一种超低噪音凹凸仿生型地铁隧道轴流通风机动叶片的制作方法

本发明涉及一种叶片，尤其涉及一种超低噪音凹凸仿生型地铁隧道轴流通风机动叶片。

背景技术：

地铁/隧道轴流通风机主要应用于城市轨道交通及公路/铁路的地下或封闭空间的通风换气及消防排烟，一般风量与配用功率均很大（最大可达355kw左右），由于轴流通风机本身的噪声特点，在相同风量、风压下，噪声一般较离心通风机高10db(a)左右，并且还存在着并联运行工况，此时噪声会在单台风机的基础上再增加3db(a)，而地铁/隧道轴流通风机的安装布置地点通常离乘客及周边居住人员均很近，按gb3096-2008《声环境质量标准》中表1规定的要求最高的0类地区要求地铁车站风亭出口：昼间声压级噪声≤50db(a)，夜间声压级噪声≤40db(a)。

（1）以地铁中日常运行的排热风机为例，典型参数为：叶轮直径1800mm，叶轮转速985rpm，风量50m³/s、全压800pa，叶片采用常规直扭型结构，按gb19761-2009《通风机能效限定值及能效等级》中效率最高的1级能效风机出口声压级噪声在96db(a)左右，在风机出口加装2m长片式消声器及加上排热风道的自然衰减后，地铁车站风亭处噪声能达到45db(a)左右，此时如果要满足噪声≤40db(a)的要求，一般是单纯依靠再加长1m的风机出口消声器长度解决，但因此会带来较多的材料成本消耗，并且还给建筑布置设计带来难度，此时如何通过先进有效的气动设计优化在风机能效水平已经接近理论极限的情况下再有效降低噪声尤为重要。

（2）虽然在其它行业有采用弯掠组合设计或在叶片中进行仿生处理（如锯齿型尾缘或在叶片表面开孔）有效进行降噪的设计方案，但这些设计会极大降低叶片本身的安全性，因此在大负荷的轴流通风机中几乎没有采用。

目前已有的前型掠仿生叶片虽然较常规直扭型叶片噪声有所降低（绝对噪声能降低3db(a)左右），同时也能有效提升效率水平，且防失速喘振的裕度也有所增大，但前掠叶片由于较常规直扭型叶片产生的重心偏移，进而产生一个较大的偏心力矩，因此导致叶片局部应力成倍增加，因此安全性不足成为妨碍其大量推广应用的最大障碍。

国外早期的喷气式战斗机的机翼及其发动机的压气机中也用过后型掠仿生叶片结构，虽然其较常规直扭型叶片降噪效果明显，但其整体做功能力与失速喘振裕度却有所降低，因此无论是航空行业还是通风机行业后期应用较少。

因此，需要提供一种新的技术方案来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种超低噪音凹凸仿生型地铁隧道轴流通风机动叶片，在综合利用后掠与前掠仿生降低噪声的基础上，再有效提升风机运行效率，同时还将减小失速喘振区，提高安全可靠性的地铁隧道轴流通风机动叶片。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超低噪音凹凸仿生型地铁隧道轴流通风机动叶片，它包括叶身，位于所述叶身首尾的叶尖和叶根，从所述叶根到叶尖的半径方向上分为若干个截面，各截面的重心积叠线采用后掠加前掠的复合布置，该叶片在气流方向上呈反“c”字型形状，所述叶根处设有法兰盘型叶柄，所述叶身与法兰盘型叶柄间设有流线型加强体。

该叶片前缘沿气流方向径向设置若干数量流线体的凹型前缘和凸型后缘。

具有凹型前缘和凸型后缘整体排布的叶片呈反“c”字型。

叶片各高度上的截面重心积叠线形状采用反“c”字设计：也就是从叶根往上到叶片中部附近，采取10°-20°的后掠设计，有效利用了叶根中下部翼型相对较厚时采用后掠结构降噪及安全的优点；在靠近中部往上一直到叶尖处采用10°-20°的前掠设计，达到降噪、增效、扩大失速喘振裕度的目的。

