一种有效降低噪声的准分子激光器贯流式风机叶轮的制作方法

本发明涉及一种准分子激光器的风机叶轮，尤其是涉及一种有效降低噪声的准分子激光器贯流式风机叶轮。

背景技术：

贯流式风机是准分子激光器的重要组成部分，是准分子激光器的放电腔内气体循环的动力源。风机叶轮的转动带动放电腔内气体的高速循环运转，及时带走放电后的废气，为放电区提供新鲜工作气体，为下次放电提供保障。

目前在专利文献中，例如，美国专利US006061376A、US6765946B、US8814522B2及中国专利CN 102777416B等也都公开了常用的准分子激光器用贯流式风机叶轮，如图1所示为典型贯流式风机叶轮结构示意图，其中，风机叶轮由若干片叶片按照一定规律呈圆周分布构成，所有叶片通过中间支撑盘或中盘固定连接。每个叶片根部和尖部具有相同的厚度，并且叶片整体厚度较薄，该种组成叶轮的所有叶片厚度基本一致的设计有利于叶片结构的加工和装配。但是在贯流式风机叶轮高速转动时，如2000转/分以上，薄叶片发生不规则形变的可能性大大增加，局部的弯曲将影响叶片的结构强度，导致形变部位局部流场的紊乱，进而影响放电区流场的流速及其均匀性，对激光器放电产生不利影响。另外，风机叶轮也是放电腔内噪声的主要来源，叶轮产生的声波噪声在放电腔内壁会发生多次反射、散射，到达放电区的部分声波将对放电区的高压放电产生不利影响，影响放电区内气压梯度的变化，降低流场的均匀性，最终降低激光输出能量的稳定性。而传统的准分子激光器放电腔中消减噪声的方法通常是在放电腔内壁上贴附吸声材料，通过在声波传递过程中做出的衰减措施，来达到后续消噪声的目的。

因此，实现在放电区高速、均匀的流场是贯流式风机的最重要要求。为了获得更高的放电重复频率，放电腔的流速也需要相应提高，从而需要更高转速的风机。

技术实现要素：

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的目的是提供一种适用于准分子激光器等气体放电激光器的新型贯流式风机叶轮结构，尤其适用于需要高速均匀流场的高重频气体放电激光器。在能够满足传统贯流式风机叶轮实现高速、均匀气体流场应用的基础上，通过对叶片基本结构的进一步优化改动，有效提高叶片自身结构强度，同时在叶片上采用降噪措施，实现高转速情况下防止叶片发生形变、以及在噪源处降低噪声的目的，对提高放电区气流速度、改善放电区流场均匀性具有有利影响。

本发明提出了一种有效降低噪声的准分子激光器贯流式风机叶轮，所述贯流式风机叶轮包括若干节叶轮单元，所述若干节叶轮单元中的每个叶轮单元包含有若干叶片，所述叶片按照圆周方式分布，叶片两端面固定在两侧中盘上，所述叶片具有非均匀的厚度；

其中，所述叶轮单元的数量在两个以上；

其中，所述叶片的数量在两个以上；

其中，所述若干节叶轮单元沿轴向依次排布构成叶轮；

其中，所述叶片具有迎风面和背风面；

其中，每节叶轮单元内所有叶片按照直齿方式圆周分布；

其中，每节叶轮单元内所有叶片按照斜齿方式圆周分布；

所述叶片迎风面和背风面具有不同的曲率半径，叶片根部厚度大于叶片尖部厚度；

所述叶片在背风面上具有垂直于叶片尖部的若干凹槽；

所述凹槽截面形状为矩形；

所述凹槽截面形状还可以为梯形、三角形、燕尾形；

所述叶片在背风面上具有平行于叶片尖部的若干凹槽；

所述叶片在叶片尖部具有波浪状或锯齿状边缘；

所述叶片上降低措施可以采用两种结构方案组合应用；

所述贯流式风机叶轮包含若干节叶轮单元，每节叶轮单元包含数量相同的叶片。

传统的准分子激光器放电腔中消减噪声的方法通常是在放电腔内壁上贴附吸声材料、或加工成特定形状的槽/孔等微结构，通过对放电腔内噪声进行散射和/或吸收等方式，达到衰减噪声的目的。简而言之，是在噪声产生之后，通过在声波传递过程中(如在放电腔内壁上)做出的衰减措施，来达到后续消噪声的目的。

