一种基于多段正弦曲线的集流器及其应用

本发明属于集流器的，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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＝an sinx。

5、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。

6、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]。

7、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/am+1，tm取值范围为[1.2,1.6]。m的取值为[1,n-1]的整数。

8、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。

9、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°。

10、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。

11、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：

12、(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。

13、(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＝a1 sinx至y＝an 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。

14、(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。

15、(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。

16、(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。

17、(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。

18、(7)在本申请的基础上，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。

19、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。

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＝a1 sinx至y＝an 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an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an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tm＝am/am+1，tm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。

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：
技术公布日：2024/1/15