一种基于多段正弦曲线的集流器及其应用

1.本发明属于集流器的技术领域，更具体地，涉及一种基于多段正弦曲线的集流器及其应用。


背景技术：

2.离心风机是一种依靠输入的机械能来提高气体的压力并对其进行输送的流体机械，在环境的通风、空调及抽油烟机等领域都被广泛应用。离心风机主要包括叶轮、蜗壳和集流器三部分。集流器作为离心风机性能的核心部件之一，其作用是将气体引导至叶轮，在风机的进口前段建立起均匀的速度场和压力场，以提高风机效率。
3.由于离心风机的特殊进气方式，气流需要迅速由轴向转为径向，在叶轮前盘附近会出现较为明显的分离流动区域，产生较为严重的流动损失，集流器结构对进气分离流动现象具有重要影响。虽然目前存在多种集流器结构，如柱形、锥形集流器、单双圆弧母线集流器等，但是，仍然存在许多问题。例如，现有集流器结构下，离心风机叶轮前盘附近仍存在明显的分离流动现象和低速流动区域，限制了风机性能的进一步提升；离心风机进口处气流流向的转变较大，目前集流器结构中考虑流向控制的设计较少；传统集流器设计方法难以对其内表面结构进行参数化调整，限制了离心风机进口处的流动控制效果。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于多段正弦曲线的集流器及应用。
5.本发明提供的集流器的母线是基于座头鲸鳍肢前缘凸起结构的仿生设计，为n段正弦曲线拼接组成；其中n段正弦曲线从第1段至第n段依次按照定义域为[(i-1)π,iπ]的正弦曲线组成，n段正弦曲线从第1段至第n段的振幅依次减小，且第1段正弦曲线波形的最高点朝向集流器管道内侧。本发明所公开的该集流器的母线结构使离心风机叶轮前盘流动分离减弱，叶轮前盘叶片的做功能力提高，风机的气动性能得到提升。并且，本发明基于对多段正弦曲线的参数化控制实现对集流器母线结构的多变式设计，可通过相应控制参数的调整为不同结构和尺寸的离心风机提供适配的波形集流器母线设计方案。
[0006]
在本发明的第一方面，公开了一种基于多段正弦曲线的集流器，所述集流器的母线为n段正弦曲线拼接组成；其中所述n段正弦曲线从第1段至第n段依次按照的定义域为[(i-1)π,iπ]的正弦曲线组成，所述n段正弦曲线从第1段至第n段的振幅依次减小，所述n为3-9的单数，i按照1至n中的依次取整值；其中，所述第1段正弦曲线波形的最高点朝向集流器管道内侧。
[0007]
作为本发明的优选，所述正弦曲线的函数从第1段至第n段依次为y＝a1sinx至y＝a
n sinx。
[0008]
作为本发明的优选，所述正弦曲线的函数振幅从a1至an在[0.2,2]范围内逐渐减小取值。
[0009]
作为本发明的优选，所述第n段正弦曲线的函数振幅an取值范围为[0.2,0.3]。
[0010]
作为本发明的优选，所述正弦曲线的振幅变化控制参数为tm＝am/a
m+1
，tm取值范围为[1.2,1.6]。m的取值为[1,n-1]的整数。
[0011]
作为本发明的优选，所述第1段正弦曲线波形对应的函数原点为所述集流器的入口径向截面轮廓线上任意一点。
[0012]
作为本发明的优选，其中，n段正弦曲线的x轴与所述集流器的轴线的夹角为0-60
°
。
[0013]
在本发明的第二方面，提供了一种离心风机，具有本发明的第一方面提供的基于多段正弦曲线的集流器。
[0014]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0015]
(1)本发明集流器的母线通过n段正弦曲线拼接组成，n段正弦曲线从第一段至第n段按照[(i-1)π,iπ]的定义域依次组成，n段正弦曲线的振幅依次减小，总体形成了振幅依次减小波形线。在确定第一段正弦曲线波形的最高点朝向集流器管道内侧后，波形曲线的形状和位置就得到确定了。该集流器的母线是基于座头鲸鳍肢前缘凸起结构的仿生设计，达到了减少来流冲击损失，减弱叶轮前盘的分离流动，提高叶轮入口气流的轴向均匀性的有益效果。
[0016]
(2)本发明集流器的母线为振幅依次减小波形线，波形线是由n段正弦曲线组成，尤其为从第1段至第n段依次为y＝a
1 sinx至y＝a
n sinx的函数表达。基于该曲线的函数表达，通过调整波形线的相应参数，包括波形线的段数，振幅变化控制参数和正弦曲线的函数振幅，能够灵活性设计集流器的结构。
