CN111963465B - 一种两级轴流无环量出风低噪声风机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两级轴流无环量出风低噪声风机，包括外壳、外壳设置有进风口与出风口、设于进风口一侧的首级混流叶轮、设于出风口一侧的次级轴流叶轮、设于所述首级混流叶轮与次级轴流叶轮之间的导叶、设于导叶内部的驱动装置；所述次级轴流叶轮次级轮盘与次级叶片；所述导叶包括导叶盘与导叶叶片；本发明通过通过减少次级叶轮叶片的出口安放角，使次级叶轮出口达到无环量出流的状态，减少次级导叶的设置，大幅度减小风机设备的尺寸，进而减少成本，且使结构更加紧凑可靠，对使用空间的要求小；风机出口风机出口绝对风速减小，降低气动噪音；驱动装置置于导叶内部，能有效屏蔽驱动装置的机械噪音。

Description

一种两级轴流无环量出风低噪声风机
技术领域
本发明属于低噪声气动设计领域，尤其是涉及一种两级轴流无环量出风低噪声风机。
背景技术
风机作为通风设备，是一种广泛应用的提升气体压力并排送气体的具有代表性的机械装置，风机通常包括壳体及其内的叶轮，叶轮为旋转组件，由多个叶片固定于轮毂上构成，叶片在流体中起作用，大多数风机由电机驱动。
目前市场上的两级轴流风机次级叶轮出口存在很大的速度环量（叶轮出口绝对速度沿圆周方向的速度分量），该速度环量会在之后的管路中耗散而未被利用，从而减少风机的效率，并且环量的存在，与轴向速度叠加使风的绝对速度增大，导致风机出口的噪音较大；因此常规风机优化案例是在次级叶轮后端配合一个次级导叶，转化次级叶轮出口的速度环量为压力势能，从而达到无环量出风以减少流体的能量损失，然而次级导叶的设置导致风机尺寸偏大，对使用空间要求较高，且加工成本高。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种两级轴流无环量出风低噪声风机。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种两级轴流无环量出风低噪声风机，包括外壳、设于所述外壳一侧的进风口、设于所述外壳另一侧的出风口、设于所述进风口一侧的首级混流叶轮、设于所述出风口一侧的次级轴流叶轮、设于所述首级混流叶轮与次级轴流叶轮之间用于导向气流的导叶、设于所述导叶内部用于驱动所述首级混流叶轮与次级轴流叶轮旋转的驱动装置；所述次级轴流叶轮包括设于所述出风口一侧的次级轮盘、若干沿所述次级轮盘圆周方向等距固设于所述次级轮盘上的次级叶片；所述导叶包括设于所述次级轮盘左侧的导叶盘、若干沿所述导叶盘圆周方向等距设于所述导叶盘上的导叶叶片、设于所述导叶盘内侧的气流通道；所述次级叶片的出口安放角的角度为0°-90°，进口安放角的角度为0-90°；所述导叶叶片的出口安放角的角度为20°-90°。
本发明工作时，风从进风口进入，依次经过首级混流叶轮、导叶、次级轴流叶轮，最后从出风口流出；与传统两级风机相比，通过减少次级叶轮叶片的出口安放角，使次级叶轮出口达到无环量出流的状态，减少次级导叶的设置，大幅度减小风机设备的尺寸，进而减少成本，且使结构更加紧凑可靠，对使用空间的要求小；风机出口无环量出风，绝对速度沿圆周方向的速度分量为0，使得风机出口的绝对速度等于轴向速度，绝对风速减小，降低气动噪音；驱动装置置于导叶内部，能有效屏蔽驱动装置的机械噪音。
所述次级叶片的吸入直径与次级叶片的外径比例为1，所述次级叶片的工作面包角的角度为0°-150°。
所述导叶叶片的吸入直径与导叶叶片的外径比例为1-1.5，所述导叶叶片的入口安放角的角度为100°-170°，所述导叶叶片的工作面包角的角度为0°-150°。
