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风机蜗壳设计.doc

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0 引言 蜗壳的作用是将离开叶轮的气体导向蜗壳出口,并将部分动压转变为静压。蜗壳的结构是复杂的空间曲面体,理论上,蜗壳 的型线是螺旋线,但是由于螺旋线结构较复杂,难于手工绘制。因此,在生产中通常用简化的模型来近似。由于蜗壳是离心通风机的关键部件,蜗壳型线的绘制不仅 直接关系到蜗壳内的流动损失,还对叶轮的气动性能有很大影响,它直接影响风机的效率及输出流量、压力等性能参数,当工况变化时,需要重新计算并设计 , 使得产品设计周期延长。本文应用三维建模工具 CATIA,对蜗壳型线进行精确参数化建模,实现蜗壳的快速设计。 1 蜗壳的型线及结构参数 1. 1 蜗壳的对数螺线型线及结构 蜗壳的型线见图 1。图中 R 为蜗壳处半径, R 2 为叶道出口半径。 对于每一个角度 φ 值都可以得到一个 R 值,把各点连接起来就是蜗壳的型线。其中:截面 a-a 称为终了截面, A 称为终了截面的张开度。蜗壳的尺寸与张开度 A 有关,任意角度 φ 处的张开度Aφ 为 理论上,为了便于分析和计算,假定气流在蜗壳中为定常流动,忽略气体的粘性,气体沿着整个叶轮出口均匀地流出 [1]。 图 2 表示在蜗壳型线起始段气体在蜗壳内的流动。图中: R2为叶轮半径(即叶道出口半径), c 为距离轮心 R 处的气流速度, a为气流角, cu、 cm分别为 R 处的周向速度和径向速度。 c′ 2为叶道出口速度, c′2 u、 c′ 2m、 a′ 2分别为叶道出口后的周向速度、径向速度及气流角(叶道出口后速度——刚出口时气流未充满截面,很快即互相混合,混合后的速度也即蜗壳的进口速度)。 蜗壳整个截面充满有效气流,由于忽略空气黏性,蜗壳内的流动满足动量守恒定律,当蜗壳宽度 B 为常数时,得任意截面处 R与 φ 的函数关系式 [1]为 式中 b 2 为叶片出口宽度,mm; α’ 2 为叶道出口后气流角,(°); φ 为该截面与起始截面之间的夹角,rad。 此式表明蜗壳型线为对数螺线。 将式(2)按照泰勒级数展开,并代入式(1),得任意角度φ 处的张开度为 式(3)即为按等环量法 [4]设计的蜗壳型线模型。 如要精确绘制,可用方程生成蜗壳型线,根据极坐标方程式(2)得到直角坐标方程式: 1.2 不等边距法的蜗壳结构设计 如采用的不等边距的方法,见图 3,其绘制方法:设 P 为螺旋线起始点,以坐标原为中心做出 4 个不等边矩形,为此,需要计算各相关截面的张开度。 从 P 点开始,分别以 4 个小正方形的顶点为圆心,依次以相应的半径画圆弧,再将 4 段圆弧进行光滑连接,便获得所需要的螺旋线,其中: 应用三维参数化建模工具 CATIA 分别用上述两种方法建立蜗壳模型。 2 蜗壳的参数化三维建模 在 CATIA 中,建立蜗壳这样形状复杂的零件,主要是在Generative shape design (简称 GSD)模块中进行 [5]。 GSD 模块由于其曲面功能强大,不仅能创建线架构,而且提供了一系列全面的工具,用于创建和修改复杂曲面外形,同时也可作高级曲面分析,其特有的法则 law 功能及平行曲线功能更是为实现参数化设计及精确绘制提供了便利。参数化设计的关键在于将对数螺线方程表示为软件能识别的特征值数学公式。为设计方 便,采用 t 代替角度 φ ,先建立函数关系式,通过函数做出蜗壳的轮廓线,对生成的轮廓线,利用实体拉伸、抽壳等功能得到蜗壳的实体造型。 2.1 基于对数螺线型线的蜗壳参数化建模过程 基于对数螺线型线的蜗壳参数化建模过程为 (1)进入 GSD 模块,选择函数 f(x)功能,新建长度参数b2、 R2、 B、 Rπ 、 Rt及角度参数 α 2,分别为叶片出口宽度、叶轮半径、蜗壳宽度、蜗壳半径、蜗舌处圆角半径及叶道出口后气流角。根据设计要求,设:b2=360mm、 R2=800mm、 B=1020mm、 Rt=64mm、 α 2=26.7°,在函数表中输入公式 (2)选择 fog 功能,建立法则 X、 Y、 X2、 Y2,在每个相应法则里新建长度参数 X、 Y、 X2、 Y2和角度参数 t,输入公式: (3)在 XY 平面画一个半径为 R2的圆,再从原点做一条 Z 轴正方向的直线段,命名为 line1,长度为 R2。选择 parallel 功能,在 XZ 平面上,选择参考线 line1、法则 X,做出一条曲线。在 YZ平面上,选择参考线 line1、法则 Y,做出一条曲线。选择combine 功能,将 XZ 、 YZ 平面上两条曲线合并成一条空间曲线,再选择 project 功能,将合并生成的空间曲线投影到 XY 平面,此即为 0~π 弧度上的对数螺线。按同样的方法,选择法则 X2、 Y2做出 π~2π 弧度上的对数螺线,见图 4。 (4)画出口处直线,以半径 Rt在蜗舌处倒圆角
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