一种用于轴流风扇的自调节锯齿尾缘结构的制作方法

本发明涉及叶轮机械降噪技术领域，具体地说，涉及一种用于轴流风扇的自调节锯齿尾缘结构。

背景技术：

叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械，其常见类型有通风机，水轮机，风力发电机以及航空发动机等。目前，叶轮机械由于其稳定性良好、效率高而广泛用于能源领域。

但是，常见的叶轮机械，如风机，在处理噪声问题上存在着很大的缺陷。噪声通常可分为振动噪声和气动噪声两大类。振动噪声主要通过动平衡来加以控制，而气动噪声则是由于流场中的湍流脉动产生。对于气动噪声的控制，则是利用流体力学知识，通过流动控制技术，对湍流团的击碎、疏导多种方式来减弱。

对于叶片尾缘锯齿构型，由于其能将叶片的集中脱落涡分割成数个小涡，并防止尾迹脱落涡集中产生，因而有较好的降噪效果。但是，目前对尾缘锯齿的研究，还是集中在固定构型的研究上。例如，专利CN102635573公开了“一种齿形尾缘轴流风扇”，该齿形尾缘轴流风扇是在常规风扇尾缘添加固定结构大小的锯齿结构，最终在某一转速下达到了一定的降噪效果。但该齿形尾缘轴流风扇存在的不足是其锯齿尺寸的设计未能很好地与理论相结合，这也是目前现有技术中锯齿尾缘设计的缺陷，即对锯齿尺寸的设计多体现在尝试的阶段，通过实验试出尺寸的效果进行采用。目前的风扇并非以恒定转速工作，可能有两个，三个甚至多个转速。对于某一宽度的锯齿结构，可能在该转速下能够达到较好的降噪目的，但在其它转速下，效果欠佳，或有一定的降噪目的，但与该转速下的最优宽度的锯齿结构的降噪效果相比仍有一定差距；未能体现其变工况条件下的控制效果。

在不同的工作状况下，不同宽度的锯齿结构对降噪效果的影响也有所不同。文献“叶片锯齿尾缘对降低空调室外机气动噪声影响的试验研究”(《工程热物理学报》，2011,10:1681-1684)中研究表明，锯齿宽度对降噪效果影响较大，而当锯齿宽度与尾迹宽度相一致时，降噪效果较好。对于低压轴流风机的尾迹宽度，Fukano等人提出了相应的计算公式(Noise Generated by Low Pressure Axial Flow Fans，I Modeling of the Turbulent Noise[J].Journal Of Sound And Vibration,1977150(1):63-74),即，

尾迹宽度D＝D_t+δ_tp^*+δ_ts^*,

其中D_t表示叶片尾缘厚度，δ_tp^*和δ_ts^*分别表示叶片压力面与吸力面的排挤厚度，

且δ_tp^*＝δ_ts^*＝(0.37C/8)Re_c^-0.2 (1)

所以D＝D_t+(0.37C/4)Re_c^-0.2 (2)

其中,C表示叶片弦长，Re_c是由叶片弦长C和叶片来流速度共同确定的雷诺数。

由于尾缘宽度D_t，叶片弦长C一定，因此，尾迹宽度随雷诺数Re_c变化。当忽略来流密度，粘性变化时，Re_c又与来流速度变化，速度与转速有关，即可得尾迹宽度与风机转速变化关系。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种用于轴流风扇的自调节锯齿尾缘结构；在风机叶片的吸力面上设置弹簧、锯齿滑块结构，并将其约束在风扇叶片表面的滑槽内，利用风扇在不同转速下所受的离心力，控制锯齿滑块的伸长尺寸，建立转速与锯齿滑块尺寸的关系，针对不同工况有效地降低风扇的气动噪声。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括电机、机匣、电机支架、轮毂、风机叶片、风机、锯齿滑块、滑槽、弹簧、圆杆、挡片、挡块、锯齿尾缘、挡环，电机与电机支架固连且安装在机匣内，机匣通过支架固定在地基上，轮毂与电机输出轴固连，风机叶片沿轮毂周向等间距安装，在风机叶片的吸力面上设置弹簧、锯齿滑块结构；

所述锯齿滑块为矩形，其中一侧边为锯齿尾缘，锯齿滑块长度为风机叶片长度的0.4～0.8，宽度为不同转速下锯齿滑块滑动距离的最大值的1.5～3倍；

所述滑槽为长方体，两个滑槽分别固定在风机叶片上，且对称安装，两个滑槽相对的侧面分别开有凹槽，凹槽的长度为锯齿滑块最大滑动距离，滑槽安装角为θ取值范围为40～60度，锯齿滑块位于两个滑槽之间，且锯齿滑块与滑槽为间隙配合；