所述首级混流叶轮包括设于所述出风口一侧的首级轮盘、若干沿所述首级轮盘圆周方向等距固设于所述首级轮盘上的首级叶片、固设于所述首级叶片外缘上的第一壳体、可拆卸设于所述首级轮盘左侧的导流罩、用于可拆卸连接所述导流罩与首级轮盘的第一连接件；设置第一壳体，与首级叶片及首级轮盘形成闭式叶轮模式，结构强度高，加工方便，不易变形；设置导流罩，与首级轮盘紧密贴合，边缘处与首级轮盘边缘处相切，从进风口进入的气流会依照导流罩的流线型表面均匀分流后进入首级叶轮，减少对气流的阻力，对进风口处的气流进行导向，使气流与每片首级叶片均匀接触，避免气流对首级轮盘产生冲击。
所述首级叶片的吸入直径与首级叶片的外径比例为0.1-0.9，所述首级叶片的入口安放角的角度为10°-90°，所述首级叶片的出口安放角的角度为10°-90°，所述首级叶片的工作面包角的角度为0°-150。
所述驱动装置包括设于所述导叶盘内部的驱动件、固定套设于所述驱动件上的安装件、固设于所述导叶盘内孔壁上的固定部、用于安装件与固定部可拆卸连接的第二连接件、设于所述驱动件左侧的第一传动轴、设于所述驱动件右侧的第二传动轴、用于连接所述第一传动轴与所述首级轮盘的第三连接件、用于连接所述第二传动轴与所述次级轮盘的第四连接件；所述第一传动轴穿设于所述首级轮盘中心轴，所述第二传动轴穿设于所述次级轮盘中心轴。
所述第三连接件包括设于所述首级轮盘与所述驱动件之间的第一调整垫、设于所述第一传动轴端部的第一轴头螺母、所述第四连接件包括设于所述次级轮盘与所述驱动件之间的第二调整垫、设于所述第二传动轴端部的第二轴头螺母；所述第一调整垫套设于所述第一传动轴，所述第二调整垫套设于所述第二传动轴；调整垫设于轮盘中心轴与传动轴凸台之间，用于给轮盘中心轴预加轴向载荷，提高刚性，防止轮盘与传动轴发生相对偏移，也可补偿由于温升导致的膨胀伸长量，通过更换不同厚度的调整垫可以快速调整轮盘在传动轴上的位置，与轴头螺母配合对首级轮盘及次级轮盘进行定位和紧固，使得轮盘与传动轴同步转动，且方便对其快速拆卸与安装。
所述气流通道包括若干沿所述安装件圆周方向等距开设于所述安装件上的气流孔、设于所述导叶盘与所述首级轮盘之间的第一间隙、设于所述导叶盘与所述次级轮盘之间的第二间隙；在风机运行过程中，一级导叶的左右端面会产生压差，使驱动装置周围空气产生流动，带走驱动装置产生热量从而达到冷却的目的。
所述外壳包括设于所述首级混流叶轮外侧的第二壳体、设于所述次级轴流叶轮外侧的第三壳体、用于可拆卸连接所述第二壳体与所述第三壳体的第五连接件、两个分别设于所述第二壳体及所述第三壳体底部的机座、设于所述第二壳体与所述第一壳体之间的第三间隙；所述第三壳体与所述导叶叶片外缘固定；设置机座，因为电机运行会产生振动，先通过法兰和固定部将电机和第一导叶盘牢牢固定住，然后再通过机座将风机固定在地面上，从而减小风机整体的振动，降低了噪音；导叶叶片与所述第三壳体固定，导叶叶片不仅起到了气流导向作用，同时起到了加强筋的作用；设置第三间隙，使得第一壳体的转动与第二壳体互补干扰。
综上所述，本发明具有以下优点：通过减少次级叶轮叶片的出口安放角，使次级叶轮出口达到无环量出流的状态，减少次级导叶的设置，大幅度减小风机设备的尺寸，进而减少成本，且使结构更加紧凑可靠，对使用空间的要求小；风机出口无环量出风，绝对速度沿圆周方向的速度分量为0，使得风机出口的绝对速度等于轴向速度，绝对风速减小，降低气动噪音；驱动装置置于导叶内部，能有效屏蔽驱动装置的机械噪音。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图。
