一种用于轴流风机叶片降噪的鱼鳍状仿生结构

技术领域

本发明属于叶轮机械设计技术领域，具体涉及一种用于轴流风机叶片降噪的鱼鳍状仿生结构。

背景技术

轴流风机系统广泛应用于冶金、化工、轻工、食品、医药、机械及民用建筑等领域，进形通风换气或强制散热冷却，其高速旋转产生的气动噪声已经成为人们周围环境中的主要噪声源之一，严重影响人们生活品质甚至威胁身体健康。风机风扇叶片自旋会产生旋转噪声、边界层湍流、叶片尾缘分离噪声等。其中大形轴流风机为了保证运转气动效率损失小，通常会在风扇外周增加风罩，叶片叶尖压力面吸力面间存在压差，导致气流绕过叶尖和风罩间隙形成了额外的间隙尖端涡气动噪声。

目前在流动控制降噪领域，基于鸮类翅羽前缘“梳状”和尾缘“刘海”形态的锯齿结构具有良好的降噪效果，并成功应用于风力机等设备的叶片降噪设计中，但这些设计主要针对风扇自旋产生的噪音。本发明基于仿生流动控制原理，主要针对叶尖风罩间隙噪声及叶片尾缘分离噪声，提出了一种用于轴流风机叶片降噪的鱼鳍状仿生结构，可应用于叶轮机械等装备的气动噪声控制。

发明内容

本发明提供了一种用于轴流风机叶片降噪的三角凸起鱼鳍状仿生结构。在风扇叶片迎风压力面靠近叶尖一侧的三个部位，增加了三块不同形状的三角形凸起，其中凸起结构的尾端面采用简化双弧形结构。该三角形凸起形状能够减小叶尖气流泄露损失，减弱叶尖风罩间隙尖端涡强度，最终减小间隙气动噪声。同时该结构可以延迟叶片尾缘边界层分离，从而减小气流流动损失，提高气动效率。其中，尾端仿生双弧形结构可以进一步切割边界层涡结构，减弱尾缘脱落涡展向相干性，从而减小叶片尾缘噪声，整体上达到使风机增效降噪的目标。本发明的有益效果在于：

(1)本发明所提出的鱼鳍状仿生结构，可在不牺牲系统气动性能的前提下，实现轴流风机气动噪声的显著降低。

(2)本发明中风扇叶片迎风面尾端设计的三块三角形凸起能够减弱风扇旋转过程中叶片叶尖和风罩缝隙之间尖端涡强度，减小了叶尖气流泄露损失，并且降低了风扇间隙噪声。

(3)本发明中设计的三块倒三角凸起结构，使叶片尾缘边界层分离得到抑制，气流流动损失减小，气动效率有所增加；三角结构尾端双弧形结构，进一步减小叶片尾缘脱落涡展向相干性，有效抑制尾缘噪声。

(4)本发明设计结构特征简单，制备工艺简单，安装方式简单，应用范围广。

附图说明

图1为案例整体轴流风扇叶片的轴测图。

图2为案例轴流风扇单叶片轴测图。

图3为案例结构草图叶片上部三角仿生结构设计尺寸说明图。

图4为案例结构草图叶片中部三角仿生结构设计尺寸说明图。

图5为案例结构草图叶片底部三角仿生结构设计尺寸说明图。

图6为案例结构草图叶片迎风面三个仿生结构尺寸角度关系说明图。

图7为案例叶片上部三角仿生结构凸起高度尺寸说明图。

图8为案例叶片上部三角仿生结构凸起最终形状示意图。

图9为案例叶片中部三角仿生结构凸起高度尺寸说明图。

图10为案例叶片中部三角仿生结构凸起最终形状示意图。

图11为案例叶片底部三角仿生结构凸起高度尺寸说明图。

图12为案例叶片底部三角仿生结构凸起最终形状示意图。

附图标记：

1-整流罩；2-叶片；3-上部三角仿生结构；4-中部三角仿生结构；5-底部三角仿生结构；a到o均指代仿生结构投影水平面的直线边长；α

具体实施方式

下面结合附图描述本发明，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

图1是加上该仿生结构后轴流风扇整体的风扇效果图，采用的是直径为900mm，整流罩1直径为310mm的轴流风扇模型。图2是轴流风扇单叶片的效果轴测图，叶片2迎风角旋转20°，叶片前端安装了圆柱支撑架，圆柱支撑架内嵌于整流罩中。