所述圆杆一端通过挡片与锯齿滑块固连，另一端插入挡环内，所述弹簧套装在圆杆上，弹簧一端与挡片焊接在锯齿滑块上，且在锯齿滑块上的连接点位于锯齿滑块中心，弹簧另一端与挡环固定在叶片上。

所述锯齿尾缘的齿型为正三角形或正弦锯齿。

所述弹簧的安装角与滑槽的安装角相同。

所述滑槽的高度大于锯齿滑块的厚度。

有益效果

本发明提出的一种用于轴流风扇的自调节锯齿尾缘结构，在风机叶片的吸力面上设置弹簧、锯齿滑块结构，并将其约束在风扇叶片表面的滑槽内，利用风扇在不同转速下所受的离心力，控制锯齿滑块的伸长尺寸，建立转速与锯齿滑块尺寸的关系，针对不同工况有效地降低风扇的气动噪声。

本发明用于轴流风扇的自调节锯齿尾缘结构，利用锯齿尾缘控制叶片尾迹脱落涡原理，通过在轴流风扇叶片尾缘加装弹簧、锯齿滑块结构，以达到降低风扇噪声的目的。但由于不同的锯齿大小在不同工况下的降噪效果不同，采用变工况下的控制手段，即针对常用的多档位功率设计的风扇，自适应调节所添加的尾缘的锯齿大小，使其与该工况下的锯齿最佳大小相一致，达到最好的降噪效果。

本发明用于轴流风扇的自调节锯齿尾缘结构，不需要引入外部能量，以不同转速下的离心力为控制手段，通过特定结构来调节风机叶片尾缘锯齿的宽度大小，使其与该转速下的效果最为明显的锯齿宽度相一致，在变转速的情况下能达到更好的降噪效果。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种用于轴流风扇的自调节锯齿尾缘结构作进一步详细说明。

图1为轴流风机结构示意图。

图2为轴流风机结构侧视图。

图3为本发明自调节锯齿尾缘结构的弹簧、锯齿滑块结构安装部位示意图。

图4为本发明自调节锯齿尾缘结构的锯齿尾缘示意图。

图5a为本发明自调节锯齿尾缘结构的正三角形锯齿结构示意图。

图5b为本发明自调节锯齿尾缘结构的正弦锯齿结构示意图。

图6为本发明自调节锯齿尾缘结构的滑槽与锯齿滑块安装部位示意图。

图中:

1.电机 2.电机支架 3.机匣 4.风机叶片 5.轮毂 6.风机 7.地基 8.滑槽 9.锯齿滑块 10.弹簧 11.圆杆 12.挡片 13.挡块 14.锯齿尾缘 15.挡环

具体实施方式

本实施例是一种用于轴流风扇的自调节锯齿尾缘结构。需要合理设计倾斜滑槽相对于风机叶片的位置关系，以及选择合适的弹簧弹性系数，来确保具有齿形尾缘的锯齿滑块在每一个转速下都处于合适的位置。

参阅图1～图6，本实施例用于轴流风扇的自调节锯齿尾缘结构，由电机1、机匣3、电机支架2、轮毂5、风机叶片4、风机6、锯齿滑块9、滑槽8、弹簧10、圆杆11、挡片12、挡块13、锯齿尾缘14、挡环15组成；风机叶片4沿周向等间距安装在轮毂5上，轮毂5与电机输出轴相连接，电机与电机支架2固连且安装在机匣内，机匣通过支架固定在地基上。

在风机叶片的吸力面上设置弹簧、锯齿滑块结构，锯齿滑块9为矩形,其中一侧边为锯齿尾缘,锯齿滑块9长度为风机叶片4长度的0.4～0.8，宽度为不同转速下锯齿滑块滑动距离的最大值的1.5～3倍。滑槽8为长方体，两个滑槽8分别固定在风机叶片4上，且对称安装，相对的一侧分别设有凹槽,滑槽的长度为锯齿滑块9最大滑动距离；滑槽安装角为θ取值范围为40～60度，锯齿滑块9位于两个滑槽8之间，锯齿滑块9与滑槽8为间隙配合；滑槽的高度大于锯齿滑块的厚度。锯齿尾缘14的齿型为正三角锯齿或正弦锯齿。弹簧的安装角与滑槽的安装角相同。