由于在叶片高度方向的中间位置附近上下分别为前掠与后掠结构，前掠重心积叠线型线产生的重心向前偏移量被后掠重心积叠线型线产生的向后偏移量所抵消，从而使叶片整体受力情况与常规直扭型叶片基本一致，重点解决了安全性不足的重大难题。

本发明的有益效果：本发明的超低噪音凹凸仿生型地铁隧道轴流通风机动叶片，在后掠与前掠仿生的各自特点的基础上，采用被动流动控制的方法，将两种仿生结构的优点有机结合，同时避开了原先带来的效率下降、失速喘振裕度减少的缺点，并且反“c”字结构中的下部后掠有效抵消了上部前掠带来的重心偏移问题，重点解决了安全可靠性的问题。利用反“c”字型组成的翼型重心积叠线型线，使之产生前掠与后掠的复合式结构，叶片下半部采用后掠仿生设计、上半部采用前掠仿生设计，叶片整体呈前缘凹、后缘凸形结构，叶片运行效率较纯前掠或纯后掠都有了较大提高，同步减少了叶片涡流噪声，并扩大了失速喘振裕度，同时重点解决了单纯掠型叶片的安全性问题，达到了高效、低噪、高安全这三者兼顾的良好效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的立体图。

其中：1、叶身，2、叶根，3、叶尖，4、反“c”字型重心积叠线，5、气流方向，6、凹型前缘，7、凸型后缘，8、法兰盘型叶柄，9、流线型加强体，10、原始重心积叠线。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。

如图1和2所示，本发明的一种超低噪音凹凸仿生型地铁隧道轴流通风机动叶片，它包括叶身1，位于叶身1首尾的叶尖3和叶根2，从叶根2到叶尖3的半径方向上分为若干个截面，各截面的重心积叠线采用反“c”字型设计（上半部采用多目标函数正交优选而得的前掠型样条曲线样式，下半部采用多目标函数正交优选而得的后掠型样条曲线样式），该叶片前缘沿气流方向5径向设置若干数量流线体的凹型前缘6和凸型后缘7，叶根2处设有法兰盘型叶柄8，叶身1与法兰盘型叶柄8间设有流线型加强体9。

有凹型前缘6和凸型后缘7整体排布的叶片呈反“c”字型。

本发明超低噪音复合仿生型地铁隧道轴流通风机动叶片采用计算机多岛遗传算法——“hicks-henn形函数扰动法”优化设计的翼型，升力及升阻比远高于目前已有公开发表的翼型，该翼型相对厚度为5-13%，叶型整体通过“全三维流场cfd整级设计”技术并经合“正交优选”法进行设计计算而成，材片采用铸造/锻造铝合金或合金钢材质。

本发明的叶片从叶根2到叶尖3的半径方向上分为若干个截面，各截面的重心积叠线4按反“c”字型的复合设计，叶片前缘（进气侧）从叶片中部往上开始逐渐逆着来流方同5进行一定量的倾斜（相对叶片仿生设计前原始重心积叠线10的偏移量为a），形成前掠设计，而叶片前缘中部往下开始逐渐顺着来流方向5进行一定量的倾斜（相对叶片仿生设计前原始重心积叠线10的偏移量为b），形成后掠设计，叶片整体呈前凹后凸的反“c”字型结构，反“c字”型重心积叠线4形状经计算机多目标函数正交优选设计而得，叶片前掠偏移量a与前掠偏移量b基本相同，只是方向相反，叶片根部设有法兰盘型叶柄8用于与叶轮的轮毂联接，从而实现叶片安装角度可调的设计，叶身1与法兰盘型叶柄8间设有流线型加强体9，保证叶片本身的强度性能。