如图3所示，叶片上部三角形仿生结构结构草图中边长a为152mm，该值取值为叶片上侧左顶点和叶片上侧右顶点连线总长的的4/5。边长b为边长a减去5mm即147mm，a与b夹角为3°，边长c为150mm，该值取值为边长a减去2mm，a与c夹角为5°。边长d为145mm，该值取值为边长a减去7mm，a与d夹角为7°，边长e为148mm，该值取值为边长a减去4mm，a与e夹角为10°，尾部左侧弧线为连接abc三条直线的右顶点作样条曲线形成，尾部右侧弧线为连结cde三条直线的右顶点作样条曲线形成，草图投影到风扇迎风面即为上部三角形在风扇上的实际安装位置。

同理，如图4所示，叶片中部三角形仿生结构结构草图中边长f为127mm，该值取值为叶片左顶点沿直线f方向到叶片右边缘交点连线总长的3/5。边长g为122mm，f与g夹角为3°，边长h为125mm，f与h夹角为5°。边长i为120mm，f与i夹角为7°，边长j为123mm，f与j夹角为10°，尾部左侧弧线为连接fgh三条直线的右顶点作样条曲线形成，尾部右侧弧线为连结hij三条直线的右顶点作样条曲线形成，草图投影到风扇迎风面为中部三角形在风扇上的实际安装位置。

如图5所示，叶片底部三角形仿生结构结构草图中边长k为104mm，该值取值为叶片左顶点沿直线k方向到叶片右边缘交点连线总长的2/5。边长l为99mm，k与l夹角为3°，边长m为102mm，k与m夹角为5°。边长n为97mm，k与n夹角为7°。边长o为100mm，k与o夹角为10°。尾部左侧弧线为连接klm三条直线的右顶点作样条曲线形成，尾部右侧弧线为连结mno三条直线的右顶点作样条曲线形成，草图投影到风扇迎风面为底部三角形在风扇上的实际安装位置。

如图6所示，各三角形上边线之间成固定角度，a边与f边夹角为20°，f边与k边夹角为20°，此设计角度决定各自三角形结构在叶片上相对所在位置。图7，9，11分别为上部，中部和底部三角形在c，h，m边上的高度截面尺寸示意图(按直线上划分比例点投影到风扇上对应曲线)，图8，10，12分别为上部，中部和底部三角形尾部凸起的最终形状示意图。如图7所示，在直线c上划定水平距离分别为50mm，50mm，30mm，20mm的4个点，等比例投影到风扇表面对应曲线，在距离曲线高度分别为4mm，3mm，2mm，1mm处设立4个点，从右端用样条曲线从高到低连接这4个点和直线左顶点即为最终的高度截面弧线α

同理，如图9所示，在直线h上划定水平距离分别为45mm，45mm，20mm，15mm的4个点，等比例投影到风扇表面对应曲线，在距离曲线高度分别为4mm，3mm，2mm，1mm处设立4个点，从右端用样条曲线从高到低连接这4个点和直线左顶点即为最终的高度截面弧线α

具体实施案例1

本发明专利叶尖尾缘降噪结构具体实施在轴流风机叶片上，在专用风机试验台上测试的气动性能表明：在质量流量为10.35kg/s、8.76kg/s、7.45kg/s的条件下，轴流风机静压效率提高了0.92％～1.11％，噪声降低了1.42～1.63dB，根据国家标准GB/T2888-2008,《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》，使用声学测试设备测试得出：其噪声总声压级最大可降低1.93dB。

具体实施案例2

本发明专利叶尖尾缘降噪结构具体实施在空调风扇叶片上，在专用风机试验台上测试的气动性能表明：在转速600r/min、720r/min、840r/min的条件下，空调风机静压效率提高了1.11％～1.32％，噪声降低了1.43～2.32dB，根据国家标准GB/T2888-2008,《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》，使用声学测试设备测试得出：其噪声总声压级最大可降低2.33dB。

具体实施案例3

本发明专利叶尖尾缘降噪结构具体实施在通风机叶片上，在专用风机试验台上测试的气动性能表明：在转速2400r/min、3000r/min、3600r/min的条件下，通风机静压效率提高了1.25％～1.32％，噪声降低了2.15～2.62dB，根据国家标准GB/T2888-2008,《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》，使用声学测试设备测试得出：其噪声总声压级最大可降低2.83dB。