图2为本发明驱动装置的结构示意图。
图3为本发明的叶片外形示意图。
图4为本发明驱动装置的结构示意图。
图5为本发明气流孔的结构示意图。
图6为常规设计次级叶轮出口速度三角形。
图7为常规导叶设计速度三角形。
图8为本发明二级叶轮出口速度三角形。
图9为本发明导叶设计速度三角形。
图10为本发明内部气流流线图。
具体实施方式
为了使技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1-10所示，一种两级轴流无环量出风低噪声风机，包括外壳1、进风口21、出风口22、首级混流叶轮3、次级轴流叶轮4、导叶5及驱动装置6；所述进风口21设于所述外壳1一侧；所述出风口22设于所述外壳1另一侧；所述首级混流叶轮3设于所述进风口21一侧；所述次级轴流叶轮4设于所述出风口22一侧；所述导叶5设于所述首级混流叶轮3与次级轴流叶轮4之间用于导向气流；所述驱动装置6设于所述导叶5内部用于驱动所述首级混流叶轮3与次级轴流叶轮4旋转，能有效降低电机的机械噪音；所述次级轴流叶轮4包括次级轮盘41及次级叶片42；所述次级轮盘41设于所述出风口22一侧；所述次级叶片42设有多片，沿所述次级轮盘41圆周方向等距固设于所述次级轮盘41上；所述导叶5包括导叶盘51、导叶叶片52及气流通道7；所述导叶盘51设于所述次级轮盘41左侧；所述导叶叶片52设有多片，沿所述导叶盘51圆周方向等距设于所述导叶盘51上；所述气流通道7设于所述导叶盘51内侧；风从进风口21进入，依次经过首级混流叶轮3、导叶5、次级轴流叶轮4，然后从出风口22流出；空气从首级混流叶轮3轴向进入，从次级轴流叶轮4轴向流出，次级轴流叶轮4对空气进行二级增压，并使得风能轴向流出。
在风机设计时，风机总的全压和流量是不变的，在风机全压和流量不变的情况下，本发明的两级增压式风机比现有的单级增压式风机的噪音更小；因为在流量相同的情况下，例如均为Q，风机总的全压为Pt；本发明采用两级叶轮，每一级的叶轮流量仍为Q，但是每一级叶轮分担的全压比总的全压小，从而每一级叶轮的圆周速度减小，每一级叶轮的直径也减小，因此，采用了两级叶轮的风机，可有效降低风机内部的绝对速度，从而降低了风机的噪音；且减小了每一级叶轮叶片的直径；本发明采用首级混流式叶轮、次级轴流式叶轮的结构形式，能有效降低风机内部的绝对风速，从而大幅减少气动噪声，且该结构形式也能实现轴向进气，轴向出气的需求。
为便于理解图6-图9，以下对图中出现的物理量加以说明：
u-圆周速度。
β-叶片安放角（叶片表面切线方向与反旋转方向圆周切线间的夹角）。
w-叶轮内相对速度。
v-叶轮内绝对速度。
v m -叶轮内绝对速度沿轴面方向的速度分量。
v u -叶轮内绝对速度沿圆周方向的速度分量。
常规设计中次级叶轮出口速度三角形如图6所示，该设计叶轮出口存在速度环量为v u ，其值不为0；因此常规设计二级叶轮出口存在较大的速度环量，通常需要在二级叶轮后配置一个二级导叶，使该速度环量转变为风机的压力势能，从而达到无环量出风以减少流体的能量损失。
在本发明无环量设计中，为使次级叶轮的速度环量v u 等于0，需要进一步减小次级叶轮的出口安放角β，其理论值可通过速度三角形计算得出，使叶轮内的绝对速度v等于v m ，采用无环量设计的次级叶轮出口速度三角形如图8所示。
