本發(fā)明屬流體機(jī)械葉片設(shè)計(jì)及流動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低噪聲軸流風(fēng)機(jī)復(fù)合仿生翼型葉片。
背景技術(shù)：
噪聲污染不僅影響人們的正常休息、學(xué)習(xí)及工作，而且還會(huì)嚴(yán)重危害人體健康，如誘發(fā)心臟病、高血壓等疾病，并對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。機(jī)翼型軸流風(fēng)機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中常用的流體機(jī)械，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，其氣動(dòng)噪聲已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)機(jī)械噪聲，在總噪聲中占主導(dǎo)地位。降低機(jī)翼型軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲，一直是國(guó)內(nèi)外研究普遍關(guān)注的重要課題。
流動(dòng)控制是流體力學(xué)的前沿領(lǐng)域之一，與仿生學(xué)的碰撞催生了流動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分支——仿生流動(dòng)控制，即通過(guò)模仿與學(xué)習(xí)生物或生物體的特有功能，進(jìn)一步增強(qiáng)流動(dòng)控制的效果。基于仿生流動(dòng)控制的理念，國(guó)內(nèi)外研究者在葉片制造波紋狀前緣或后緣鋸齒結(jié)構(gòu)，在一定對(duì)其氣動(dòng)噪聲起到了抑制作用。但是，流體生物體的某些特征是為了適應(yīng)由基體外形決定的周圍流場(chǎng)特性進(jìn)化而來(lái)，仿生結(jié)構(gòu)對(duì)雷諾數(shù)具有較高的敏感性。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，只有在特性的轉(zhuǎn)速下具有較好的氣動(dòng)聲學(xué)性能，在很多條件下，相比原型葉片，這些結(jié)構(gòu)往往不降噪甚至出現(xiàn)增加氣動(dòng)噪聲的情形。減小降噪結(jié)構(gòu)對(duì)雷諾數(shù)的敏感性，使其全工況下均具有低噪聲特性，是其在工程中推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種能提高軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能和聲學(xué)性能的低噪聲軸流風(fēng)機(jī)復(fù)合仿生翼型葉片。
本發(fā)明的葉片具有脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)表面b、尖齒狀尾緣c和周期性凹狀前緣d的特征。
每個(gè)仿生單元a的關(guān)鍵特征點(diǎn)為尾緣a點(diǎn)、尾緣b點(diǎn)、尾緣c點(diǎn)、前緣d點(diǎn)、前緣e點(diǎn)和前緣f點(diǎn)。
每個(gè)仿生單元a的ad曲線為關(guān)鍵特征線s1、be曲線為關(guān)鍵特征線s2、cf曲線為關(guān)鍵特征線s3、def曲線為內(nèi)凹狀特征線s4、abc曲線為內(nèi)凹狀特征線s5。
葉片在關(guān)鍵特征線s1處最大厚度為δad、在關(guān)鍵特征線s2處的最大厚度為δbe、在關(guān)鍵特征線s3處的最大厚度為δcf。
ad兩點(diǎn)的直線長(zhǎng)度為lad，be兩點(diǎn)的直線長(zhǎng)度為lbe，cf兩點(diǎn)的直線長(zhǎng)度為lcf。
每個(gè)仿生單元a都設(shè)有脊線ⅰe和脊線ⅱf。
葉片前緣2由各仿生單元a的內(nèi)凹狀特征線s4在空間由葉根ⅰ5到葉頂ⅰ6依次連接而成，葉片尾緣4由各仿生單元a的內(nèi)凹狀特征線s5在空間由葉根ⅱ8到葉頂ⅱ7依次連接而成。
葉片前緣2的葉根ⅰ特征點(diǎn)為j點(diǎn)，葉片前緣2的葉頂ⅰ特征點(diǎn)為i點(diǎn)。
葉片尾緣4的葉根ⅱ特征點(diǎn)為g點(diǎn)，葉片尾緣4的葉頂ⅱ特征點(diǎn)為h點(diǎn)。
