k和第三拟合型线y1k；第一拟合型线y1k在叶轮叶片内径圆上投影曲线，第二拟合型线y2k在叶轮叶片中间圆上投影曲线，第三拟合型线y1k在叶轮叶片外径圆上投影曲线，其中：

k＝0.36-1.64，e为指数，x为横向坐标值，y为纵向坐标值。

进一步的，叶轮圆周方向上相邻两个叶片之间的叶片间距b为：

e为指数,a为叶片弦长。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种仿生多翼离心风机叶轮，在叶轮中间截面上，采用仿海豚额头型线叶轮，能够有效减小风机内湍流强度，涡舌区域和叶轮的湍动能强度，本发明基于拟合曲线形成叶片结构，所采用叶片结构能够减小叶道内的旋涡，抑制叶道内较大湍流区域的发展，叶道内的气流的流动分离也得到缓解，从而降低叶片表面的压力脉动而引起的叶道气动噪声；叶片形状沿圆周方向弯曲的叶片形状，每个叶片沿圆周变角度弯曲分布，同一个叶片沿圆周变角度分布，在轴线方向上，同一个叶片不在同一瞬时通过叶轮与壳体的最小间隙，这样它们所产生的噪音成分与频率都不完全相同，因而避免了相同成分和频率的噪音叠加而带来的谐振峰值，改变了叶轮与蜗壳的干涉噪音的频谱分布特性和音质，从而降低了风机叶轮与蜗舌、蜗壳的干涉噪声。

本发明叶片沿垂直于叶轮轴线的截面的中间型线位于叶轮内径一端的切线与叶轮内径切线夹角为叶片进口角角度和叶片出口角角度设置，叶轮叶片出口边所受压力与阻力更小，对蜗壳引起的冲击更小，从而减小风机内的压力波动与湍流脉动，从而进一步降低风机的气动噪声。

本发明一种仿生多翼离心风机叶轮的制备方法，通过采用逆向重构方式获取海豚前额型线方程，将获取的海豚前额型线在叶轮不同圆周上投影得到拟合曲线，以拟合曲线拟合成型叶片结构，能够使叶片表面以及叶片出口边的压力脉动和湍流脉动减弱，叶片出口边与蜗舌、蜗壳的干涉冲击减弱，达到降低了叶道气动噪声的目的。

附图说明

图1为本发明实施例中多翼离心风机安装结构示意图。

图2为本发明实施例中叶片结构示意图。

图3为本发明实施例中叶轮结构示意图。

图4为本发明实施例中叶轮俯视图。

图5为本发明实施例中叶轮侧视图。

图6为本发明实施例中叶片拟合曲线结构示意图。

图7为本发明实施例中叶片拟合曲线轴侧示意图。

图8为本发明实施例中叶片拟合曲线内侧结构示意图。

图9a为本发明实施例中轴向15％处横截面上叶道截面图，图9b为本发明实施例中轴向50％处横截面上叶道截面图，图9c为本发明实施例中轴向85％处横截面上叶道截面图。

图10为本发明实施例中仿海豚额头型线示意图。

图11a为本发明实施例中应用本发明叶轮的多翼离心风机在沿轴向中间平面内的速度流线图；图11b为应用常规直叶轮的多翼离心风机在沿轴向中间平面内的速度流线图。

图12a为本发明实施例中应用本发明叶轮的多翼离心风机在沿轴向距离电机侧进口25％平面内的速度流线图；图12b为应用常规直叶轮的多翼离心风机在沿轴向距离电机侧进口25％平面内的速度流线图。

图13a为本发明实施例中应用本发明叶轮的多翼离心风机在沿轴向中间平面内的湍动能云图；图13b为应用常规直叶轮的多翼离心风机在沿轴向中间平面内的湍动能云图。

图14a为本发明实施例中应用本发明叶轮的多翼离心风机在沿轴向距电机侧进口25％平面内的湍动能云图；图14b为应用常规直叶轮的多翼离心风机在沿轴向距电机侧进口25％平面内的湍动能云图。

