本发明属于流体机械技术领域，具体涉及一种双向多翼离心风机用叶片结构及多翼离心风机叶轮。
背景技术：
卫浴取暖换气装置广泛应用于家庭室内卫生间这种小空间场所，为适应其小型化的发展，其内部搭载的风机逐渐由两个单向多翼离心风机变为一个双向多翼离心风机。但双向多翼离心风机的性能远小于单向多翼离心风机，并不能满足取暖和换气的需求，因此提升其气动性能是十分必要的。
双向多翼离心风机可直接通过叶轮的正转和反转实现不同风口的出风。风机结构如图7所示，正转和反转时气体都是从同一个进口进气，叶轮正转时气流从上部出口吹出，经过ptc加热器加热吹出热风，供洗澡时供暖使用，称该出口为吹风口；反转时气流从下部出口吹出，直接吹到室外换气，称该出口为换气口。为此既要提升正转风量，还要提升反转风量。传统单向多翼离心风机叶轮所采用的前向型叶片具有很强的单向性，直接反转性能会极具恶化。所以普遍采用径向叶片，这种叶轮虽能保证正反转风量基本一致，但风量只有单向叶轮正转时的一半，做工能力显著低于前向叶轮。由于径向叶轮的流道是全扩压流道，易使气流在流动中发生流动分离，产生漩涡，流动损失增大，因此大大降低了使用效率。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种双向多翼离心风机用叶片结构及多翼离心风机叶轮，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双向多翼离心风机用叶片结构，包括叶片本体，叶片本体沿垂直于其宽度方向的截面包括首尾依次相连的上弦线、下弦线和尾缘连接线，以叶轮径向方向为x轴，垂直于叶轮径向的方向为y轴建立坐标系，上弦线的曲线方程为：
y＝-9e-9x5 2e-6x4-0.0001x3 0.0008x2 0.0731x 0.2319；
上弦线(121)的曲线方程为：
y＝-2e-6x6-0.0002x5 0.0041x4-0.0462x3 0.2154x2-0.5828x-0.0569；
点a为上弦线曲线上的任意一点，坐标为(xu，yu)，相对坐标为
一种双向多翼离心风机叶轮，包括叶轮底盘、叶轮套毂和多个叶片本体，多个叶片本体周向均匀阵列于叶轮底盘和叶轮套毂之间，叶片本体沿垂直于其宽度方向的截面包括首尾依次相连的上弦线、下弦线和尾缘连接线，以叶轮径向方向为x轴，垂直于叶轮径向的方向为y轴建立坐标系，上弦线的曲线方程为：
y＝-9e-9x5 2e-6x4-0.0001x3 0.0008x2 0.0731x 0.2319；
上弦线的曲线方程为：
y＝-2e-6x6-0.0002x5 0.0041x4-0.0462x3 0.2154x2-0.5828x-0.0569；
点a为上弦线曲线上的任意一点，坐标为(xu，yu)，相对坐标为
进一步的，叶片本体前缘沿中弧线切线方向与叶轮内径切线方向的夹角为进口安装角，叶片的进口安装角α为90°～110°。
进一步的，具体的，叶片的进口安装角α为100°。
进一步的，叶轮的内径为rin，外径为rout，根据内外径的半径确定中间圆的半径rmid，
进一步的，具体的，取p＝1。
进一步的，上弦线和下弦线连接端为叶片结构安装内径圆点，叶片结构安装外径圆位于尾缘连接线上。
进一步的，叶片本体最大厚度处位于靠近叶片前缘1/3～1/4之间，最大厚度为2～3mm，最小厚度为0.5～1mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种双向多翼离心风机用叶片结构，采用首尾依次相连的上弦线、下弦线和尾缘连接线形成的平面拉伸成型叶片本体结构，采用该叶片本体曲面结构能够有效改善风机正转和反转时的内部流动状态。
