一种C型启动前弯式多翼离心风机叶轮及制备方法

本发明属于多翼离心风机叶轮，具体涉及一种c型启动前弯式多翼离心风机叶轮及制备方法。

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，因此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。多翼离心风机运行时，叶轮作为多翼离心风机的最主要做工部件，气流流经叶轮叶道时在叶片壁面会产生较大湍流脉动，在叶道内产生较大的内流漩涡，从而阻塞叶道内气流流动，产生气动噪声。因此，在增加风机风量与风压的前提下同时改善叶轮流道内的气流流动状况、降低叶间流道内流旋涡，减小叶间流道的湍流脉动，这是多翼离心风机叶轮结构设计的主要任务。而目前现有的多翼离心风机中弧线曲线的选型均为为圆弧形中弧线，由单圆弧或多圆弧构成。由单圆弧或多圆弧形成的叶片中弧线由于圆弧本身的特点限制，只有圆弧半径、圆弧中心角以及拱点圆半径结构，这使得叶片间流道形状的设计自由度较低，不能形成合理的流线型叶片中弧线型线，使得叶片间流道相对不合理，这样的叶片流道间存在大量由于流动分离产生的漩涡区，导致流动损失较大，气动性能也相应的降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种c型启动前弯式多翼离心风机叶轮及制备方法，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c型启动前弯式多翼离心风机叶轮，包括叶轮前盘、叶轮后盘以及圆周阵列于叶轮前盘和叶轮后盘之间的叶片，叶片垂直于其宽度方向的截面为c型截面，c型截面的中弧线为第一曲线y1j、第二曲线y2j和第三曲线y3j依次连接的拟合曲线；

其中第一曲线y1j的端部和第三曲线y3j的端部连线为叶片弦长，叶片弦长与风机叶轮内圈切线夹角为120-130°，j＝0.36-1.8。

进一步的，叶轮前盘和叶轮后盘之间相邻两个叶片沿风机叶轮内圈的弧线长度为c，c＝-0.0015(a)³+0.0617(a)²+0.4334a，其中a为叶片弦长的长度。

进一步的，c型截面的中弧线拟合方程为：

k为缩放比例大小。

进一步的，叶片的厚度不大于0.5mm。

一种c型启动前弯式多翼离心风机叶轮成型方法，包括以下步骤：

s1，采用逆向重构方式获取鲤科鱼类c型启动曲线段的鱼体中心线方程；

s2，根据风机叶轮已知的内圈直径、外圈直径以及叶片中弧线进口角β获取叶片弦长的长度，将叶片弦长的长度与鱼体中心线方程弦长相比得到缩放比例，然后将鱼体中心线方程按缩放比例进行比例缩放得到叶片中弧线拟合方程；

s3，根据叶片中弧线拟合方程得到中弧线曲线后进行左右等厚偏移得到c型截面，将c型截面进行直线拉伸即可得到叶片结构，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，采用逆向重构方式获取鲤鱼类c型启动piv流场的身体型线图，以鲤科鱼在c型启动形态时鱼体横截面中心轮廓的最低点为原点，以中心轮廓的最低点切线为y轴建立x-y坐标系，提取鱼体中心线的特征点(x，y)，并以此建立鱼体中心线得到叶片中弧线拟合曲线。

进一步的，步骤s1得到的鱼体中心线方程为：

j＝0.36-1.8。

进一步的，中弧线拟合方程为：

k为缩放比例大小。

进一步的，相邻两个叶片的叶片间距为c：

c＝-0.0015(a)³+0.0617(a)²+0.4334a，

其中a为叶片弦长的长度。

进一步的，叶片的叶片前缘的中弧线切线与风机叶轮内圈切线夹角为10-20°。

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c型启动前弯式多翼离心风机叶轮，采用叶轮前盘、叶轮后盘以及圆周阵列于叶轮前盘和叶轮后盘之间的叶片，叶片垂直于其宽度方向的截面为c型截面，c型截面的中弧线拟合曲线形成的叶片结构，用于多翼离心风机叶片中弧线上，所形成的叶轮能够在增加风机风量的前提下，改善叶轮流道内气流流动，减小气流在叶间流道内的流动分离，抑制漩涡，降低叶片表面的压力脉动和湍流脉动，从而实现增大风机风量和风压、降低风机气动噪声，能够有效实现减阻效果，达到在增风增压的同时能有效的降低叶轮的气动噪声的效果。