[0017]
(3)本发明通过对集流器尾端波形结构振幅的限定，即限制集流器尾端与蜗壳相连处切线与主流方向形成的出流角度，实现了集流器出流的流向角度控制，以更好地减小前盘附近的分离流动，从而改善了风机进口处的流动状态。
[0018]
(4)本发明集流器的母线基于该曲线的函数表达，尤其是通过控制第i段和第i+1段的振幅变化，保持了所有曲线的波形始终以半周期进行同频变化，进一步地提升了设计的可控性和灵活性。
[0019]
(5)本发明通过确定正弦曲线函数原点，集流器母线和轴线的夹角，进一步确定集流器母线的空间位置，为集流器母线的可控设计提供了一个可选方案。尤其是基于集流器的入口径向截面轮廓线上任意一点的具体位置设置，集流器母线和轴线的夹角为0-60
°
时，通过曲线函数中各参数的灵活适用，灵活地设计的集流器母线。
[0020]
(6)进一步地，本发明对集流器的设计能够根据不同结构型式离心风机的进风条件进行适应性的调整设计，提高了集流器结构设计的灵活度。具体地，进口管道与蜗壳进口直径确定后，集流器的起点和终点位置就得到确定，最后一个波形结构的振幅限制后，角度也同样得到限制。最后一个波形结构的振幅越高，出流流向与轴向夹角越小。实际的集流器出流角度根据特定的进口管道直径和蜗壳进口直径的实际尺寸确定，因此对于不同结构的集流器进口管道直径和蜗壳进口直径的结构，通过调整最后一个波形振幅来控制集流器出流角度，从而达到根据不同离心风机结构参数提供适配的优选方案。
[0021]
(7)在本技术的基础上，当发明通过具体限定n值取1或2时，即单段半周期的正弦
曲线或两段拼接的半周期正弦曲线，通过控制参数t值的调整，可以对单双圆弧母线结构(参照申请号202110041341.3的专利申请文件)，实现一定程度上的相似性替换。而本发明相对单双圆弧母线的集流器的明显有益之处在于对集流器母线整体结构的参数化控制和集流器出流角度的灵活性调节。这是由于本发明通过对座头鲸鳍肢前缘凸起结构的仿生，通过多段正弦曲线进行集流器母线的设计，能够减少该处的来流冲击，调节叶轮前盘区域入流的速度和角度，使前盘叶片的做功能力提升。
[0022]
综上，本发明的集流器通过对多段正弦曲线的控制实现集流器母线结构的多变式设计，利用本发明中仿生集流器结构的离心风机叶轮前盘流动分离减弱，叶片做功能力提高，风机的气动性能得到提升。同时，本发明通过不同控制参数的设置实现不同离心风机集流器结构的参数化调整，为离心风机进口区域的流动控制提供多种解决方案。
附图说明
[0023]
图1为本发明的实施例示的离心风机的结构示意图；
[0024]
图2为本发明的实施例的集流器结构图；
[0025]
图3为本发明的实施例示意的集流器母线的示意图；
[0026]
图4为本发明的实施例示意的一种集流器剖面图；
[0027]
图5为本发明的实施例1中基于5段正弦函数曲线形成的二维图；
[0028]
图6为本发明的实施例1中的离心风机全压效率-流量曲线图；其中c1为母线为直线的集流器，c2为实施例1中基于5段正弦曲线设计的波形结构的集流器；
[0029]
图7为本发明的实施例1中的径向截面速度云图；其中c1为母线为直线的集流器，c2为实施例1中的基于5段正弦曲线设计的波形结构的集流器；
[0030]
图8为本发明的实施例2中是基于9段正弦函数曲线形成的二维图；
[0031]
图9为本发明的实施例2中的离心风机全压效率-流量曲线图；其中c1为母线为直线的集流器，c3为实施例2中为基于9段正弦曲线设计的波形结构的集流器；
[0032]
图10为本发明的实施例2中的径向截面速度云图；其中c1为母线为直线的集流器，c2为实施例1中的基于9段正弦曲线设计的波形结构的集流器。
具体实施方式
[0033]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0034]
