一种具有非均匀底盘的后向离心风轮的制作方法

本发明涉及离心风轮，尤其涉及一种具有非均匀底盘的后向离心风轮。

背景技术：

1、后向离心风轮广泛应用于空调、通风设备等领域，其气动性能直接影响风机的效率和噪声水平。传统后向离心风轮的底盘多采用圆盘式回转结构，即底盘外边缘为圆形等径轮廓，底盘表面为平面或简单锥面。

2、这种传统圆盘式底盘存在以下不足：其一，底盘进气侧气流在轮毂附近易形成涡流和流动死区，导致进气攻角不合理，增加流动损失；其二，圆形直边底盘与后向叶片的出口出风角度匹配不佳，叶轮出口气流扩散效果不理想，影响风机全压效率和静压效率；其三，底盘表面曲率变化单一，无法对近壁面气流进行有效引导和预分布，气动噪声较大。因此，亟需一种能够优化气流组织、提升效率并降低噪声的后向离心风轮结构。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种具有非均匀底盘的后向离心风轮，通过波浪形非回转曲面底盘与参数化叶片的协同布局，有效降低气动噪声并提升风机效率。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种具有非均匀底盘的后向离心风轮，包括依次由上至下设置的端盖、叶片和底盘；

4、以经过所述端盖的中心与所述底盘的中心的直线连线为风轮的旋转轴，定义平行于所述旋转轴的投影为轴向投影，定义垂直于所述旋转轴的投影为径向投影；所述端盖的中心与所述底盘的中心在轴向投影上重叠设置，且定义为风轮的轴心o；

5、所述端盖与所述底盘共所述旋转轴布置，所述端盖与所述底盘沿轴向相互间隔，多片所述叶片装配于所述端盖与所述底盘之间；

6、所述叶片设有相对布置的叶片吸力面、叶片压力面，所述叶片吸力面与所述叶片压力面的四条边缘围合形成叶片顶缘、叶片底缘、叶片进口缘和叶片出口缘；所述叶片的所述叶片顶缘与所述端盖的内盖面相连，所述叶片的所述叶片底缘与所述底盘的上盘面相连；所述叶片进口缘、所述叶片出口缘由靠近所述旋转轴向远离所述旋转轴分布，全部所述叶片沿周向均匀间隔排布；

7、所述端盖的中心开设通孔形成进风口，所述端盖、所述底盘以及相邻两片所述叶片合围形成的空间为出风口；

8、在轴向投影下，所述底盘的外边缘为由多个波峰段与波谷段交替设置且圆滑过渡的波浪形边缘；

9、在径向投影下，所述底盘的外边缘向其中心圆逐渐向上凸起形成轮毂；

10、所述叶片的数量、波峰段的数量与波谷段的数量均相同，且每个所述叶片的所述叶片底缘由所述底盘的所述中心圆延伸至所述波谷段。

11、优选的，在轴向投影下，所述波峰段由cd段、de段和ef段三段曲线构成，所述cd段、所述de段和所述ef段均为b样条曲线；

12、定义所述cd段的两端点分别为设计点c和设计点d，定义所述设计点c和所述设计点d之间的直线连线为直线cd，作一条平行于所述直线cd的平行线cd，定义所述平行线cd上的两个端点分别为设计点c和设计点d，所述cd段由所述设计点c和设计点d控制成型；

13、定义所述设计点c、设计点c和设计点d形成的夹角∠ccd为α1；

14、定义所述设计点d、设计点d和设计点c形成的夹角∠ddc为α2；

15、定义所述直线cd和平行线cd之间的直线距离为w1；

16、其中，12°＜α1＜15°，16°＜α2＜19°，12mm＜w1＜14mm；

17、定义所述de段的两个端点分别为设计点d和设计点e，定义所述设计点d和所述设计点e之间的直线连线为直线de，作一条平行于所述直线de的平行线ef，定义所述平行线ef上的两个端点分别为设计点e和设计点f，所述de段由所述设计点e和所述设计点f控制成型；

