一种基于周向不均匀穿孔降噪叶片的后向离心风机

技术领域

本发明涉及的是一种离心风机，具体地说是基于穿孔降噪叶片的离心风机。

背景技术

离心风机作为一种通风设备，广泛应用于工业和民用领域，与人们的生活环境息息相关。离心风机叶轮和蜗壳的周期性干涉会在固壁表面产生周期性和随机性的非定常力，进而导致风机叶片振动并辐射高强度噪声，对人们身心健康产生影响。

目前降低风机气动噪声的常用方式有：叶片前缘波浪型设计、叶片尾缘附加锯齿及叶片穿孔。叶片前缘波浪型设计可以打破叶片表面的大涡旋，降低叶片前缘压力脉动，从而降低声源强度。叶片尾缘附加锯齿可以破坏叶片非工作面较小涡旋，降低叶片尾缘附近的射流-尾迹效应，从而降低叶片气动噪声。叶片穿孔则在叶片前缘或者尾缘布置多排穿孔，抑制叶片表面的流动分离，使得流动分离点向后移动，减弱湍流强度，从而降低噪声辐射强度。

然而对于离心风机而言，由于蜗壳的存在，离心风机每个叶片表面的压力分布并不一致，即周向压力不均匀，每个叶片的穿孔设计一致不能最大化地降低离心风机的噪声。如图1所示，叶片1最靠近蜗舌11，其尾缘14离蜗壳12的距离最小，流体被挤压的空间最小，相应其叶片的高压区域越大。随着叶片编号的不断增大，叶片尾缘离蜗壳壁面距离的不断增大，通流区域的面积不断增大，流体的压力降低，高压区域明显变小。因此，编号越低的叶片在尾缘的涡旋分离区域越大，分离点越靠近叶片前缘13。所以，每个叶片一样的穿孔设计不是降低离心风机噪声的最优方案。

发明内容

本发明的目的在于提供能进一步降低气动噪声的一种基于周向不均匀穿孔降噪叶片的后向离心风机。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于周向不均匀穿孔降噪叶片的后向离心风机，其特征是：包括蜗壳、叶轮，叶轮包括圆弧形叶片，圆弧形叶片包括吸力面、压力面、圆弧前缘、尾缘，圆弧形叶片的圆弧前缘一侧设置一列穿孔，由压力面顺着气流方向倾斜至吸力面，圆弧形叶片的尾缘一侧设置三列穿孔，由吸力面顺着气流方向倾斜至压力面；所述圆弧形叶片包括周向设置的第一-第十叶片，第一-第十叶片相对应的穿孔周向型线为螺旋线。

本发明还可以包括：

1、圆弧前缘的穿孔位置由圆弧前缘穿孔周向型线确定，尾缘穿孔位置由尾缘穿孔周向型线确定，以叶轮中心为x、y轴原点、圆心，前缘、尾缘穿孔周向型线表达式为：

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式中，R为前缘离圆心的距离，C为叶片弦长，t为变量，取值0-1，a和b为可变参量，对于前缘穿孔周向型线，a取0.20-0.24，b取0.68-0.86；对于尾缘第一列穿孔周向型线，a取0.65-0.75，b取0.05-0.19。

2、穿孔面积为原始叶片面积的1％-2％，前缘穿孔直径与尾缘穿孔直径一致。

3、前缘一列穿孔位置离圆弧前缘的距离L1为叶片弦长C的3％-7％，穿孔位置位于流动分离点之前，穿孔之间的间距l

4、尾缘第一列穿孔位置离圆弧前缘的距离L2为叶片弦长C的60％-70％，三列穿孔间距D为叶片弦长C的8％-10％，尾缘穿孔位置位于压力面漩涡产生之前，穿孔之间的间距l2、l3和l4取相应穿孔位置叶高h2、h3和h4的1/6，位于叶片边缘的穿孔距离叶片边缘距离为穿孔间距的1/2。

5、圆弧前缘穿孔偏转角α小于尾缘穿孔偏转角β，且偏转角范围为30°-60°。

本发明的优势在于：

叶片前缘和尾缘处同时穿孔设计可以有效抑制叶片表面的分离流动，包括叶片前缘吸力面和尾缘压力面的流动分离。前者的抑制可以打破叶片表面的小涡旋分离结构，降低叶片前缘压力脉动，从而降低声源强度。后者的强度降低可以破坏叶片表面大分离涡旋，降低叶片尾缘附近的射流-尾迹效应，从而降低叶片气动噪声。