二级叶轮的做工能力与叶轮进出口安放角的差值有着直接的关系，为使次级叶轮出口达到无环量出流的状态，减小了次级叶轮的出口安放角，因此次级叶轮的做功能力得到很大的削弱；为恢复次级叶轮的做功能力，就需要减小次级叶轮的进口安放角，以增加叶轮进出口安放角的差值；而减小次级叶轮的进口安放角会使得次级叶轮入口形成负冲角，会严重破坏次级叶轮的内部流动；如图7所示，常规导叶出口角度通常设置在90°，该类导叶出口基本处于无环量出流或带少量正环量出流；如图9所示，本发明减小首级导叶的出口安放角，以适应次级叶轮入口安放角减小带来的流动匹配性问题，导叶出口安放角必须减少以适应次级叶轮的入口速度三角形，其值可在20°至90°之间，相应的，导叶的形状也会趋向于C型，本发明风机的内部气流流线图如图10所示。
如图1所示，所述首级混流叶轮3包括首级轮盘31、首级叶片32、第一壳体33、导流罩34及第一连接件35；所述首级轮盘31设于所述出风口22一侧；所述首级叶片32设有多片，沿所述首级轮盘31圆周方向等距固设于所述首级轮盘31上；所述第一壳体33固设于所述首级叶片32外缘上；所述导流罩34为圆顶状，可拆卸设于所述首级轮盘31左侧，与首级轮盘31紧密贴合，边缘处与首级轮盘31边缘处相切，对进风口21处的气流进行导向，减少对气流的阻力；所述第一连接件35选用螺钉，沿所述导流罩34圆周方向等距设有3个，用于可拆卸连接所述导流罩34与首级轮盘31。
首级混流叶轮3采用闭式叶轮模式，结构强度高，加工方便，不易变形。
如图2所示，所述驱动装置6包括驱动件61、安装件62、固定部63、第二连接件64、第一传动轴65、第二传动轴66、第三连接件67及第四连接件68；所述驱动件61选用电机，可在市面上购买得到，结构不再赘述，设于所述导叶盘51内部；所述安装件62固定套设于所述驱动件61上，本实施例中，安装件62为法兰；所述固定部63固设于所述导叶盘51内孔壁上；所述第二连接件64设有多组，选用螺钉与垫片的组合，用于安装件62与固定部63可拆卸连接；所述第一传动轴65设于所述驱动件61左侧，且穿设于所述首级轮盘31中心轴；所述第二传动轴66设于所述驱动件61右侧，且穿设于所述次级轮盘41中心轴；所述第三连接件67用于连接所述第一传动轴65与所述首级轮盘31；所述第四连接件68用于连接所述第二传动轴66与所述次级轮盘41。
如图2所示，所述第三连接件67包括第一调整垫671及第一轴头螺母672；所述第一调整垫671设于所述首级轮盘31与所述驱动件61之间，套设于所述第一传动轴65；所述第一轴头螺母672设于所述第一传动轴65端部；所述第四连接件68包括第二调整垫681及第二轴头螺母682；所述第二调整垫681设于所述次级轮盘41与所述驱动件61之间，套设于所述第一传动轴65；所述第二轴头螺母682设于所述第二传动轴66端部。
如图2所示，所述气流通道7包括气流孔71、第一间隙72及第二间隙73；所述气流孔71设有多个，沿所述安装件62圆周方向等距开设于所述安装件62上；所述第一间隙72设于所述导叶盘51与所述首级轮盘31之间；所述第二间隙73设于所述导叶盘51与所述次级轮盘41之间；在风机运行过程中，导叶5左右端端面会产生压差，风从进风口21进入，依次经过首级混流叶轮3、导叶5、次级轴流叶轮4，然后从出风口22流出，但由于导叶5左右端面压差的存在，有一小部分气流会从第二间隙73进入导叶盘51内部，然后经过气流孔71，从第一间隙72流出导叶盘51，使得驱动件61表面形成微循环，如图2中箭头方向所示，带走驱动件61表面的热量从而达到冷却的目的；故本发明的电机无需设置风扇，风扇的运行也会产生噪音，本发明的电机取消了风扇的设置，故降低了噪音。
