一种离心风机的蜗壳型线生成方法与流程

本发明涉及动力装置，尤其是一种离心风机的蜗壳型线生成方法。

背景技术：

离心风机蜗壳的作用包括两点，其一，将从叶轮内流出的流体进行收集，其二，将从叶轮流出的高速流体的动能转化为所需的势能。蜗壳型线是约束蜗壳内部流体运动的边界，其同时也决定了蜗舌的位置及蜗舌间隙的大小，对蜗壳的扩压性能有着极大的影响。

蜗舌作为影响整个风机系统的噪音和回流的关键部分，一般设计方法里面只有一个推荐的间隙值为：对于家用电器，常用的蜗壳基圆d2的尺寸在50～500mm之间，蜗舌顶端与叶轮外圆周向间隙值为t:t＝(0.05～0.1)d2，蜗舌顶端圆弧半径为r:r＝(0.03～0.05)d2。对于小型风机系统而言，很多时候间隙值只能取到推荐范围的最小值，为了能够进一步降低噪音，必须取更大的蜗舌间隙。

目前增大蜗舌间隙的方法，主要有两种，第一种是动态调节蜗舌间隙：如本申请人的申请号为201711451180.5的中国专利公开的一种蜗舌，包括支撑架和设于支撑架上以构成蜗舌外轮廓的柔性蜗舌壁，支撑架包括有设于蜗舌根部的上支撑体、下支撑体以及设于蜗舌头部的变r柱体，还包括有用来驱动所述变r柱体转动的驱动机构，驱动变r柱体转动即可以实现蜗舌的变r调节，以改变蜗舌与叶轮之间的间隙，从而提高风机性能或降低噪音，使蜗舌能更好地适应多种实际工况。这种动态调节方式，机构复杂，成本较高。

第二种是采用阶梯蜗舌：如申请号为201510782850.6的中国专利公开的一种倾斜阶梯蜗舌风机蜗壳，包括蜗壳前板、蜗壳后板和夹设于所述蜗壳前板、蜗壳后板之间的环壁，环壁上留有风机的出风口，出风口处设有蜗舌，蜗舌为倾斜阶梯蜗舌，倾斜阶梯蜗舌的本体上设有第一斜面蜗舌和第二斜面蜗舌，通过所述第一斜面蜗舌和第二斜面蜗舌，在所述倾斜阶梯蜗舌上形成多相位的缓冲区，用于缓冲气流对倾斜阶梯蜗舌的冲击，可以使该风机能够有效降低噪音。然而，阶梯蜗舌在大流量时候两个蜗舌撞击产生两种噪音，声音品质差，同时不易加工，需要用塑料件单独加工装配。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种离心风机的蜗壳型线生成方法，简单易加工，同时大流量的时候噪音低。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种离心风机的蜗壳型线生成方法，包括如下步骤：

1)得到基础型线：建立坐标系，确定x轴和y轴，以坐标系的原点为圆心，得到半径为d2的基圆，以x轴正方向上一点作为基础型线的起点，通过螺旋线方程得到基础型线，x轴与基础型线靠近末端处有第一交点，第一交点的x坐标大于起点，基础型线的末端位于坐标系的第一象限内；y轴与基础型线具有第二交点，第二交点位于y轴的正方向、为基础型线最高点；其特征在于：还包括如下步骤：

2)生成第一初始型线：从x轴逆时针旋转一定角度，得到与基础型线靠近末端处的第三交点，并由此得到与基础型线相切的第一直线段，所述第一直线段与基础型线相切于第三交点，所述第一直线段的倾角为θ1，所述第一直线段远离第三交点的端点为蜗壳的第一出口点，以第一出口点为起点、作与x轴平行并朝向y轴延伸一定距离的第二直线段，第二直线段远离第一出口点的端点为蜗壳的第二出口点，然后以第二出口点为起点作与第一直线段平行的第三直线段，得到第三直线段与基础型线的第四交点，由此生成的第一初始型线由基础型线的第四交点和第三交点之间的部分、第一直线段、第二直线段和第三直线段构成；此时第四交点与基圆的间隙为t，并且满足t≥tmin，tmin为标准法设定最小间隙值；