本发明中从产生噪声的源头，即风机叶轮上着手，实现源头上消减噪声的目的。本发明中提出的贯流式风机叶轮，在能够满足传统贯流式风机叶轮实现高速、均匀气体流场应用的基础上，通过叶片结构进行改进优化、并且在叶片表面增加多种消减噪声措施，降低风机高速转动情况下叶片发生局部形变的可能性，有利于保持叶片结构的稳定性，达到有效降低噪声、以及保证放电区流场均匀性的目的，有利于获得更大流速。本发明提出的结构形式尤其适用于高速气体循环所需的高风机转速环境中。本发明提出的在贯流式风机叶片上进行消除噪声的方法，如结合放电腔内壁上消除噪声的方法同时使用，可起到更为有益的效果。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了传统的准分子激光器贯流式风机叶轮结构示意图；

图2示出了根据本发明实施方式的贯流式风机叶轮结构示意图；

图3示出了根据本发明实施方式的包含降低噪声措施的叶片结构示意图；

图4a示出了根据本发明实施方式的叶片的水平凹槽降噪结构；

图4b示出了根据本发明实施方式的叶片的波浪或锯齿边缘降噪结构；

图4c示出了根据本发明实施方式的叶片的垂直凹槽与波浪边缘组合形式降噪结构。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图2为本发明提出的贯流式风机叶轮的结构示意图。所述贯流式风机叶轮包括若干节叶轮单元，优选所述若干节为两个以上的节数，所述若干节的具体数值本领域技术人员可以根据需要进行设置，针对于某些特殊情况，所述若干节也包括只含有一节叶轮的单元的情况。所述若干节叶轮单元中的每个叶轮单元包含数量相同的叶片1，每节叶轮单元又包含若干片叶片1，所述若干片叶片的数量为2片以上，所有叶片1按照圆周方式顺序均匀分布，叶片1两端面通过如焊接等方式固定在两侧中盘2上。

如图2所示，若干节叶轮单元沿轴向依次排布构成叶轮整体，所述若干节叶轮单元所组成的叶轮整体通过两端的法兰等装置安装在贯流式风机中(未图示)。图2中所示的箭头方向即为轴线方向，通过将若干节叶轮单元沿轴线安装以保证在贯流式风机中形成实现高速、均匀气体流场。其中，所述若干节叶轮单元所组成的叶轮整体的内部为中空结构，当风机带动叶轮沿环形箭头所示方向绕轴线高速转动时，气流从叶轮一侧叶片吸入，通过叶轮内部中空区域，从叶轮另一侧叶片流出。通过叶轮的旋转带动气流的转动，实现气体在放电腔内的高速循环。

图3所示为本发明的包含降低噪声措施的新型叶片结构示意图。图3所示的叶片为图2的叶轮中单个叶片的放大结构，其中，叶片包括迎风面3和背风面4，所述迎风面3和背风面4为曲面。当叶片按照一定的方向旋转时，例如图2中设定的顺时针方向，旋转方向与叶片弯曲方向相同，迎风的一面定义为迎风面3，另外一面定义为背风面4。

所述叶片由于叶片厚度的变化，叶片迎风面3和背风面4具有不同的曲率，在同一截面上圆心不在一处，有利于叶片厚度的逐渐收敛，区别于传统叶片中背风面和迎风面具有相同的圆弧半径R，即迎风面和背风面平行，整片叶片厚度一致的情况。

所述叶片厚度较大的一端定义为叶片根部5，叶片厚度较小的一端定义为叶片尖部6。整个叶片在沿轴线方向上，各截面迎风面3和背风面4的曲率不变，迎风面3和背风面4都为圆柱面。在风机超过2000转/分的高转速运转时，为降低风机叶片发生形变弯曲的可能性，可根据具体试验条件，增加即叶片根部的厚度，起到加强叶片结构强度的作用；随着向外侧延展，叶片厚度逐渐降低，叶片尖部厚度最小。本发明中通过增加叶片根部厚度、并向叶片尖部延展的过程中采用厚度逐渐递减的方式，与传统厚度一致的“薄”叶片结构相比较，在风机转速提高时可以有效降低叶片发生形变弯曲的可能性，有利于获得更高、更稳定的流速，并可保证高转速时的流场均匀性。