图15a为本发明实施例中海豚前额第一型线特征点分布及其拟合曲线；图15b为本发明实施例中海豚前额第二型线特征点分布及其拟合曲线图；15c为本发明实施例中海豚前额第三型线特征点分布及其拟合曲线。

图中：1、叶轮前盘；2、叶轮后盘；3、叶片；4、叶轮叶片内径圆；5、第一投影曲线；6、叶轮叶片中间圆；7、第二投影曲线；8、叶轮叶片外径圆；9、第三投影曲线；10、第一拟合曲线；11、第二拟合曲线；12、第三拟合曲线；13、叶轮；14、海豚前额第一型线；15、海豚前额第二型线；16、海豚前额第三型线；17、叶片弦长；18、叶片进口角；19、叶片出口角；20、圆弧中心角；21、蜗舌；22、压力面；23、蜗壳；24、转动方向；25、中间型线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1、图3所示，一种仿生多翼离心风机叶轮，包括叶轮前盘1、叶轮后盘2和叶片3，叶片3沿圆周方向阵列于叶轮前盘1和叶轮后盘2之间，叶片3沿垂直于叶轮轴线的截面为圆弧面，圆弧面的中间型线25为圆弧线，中间型线25的上端点、中间点和下端点分别沿第一拟合曲线10、第二拟合曲线11和第三拟合曲线12扫略形成叶片曲面(即叶片3沿叶轮内径型线为第一拟合曲线10，叶片3沿叶轮外径型线为第三拟合曲线12，叶片3沿叶轮中间型线为第二拟合曲线11)，叶片曲面向左右两侧等候偏移得到叶片3，叶片3的厚度不大于0.5mm；第一拟合曲线10为第一拟合型线y1k在叶轮叶片内径圆上的第一投影曲线5，第二拟合曲线11为第二拟合型线y2k在叶轮叶片中间圆上的第二投影曲线7，第三拟合曲线12为第三拟合型线y1k在叶轮叶片外径圆上的第三投影曲线9；

如图1所示，么以叶轮轴线方向为z轴，沿叶轮径向方向为y轴，以叶轮切线方向为x轴，建立坐标，有：

其中，y1k、y2k、y3k为针对不同大小海豚身体的前额轮廓型线的横向尺寸，k表示横向尺寸的差异度，k＝0.36-1.64，e为指数，x为横向坐标值，y为纵向坐标值。

如图1所示，叶轮前盘1、叶轮后盘2和叶片3组成的叶轮13安装在蜗壳23内，蜗壳23内的侧面设置蜗舌21，蜗舌21为曲面；叶轮13的转动方向24沿叶片完全方向设置。

如图2、图9所示，叶片3沿垂直于叶轮轴线的截面为圆弧面，即叶片3沿叶轮圆周方向为弯曲面形式；叶片3沿叶轮轴线方向为弯曲面，叶片3沿垂直于叶轮轴线的截面为圆弧面，圆弧面的中间型线指叶片厚度方向中间型面的端面曲线。

如图6所示，叶片3沿垂直于叶轮轴线的截面的中间型线两端连线即为叶片弦长17，中间型线位于叶轮内径一端的切线与叶轮内径切线夹角为叶片进口角18，叶片进口角角度β1为45-70度，中间型线位于叶轮外径一端的切线与叶轮外径切线夹角为叶片出口角19，叶片出口角角度β2为150-175度，中间型线的圆弧中心角20，圆弧中心角角度α为75-110度。叶片横截面轮廓由叶片进口角角度β1、圆弧中心角角度α、叶片出口角角度β2以及叶轮的内径和外径共同确定，如果已知叶轮内径和外径大小，已知叶片进口角角度β1、圆弧中心角角度α、叶片出口角角度β2大小，即可得到叶片横截面轮廓，即可得到叶片3沿垂直于叶轮轴线的截面为圆弧面的中间型线。