3)生成第二初始型线：如果t和tmin的差值大于1％d2以上，使得第三直线段上的第四交点沿着第一初始型线顺时针偏移一定角度得到第五交点，由此生成的第二初始型线由基础型线的第五交点和第三交点之间的部分、第一直线段、第二直线段和第三直线段构成；此时第五交点与基圆之间的间隙为t’，并且满足t’≥tmin；

4)生成第三初始型线：在第四直线段上取第六交点作为第一修正点，所述第六交点的x坐标小于第五交点、y坐标则大于第五交点；在第二初始型线位于坐标系的第二象限的部分上取一点作为第二修正点，在第一修正点和第二修正点之间通过样条曲线连接替代第二初始型线的第五交点和第二修正点之间的部分，从而生成第三初始型线，在第六交点处倒圆角形成蜗壳的蜗舌。

根据本发明的一个方面，在步骤4)中，通过偏移打点法生成第三初始型线，所述样条曲线为第一样条曲线，包括如下步骤：

4.1)将第二初始型线位于坐标系的第一象限和第二象限内的部分向远离圆心的方向平行地向外偏移一条或等间距偏移至少两条，最外侧为第一偏移线，最内侧为第n偏移线，n为偏移线的数量，中间的从第一偏移线到第n偏移线分别为第二偏移线……第ln-1偏移线；

4.2)取第四直线段与第一偏移线的交点得到所述第六交点，所述第六交点与圆心连接得到第五直线段，所述第二出口点与第六交点连接得到第六直线段；

4.3)从第六交点向第二修正点相对圆心等角度取偏移均分线，偏移均分线的数量为偏移线的数量加1，第一偏移均分线与第五直线段重合，第n+1偏移均分线为第二修正点与圆心的连线，中间的从第一偏移均分线到第n+1偏移均分线分别为第二偏移均分线……第ln’偏移均分线；依次取第二偏移均分线与第二偏移线的交点……第n偏移均分线与第n偏移线的交点，再用第一样条曲线将第六交点、以上各偏移均分线与相应偏移线的n-1个交点以及第二修正点连接，由此生成第三初始型线。

优选的，所述第二修正点与圆心的连线相对y轴的夹角为3～20度，相邻偏移线之间的间距为取值在0.4～1mm。

根据本发明的另一个方面，在步骤4)中，通过旋转打点法生成第三初始型线，所述样条曲线为第二样条曲线，包括如下步骤：

4.1)以第二修正点为旋转中心、将旋第二修正点和基础型线的起点之间的部分向远离圆心的方向旋转一次或等角度旋转至少两次，旋转角度最大的为第一旋转线，旋转角度最小的为第m旋转线，m为旋转线的数量，中间的从第一旋转线到第m旋转线分别为第二旋转线……第m-1旋转线；

4.2)取第四直线段与第一旋转线的交点为所述第六交点，所述第六交点与圆心连接得到第五直线段，所述第二出口点与第六交点连接得到第六直线段；

4.3)从第六交点向第二修正点相对圆心等角度取旋转均分线，旋转均分线的数量为旋转线的数量加1，第一旋转均分线与第五直线段重合，第m+1旋转均分线为第二修正点与圆心的连线，中间的从第一旋转均分线到第m旋转均分线分别为第二旋转均分线……第nm’旋转均分线；依次取第二旋转均分线与第二旋转线的交点……第m旋转均分线与第m旋转线的交点，再用第二样条曲线连接第六交点、以上各旋转均分线与相应旋转线的n-1个交点以及第二修正点连接，由此生成第三初始型线。

优选的，所述第二修正点与圆心的连线与y轴的角度δ为0～30度，每次旋转的角度范围在0.5～2度。

优选的，所述第二交点的坐标为：x＝0,y＝h，蜗壳高度为h1，h1-h≥20mm，第一出口点的y坐标为h1。

优选的，θ1的取值范围优选的为0～30度。

优选的，第二直线段的长度为基础型线的起点和第一交点之间长度的为1.3～2.0倍。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将螺旋状的基础型线的末端延长、出口向蜗舌处倾斜，将位于第一象限和第二象限的部分用样条曲线修正，增大蜗舌间隙而降低噪音，同时这种生成方法可以降低加工难度，使用钣金件就可以做成，不必单独用铸造件或者塑料件单独加工蜗舌区域进行装配。