进一步的，叶片本体前缘沿中弧线切线方向与叶轮内径切线方向的夹角为进口安装角，叶片的进口安装角α为90°～110°，能够有效抑制流动分离。
本发明一种双向多翼离心风机叶轮，多个叶片本体周向均匀阵列于叶轮底盘和叶轮套毂之间，叶片本体沿垂直于其宽度方向的截面包括首尾依次相连的上弦线、下弦线和尾缘连接线，形成的多翼离心风机的叶片叶轮能够有效改善风机正转和反转时的内部流动状态。由于叶片呈现明显的弯曲变化，叶片结构构成的两叶片间的叶道会分成两个部分，并在不同的运转工况下分成先后不同的加速叶道和减速叶道。正转时为先加速后减速叶道，通过加速叶道清除减速叶道区域产生的流动分离；反转时为先减速后加速叶道，流动由减速增压运动很快转变为加速减压运动，流道内的流动分离得到有效抑制。两种情况下都能对风机内部的流动进行改善，从而有效提升双向多翼离心风机正反转时的风量。
附图说明
图1为本发明实施例中叶片的结构示意图；
图2为本发明实施例中叶片二维横截面轮廓结构示意图；
图3为现有径向叶片二维横截面轮廓结构示意图；
图4为本发明实施例中叶片二维横截面型线的坐标图；
图5为本发明实施例中叶片所形成的双向多翼离心风机叶轮；
图6为本发明实施例中叶轮所形成的叶道截面宽度变化示意图；
图7为本发明实施例中双向多翼离心风机示意图；
图8(a)为现有原型叶轮正转时沿25％叶高截面的速度流线图；
图8(b)为本发明实施例中叶轮正转时沿25％叶高截面的速度流线图；
图9(a)为现有原型叶轮反转时沿25％叶高截面的速度流线图；
图9(b)为本发明实施例中叶轮反转时沿25％叶高截面的速度流线图；
图10为采用直叶片和本发明叶片的叶轮实测正转风量性能曲线图；
图11为采用直叶片和本发明叶片的叶轮实测反转风量性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1和图2所示，一种双向多翼离心风机用叶片结构，包括叶片本体1，叶片本体1为曲面体结构，叶片本体1沿垂直于其宽度方向的截面包括首尾依次相连的上弦线111、下弦线121和尾缘连接线131，上弦线111和下弦线121连接端为叶片结构安装内径圆点，叶片结构安装外径圆位于尾缘连接线131上；
叶片本体1沿垂直于其宽度方向的截面为平面，该平面由首尾依次相连的上弦线111、下弦线121和尾缘连接线131所形成，该平面沿直线延伸成型即可得到叶片本体1，叶片本体1为曲面体结构，包括上延展面11、下延展面12和两侧端面，两侧端面即沿垂直于其宽度方向的截面为平面，上弦线111延伸成型形成上延展面11，下弦线121延伸成型形成下延展面12，尾缘连接线131延伸成型形成叶片尾缘13。
如图4所示，叶片本体1的宽度方向为叶轮径向方向，以叶轮径向方向为x轴，垂直于叶轮径向的方向为y轴建立坐标系，点a为上弦线111曲线上的任意一点，坐标为(xu，yu)，相对坐标为
y＝-9e-9x5 2e-6x4-0.0001x3 0.0008x2 0.0731x 0.2319；
点b为下弦线121曲线上的任意一点，坐标为(xd，yd)，相对坐标为
y＝-2e-6x6-0.0002x5 0.0041x4-0.0462x3 0.2154x2-0.5828x-0.0569；
b为叶片形成的叶轮的外半径和内半径的差值，安装角度如图6所示，针对不同尺寸叶轮的叶片，选择调整b的值，通过相对坐标和上弦线111、下弦线121的参数方程对叶片的形状进行控制，x轴为叶轮径向方向，y轴为垂直于叶轮径向的方向，坐标原点为上弦线与下弦线的交点，以上弦线111、下弦线121和尾缘连接线131得到的截面沿垂直于截面的方向拉伸即可得到叶片本体1。叶片沿横截面垂直拉伸，拉伸方向横截面大小不变。