沿叶轮圆周方向上相邻两个叶片之间的叶片间距为b:

7e^-16为一个常数，e为指数,a为叶片弦长。经过上式确定叶片间距b后，即可得到叶轮叶片数，获得仿海豚前额型线多翼离心风机叶轮。

如图7、图8所示，第一拟合型线y1k在叶轮叶片内径圆4上的第一投影曲线5为叶片根部，第二拟合型线y2k在叶轮叶片中间圆6上的第二投影曲线7为叶片中部，第三拟合型线y1k在叶轮叶片外径圆8上的第三投影曲线9为叶片尖部；叶片沿垂直于叶轮轴线方向的截面为等截面，截面形状和大小不变；叶片端部的中间型线(具体指叶片3沿垂直于叶轮轴线的截面的中间型线)的圆心位置、圆弧半径、圆弧的进口角、出口角以及中心角根据多翼离心风机的前弯叶型设计方法进行确定。

如图4、图5所示，叶片3在叶轮轴线方向上的变化曲线(即叶片在其宽度方向上的曲面)由第一拟合曲线10、第二拟合曲线11和第三拟合曲线12决定；第一拟合曲线10为叶片根部，即叶轮叶片进风口端；第二拟合曲线11为叶片中部；第三拟合曲线12为叶片尖部，即叶轮叶片出风口端。

本发明第一拟合型线y1k、第二拟合型线y2k和第三拟合型线y1k采用海豚前额拟合型线，采用逆向重构方式获取海豚前额型线方程，将获取的海豚前额型线方程在叶轮不同圆周上投影得到拟合曲线；根据风机叶轮已知的内圈直径、外圈直径以及叶片进口角角度、叶片出口角角度和圆弧中心角角度获取叶片沿垂直于叶轮轴线的截面的中间型线；将中间型线沿拟合曲线扫描形成中间型面，将中间型面进行左右等厚偏移得到仿海豚额头型线的叶片，将叶片沿圆周阵列于叶轮前盘和叶轮后盘之间即可得到多翼离心风机叶轮。如图10所示，截取前额局部区域获得三条曲线，由下到上分别为：海豚前额第一型线14、海豚前额第二型线15和海豚前额第三型线16，该三条曲线均具有良好的减阻效果，海豚前额型线的基本特点是相对于海豚外形的中心线对称；以海豚外形的中心线为y轴，以海豚宽度方向为x轴，以海豚前额型线两侧终点与x轴相交分别建立x-y坐标系，测量获得曲线上各特征点的位置坐标(x,y)，海豚前额第一型线14的特征点如图15c所示，海豚前额第二型线15的特征点如图15b所示，海豚前额第三型线16的特征点如图15a所示。然后根据海豚前额第一型线14、海豚前额第二型线15和海豚前额第三型线16的特征点分别进行拟合，其中，海豚前额第一型线14所拟合的海豚前额第一拟合曲线14’如图15c中虚线所示，海豚前额第二型线15所拟合的海豚前额第二拟合曲线15’如图15b中虚线所示，海豚前额第三型线16所拟合的海豚前额第三拟合曲线16’如图15a中虚线所示。其中，海豚前额第一拟合曲线14’即为第一拟合型线y1k，海豚前额第二拟合曲线15’即为第二拟合型线y2k，海豚前额第三拟合曲线16’即为第三拟合型线y1k。