进一步的，采用仿鲤科鱼c型启动叶片的叶轮具有更好的叶间流道，同时本发明叶片还能抑制叶道内流动分离，减少叶道内的旋涡，增强叶片的作功能力。

一种c型启动前弯式多翼离心风机叶轮制备方法，根据鲤鱼类c型启动piv流场的身体型线获取叶片的中弧线，采用c型启动鱼体中线结构能够使叶片间流道形状更加合理，可以大大减小叶片流道间的流动分离，改善叶道内部流动状况，减小叶道内的旋涡和湍流脉动，降低流动损失，从而相应的提升气动性能，本方法能够根据叶轮内径和外径尺寸，快速计算得到相应的叶片线型结构。

附图说明

图1为本发明实施例中风机叶轮叶片安装结构示意图。

图2为本发明实施例中风机叶轮立体结构示意图。

图3为本发明实施例中叶片立体结构示意图。

图4为本发明实施例中采用逆向重构方式获取鱼体中线结构示意图。

图5为本发明实施例中c型启动鱼体结构示意图；图5a为c型启动鱼体轮廓图；图5b为c型启动鱼体中心线与叶片横截面对比重合图。

图6为本发明实施例中中弧线拟合曲线图。

图7a为第一曲线拟合曲线结果图；图7b为第二曲线拟合曲线结果图；

图7c第三曲线拟合曲线结果图；图7d第四曲线拟合曲线结果图。

图8为本发明实施例中叶轮安装结构示意图。

图9a为应用常规圆弧叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向50％截面的速度流线图，图9b为应用仿鲤科鱼c型启动叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向50％截面的速度流线图。

图10a为应用常规圆弧叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向90％截面的速度流线图；图10b为应用仿鲤科鱼c型启动叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向90％截面的速度流线图。

图11a为应用常规圆弧叶片多翼离心风机在主进风口侧沿轴向50％截面的湍动能云图；图11b为应用仿鲤科鱼c型启动叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向50％截面的湍动能云图。

图12a为应用常规圆弧叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向90％截面的湍动能云图；图12b为应用仿鲤科鱼c型启动叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向90％截面的湍动能云图。

图13a为应用常规圆弧叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向90％截面的速度矢量图；图13b为应用仿鲤科鱼c型启动叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向90％截面的速度矢量图。

其中，1、叶轮前盘；2、叶轮后盘；3、叶片；4、叶片弦长；5、第一曲线；6、第二曲线；7、第三曲线；8、叶片弦长与风机叶轮内圈切线夹角；9、叶片中弧线进口角；10、叶片中弧线出口角；11、内圈直径；12、外圈直径；13、叶片间距；14、鱼体中心线；15、鱼头处型线；16、鱼体偏转内侧外形轮廓；17、鱼体偏转外侧轮廓；18、垂线。

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2所示，一种c型启动前弯式多翼离心风机叶轮，包括叶轮前盘1、叶轮后盘2以及圆周阵列于叶轮前盘和叶轮后盘之间的叶片3，叶片3垂直于其宽度方向的截面为c型截面，c型截面的中弧线为第一曲线y1j5、第二曲线y2j6和第三曲线y3j7依次连接的拟合曲线，即鱼体中心线方程；

其中第一曲线y1j5的端部为叶片尾缘，第三曲线y3j7的端部为叶片前缘；叶片尾缘和叶片前缘之间连线为叶片弦长4，叶片弦长4与风机叶轮内圈切线夹角(β)8为120-130°；即叶片3的前端和后端之间的连线为叶片弦长。