如图1所示，所述外壳1包括第二壳体11、第三壳体12、第五连接件13、机座14及第三间隙15；所述第二壳体11设于所述首级混流叶轮3外侧；所述第三壳体12设于所述次级轴流叶轮4外侧，且与所述导叶叶片52外缘固定，使得导叶叶片52不仅起到气流导向的作用，同时起到加强筋的作用，使得导叶5的结构强度高；所述第五连接件13设有多组，选用螺栓、垫片及螺母的组合，用于可拆卸连接所述第二壳体11与所述第三壳体12；所述机座14设有两个，分别固设于所述第二壳体11及所述第三壳体12底部，因为电机运行会产生振动，先通过法兰和固定部63将电机和第一导叶盘51牢牢固定住，然后再通过机座14将风机固定在地面上，从而减小风机整体的振动，降低了噪音；所述第三间隙15设于所述第二壳体11与所述第一壳体33之间，使得第一壳体33的转动与第二壳体11互不干扰。
本发明风机的各项参数需要满足如下条件：
叶片中间流面前缘到叶轮中心的距离称为叶片的吸入直径为D1,叶片中间流面尾缘到叶轮中心的距离称长叶片的外径D2，叶片工作面的叶片安放角是叶片凸面表面切线与圆周方向的夹角，叶片背面的叶片安放角是叶片凹面表面切线与圆周方向的夹角，叶片内径处的叶片安放角是叶片入口角，叶片外径处的叶片安放角是叶片出口角；叶片的入口安放角为β1，所述入口安放角为叶片的工作面出口角；叶片的出口安放角为β2，所述出口安放角为叶片的背面出口角，叶片的包角为θ；
首级混流叶轮3的首级叶片32的参数：0.1≤D1:D2≤0.9，10°≤β1≤90°，10°≤β2≤90°，0°≤θ≤150°。
导叶5的导叶叶片52的参数：1≤D1:D2≤1.5，100°≤β1≤170°，20°≤β2＜90°，0°≤θ≤150°。
次级轴流叶轮4的次级叶片42的参数： D1:D2=1，0°＜β1≤90°，0°＜β2≤90°，0°≤θ≤150。°
实施例1
首级混流叶轮3的首级叶片32的参数：数量为21片，D1=210mm，D2=280mm，β1=30°，β2=50°，θ=40°。
导叶5的导叶叶片52的参数：数量为13片，D1=280mm，D2=280mm，β1=135°，β2=60°，θ=5°。
次级轴流叶轮4的次级叶片42的参数：数量为14片，D1=280mm，D2=280mm，β1=20°，β2=45°，θ=45°。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种两级轴流无环量出风低噪声风机，其特征在于：包括外壳(1)、设于所述外壳(1)一侧的进风口(21)、设于所述外壳(1)另一侧的出风口(22)、设于所述进风口(21)一侧的首级混流叶轮(3)、设于所述出风口(22)一侧的次级轴流叶轮(4)、设于所述首级混流叶轮(3)与次级轴流叶轮(4)之间用于导向气流的导叶(5)、设于所述导叶(5)内部用于驱动所述首级混流叶轮(3)与次级轴流叶轮(4)旋转的驱动装置(6)；风从进风口进入，依次经过首级混流叶轮、导叶、次级轴流叶轮，然后从出风口流出；所述次级轴流叶轮(4)包括设于所述出风口(22)一侧的次级轮盘(41)、若干沿所述次级轮盘(41)圆周方向等距固设于所述次级轮盘(41)上的次级叶片(42)；所述导叶(5)包括设于所述次级轮盘(41)左侧的导叶盘(51)、若干沿所述导叶盘(51)圆周方向等距设于所述导叶盘(51)上的导叶叶片(52)、设于所述导叶盘(51)内侧的气流通道(7)；所述次级叶片(42)的出口安放角的角度为0°-90°，进口安放角的角度为0-90°；所述导叶叶片(52)的进口安放角β1的取值范围为100°≤β1≤170°，所述导叶叶片(52)的出口安放角β2的取值范围为20°≤β2＜90°，且所述导叶叶片趋向于C型。