具体的，先将第一拟合型线y1k、第二拟合型线y2k、第三拟合型线y3k按比例缩放，再以缩放后的三条拟合型线的中点与叶轮轴向宽度上中点重合，向第一拟合型线y1k、第二拟合型线y2k、第三拟合型线y3k两侧分别截取1/2叶轮宽度，即可获得叶片的拟合曲线长度。针对不同尺寸大小的风机叶轮，可将以上三条拟合曲线进行不同的比例缩放，以此配合不同尺度下的叶轮使用。将第一拟合型线y1k、第二拟合型线y2k、第三拟合型线y3k在叶轮不同圆柱面上的投影，分别获得在叶片进口起点圆柱面上的第一拟合曲线10、叶片中点圆柱面上的第二拟合曲线11以及叶片出口点圆柱面上的第三拟合曲线12三条投影曲线；然后将叶片端部截面的中间型线沿第一拟合曲线10、第二拟合曲线11和第三拟合曲线12混合扫描，最终获得仿海豚前额型线的叶片3，该叶片形状在叶轮轴线方向上按照第一拟合曲线10、第二拟合曲线11和第三拟合曲线12变化，叶片弯曲方向朝向叶片压力面。最终形成的叶片形状为沿叶轮外径方向弯曲的空间叶片。

由第一拟合型线y1k、第二拟合型线y2k和第三拟合型线y1k根据叶轮大小进行比例放缩，得到应用于本发明叶片的第一成型曲线s1、第一成型曲线s2和第一成型曲线s3：

n1、n2、n3为根据叶轮大小对三条不同海豚前额轮廓型线进行缩放的比例。

本发明叶片3装配的叶轮13相比于常规直叶片叶轮可以大幅提高风机风量，改善叶轮流道间的气流流动状况，减少叶轮内回流与漩涡的产生，减少叶片的压力脉动区域，同时由于同一叶片沿叶轮轴线方向呈弯曲形式，使得同一个叶片不在同一瞬间通过叶轮13与蜗舌21的最小间隙，这样使得同一叶片所产生的噪声成分与频率都不完全相同，可以避免相同成分频率的噪音叠加而带来的谐振峰值，改善叶轮的噪声频谱分布特性与音质，从而抑制风机噪声。

实施例：

利用计算流体力学商业软件fluent，数值求解三维雷诺平均navier-stokes方程组。风机内部流动马赫数较小，可将其视为不可压缩流动，湍流模型为标准的k-e模型。对比分析采用本发明得到的仿海豚前额型线的叶片3的多翼离心风机与采用常规直叶片的多翼离心风机的内部流动状态和风量，其中，本发明叶轮3和常规直叶片叶轮的叶片数均为60片，叶轮内径均为210mm，叶轮外径均为250mm，叶片进出口角均相同，以及叶片型线(即叶片端部圆弧面)相同，如图9a，图9b，图9c所示。同时风机的进口总压为零，出口静压为零，风机为双进气口风机。建立数值计算模型；计算出口静压为0时的最大风量，采用仿海豚前额型线的叶片3的多翼离心风机风量为1234m³/h，对应的效率为37.3％，而采用常规直叶片叶轮的多翼离心风机风量为1180m³/h，对应的效率为34.1％，相比之下，本发明仿海豚前额型线的叶轮风机风量提升了54m³/h，流量相对提升4.6％，效率提升了3.2％。

本发明仿海豚前额型线的叶片3在空间上的形状呈现为圆周方向上弯曲的形状，仿海豚前额型线的叶片3压力面面积为3272mm²，而常规直叶轮叶片压力面面积为3048mm²，仿海豚前额型线的叶片3相对于常规直叶轮叶片压力面面积增加224mm²，提高7.3％。仿海豚前额型线的叶片3的压力面22的面积大大增加，因此具有比同样叶片横截面型线的常规直叶片更强的做功能力，使得风机流量相对增加4.6％左右。