在本发明中，除另有明确规定和限定，当出现术语如“设置在”、“相连”、“连接”时，这些术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接或一体连接；可以是直接相连或通过一个或多个中间媒介相连。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。对于本发明中所出现的方向词，是为了能更好地对特征的特点及特征间的关系进行说明，应当理解的是，当本发明的摆放方向发生改变时，特征的特点及特征间的关系的方向也对应发生改变，因此方向词不构成对特征的特点及特征间的关系在空间内的绝对限定作用，仅起到相对限定作用。
[0035]
如图1所示为本发明的实施例示的离心风机的结构示意图。离心风机包括叶轮、蜗壳和集流器三部分，其中集流器连接于离心风机蜗壳进口处，其作用是将气体引导至叶轮，在风机的进口区域建立起均匀的速度场和压力场，以提高风机效率。如图2所示为示例的一种集流器的结构示意图。
[0036]
在本发明中实施例中，基于多段正弦曲线的集流器的设计方法具体如下：
[0037]
集流器母线的二维曲线的设计：
[0038]
确定每段正弦曲线的函数表达，例如依次为y＝a
1 sinx至y＝a
n sinx，那么整体的波形线是表达式为正弦曲线的分段函数的集合。设置波形线的段数和振幅变化参数，设置曲线函数的振幅，生成所述波形线的二维曲线。
[0039]
集流器母线的二维形状的设计：
[0040]
设置集流器母线的原点，以集流器的入口径向截面轮廓线上任意一点为原点；设置正弦曲线的x轴与集流器的轴线的夹角，y轴方向与x轴垂直并指向集流器管道内侧；设置第一段正弦曲线波形的最高点朝向集流器管道内侧，将波形线的二维曲线设计为离心风机集流器母线的二维形状。如图3所示为本发明实施例所示的集流器母线的二维形状，其中集流器母线的x轴与集流器轴线(进风管道的主流方向)的夹角α为0-60
°
，r为进口管道的半径。
[0041]
集流器的三维结构设计：
[0042]
按照集流器母线的二维形状的x轴长度与集流器母线实际长度的比例，以原点为基准进行波形线整体的缩小或放大；设计集流器的外壳表面，得到具有振幅依次减小的波形线的集流器。
[0043]
在实际方法实施中是以原点为基准，对波形线整体直接进行实际的缩小或方法，波形线整体的形状保持不变。其基本原则仍然是根据二维形状的x轴长度与集流器母线实际长度的比例。
[0044]
上述关于集流器可以适应不同结构的离心风机，具体可以通过上述函数表达的参数进行优选的适配。在本发明的实施例中统一使用11-62型号的离心风机作为本实施例集流器的测试对象
[0045]
上述关于集流器的设计方法可以基于计算机程序进行设计，可以结合自动化的设备进行设计和制备。
[0046]
如图3所示的本发明中的集流器剖面图，集流器剖面图的内表面结构为母线。在发明的实施例中，该母线结构位于集流器的内表面，其外表面为了适应实际集流器的应用可以是平滑直线表面的设计或适应性的波形的设计。集流器的母线为振幅依次减小的多段正弦曲线组成的波形线，集流器的外表面为平滑表面设计，其内部为中空。
[0047]
在本发明的实施例中，具体对应于下述实施例中的c1方案，该c1方案为以母线为直线的集流器结构仅作为建立本设计方法中的二维参考系的参照，即为传统锥形集流器。因此在c1方案中，直线型的集流器其母线空间位置与本技术的集流器其母线空间位置相同，仅在于母线的区别。
[0048]
以下为具体实施例：
[0049]
实施例1
[0050]
c2方案：分别截取5段连续定义域为[(i-1)π,iπ](i依次取1、2、3、4、5)正弦函数曲
线拼接为集流器母线。
[0051]
设置上述集流器母线的振幅变化控制参数t值为1.6；设置最后一个波形的振幅a5为0.2，则a1、a2、a3、a4分别设置为1.31、0.82、0.51、0.32。
[0052]
具体曲线如图4所示，之后波形线的实际尺寸根据前述方法进行调整，生成该集流器的内表面波形结构的二维图。
[0053]
选择11-62型号的离心风机作为本实施例的测试对象，通过计算流体动力学(cfd)数值模拟分别将锥形集流器(c1)和本实施例中5段正弦曲线拼接的仿生波形结构的集流器(c2)设置于同一离心风机上，进行整机性能的对比测试以及内部流场分析。从图5可以看出，具有本实施例集流器的离心风机(c2方案)相较于内表面无所述波形结构的集流器(c1方案)，高效运行工况区间扩大，且风机最高全压效率较之提升约1.65％。
[0054]