如图2和图4，叶片厚度从前缘到后缘为先增大后减小，后缘轮廓为一小段圆弧，叶片本体最大厚度处位于靠近叶片前缘1/3～1/4之间，最大厚度为2～3mm，最小厚度为0.5～1mm。作为优选，叶片最大厚度处位于靠近叶片前缘1/3处，最大厚度为2.2mm，最小厚度为0.6mm。
如图5、图6所示，基于本发明叶片形成的离心叶轮包括多个叶片本体1，叶轮底盘2和叶轮套毂3，叶轮底盘2和叶轮套毂3为圆环形，叶片本体1沿叶轮底盘2和叶轮套毂3周向均匀排列，叶轮的内径为rin，外径为rout，根据内外径的半径确定叶轮的中间圆半径rmid，
如图6所示，面向风机进口时，叶轮顺时针旋转为正转，逆时针旋转为反转，以叶轮反转方向为基准确定叶片的进出口安装角。以叶轮径向方向为x轴，叶片沿x轴方向与叶轮内径切线方向的夹角为进口安装角，叶片的进口安装角α为90°～110°，根据进口安装角度即可确定出口安装角β为110°～130°。作为优选，叶片的进口安装角α为100°，出口安装角β为110°。
参考图6，叶轮中任意两叶片本体1之间存在叶道14，气流从叶道入口141流向叶道出口142，由于叶片呈现明显的弯曲变化，叶片结构构成的两叶片间的叶道会分成两个部分，并在不同的运转工况下分成先后不同的加速叶道和减速叶道。正转时为先加速后减速叶道，通过加速叶道清除减速叶道区域产生的流动分离；反转时为先减速后加速叶道，流动由减速增压运动很快转变为加速减压运动，流道内的流动分离得到有效抑制。两种情况下都能对风机内部的流动进行改善，从而有效提升双向多翼离心风机正反转时的风量。
实施例：
利用计算流体力学商业软件fluent，数值求解三维雷诺平均navier-stokes方程组。风机内部流动马赫数较小，可将其视为不可压缩流动，湍流模型为标准的k-e模型。对比分析采用本发明新型叶片与采用直叶片的双向多翼离心风机的内部流动状态和风量，其中，本发明叶轮和常规直叶片叶轮的叶片数均为45片。叶轮内径均为128mm，叶轮外径均为164mm，如图5所示。建立数值计算模型，计算出口静压为0时的最大风量，采用本发明叶片下的双向多翼离心风机正转计算风量为224.6m3/h，反转计算风量为256.4m3/h。
图8、图9分别为正反转工况下25％叶高截面叶轮区域速度流线图。从图中可以看出，流动分离主要发生在叶片的吸力面，并从蜗舌区域开始向后延伸。图8(a)为现有原型叶轮正转时沿25％叶高截面的速度流线图，图8(b)为本发明实施例中叶轮正转时沿25％叶高截面的速度流线图，对比两者可以看出，本发明叶轮相比原型叶轮在正转工况下叶道内的主流流速增加，但对流道内的漩涡改善有限，可将叶轮流道内的流动过程分为两个阶段，首先在靠近前缘处是加速减压运动，随着叶片形态发生弯曲，在逐渐靠近尾缘时流动转变为减速扩压运动，产生一定的流动分离现象，此时需依靠上游的加速流动清除下游的流动分离，这也是本发明叶轮正转风量提升没有反转风量提升多的原因。图9(a)为现有原型叶轮反转时沿25％叶高截面的速度流线图，图9(b)为本发明实施例中叶轮反转时沿25％叶高截面的速度流线图，对比两者可以看出，本发明叶轮与原型叶轮相比其有涡流道数明显减小，流动分离得到有效缓解。叶轮流道内的流动过程也与正转完全相反。首先是靠近前缘处的减速增压运动，由于该阶段较短，流动分离现象不明显，流动很快转变为加速减压运动，流道内的流动分离得到有效抑制。综合考虑，本发明叶片结构能够显著提升双向多翼离心风机的正反转性能。