基于上述数值计算模型，截取叶轮轴向中间平面和轴向距离电机侧进口25％平面进行风机内流场分析，参考图11a、图11b、图12a、图12b、图13a、图13b、图14a及图14b。图11a为应用仿海豚额头型线叶轮的多翼离心风机在沿轴向中间平面内的速度流线图，图11b为应用常规直叶轮的多翼离心风机在沿轴向中间平面内的速度流线图，对比两者可以看出，在叶轮中间截面内仿海豚额头型线叶轮流道内的涡明显减小；图12a为应用仿海豚额头型线叶轮的多翼离心风机在沿轴向距离电机侧进口25％平面内的速度流线图，图12b为应用常规直叶轮的多翼离心风机在沿轴向距离电机侧进口25％平面内的速度流线图，对比两者可以看出，在叶轮距离电机侧进口25％截面内仿海豚额头型线叶轮流道内的涡明显减小，这说明气流在仿海豚额头型线叶轮在整个叶道内的流动分离状况得到明显改善。叶轮与静止的蜗壳之间相互干渉产生的噪音。常规直叶轮每个叶片产生的噪音成分与频率基本相同，两者的共同作用导致相同频率的噪音相互叠加从而产生谐振，大大增强了叶轮旋转噪声，图13a为应用仿海豚额头型线叶轮的多翼离心风机在沿轴向中间平面内的湍动能云图，图13b为应用常规直叶轮的多翼离心风机在沿轴向中间平面内的湍动能云图，对比两者可以看出，在叶轮中间截面上，采用仿海豚额头型线叶轮的风机内湍流强度明显小于常规叶轮风机，涡舌区域和叶轮左侧区域的湍动能强度明显减弱；图14a为应用仿海豚额头型线叶轮的多翼离心风机在沿轴向距电机侧进口25％平面内的湍动能云图，图14b为应用常规直叶轮的多翼离心风机在沿轴向距电机侧进口25％平面内的湍动能云图，对比两者可以看出，在叶轮电机侧进口25％截面上采用仿海豚额头型线叶轮的风机内湍流强度明显小于常规叶轮风机，其中，风机出口区域、蜗舌21区域以及叶轮左侧区域的湍动能强度得到明显减弱，这说明气流在仿海豚额头型线叶轮13在整个叶道内的湍流脉动状况得到明显改善。以上采用两种不同形式叶轮的风机内部云图与流线图说明应用仿海豚额头型线叶轮13叶道内的旋涡明显减少，抑制叶道内较大湍流区域的发展，叶道内的气流的流动分离也得到缓解，从而降低叶片表面的压力脉动而引起的叶道气动噪声；同时，仿海豚额头型线叶片形状为沿圆周方向弯曲的叶片形状，每个叶片沿圆周变角度弯曲分布，该仿海豚额头型线叶轮与常规直叶轮相比，两者的噪音频谱特征有差异，主要为旋转的叶轮与静止的蜗壳之间相互干渉产生的噪音。常规直叶轮每个叶片产生的噪音成分与频率基本相同，两者的共同作用导致相同频率的噪音相互叠加从而产生谐振，大大增强了叶轮旋转噪声，对于本发明的仿海豚额头型线叶轮，同一个叶片沿圆周变角度分布，在轴线方向上，同一个叶片不在同一瞬时通过叶轮与壳体的最小间隙，这样它们所产生的噪音成分与频率都不完全相同，因而避免了相同成分和频率的噪音叠加而带来的谐振峰值，改变了叶轮与蜗壳的干涉噪音的频谱分布特性和音质，从而降低了风机叶轮与蜗舌、蜗壳的干涉噪声。常规直叶轮叶片出口为直平面，本发明的仿海豚额头型线叶轮的叶片出口边为弯曲平面，其型线为仿海豚前额流线型曲线，具有较好的流体力学性能，在叶轮高速旋转冲击气流时，相比于直叶片叶轮，仿海豚额头型线叶轮叶片出口边所受压力与阻力更小，对蜗壳引起的冲击更小，从而减小风机内的压力波动与湍流脉动，从而进一步降低风机的气动噪声。

仿海豚前额型线多翼离心风机叶轮产生的叶道内漩涡强度、漩涡大小较同样进出口安装角的常规直叶片有所减少，流动分离得到缓解，叶片表面以及叶片出口边的压力脉动和湍流脉动减弱，叶片出口边与蜗舌、蜗壳的干涉冲击减弱，达到降低了叶道气动噪声的目的。