18、定义所述设计点e、所述设计点d和所述设计点e形成的夹角∠ede为α3；

19、定义所述设计点f、所述设计点e和所述设计点d形成的夹角∠fed为α4；

20、定义所述直线de和所述平行线ef之间的直线距离为w2；

21、其中，35°＜α3＜38°，32°＜α4＜35°，17mm＜w2＜20mm；

22、定义所述ef段的两个端点分别为设计点e和设计点f，定义所述设计点e和所述设计点f之间的直线连线为直线ef，作一条平行于所述直线ef的平行线gh，定义所述平行线gh上的两个端点分别为设计点g和设计点h，所述ef段由所述设计点g和所述设计点h控制成型；

23、定义所述设计点g、所述设计点e和所述设计点f形成的夹角∠gef为α5；

24、定义所述设计点h、所述设计点f和所述设计点e形成的夹角∠hfe为α6；

25、定义所述直线ef和所述平行线gh之间的直线距离为w3；

26、其中，9°＜α5＜12°，8°＜α6＜11°，8mm＜w3＜10mm。

27、优选的，在轴向投影下，所述波谷段由fg段构成，所述fg段为b样条曲线；

28、定义所述fg段的两个端点分别为设计点f和设计点g，定义所述设计点f和所述设计点g之间的直线连线为直线fg，作一条平行于所述直线fg的平行线ij，定义所述平行线ij上的两个端点分别为设计点i和设计点j，所述fg段由所述设计点i和所述设计点j控制成型；

29、定义所述设计点i、所述设计点f和所述设计点g形成的夹角∠ifg为α7；

30、定义所述设计点j、所述设计点g和所述设计点f形成的夹角∠jgf为α8；

31、定义所述直线fg和所述平行线ij之间的直线距离为w4；

32、其中，22°＜α7＜25°，21°＜α8＜24°，18mm＜w4＜21mm。

33、优选的，在轴向投影下，定义所述波峰段上与所述轴心o的直线距离最大的点为设计点p1；

34、沿所述设计点p1与轴心o的直线连线作所述底盘的轴向截面投影，得到底盘轴向截面型线和端盖轴向截面型线；

35、所述底盘轴向截面型线包括沿所述风轮的旋转轴对称设置的第一型线、第二型线和第三型线；

36、所述第一型线由p1i段构成，所述p1i段为b样条曲线；

37、定义所述p1i段的两个端点分别为设计点p1和设计点i，定义所述设计点p1和所述设计点i之间的直线连线为直线p1i，作一条平行于所述直线p1i的平行线mn，定义所述平行线mn上的两个端点分别为设计点m和设计点n，所述p1i段由所述设计点m和所述设计点n控制成型；

38、定义所述设计点m、所述设计点p1和所述设计点i形成的夹角∠mp1i为α9；

39、定义所述设计点n、所述设计点i和所述设计点p1形成的夹角∠nip1为α10；

40、定义所述直线p1i和所述平行线mn之间的直线距离为w5；

41、其中，20°＜α9＜23°，24°＜α10＜27°，15mm＜w5＜17mm；

42、所述第二型线由ih段构成，所述ih段为圆弧；

43、所述第三型线由ho段构成，所述ho段为与所述风轮的旋转轴垂直的直线；

44、所述端盖轴向截面型线由jk段构成，所述jk段为b样条曲线；

45、定义所述jk段的两个端点分别为设计点j和设计点k，定义所述设计点j和所述设计点k之间的直线连线为直线jk，作一条平行于所述直线jk的平行线op，定义所述平行线op上的两个端点分别为设计点o和设计点p，所述jk段由所述设计点o和所述设计点p控制成型；

46、定义所述设计点o、所述设计点j和所述设计点k形成的夹角∠ojk为α11；

47、定义所述设计点p、所述设计点k和所述设计点j形成的夹角∠pkj为α12；

48、定义所述直线jk和所述平行线op之间的直线距离为w6；

49、其中，50°＜α11＜53°，49°＜α11＜52°，27mm＜w6＜31mm。

50、优选的，定义所述设计点j到所述设计点p1的轴向高度距离为出风口高度l1；

51、定义所述设计点k到所述设计点p1的轴向高度距离为风轮高度l2；

52、定义所述轴心o到所述设计点p1的轴向高度距离为底盘高度l3；

53、定义设计参数v1和v2；

54、其中，l1=v1×l2，0.72＜v1＜0.79，l3=v2×l2, 0.61＜v2＜0.64。

55、优选的，定义所述叶片出口缘和叶片底缘、叶片顶缘的衔接点分别为设计点p2、设计点p4，定义所述叶片进口缘和叶片底缘、叶片顶缘的衔接点分别为设计点p3、设计点p5；