2.根据权利要求1所述的两级轴流无环量出风低噪声风机，其特征在于：所述次级叶片(42)的吸入直径与次级叶片(42)的外径比例为1，所述次级叶片(42)的工作面包角的角度为0°-150°。
3.根据权利要求1所述的两级轴流无环量出风低噪声风机，其特征在于：所述导叶叶片(52)的吸入直径与导叶叶片(52)的外径比例为1-1.5，所述导叶叶片(52)的工作面包角的角度为0°-150°。
4.根据权利要求1所述的两级轴流无环量出风低噪声风机，其特征在于：所述首级混流叶轮(3)包括设于所述进风口(21)一侧的首级轮盘(31)、若干沿所述首级轮盘(31)圆周方向等距固设于所述首级轮盘(31)上的首级叶片(32)、固设于所述首级叶片(32)外缘上的第一壳体(33)、可拆卸设于所述首级轮盘(31)左侧的导流罩(34)、用于可拆卸连接所述导流罩(34)与首级轮盘(31)的第一连接件(35)。
5.根据权利要求4所述的两级轴流无环量出风低噪声风机，其特征在于：所述首级叶片(32)的吸入直径与首级叶片(32)的外径比例为0.1-0.9，所述首级叶片(32)的入口安放角的角度为10°-90°，所述首级叶片(32)的出口安放角的角度为10°-90°，所述首级叶片(32)的工作面包角的角度为0°-150°。
6.根据权利要求4所述的两级轴流无环量出风低噪声风机，其特征在于：所述驱动装置(6)包括设于所述导叶盘(51)内部的驱动件(61)、固定套设于所述驱动件(61)上的安装件(62)、固设于所述导叶盘(51)内孔壁上的固定部(63)、用于安装件(62)与固定部(63)可拆卸连接的第二连接件(64)、设于所述驱动件(61)左侧的第一传动轴(65)、设于所述驱动件(61)右侧的第二传动轴(66)、用于连接所述第一传动轴(65)与所述首级轮盘(31)的第三连接件(67)、用于连接所述第二传动轴(66)与所述次级轮盘(41)的第四连接件(68)；所述第一传动轴(65)穿设于所述首级轮盘(31)中心轴，所述第二传动轴(66)穿设于所述次级轮盘(41)中心轴。
7.根据权利要求6所述的两级轴流无环量出风低噪声风机，其特征在于：所述第三连接件(67)包括设于所述首级轮盘(31)与所述驱动件(61)之间的第一调整垫(671)、设于所述第一传动轴(65)端部的第一轴头螺母(672)；所述第四连接件(68)包括设于所述次级轮盘(41)与所述驱动件(61)之间的第二调整垫(681)、设于所述第二传动轴(66)端部的第二轴头螺母(682)；所述第一调整垫(671)套设于所述第一传动轴(65)，所述第二调整垫(681)套设于所述第二传动轴(66)。
8.根据权利要求6所述的两级轴流无环量出风低噪声风机，其特征在于：所述气流通道(7)包括若干沿所述安装件(62)圆周方向等距开设于所述安装件(62)上的气流孔(71)、设于所述导叶盘(51)与所述首级轮盘(31)之间的第一间隙(72)、设于所述导叶盘(51)与所述次级轮盘(41)之间的第二间隙(73)。
9.根据权利要求4所述的两级轴流无环量出风低噪声风机，其特征在于：所述外壳(1)包括设于所述首级混流叶轮(3)外侧的第二壳体(11)、设于所述次级轴流叶轮(4)外侧的第三壳体(12)、用于可拆卸连接所述第二壳体(11)与所述第三壳体(12)的第五连接件(13)、两个分别设于所述第二壳体(11)及所述第三壳体(12)底部的机座(14)、设于所述第二壳体(11)与所述第一壳体(33)之间的第三间隙(15)；所述第三壳体(12)与所述导叶叶片(52)外缘固定。
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