附图说明

图1为本发明实施例的蜗壳型线生成方法的步骤1)生成的型线示意图；

图2为本发明实施例的蜗壳型线生成方法的步骤2)生成的型线示意图；

图3为本发明实施例的蜗壳型线生成方法的步骤2)生成的型线拉伸后得到的蜗壳示意图；

图4为本发明实施例的蜗壳型线生成方法的步骤2)生成的型线倒圆角后和现有技术的对比示意图；

图5为本发明实施例的蜗壳型线生成方法生成的第二初始型线示意图；

图6为本发明实施例的蜗壳型线生成方法生成的第一初始型线第一种方式修正示意图；

图7为图6的局部ⅰ放大示意图；

图8为本发明实施例的蜗壳型线生成方法生成的第一初始型线第二种修正方式示意图；

图9为图8的局部ⅱ放大示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

离心风机的蜗壳型线，一般为螺旋线，通过流体力学的计算可以知道螺旋线方程为r＝r2*exp(m*θ)，其中r2为叶轮外圆半径，m为与流体性质相关的参数。r2和m确定后，即可得到蜗壳的基础型线(螺旋线)。或者也可以用其他现有方式得到基础型线。

但在基础型线的基础上，如何选取蜗舌的位置，在实际中有较大的难度。而蜗舌对整机噪声和回流起到重要作用。下文的逆时针，是指从x轴正方向朝向y轴正方向的旋转方向，顺时针是指从y轴正方向朝向x轴正方向的旋转方向。

蜗壳型线有一个典型的特征就是随着角度的增大，曲线上的点距离中心点距离越来越大，蜗舌处间隙在规定的范围内间隙越大噪音越低。本发明的方法基于上述原理而设计。

实施例一

本发明的离心风机的蜗壳型线生成方法，包括如下步骤：

1)得到基础型线l：如图1所示，建立坐标系，确定x轴和与之垂直的y轴，以坐标系的原点为圆心o，得到半径为d2的基圆q，如图1中虚线所示，基圆q表示离心风机的叶轮外圆；以x轴正方向上一点作为基础型线l的起点f，通过上述的螺旋线方程r＝d2*exp(m*θ)得到基础型线l，θ为螺旋线上的一点相对于x轴正方向的角度，x轴与基础型线l靠近末端处有第一交点g，第一交点g的x坐标大于起点f；x轴和y轴将平面分成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限，象限的定义如一般的坐标系，其中，基础型线l的末端位于第一象限内；y轴与基础型线l具有第二交点h，该第二交点h位于y轴的正方向，为基础型线l最高点，该第二交点h的坐标为(x＝0,y＝h)，预留蜗壳高度为h1，h1-h≥20mm，作为预留加工空间，h1的高度定下后整个蜗壳型线的总高度也就相应确定。也就是说，h1的最大值受限于整机的高度，最小值一般相较于h大20mm，第一出口点b的y坐标即为h1。

2)生成第一初始型线l1：参见图2，从x轴逆时针旋转角度θ1，得到与基础型线l的靠近末端处的第三交点a，并得到与基础型线l相切的第一直线段ab(倾角为θ1)，θ1的取值范围优选的为0～30度，更为优选的为12～18度，第一直线段ab与基础型线相切于第三交点a，第一直线段ab的另一端点b为蜗壳的第一出口点。基础型线l确定后，起点f和第一交点g之间的长度固定，以第一出口点b为起点，作与x轴平行、朝向y轴延伸的第二直线段bc，c点为蜗壳的第二出口点，第二直线段bc的长度优选的为起点f和第一交点g之间长度的为1.3～2.0倍，更为优选的为1.35～1.55倍，根据实际选择符合安装外部环境要求的初步尺寸；然后以第二出口点c为起点作与第一直线段ab的平行线第三直线段cd，得到与基础型线l的第四交点d；检测第四交点d与基圆q之间的间隙t，如果满足t≥tmin(标准法设定最小间隙值，一般为0.035d2)，则基本可以定下初稿，到此为止生成了第一初始型线l1，由基础型线l、第一直线段ab、第二直线段bc和第三直线段cd构成。