本实施例中,测量原风机叶片4的尾缘宽度D_t和弦长C,鉴于风机一般设置为3个工作转速，设其转速分别为n₁、n₂和n₃。利用CFD仿真或实验测量方法，分别测试在3个转速下的风机进口的质量平均速度V₁、V₂和V₃。

由V₁、V₂、V₃和弦长C分别求出对应的雷诺数Re_C1、Re_c2和Re_C3，并代入公式δ_tp^*＝δ_ts^*＝(0.37C/8)Re_c^-0.2，求出对应的排挤厚度和将以上的计算结果代入公式D＝D_t+(0.37C/4)Re_c^-0.2，求得3个转速n₁、n₂和n₃下对应的尾迹宽度D₁、D₂和D₃，也即锯齿宽度。

借助关系式y＝D*cosθ,由滑槽的安装角θ可求得锯齿滑块9在三个不同转速下对应的滑动距离y₁、y₂和y₃。

完成测量后，开始制作锯齿滑块9，对于该部分，主要分为锯齿滑块9的设计及锯齿尾缘14的设计两部分。

锯齿滑块9由滑块长度a，宽度b和滑槽的安装角θ三个参数决定，锯齿滑块9长度a为风机叶片4长度的0.4～0.8，宽度b要求b/cosθ为不同转速下滑块滑动距离的最大值y的1.5～3倍，而对于滑槽安装角θ取为40～60度内。对于锯齿尾缘14为锯齿的类型和齿宽两个参数决定。锯齿类型选择正三角形或正弦锯齿，也可使正弦锯齿的周期与正三角形的边长相一致。对于正三角形锯齿的宽度S，可使其大于不同转速下滑块滑动距离的最大值y为1.2～1.5倍。滑槽8的位置要求能使锯齿滑块9位于叶片的中上部分，滑槽8的长度为锯齿滑块9的最大滑动距离；滑槽8的安装角θ取值范围为40～60度内。滑槽8的高度应大于锯齿滑块9的厚度，而其伸长量应保证锯齿滑块不会在滑槽内左右晃动。挡块13的作用是防止锯齿滑块9在风机停止工作时不滑落，只要能达到目标且尺寸较小。

根据锯齿滑块9的数据及转速，可计算不同转速下的锯齿滑块9离心力大小F₁、F₂和F₃。由于摩擦力较离心力而言相对较小，且弹簧10自身的离心力可忽略不计，则要保持锯齿滑块的平衡，只要保证离心力与弹簧10的弹力相平衡便可以，即两者大小相等。

利用最小二乘法，计算得到F与y的线性表达式，即F＝a*y+b,其中a，b为拟合后的常数值。确定所选弹簧10的弹性系数即为a，系数b为预紧力。

根据以上计算所得的弹性系数与预紧力，选择合适的弹簧10，即将弹簧10两端分别与风机叶片4和锯齿滑块9固定连接，使弹簧10的安装角和滑槽8的安装角相同，且在锯齿滑块9上的连接点要求在锯齿滑块9中心，避免产生新的力矩。在弹簧10与风机叶片4的连接点附近，焊接有一根圆杆11，圆杆11长度长于弹簧能伸长的最大长度。圆杆11的作用是使得弹簧10在工作时，不会因为离心力与重力而变形，使其弹性力方向与滑槽约束下产生的运动方向一致。同时，圆杆11上的挡片12与锯齿滑块9上的挡环15能起到阻止锯齿滑块9飞出的作用。通过以上步骤，可得到对在三种转速下效果均满意的锯齿尺寸，从而使得降噪目的显著。

实施例

本实施例是针对市面上某一特定风机。

测得风机的三个转速分别为2800rpm、1800rpm和800rpm，采用numeca软件对其进行数值仿真，得到其对应转速下的进口速度分别为31.4767m/s、27.5923m/s和24.6843m/s。

测得其弦长为代入公式δtp*＝δts*＝(0.37C/8)Re_C^-0.2计算其对应的排挤厚度分别为0.2829mm、0.2936mm和0.3073mm,则计算所得锯齿宽度为1.7829mm、1.7936mm和1.8073mm。

利用最小二乘法计算所得的理论上的控制所得锯齿宽度分别为1.7824mm、1.7946mm和1.8068mm，其中在转速为1800rpm时的控制效果最为接近。