图6是流量为8496m3/h工况下c1和c2方案80％叶高(靠近叶轮前盘)径向截面云图，可以看出，c2方案叶轮前盘叶片出流的高流速区域更大，特别是蜗舌侧及顶部叶片的出流速度有明显提升，这意味着通过对集流器内表面结构的仿生设计，一定程度上增加了叶轮前盘叶片的做功能力，提高了叶轮出流的均匀性。
[0055]
实施例2
[0056]
分别截取9段连续定义域为[(i-1)π,iπ](i依次取1、2、3、4、5、6、7、8、9)正弦函数曲线拼接为集流器母线。
[0057]
设置上述集流器母线的振幅变化控制参数t值为1.2；设置最后一个波形的振幅a9为0.3，则a1～a8分别为1.29、1.07、0.90、0.75、0.62、0.52、0.43、0.36。具体曲线如图7所示。
[0058]
选择11-62型号的离心风机作为本实施例的测试对象，通过cfd数值模拟分别对具有锥形集流器(c1)以本实施例中仿生曲线为母线的集流器(c3)离心风机进行整机多工况性能测试及内流分析。图8为c1和c3方案风机整机的风量-全压效率对比曲线，可以看出，具有本实施例所设计集流器的离心风机(c3方案)最高全压效率较c1方案提升约1.75％。
[0059]
图9是流量为8496m3/h工况下c1和c3方案80％叶高(靠近叶轮前盘)径向截面云图，可以看出，在增加正弦曲线拼接段数后，c3方案的叶轮前盘附近，叶轮出口至蜗壳间的环形区域高流速区面积比c1更大，并且各叶片出流的速度均匀性明显提高，进一步证明了本发明中集流器内表面结构仿生设计对叶轮前盘叶片做功能力的改善作用，同时也意味着减弱了离心风机进气口附近的分离流动，从而达到提高风机气动效率的效果。
[0060]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于多段正弦曲线的集流器，其特征在于，所述集流器的母线为n段正弦曲线拼接组成；其中所述n段正弦曲线从第1段至第n段依次按照定义域为[(i-1)π,iπ]的正弦曲线组成，所述n段正弦曲线从第1段至第n段的振幅依次减小，所述n为3-9的单数，i按照1至n依次取整值；其中，所述第1段正弦曲线波形的最高点朝向集流器管道内侧。2.根据权利要求1所述的基于多段正弦曲线的集流器，其特征在于，所述正弦曲线的函数从第1段至第n段依次为y＝a
1 sinx至y＝a
n sinx。3.根据权利要求2所述的基于多段正弦曲线的集流器，其特征在于，所述正弦曲线的函数振幅从a1至a
n
在[0.2,2]范围内逐渐减小取值。4.根据权利要求2所述的基于多段正弦曲线的集流器，其特征在于，所述第n段正弦曲线的函数振幅a
n
取值范围为[0.2,0.3]。5.根据权利要求1所述的基于多段正弦曲线的集流器，其特征在于，所述正弦曲线的振幅变化控制参数为t
m
＝a
m
/a
m+1
，t
m
取值范围为[1.2,1.6]。m的取值为[1,n-1]的整数。6.根据权利要求1所述的基于多段正弦曲线的集流器，其特征在于，所述第1段正弦曲线波形对应的函数原点为所述集流器的入口径向截面轮廓线上任意一点。7.根据权利要求1所述的基于多段正弦曲线的集流器，其特征在于，其中，n段正弦曲线的x轴与所述集流器的轴线的夹角为0-60
°
。8.一种离心风机，其特征在于，具有权利要求1-7任一项所述的基于多段正弦曲线的集流器。

技术总结
本发明属于集流器的技术领域，公开了一种基于多段正弦曲线的集流器及其应用。该集流器的母线为n段正弦曲线拼接组成；其中n段正弦曲线从第1段至第n段依次按照定义域为[(i-1)π,iπ]的正弦曲线组成，n段正弦曲线的振幅依次减小，n为3-9的单数，i按照1至n依次取整值；其中，第1段正弦曲线波形的最高点朝向集流器管道内侧。本发明所制备的集流器达到了减少来流冲击损失，减弱叶轮前盘的分离流动，提高叶轮入口气流的轴向均匀性的有益效果。并且通过对多段波形的参数化控制实现对集流器母线结构的多变式设计，可通过相应控制参数的调整为不同结构和尺寸的离心风机提供适配的波形线集流器母线设计方案。流器母线设计方案。流器母线设计方案。


技术研发人员：王军 周昊 丁炎炎 蒋博彦 王宇杰
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/7