利用本发明结构形成的双向多翼离心风机如图7所示，与现有原型直叶片叶轮结构进行试验对比，气动性能测试按照gb/t1236-2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》测试，测试装置采用型号为fl-2iso的气动性能测试系统，图10为采用直叶片和本发明叶片的叶轮实测正转风量性能曲线图，图11为采用直叶片和本发明叶片的叶轮实测反转风量性能曲线图，从两图可以看出，采用本发明叶片叶轮的性能曲线完全覆盖直叶片叶轮，其气动性能明显优于直叶片叶轮。
利用本发明结构形成的双向多翼离心风机如图7所示，与现有原型叶轮结构进行试验对比，实验测试出口静压为零时的最大风量，结果为采用本发明叶片下的双向多翼离心风机正转风量为218.7m3/h，反转风量为241.3m3/h，而采用径向叶片下的正反转风量皆为170m3/h，本发明相较于传统的双向离心风机正反转风量均有很大的提升。
1.一种双向多翼离心风机用叶片结构，其特征在于，包括叶片本体(1)，叶片本体(1)沿垂直于其宽度方向的截面包括首尾依次相连的上弦线(111)、下弦线(121)和尾缘连接线(131)，以叶片本体(1)的径向方向为x轴，垂直于叶片本体(1)的径向方向为y轴建立坐标系，上弦线(111)的曲线方程为：
y＝-9e-9x5 2e-6x4-0.0001x3 0.0008x2 0.0731x 0.2319；
上弦线(121)的曲线方程为：
y＝-2e-6x6-0.0002x5 0.0041x4-0.0462x3 0.2154x2-0.5828x-0.0569；
点a为上弦线(111)曲线上的任意一点，坐标为(xu，yu)，相对坐标为
2.根据权利要求1所述的一种双向多翼离心风机用叶片结构，其特征在于，叶片本体前缘沿中弧线切线方向与叶轮内径切线方向的夹角为进口安装角，叶片的进口安装角α为90°～110°。
3.一种双向多翼离心风机叶轮，其特征在于，包括叶轮底盘(2)、叶轮套毂(3)和多个叶片本体(1)，多个叶片本体(1)周向均匀阵列于叶轮底盘(2)和叶轮套毂(3)之间；叶片本体(1)沿垂直于其宽度方向的截面包括首尾依次相连的上弦线(111)、下弦线(121)和尾缘连接线(131)，以叶片本体(1)的径向方向为x轴，垂直于叶片本体(1)的径向方向为y轴建立坐标系，上弦线(111)的曲线方程为：
y＝-9e-9x5 2e-6x4-0.0001x3 0.0008x2 0.0731x 0.2319；
上弦线(121)的曲线方程为：
y＝-2e-6x6-0.0002x5 0.0041x4-0.0462x3 0.2154x2-0.5828x-0.0569；
点a为上弦线(111)曲线上的任意一点，坐标为(xu，yu)，相对坐标为
4.根据权利要求3所述的一种双向多翼离心风机叶轮，其特征在于，叶片本体前缘沿中弧线切线方向与叶轮内径切线方向的夹角为进口安装角，叶片的进口安装角α为90°～110°。
5.根据权利要求4所述一种双向多翼离心风机叶轮，其特征在于，具体的，叶片的进口安装角α为100°。
6.根据权利要求3所述一种双向多翼离心风机叶轮，其特征在于，叶轮的中间圆半径为rmid，中间圆周长为cmid＝2πrmid，叶片数为n，
7.根据权利要求3所述一种双向多翼离心风机叶轮，其特征在于，上弦线(111)和下弦线(121)连接端为叶片结构安装内径圆点，叶片结构安装外径圆位于尾缘连接线(131)上。
8.根据权利要求3所述一种双向多翼离心风机叶轮，其特征在于，叶片本体最大厚度处位于靠近叶片前缘1/3～1/4之间。
9.根据权利要求8所述一种双向多翼离心风机叶轮，其特征在于，叶片本体最大厚度为2～3mm，最小厚度为0.5～1mm。
10.根据权利要求9所述一种双向多翼离心风机叶轮，其特征在于，叶片本体最大厚度为2.2mm，最小厚度为0.6mm。
技术总结