周向叶片的不均匀穿孔设计使得每个叶片表面的流动情况不同，叶片尾迹强度也不同，不仅改变了不同叶片表面的声源相位，也改变了不同叶片和蜗舌的干涉声源相位，使得所有周向叶片表面和蜗舌声源在远场的声强叠加降低，直接降低远场的风机噪声。

附图说明

图1为后向离心风机周向压力不均匀分布示意图；

图2为周向不均匀穿孔效果图；

图3叶片穿孔周向型线示意图；

图4为叶片10穿孔位置示意图；

图5为叶片10穿孔角度示意图；

图6为叶片10前缘穿孔间距示意图；

图7为叶片10尾缘穿孔间距示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-7，本发明是一种周向不均匀穿孔离心风机叶片，包括蜗壳12、叶轮，叶片穿孔周向型线共同构成的周向不均匀穿孔离心风机主体结构，其中叶轮由吸力面19、压力面20、穿孔、圆弧前缘13和尾缘14构成的圆弧型叶片组成，圆弧型叶片包括编号1-10的不同叶片，叶片前缘13一侧设有一排穿孔，由叶片压力面20顺着气流方向倾斜至吸力面，叶片尾缘14一侧设有三排穿孔，由高压力的叶片吸力面19顺着气流方向倾斜至压力面。编号1-10的叶片穿孔周向型线为螺旋线。

不同周向位置的叶片穿孔形式一致，仅穿孔位置有差异，图4-7详细描述了叶片10的穿孔形式，其特征是：包括叶片前缘13、叶片尾缘14、叶片吸力面19、叶片压力面20、叶片前缘一排穿孔和叶片尾缘三排穿孔。

叶片前缘13穿孔位置由叶片前缘穿孔周向型线15确定，叶片尾缘14穿孔位置由叶片尾缘穿孔周向型线16-18确定，叶片穿孔周向型线表达式为：

式中，R为离心风机叶片前缘离圆心的距离，C为叶片弦长，t为系统变量，取值0-1，a和b为可变参量。对于叶片前缘穿孔周向型线15，a取0.20-0.24，b取0.68-0.86；对于叶片尾缘第一排穿孔周向型线16，a取0.65-0.75，b取0.05-0.19。

叶片前缘和尾缘穿孔位置和直径需规范化，穿孔孔径过大，叶片工作面气流大量流向非工作面，风机的气动特性得不到保障。而孔径过小，通过孔的气流不足以起到抑制流动分离，因此本发明的穿孔面积为原始叶片面积的1％-2％，叶片前缘穿孔直径与尾缘穿孔一致，为2-4mm。

结合图1，在叶片前缘13附近，叶片吸力面19存在小分离流动，且叶片压力面20的静压大于叶片吸力面19静压。而在叶片尾缘14附近，叶片压力面存在大分离涡旋，且叶片压力面20的静压小于叶片吸力面19静压。叶片穿孔的原则是从高压区域顺着风机内部主流方向穿透至低压区域，针对后向离心风机的运行特点，叶片前缘设计一排穿孔来抑制叶片前缘小分离流动，方向为叶片压力面20至吸力面19。叶片尾缘则设计三排穿孔来打破叶片尾缘大分离涡旋。方向为叶片吸力面19至压力面20。因而叶片尾缘穿孔偏转角与前缘穿孔偏转角相反，叶片前缘穿孔偏转角α小于尾缘穿孔偏转角β，且偏转角范围为30°-60°。

结合图1、4和6，叶片10前缘一排穿孔位置离叶片前缘的距离L1为叶片弦长C的3％-7％，穿孔位置位于流动分离点之前，以抑制叶片前缘吸力面的流动分离，迫使流动分离点沿轴向向后移动。这不仅可以降低因流动分离产生的流动损失，还可以把叶片前缘大涡旋破碎，降低压力脉动幅值，进而降低叶片前缘声源强度。穿孔之间的间距l

结合图1、4和7，叶片10尾缘第一排穿孔位置离叶片前缘的距离L2为叶片弦长C的60％-70％，三排穿孔间距D为叶片弦长C的8％-10％，尾缘穿孔位置位于压力面漩涡产生之前，以抑制叶片尾缘压力面的大范围漩涡。尾缘穿孔可以把叶片吸力面的高压气流直接导向压力面，除了可以抑制叶片非工作面尾缘的大分离流动外，还能降低尾迹-蜗壳干涉效应，并降低尾迹湍流强度，进而减小动叶尾迹和蜗壳的干涉。这一方面降低了叶片尾缘附近的声源强度，还降低了离心风机最重要声源区域—蜗舌11附近的声源强度。穿孔之间的间距l2、l3和l4取相应穿孔位置叶高h2、h3和h4的1/6，位于叶片边缘的穿孔距离叶片边缘距离为穿孔间距的1/2。