此时，如果垂直于第一初始型线l1，即垂直于图2的纸面方向，整体拉伸长度b后得到蜗壳的环壁1，图3中箭头所示即为拉伸方向；此后，在各第四交点d处倒圆角形成蜗舌，得到图4所示的优化型线l4，参见图4，优化型线l4与现有技术的蜗壳型线相比，其中，直线段b1c1为现有技术的蜗壳出口，d1处为现有技术的蜗舌位置，现有技术的直线段ab1与x轴垂直，相比于现有技术的型线(第二交点g直接竖直向上作为出口的方式)，优化型线l4倾斜生成出口和蜗舌的方式，使得蜗舌的位置整体向y轴偏移，蜗舌间隙t增大，噪音降低。

优化型线l4，蜗舌顶端圆弧半径为r＝(0.03～0.05)d2，拉伸长度b＝1～1.4b，b为叶轮的长度。

3)生成第二初始型线l2：如果间隙t较大，大于tmin这一值1％d2以上，为了增大静压，降低流速，可以使第三直线段cd的第四交点d沿着第一初始型线l1顺时针偏移一定角度得到第五交点d’，第二出口点c和第五交点d’之间构成第四直线段cd’，由此生成第二初始型线l2，由基础型线l、第一直线段ab、第二直线段bc和第四直线段cd’构成。参见图5，第四交点d和第五交点d’之间的圆心角小于30度，同时第五交点d’与基圆q之间的间隙t’还要满足上述要求，t’≥tmin，此时蜗壳的出口是一个逐渐扩大的形状，起到降低流速增大静压的作用。

4)生成第三初始型线l3：在较小的空间里面，需要增大静压，降低流速，由此则必须扩大第三直线段cd与第四直线段cd’的角度，角度加大后蜗舌间隙必然变小，由此意味着噪音的加大。下述的方法适用于在第四直线段cd’角度定下后，还能够增大蜗舌间隙的方法。同样适合其他场合，受限于结构或者扩压要求，第三直线段cd角度较大且不能改变的时候，使用该方法可以增大蜗舌间隙，降低噪音。

受限于安装环境或者其他约束条件，使得第一直线段ab的倾角和第二直线段bc的长度范围较小。即使用最大值，蜗舌间隙t依然较小，或者蜗舌处噪音依然较大。下面的步骤采用偏移打点法实现，参见图6和图7：

4.1)将第二初始型线l2位于坐标系的第一象限和第二象限内的部分向远离圆心o的方向平行地向外偏移，相邻两个偏移线之间间隙不宜过大，取值在0.4～1mm之间。根据需求和实际情况向外偏移一条或等间距偏移至少两条，其中，最外侧(最为远离第二基础型线l)为第一偏移线l1，最内侧(最为靠近第二初始型线l2)的为第n偏移线ln，n为偏移线的数量，中间的从第一偏移线l1到第n偏移线ln分别为第二偏移线l2……第ln-1偏移线ln-1。在本实施例中，共有五条偏移线，分别为第一偏移线l1、第二偏移线l2、第三偏移线l3、第四偏移线l4和第五偏移线l5。

4.2)原来的第四直线段cd’与第一偏移线l1的交点为第六交点d”作为第一修正点，第六交点d”与圆心o连接得到第五直线段od”，第二出口点c与第六交点d”连接得到第六直线段cd”，该第六直线段cd”为原第四直线段cd’的一部分，第六交点d”的x坐标小于第五交点d’、y坐标则大于第五交点d’；在第二初始型线l2位于第二象限的部分上取第七交点e作为第二修正点，第七交点e与圆心o的连线相对y轴的夹角为3～20度。第七交点e在第二象限，由此新生成的型线的交点在第二象限，如果取在第一象限，容易诱发喘振和增加噪音。