叶片3垂直于其宽度方向的截面为c型截面，即叶片横截面为c型截面，叶片3的c型截面的中弧线为仿鲤科鱼c型启动鱼体中心线形状，该中弧线为流线型样条曲线。

如图1所示，叶片3的叶片前缘的中弧线切线与风机叶轮内圈切线夹角(β1)为叶片中弧线进口角9，叶片3的叶片后缘的中弧线切线与风机叶轮内圈切线夹角(β2)为叶片中弧线出口角10，其中叶片中弧线进口角β1范围为10-20°，叶片中弧线出口角β2范围为160-175°，由于叶片中弧线形状固定，仅需确定β1或β2其中一个参数，即可固定叶片中弧线位置。其叶片各横截面相等。

叶轮前盘和叶轮后盘之间相邻两个叶片3的叶片间距为c，即叶轮前盘和叶轮后盘之间相邻两个叶片3沿风机叶轮内圈的弧线长度为c，c＝-0.0015(a)³+0.0617(a)²+0.4334a，其中a为叶片弦长4的长度，根据风机叶轮已知的内圈直径(r1)11和外圈直径(r2)12，以及叶片弦长4与风机叶轮内圈切线夹角(β)8，即可得到叶片弦长4的长度。叶片弦线与叶片中弧线起点处(叶片3的叶片前缘的中弧线切线端点)切线夹角β3为定值，β3＝110°；叶片弦长4与风机叶轮内圈切线夹角为β，β＝β1+β3，因此在确定β1后，即可确定叶片弦线安装角β，在确定叶片弦长4与风机叶轮内圈切线夹角β后，由风机叶轮内圈圆上叶片弦线的起点，与该点的圆弧切线偏移角度β，然后延伸至风机叶轮外径圆，即可确定叶片弦长的长度a。经过上式确定相邻两个叶片3沿风机叶轮内圈的弧线长度(即叶片间距13)后，即可得到叶轮叶片数，获得仿鲤科鱼c型启动前弯式多翼离心风机叶轮。

如图3所示，本发明叶片3中弧线与鲤科鱼游动时c形启动鱼体中线匹配，c型启动使鲤科鱼类具有高效、快速的游动性能，c型启动时，整体鱼体型线周围无涡，并且鱼体阻力较小，鱼体中线呈现较好的流线型形式，具有十分有效的减阻特性。如图4所示，并采用逆向重构方式，首先获得鲤鱼类c型启动piv流场的身体型线以及流场图，将鲤科鱼类c型启动时的低阻力、流线型鱼体中线，本发明中弧线采用c型启动鱼体中线结构能够使叶片间流道形状更加合理，可以大大减小叶片流道间的流动分离，改善叶道内部流动状况，减小叶道内的旋涡和湍流脉动，降低流动损失，从而相应的提升气动性能。

逆向重构方式获取鲤科鱼类c型启动的中弧线结构，采用以下方法：

首先通过对鲤科鱼c型启动姿态进行piv实验，获得鲤科鱼在c型启动姿态时的鱼体形态以及流场，如图4所示；然后以鲤科鱼在c型启动形态时鱼体横截面中心轮廓的最低点为原点，以中心轮廓的最低点切线为y轴建立x-y坐标系，图5a所示，并提取鱼体横截面轮廓外形的特征点(x1，y1)，以此建立鲤科鱼在c型启动形态时鱼体轮廓外形，根据鱼体在c型启动时所绘制的鱼体外形提取鱼体中心线的特征点(x，y)，并以此建立鱼体中心线14，如图5a所示。根据所提取鱼体中心线的曲线特点对其进行分段，得到第一曲线特征点、第二曲线特征点、第三曲线特征点以及第四曲线特征点，如图6所示；根据这四条型线的特征点(x，y)分别进行拟合，分别拟合获得第一曲线、第二曲线、第三曲线以及第四曲线，并分别构建各条鱼体中心曲线的y1j、y2j、y3j以及y4j，如图7a、7b、7c、7d所示。如图4所示，第四曲线为鱼头处型线15，由于鱼头处无为头骨，而非脊柱骨，不能进行弯曲，因此鱼头处中心线为直线，如图4、图5a所示，因此鱼头处中心线即第四曲线不应用于叶片中弧线上，只将第一曲线、第二曲线和第三曲线应用于叶片中弧线上。根据第一曲线、第二曲线、第三曲线所获得的三条拟合曲线依次首尾相连，其形状即为叶片中弧线形状。