j點(diǎn)與g點(diǎn)的直線長(zhǎng)度為ljg，i點(diǎn)與h點(diǎn)的直線長(zhǎng)度為lih。
所述的仿生單元a為脊線ⅰe和脊線ⅱf所在截面之間的部分。
所述的低噪聲軸流風(fēng)機(jī)復(fù)合仿生翼型葉片設(shè)計(jì)所用的翼型為naca6405翼型的修改翼型。
所述lih和ljg之間的關(guān)系為：
lih＝(1.35～1.75)ljg。
所述仿生單元a的關(guān)鍵特征線s1、關(guān)鍵特征線s2、關(guān)鍵特征線s3在沿垂直于紙面方向投影所在的圓分別為圓ⅰc1、圓ⅱc2、圓ⅲc3，圓ⅰc1、圓ⅱc2、圓ⅲc3為同心圓，三者半徑的關(guān)系為：
r2＝0.5(r1+r3)。
所述仿生單元a的尾緣a點(diǎn)、尾緣b點(diǎn)、尾緣c點(diǎn)分別為葉片尾緣4與圓ⅰc1、圓ⅱc2、圓ⅲc3沿垂直于水平面所得的圓柱面的交點(diǎn)；前緣d點(diǎn)、前緣e點(diǎn)和前緣f點(diǎn)分別為與圓ⅰc1、圓ⅱc2、圓ⅲc3沿垂直于水平面所得的圓柱面的交點(diǎn)。
所述仿生單元a中l(wèi)ad、lbe和lcf之間的關(guān)系為：
lbe＝(0.85～0.95)×0.5(lad+lcf)。
所述仿生單元a中δad、δbe和δcf之間的關(guān)系為：
δbe＝(0.85～0.95)×0.5(δad+δcf)。
所述仿生單元a的內(nèi)凹狀特征線s4為前緣d點(diǎn)、前緣e點(diǎn)和前緣f點(diǎn)的b樣條曲線ⅰ；仿生單元a的內(nèi)凹狀特征線s5為尾緣a點(diǎn)、尾緣b點(diǎn)、尾緣c點(diǎn)的b樣條曲線ⅱ，b樣條曲線ⅰ和b樣條曲線ⅱ的具體尺寸參數(shù)由權(quán)利要求5和權(quán)利要求6確定。
本發(fā)明的有益效果在于：
(1)在較小轉(zhuǎn)速下，氣流流經(jīng)復(fù)合仿生葉片前緣后，形成不穩(wěn)定的t-s波，邊界層未發(fā)生分離，以“筒狀”從葉片尾緣脫落；氣流流過(guò)葉片波狀前緣后，相鄰兩脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)中間氣流在翼展方向上具有等值反向的速度，受葉片壁面的限制，氣流在谷底處的法向速度增加，阻止了t-s波的形成。氣流從鋸齒尾緣脫落后，形成了較為規(guī)則的“塊狀渦”，減弱了流向渦的展向關(guān)聯(lián)性。
(2)中等轉(zhuǎn)速下，在吸力面?zhèn)龋瑥?fù)合仿生葉片表面兩相鄰的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)中間，氣流展向流速進(jìn)一步增加，在谷底壁面反射作下形成了更高的法向速度，加速了邊界層的轉(zhuǎn)捩，減小了邊界層不穩(wěn)定性造成的壓力脈動(dòng)。在壓力面?zhèn)?，表面脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)的收攏，對(duì)邊界層起到穩(wěn)定作用，消除了邊界層轉(zhuǎn)捩過(guò)程中形成的不穩(wěn)定的λ渦，層流邊界層在接近于尾緣附近快速演變成湍流邊界層后從尾緣脫落。
(3)較大轉(zhuǎn)速下，復(fù)合仿生葉片吸力面?zhèn)?，其表面脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，對(duì)流體起到收攏的作用。壓力面?zhèn)?，脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)表面加速了邊界層的轉(zhuǎn)捩，能減小壁面邊界層不穩(wěn)定造成的壓力脈動(dòng)。氣流在壓力面從尾緣脫落后，鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)減小流向渦的長(zhǎng)度和展向關(guān)聯(lián)性，能降低渦脫落噪聲。
本發(fā)明對(duì)層流邊界層或湍流邊界層的時(shí)空演化過(guò)程均可有效的控制，對(duì)雷諾數(shù)有較低的敏感性，可使軸流風(fēng)機(jī)在全工況下均具有良好的氣動(dòng)性能和聲學(xué)性能。
附圖說(shuō)明
圖1為復(fù)合仿生翼型葉片側(cè)視圖
圖2為復(fù)合仿生翼型葉片關(guān)鍵特征標(biāo)注示意圖
圖3為naca6504翼型的修改翼型曲線圖
圖4為復(fù)合仿生翼型葉片特征點(diǎn)與特征線示意圖
圖5為復(fù)合仿生翼型葉片主視圖
圖6為圖5中g(shù)所指部位的放大圖