前掠仿生是人类在观察了某些鸟类的翅膀的飞行特性后将其结构应用于飞机翼或轴流风机叶片中，利用前掠结构中马赫波离波源较远的相位差推迟噪声声波的产生，使局部噪声不再进行叠加，从而达到降噪的目的。同时由于前掠翼上的展向流动指向翼根，大攻角时气流首先从机翼根部分离，从根本上克服了翼尖失速问题，因而可用升力增大，气动效率高，但其安全性不足。

后掠仿生是原理与前掠类似，但后掠翼上的展向流动是指向翼尖的，后掠结构中马赫波离波源远的相位差同样推迟了噪声声波的产生（但相对前掠要近），大攻角时气流首先从翼尖分离，从而克服了翼根失速问题，因而其可用升力大，气动效率高，同时也更具安全性。但防失速喘振的裕度较之前掠型不足。

采用复合仿生掠设计的反“c”字型叶片综合利用了前掠与后掠的优点，十分巧妙地避开了前掠受力增大的缺陷，在叶片由叶根到叶尖通过形成适合强度的反向涡对向边界层进行动量输运，同时降低叶片展向平面内弦向负压梯度，使流动在深度失速时仍表现为附着状态，从而在一定程度上抑制流体分离。

同时叶片上半部的前掠设计加大了叶根叶顶处的静压梯度分布,它有利于形成指向叶道中部的径向静压梯度,可以减少叶轮环壁处低能流体的堆积,改善动叶片的内流结构,使叶片的运行效率较纯前掠结构提升3-5%。

叶片下半部的后掠设计在降低噪声的同时避免了大攻角时的失速产生，使其升力上升，同时其后掠偏移量b抵消了上半部前掠偏移量a，因此叶片总体上不再有重心偏移力矩产生，使叶片整体受力情况与常规直扭型叶片基本一致，从而解决了纯前掠叶片安全性不足的重大问题。

复合仿生反“c”字型风机动叶片结构本身对于噪声降低也有着积极的作用：这是由于叶片压力面与吸力面压差的存在，气流从压力面向吸力面流动的过程中，由于叶片中的特殊的前凹后凸的结构，各个截面在前缘及尾缘的轴向位置不再重叠，气流与叶片凹型前缘侧及凸形后缘侧表面壁面不再相互干涉产生涡流，进而避免了的强大压力脉动的产生。根据fw-h方程中的偶极子声源项可以看出，翼型表面压力脉动的降低会降低偶极子源强度。

综合以上因素，复合仿生型风机动叶片噪声较纯前掠叶片降低1.5db(a)左右，比纯直扭型叶片降低4.5db(a)左右，从而实现了超低噪音的目标。

同时翼尖涡脱落及其诱发的翼尖失速现象也明显减弱，翼型动态失速特性也得到一定程度改善，并且延缓了小流量状态下气流阻塞沿叶高的叠加效应，将叶片的失速喘振区域缩小10-15%。

复合仿生反“c”字型风机动叶片结构，有效地减弱了大攻角下翼型流体分离现象，使失速攻角增大约40%，且失速特性变得相当平缓；翼型气动升阻比最大增大达50%，阻力也相应减小；翼尖涡脱落及其诱发的翼尖失速现象也明显减弱；翼型动态失速特性也得到一定程度改善。

通过以上技术措施的综合应用，实现了复合仿生型地铁/隧道轴流通风机用动叶片的超低噪音要求，最终叶片噪声较纯直扭型叶片降低4.5db(a)左右，效率提高3-5%，失速喘振区减少10-15%。并且同步满足了叶片效率与安全性的要求。

因此，在地铁/隧道轴流通风机采取复合仿生反“c”字型风机动叶片设计后，叶片的运行效率较纯前掠型有了较大提高，同时并同步减少了叶片的涡流噪声，并且提高了安全可靠性，达到了高效、低噪、高安全这三者兼顾的良好效果。