根据上述所构建的鲤科鱼c型启动鱼体中心线方程，将其进行在叶片中弧线上的应用时，首先需要根据风机叶轮已知的内圈直径11、外圈直径12以及叶片中弧线进口角β1或叶片出口角β2确定采用叶片弦长的长度a，将叶片弦长的长度a与中弧线弦长(即鱼体中心线方程曲线弦长)b相比得到缩放比例k，然后将中弧线方程整体按k的倍数关系进行比例缩放，获得应用于确定已知的内圈直径11、外圈直径12以及叶片中弧线进口角β1或叶片出口角β2的仿鲤科鱼c型启动叶片中弧线方程yk。将所获得叶片中弧线方程yk进行离散化，从而获得一系列叶片仿鲤科鱼c型启动叶片中弧线的特征点(x，yk)，然后根据该一系列特征点(x，yk)绘制叶片中弧线，将上述已经布置好的叶片中弧线进行左右等厚偏移，即可获得仿鲤科鱼c型启动叶片的c型截面，将c型截面进行直线拉伸，得到仿鲤科鱼c型启动前弯式多翼离心风机叶片3，最终形成的仿鲤科鱼c型启动前弯式叶片与鱼体中心线的对应关系如图5b所示。

所构建的仿鲤科鱼c型启动前弯式多翼离心风机叶片，叶片中弧线除了叶轮的内圈直径(r1)11和外圈直径(r2)12之外，只需确定叶片中弧线进口角9或叶片中弧线出口角10，区别于单圆弧或多圆弧叶片中弧线的叶片所具有的圆弧半径、中心角以及拱点圆半径等参数。因此对于本发明的叶片的两个参数只需确定叶片其中一个参数，叶片中弧线位置就可固定，即只需确定叶片中弧线进口角9或叶片中弧线出口角10其中一个参数，另一个参数则自动确定。

以鲤科鱼在c型启动形态时鱼体横截面中心轮廓的最低点为原点，以中心轮廓的最低点切线为y轴建立x-y坐标系，并提取鱼体横截面轮廓外形的特征点(x1，y1)，以此建立鲤科鱼在c型启动形态时鱼体轮廓外形，由鱼体偏转内侧外形轮廓16特征点向鱼体偏转外侧轮廓17做多条垂线18，并取该形态下鱼体所有垂线的中点(x，y)，即为鱼体中心线的特征点(x，y)，将所提取的鱼体中心线的特征点(x，y)依次连接建立鲤科鱼c型启动形态下鱼体中心线14，如图4、5所示。

上述方程即为针对不同尺寸大小鱼体c型启动形态下的鱼体中线方程，其中，j表示不同大小鲤科鱼c型启动时鱼体中线尺寸的差异度，j＝0.36-1.8。

根据已知的内圈直径(r1)11和外圈直径(r2)12，以及叶片弦长4与风机叶轮内圈切线夹角(β)8，即可得到叶片弦长4的长度，将第一曲线、第二曲线、第三曲线的方程进行比例缩放，得到应用于特定叶轮的叶片中弧线方程，即经过比例缩放的中弧线方程，如下所示：

其中，s1、s2、s3为根据具体叶片尺寸将拟合曲线1方程y1j、拟合曲线2方程y2j、拟合曲线3方程y3j比例缩放的缩放后的叶片中弧线方程，k为所进行缩放的比例大小。

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仿鲤科鱼c型启动前弯式多翼离心风机叶片的多翼离心风机与采用常规单圆弧叶片的多翼离心风机的内部流动状态和风量，其中叶片数均为60片，叶轮内径均为210mm，叶轮外径均为250mm；采用本发明叶片结构的叶片进口角为20°；图9所示。数值计算模型如图8所示。计算出口静压为0时的最大风量，采用仿鲤科鱼c型启动前弯式多翼离心风机叶片的多翼离心风机风量为1332m³/h，对应的效率为37.3％，采用常规圆弧叶片叶轮的多翼离心风机风量为1240m³/h，相比之下，仿鲤科鱼c型启动前弯式多翼离心风机叶片风机风量提升了92m³/h，风量相对提升7.5％。