56、定义所述波谷段上与所述轴心o的直线距离最小的点为设计点p6；

57、所述设计点p6和所述设计点p2重叠设置；

58、在所述轴向投影下，定义所述设计点p1、轴心o和设计点p2形成的夹角∠p1op2为θ1；

59、定义所述设计点p2、轴心o和设计点p3形成的夹角∠p2op3为θ2；

60、定义所述设计点p1、轴心o和设计点p4形成的夹角∠p1op4为θ3；

61、定义所述设计点p4、轴心o和设计点p5形成的夹角∠p4op5为θ4；

62、定义所述端盖的最大半径为风轮半径r1；

63、定义所述设计点p1与轴心o的直线距离为r2；

64、定义所述设计点p2与轴心o的直线距离为r3；

65、定义设计参数u1、u2、u3、t1、t2；

66、其中，θ2=u1×θ1，1.4＜u1＜1.6；θ3=u2×θ1，1.03＜u2＜1.12；θ4=u3×θ1，1.18＜u3＜1.24；

67、r2=t1×r1，0.91＜t1＜0.97，r3=t2×r1，0.81＜t2＜0.86。

68、优选的，所述叶片的数量n满足5≤n≤7；

69、每片所述叶片采用沿叶高方向离散控制的参数化造型，以所述轮毂侧为起点、所述端盖侧为终点，沿叶高方向依次设置五个特征截面，分别为轮毂截面、第三截面、第二截面、第一截面和端盖截面，其中，所述轮毂截面对应所述轮毂侧叶高起始处，所述第一截面、所述第二截面、所述第三截面对应的相对叶高分别为75%、50%、25%，所述端盖截面对应所述端盖侧叶高终点处；

70、所述端盖截面、所述第一截面、所述第二截面、所述第三截面和所述轮毂截面在所述叶片进口缘上形成设计点a1、设计点a2、设计点a3、设计点a4、设计点a5，所述设计点a1与设计点p5重叠设置，所述设计点a5与设计点p3重叠设置，定义所述设计点a1、设计点a2、设计点a3、设计点a4、设计点a5到所述风轮的旋转轴的径向距离分别为d1、d2、d3、d4和d5；

71、所述端盖截面、所述第一截面、所述第二截面、所述第三截面和所述轮毂截面在所述叶片出口缘上形成设计点b1、设计点b2、设计点b3、设计点b4、设计点b5，所述设计点b1与设计点p4重叠设置，所述设计点b5与设计点p2重叠设置，定义所述设计点b1、设计点b2、设计点b3、设计点b4、设计点b5到所述风轮的旋转轴的径向距离分别为d6、d7、d8、d9和d10；

72、定义设计参数k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8、k9；

73、其中，d2=k1×d1，d3=k2×d1，d4=k3×d1，d5=k4×d1，d6=k5×d1，d7=k6×d1，d8=k7×d1，d9=k8×d1，d10=k9×d1，且0.76＜k1＜0.81，0.63＜k2＜k1，0.52＜k3＜k2，0.4＜k4＜k3，1.71＜k5＜1.74，1.65＜k6＜k5，1.58＜k7＜k6，1.53＜k8＜k7，1.47＜k9＜k8。

74、优选的，定义所述端盖截面、所述第一截面、所述第二截面、所述第三截面和所述轮毂截面的叶片进口角依次为φ1、φ2、φ3、φ4和φ5，定义所述端盖截面、所述第一截面、所述第二截面、所述第三截面和所述轮毂截面的叶片出口角依次为β1、β2、β3、β4和β5，定义所述端盖截面、所述第一截面、所述第二截面、所述第三截面和所述轮毂截面的叶片包角依次为γ1、γ2、γ3、γ4和γ5；