作为进一步的改进，本发明中迎风面和背风面不局限于图3中所示的圆柱面，也可以设计成球面、非球面等不同曲面类型。

对于叶片在叶轮中的排布方式来说，本发明的叶轮的所有叶片可采用直齿分布方式，即叶片尖部垂直于中盘表面；实际应用中还可以采用叶片斜齿分布方式，即所有叶片尖部与中盘表面成一相同的特殊角度，而非垂直分布方式，即叶片整体相对于中盘成倾斜分布，对于不同结构形式的叶片，可采用不同的排布方式以保证叶轮的高速旋转的稳定性。

作为本发明的进一步的改进，为了降低叶轮转动过程中的噪声，对本发明的叶片结构进行了进一步的优化和改进，如图3所示，在叶片迎风面3可采用光滑曲面，有利于产生大风速或大流速。叶片背风面4上设置有规则的周期性加工出的若干个凹槽7，所述若干个凹槽7的分布沿着垂直叶片尖部的方向(定义为垂直型凹槽)，凹槽7之间平行排列。背风面上加工出的凹槽结构可以起到扰乱叶片的背风面4的表面压力，对表面层流场进行干扰，从而减少其产生的声波噪声。同时，在背风面4上均匀分布的凹槽结构加上宽阔的叶片表面能分散声波，阻止它们累积在一起产生噪声。凹槽7的截面形状不局限于图3中所示的矩形，根据使用环境的不同还可以采用不同的形状，如三角形、梯形、燕尾形等其它凹槽结构。此外，凹槽分布方向不局限于图3中所示的与叶片尖部垂直的凹槽分布方式，还可以采用如凹槽与叶片尖部走向非垂直分布，而为一特殊角度，或者凹槽之间呈一定角度交错排列等方式。

图3中所示的降低噪声措施为垂直型凹槽结构，还可以扩展为其他结构形式。图4a－图4c中列出其他的降低噪声处理措施，图4a为在叶片背风面上加工出水平状凹槽，其凹槽方向与叶片尖部平行，凹槽之间平行排列，与图3中所示凹槽分布方向垂直。凹槽截面形状不局限于图4a中所示的矩形，根据使用环境的不同还可以采用不同的形状，如三角形、梯形、燕尾形等其它凹槽结构。图4a中水平状凹槽与图3中垂直型凹槽作用类似，同样为起到扰乱叶片背风面的表面压力，干扰表面层流场，从而减少其产生的声波噪声作用。

图4b所示降噪措施为采用波浪状或锯齿状叶片边缘。对叶片尖部进行处理，将传统叶片结构中平直分布的叶片尖部优化为波浪状或锯齿状结构，分布整个叶片尖部。在波浪状或锯齿状结构所有转折处采用圆角平滑处理，避免尖锐拐角或者棱的存在，从而有效减小风阻。叶片边缘尖部的波浪状或锯齿状微结构，可以产生很多小的涡流，使后面的气流变得很平稳，从而消除的产生噪声的涡流，减少了高速转动的叶轮产生的噪声。

图4c中所示降噪措施为垂直型凹槽与波浪状叶片边缘两种结构的组合应用。在实际应用中，根据具体使用环境，可以采用一种降噪结构方案，还可以采用两种结构的组合应用，如图4c所示组合方案、或水平状凹槽与波浪状叶片边缘等组合应用等，不局限于图4a－图4c中所示结构形式。

本发明的叶片上加工出的凹槽的具体结构参数，如凹槽宽度、深度、间隔、角度等参数不局限在特定数值，根据所需流速等不同使用条件，结合叶片形状特征需要进行统一建模仿真过程来综合确定，以达到最好的消减噪声效果。如结合在放电腔内壁上消除噪声的方法同时使用，可起到更为有益的效果。

本发明提出的包含降噪措施的新型叶片组成的风机叶轮，在能够满足传统贯流式风机叶轮实现高速、均匀气体流场应用的基础上，通过对叶轮叶片的优化进一步提高了结构强度，降低风机高速转动情况下叶片发生局部形变的可能性，有利于保持叶片结构的稳定性，使之更适用于高转速环境中；同时，在叶片上增加的一系列降噪处理方式，通过对表面层流场的干扰，实现从噪声源头上降低噪声的目的。通过对叶片结构的优化以及叶片表面进行的降噪处理，使本发明提出的新型贯流式风机叶轮更适用于高转速应用中，在获得大风速的同时能够保证流场的均匀性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。