仿鲤科鱼c型启动前弯式多翼离心风机叶片c型截面，其弯度相比于单圆弧或双圆弧叶片较大。仿鲤科鱼c型启动前弯式多翼离心风机叶片压力面面积为4235mm²，常规单圆弧叶片压力面面积为3024mm²，相对于常规直叶片压力面面积增加1611mm²，提高40％。仿鲤科鱼c型启动前弯式叶片压力面的面积大大增加，因此具有比单圆弧和多圆弧直叶片更强的做功能力，使得风机流量相对增加7.5％左右。

基于上述数值计算，截取叶轮主进风口侧沿轴向50％和90％截面分析风机内流场，如图9-图12所示。图9为应用常规圆弧叶片和仿鲤科鱼c型启动前弯式叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向50％截面的速度流线图，对比两者可以看出，在叶轮主进风口侧沿轴向50％截面本发明叶片叶轮流道内的旋涡明显大幅度减小，在各个叶间流道内的旋涡几乎消失，叶道内流动更加平稳，流动速度也相对更快。图10为应用常规圆弧叶片和仿鲤科鱼c型启动前弯式叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向90％截面的速度流线图，对比两者可以看出，在叶轮左侧区域仿鲤科鱼c型启动叶片的叶间流道旋涡均大幅度减小，在叶轮下方区域相比于常规圆弧叶轮叶间流道漩涡几乎消失，叶道内流动更加平稳，流动速度也相对大。因此可以得出采用仿鲤科鱼c型启动叶片的叶轮具有更好的叶间流道，同时本发明叶片还能抑制叶道内流动分离，减少叶道内的旋涡，增强叶片的作功能力。图11为应用常规圆弧叶片和仿鲤科鱼c型启动前弯式叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向50％截面的湍动能云图，对比两者可以看出，在叶轮主进风口侧50％截面上，采用仿鲤科鱼c型启动前弯式叶片的风机内湍流强度明显小于常规圆弧叶片风机，风机出口区域、涡舌区域和叶轮左侧区域的湍动能强度明显减弱，其他部分叶轮区域的湍流强度均相对圆弧叶片风机有不同程度的减弱。图12为应用常规圆弧叶片和仿鲤科鱼c型启动前弯式叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向90％截面的湍动能云图，对比两者可以看出，采用仿鲤科鱼c型启动前弯式叶片的风机内湍流强度明显小于常规圆弧叶片风机，整个叶轮左侧区域的湍动能强度明显减弱，其他部分叶轮区域的湍流强度均相对圆弧叶片风机有不同程度的减弱。图13为应用常规圆弧叶片与仿鲤科鱼c型启动叶片的多翼离心风机在主进风口侧沿轴向90％截面的速度矢量图，对比两者可以看出，本发明叶片的叶间流道内的旋涡均减小，叶道内的流动分离减弱，同时叶片出口出速度矢量更加均匀，出口速度更大，这说明叶片的做功能力相对更强，叶道的面积变化更加符合流体流动特性，同时在叶片进口处气流入口角与仿鲤科鱼c型启动叶片中弧线入口角相切，进口无冲击，较好的改善了入口处的气流流动特性。这进一步说明仿鲤科鱼c型启动叶片流体力学特性优于圆弧叶片。

以上采用圆弧叶片和仿鲤科鱼c型启动前弯叶片的风机内部云图与流线图说明应用仿鲤科鱼c型启动前弯式叶片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，采用本发明叶片前缘的气流无冲击进入，尾缘出口气流速度更大、更均匀，这说明仿鲤科鱼c型启动前弯式叶片具有更好的叶片中弧线，其流体力学特性较好。

仿鲤科鱼c型启动前弯式叶片叶道内的漩涡强度、漩涡大小较圆弧叶片有所减少，流动分离得到缓解，叶片吸力面和叶片前缘的压力脉动和湍流脉动减弱，叶片出口气流速度更大、更均匀，从而达到增加流量和风机风压、降低叶道气动噪声的目的。