4.3)从第六交点d”向第七交点e相对圆心o等角度偏移取均分线，偏移均分线的数量为偏移线的数量加1。其中，第一偏移均分线l1’与第五直线段od”重合，第n+1偏移均分线ln+1’为第七交点e与圆心o的连线，中间的从第一偏移均分线l1’到第n+1偏移均分线ln+1’分别为第二偏移均分线l2’……第ln’偏移均分线ln’，在本实施例中，共有六条偏移均分线，分别为第一偏移均分线l1’、第二偏移均分线l2’、第三偏移均分线l3’、第四偏移均分线l4’、第五偏移均分线l5’和第六偏移均分线l6’。依次取第二偏移均分线l2’与第二偏移线l2的交点……第n偏移均分线ln’与第n偏移线l的交点，再用第一样条曲线l’将第六交点d”、以上各偏移均分线与相应偏移线的n-1个交点以及第七交点e连接，第一样条曲线l’与第二初始型线l的接口处、与第六直线段cd”之间可作倒圆角过度处理，圆角最小大于两个偏移线的间距，一般选择为十倍偏移线间距，由此生成第三初始型线l3，由第一样条曲线l’、基础型线l的ea段、第一直线段ab、第二直线段bc、第六直线段cd”构成。第三初始型线l3蜗舌间隙加大，且可以扩压。另外如果图6所示的最左侧的两个点间距小于0.5mm，也可以不做处理。在第六交点d”处倒圆角形成蜗壳的蜗舌。

通过上述偏移打点法可以最大再增加蜗舌间隙0.01d-0.04d，但加大间隙不得超过0.1d2。

实施例二

参见图8和图9，在本实施例中，与上述实施例一的不同之处在于，采用旋转打点法替代上述的偏移打点法生成第三初始型线l3。包括如下步骤：

4.1)在第二初始型线l2位于第二象限的部分取一点i，以点i为旋转中心，向远离圆心o的方向旋转曲线段if一次或等角度旋转两次，旋转中心i作为第二修正点，其与圆心o的连线与y轴的角度δ为0～30度，单次旋转的角度范围在0.5～2度；其中，旋转角度最大的为第一旋转线n1，旋转角度最小的为第m旋转线nm，m为旋转线的数量，中间的从第一旋转线n1到第m旋转线nm分别为第二旋转线n2……第m-1旋转线nm-1。在本实施例中，共有五条旋转线，分别为第一旋转线n1、第二旋转线n2、第三旋转线n3、第四旋转线n4和第五旋转线n5。

4.2)原来的第四直线段cd’与第一旋转线n1的交点为第六交点d”作为第一修正点，第六交点d”与圆心o连接得到第五直线段od”，第二出口点c与第六交点d”连接得到第六直线段cd”，该第六直线段cd”为原第四直线段cd’的一部分；

4.3)从第六交点d”向旋转中心i相对圆心o等角度取旋转均分线，旋转均分线的数量为旋转线的数量加1。其中，第一旋转均分线n1’与第五直线段od”重合，第m+1旋转均分线nm+1’为旋转中心i与圆心o的连线，中间的从第一旋转均分线n1’到第m旋转均分线nm’分别为第二旋转均分线n2’……第nm’旋转均分线nm’，在本实施例中，共有六条旋转均分线，分别为第一旋转均分线n1’、第二旋转均分线n2’、第三旋转均分线n3’、第四旋转均分线n4’、第五旋转均分线n5’和第六旋转均分线n6’。依次取第二旋转均分线n2’与第二旋转线n2的交点……第m旋转均分线nm’与第m旋转线nm的交点，再用第二样条曲线n’连接第六交点d”、以上各旋转均分线与相应旋转线的n-1个交点以及旋转中心i连接，第二样条曲线n’与第二初始型线l的接口处、与第六直线段cd”之间可作倒圆角过度处理，圆角最小大于两个偏移线的间距，一般选择为十倍偏移线间距，由此生成第三初始型线l3，由第二样条曲线l’、基础型线l的ia段、第一直线段ab、第二直线段bc、第六直线段cd”构成。在第六交点d”处倒圆角形成蜗壳的蜗舌。