75、其中，11°＜φ1＜13°，φ2=n1×φ1且1.1＜n1＜1.3，φ3=n2×φ1且1.5＜n2＜1.9，φ4=n3×φ1且2.1＜n3＜2.6，φ5=n4×φ1且2.8＜n4＜3.4；

76、129°＜β1＜134°，β2=p1×β1且0.93＜p1＜0.96，β3=p2×β1且0.87＜p2＜0.91，β4=p3×β1且0.82＜p3＜0.85，β5=p4×β1且0.77＜p4＜0.8；

77、45°＜γ1＜48°，γ2=m1×γ1且0.91＜m1＜0.93，γ3=m2×γ1且0.87＜m2＜m1，γ4=m3×γ1且0.83＜m3＜m2，γ5=m4×γ1且1＜m4＜1.2。

78、优选的，所述叶片的中弧面型线满足以下极径方程：

79、以所述轴心o为原点建立柱坐标系，极径r与极角θ定义所述叶片在旋转平面内的位置，径向高度r定义所述叶片沿叶高方向的位置，定义无量纲径向位置

，

，t=0对应所述轮毂侧，t=1对应所述端盖侧，表示所述轮毂侧的径向高度，表示所述端盖侧的径向高度；

80、所述叶片在第j个离散控制站位处的中弧面上任意点的极径满足：

81、；

82、其中，极角θ的取值范围为0≤θ≤γn，叶片包角γn∈[1.8,2.8]rad；

83、j为离散控制站位，将第j个离散控制站位的无量纲叶高t处位置记为，j=0,1,2,3,4

；

84、k为傅里叶谐波系数，取整数k=1,2,3,4；

85、为第j个离散控制站位的无量纲叶高t处位置对应的零阶傅里叶谐波系数；

86、为第j个离散控制站位的无量纲叶高t处位置对应的第k阶傅里叶谐波系数；

87、为第j个离散控制站位的无量纲叶高t处位置对应的第k阶傅里叶谐波系数；

88、第k阶傅里叶谐波系数、均由所述端盖截面、所述第一截面、所述第二截面、所述第三截面和所述轮毂截面对应系数值通过三次样条插值获得。

89、优选的，所述叶片中弧面的法向厚度分布满足：

90、；

91、其中，为所述叶片中弧面的平均法向厚度；

92、为第

k 阶厚度谐波系数，且满足；

93、比例因子，，；为所述轮毂截面对应的比例因子，为所述端盖截面对应的比例因子；

94、在第j个离散控制站位处，所述叶片中弧面的法向厚度分布满足：

95、；

96、；

97、第k阶傅里叶谐波系数、的取值范围为：

98、a0∈[50.0,60.0]，a1∈[-10.0,-5.0]，b1∈[-15.0,-5.0]，a2∈[0.0,5.0]，b2∈[5.0,15.0]，a3∈[-5.0,0.0]，b3∈[-5.0,5.0]，a4∈[0.0,3.0]，b4∈[-3.0,0.0]；且满足几何约束条件以及高频衰减约束且。

99、上述技术方案中的一个技术方案具有以下有益效果：

100、1、摒弃传统圆盘式回转底盘，沿周向对应每片叶片根部向上拱起成型、相邻叶片中间位置向内凹陷，形成连续波浪异形曲面，从叶轮进风口侧预导流进气气流，削减叶轮根部进气涡流，消除轮毂侧流动死区。

101、2、底盘的外边缘采用周向非连续变径轮廓，替代传统圆形直边底盘，匹配后向叶片出风角度，优化叶轮出口气流扩散，提升风机全压效率和静压效率。

102、3、底盘的外边缘跟随其波浪曲面同步非圆形起伏，外缘直径沿圆周周期性变化，配合参数化设计的叶片型线，使气流在进入叶片流道前获得合理的预分布，在保证结构强度的同时提升气动效率，拓宽高效工况范围，有效降低气动噪声，适用于天花机等对能效与噪音要求严苛的领域。