圖7為圖5中h所指部位的放大圖
圖8為仿生單元特征線尺寸標(biāo)記示意圖
其中：a.仿生單元b.脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)表面c.尖齒狀尾緣d.周期性凹狀前緣e.脊線ⅰf.脊線ⅱ1.壓力面2.葉片前緣3.吸力面4.葉片尾緣5.葉根ⅰ6.葉頂ⅰ7.葉頂ⅱ8.葉根ⅱ
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述:
本發(fā)明的一種低噪聲軸流風(fēng)機(jī)復(fù)合仿生翼型葉片，具有脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)表面b、尖齒狀尾緣c和周期性凹狀前緣d的特征。整個(gè)復(fù)合仿生翼型葉片的壓力面1和吸力面3由25-50個(gè)仿生單元a的曲面連接成而的空間曲面，如圖1、圖2所示。
每個(gè)仿生單元a的關(guān)鍵特征點(diǎn)為尾緣a點(diǎn)、尾緣b點(diǎn)、尾緣c點(diǎn)、前緣d點(diǎn)、前緣e點(diǎn)和前緣f點(diǎn)；
每個(gè)仿生單元a的ad曲線為關(guān)鍵特征線s1、be曲線為關(guān)鍵特征線s2、cf曲線為關(guān)鍵特征線s3、def曲線為內(nèi)凹狀特征線s4、abc曲線為內(nèi)凹狀特征線s5；
葉片在關(guān)鍵特征線s1處最大厚度為δad、在關(guān)鍵特征線s2處的最大厚度為δbe、在關(guān)鍵特征線s3處的最大厚度為δcf；
ad兩點(diǎn)的直線長(zhǎng)度為lad，be兩點(diǎn)的直線長(zhǎng)度為lbe，cf兩點(diǎn)的直線長(zhǎng)度為lcf；
每個(gè)仿生單元a都設(shè)有脊線ⅰe和脊線ⅱf；
葉片前緣2由各仿生單元a的內(nèi)凹狀特征線s4在空間由葉根ⅰ5到葉頂ⅰ6依次連接而成，葉片尾緣4由各仿生單元a的內(nèi)凹狀特征線s5在空間由葉根ⅱ8到葉頂ⅱ7依次連接而成。
葉片前緣2的葉根ⅰ特征點(diǎn)為j點(diǎn)，葉片前緣2的葉頂ⅰ特征點(diǎn)為i點(diǎn)。
葉片尾緣4的葉根ⅱ特征點(diǎn)為g點(diǎn)，葉片尾緣4的葉頂ⅱ特征點(diǎn)為h點(diǎn)。
j點(diǎn)與g點(diǎn)的直線長(zhǎng)度為ljg，i點(diǎn)與h點(diǎn)的直線長(zhǎng)度為lih。
所述仿生單元a是指脊線ⅰe和脊線ⅱf所在截面之間的部分。
復(fù)合仿生翼型葉片設(shè)計(jì)所用的翼型為naca6405翼型的修改翼型,其翼型曲線如圖3所示。圖中所示的下表面ⅰ與上表面ⅱ分別用來(lái)構(gòu)建每個(gè)仿生單元的壓力面1和吸力面3。取翼型弦長(zhǎng)cc無(wú)量綱長(zhǎng)度為1，其上表面和下表面的無(wú)量綱坐標(biāo)擬合曲線表達(dá)式分為公式(1)和公式(2)：
復(fù)合仿生翼型葉片根部前緣點(diǎn)g與尾緣點(diǎn)j的直線距離ljg與葉片頂部前緣點(diǎn)h和尾緣點(diǎn)i的直線距離lih(圖4所示)的關(guān)系為：
lih＝(1.35～1.75)ljg(3)
所述仿生單元a的關(guān)鍵特征線s1、關(guān)鍵特征線s2、關(guān)鍵特征線s3在沿垂直于紙面方向投影所在的圓分別為圓ⅰc1、圓ⅱc2、圓ⅲc3，如圖5～圖7所示。圓ⅰc1、圓ⅱc2、圓ⅲc3為同心圓，三者半徑的關(guān)系為：
所述仿生單元a的尾緣a點(diǎn)、尾緣b點(diǎn)、尾緣c點(diǎn)分別為葉片尾緣4與圓ⅰc1、圓ⅱc2、圓ⅲc3沿垂直于水平面所得的圓柱面的交點(diǎn)；前緣d點(diǎn)、前緣e點(diǎn)和前緣f點(diǎn)分別為與圓ⅰc1、圓ⅱc2、圓ⅲc3沿垂直于水平面所得的圓柱面的交點(diǎn)，如圖8所示。
所述仿生單元a中l(wèi)ad、lbe和lcf之間的關(guān)系為：
lbe＝(0.85～0.95)×0.5(lad+lcf)(4)
所述仿生單元a中δad、δbe和δcf之間的關(guān)系為：
δbe＝(0.85～0.95)×0.5(δad+δcf)(5)
所述仿生單元a的內(nèi)凹狀特征線s4為前緣d點(diǎn)、前緣e點(diǎn)和前緣f點(diǎn)的b樣條曲線??；仿生單元a的內(nèi)凹狀特征線s5為尾緣a點(diǎn)、尾緣b點(diǎn)、尾緣c點(diǎn)的b樣條曲線ⅱ，b樣條曲線ⅰ和b樣條曲線ⅱ的具體尺寸參數(shù)由公式(3)～(5)確定。
一、復(fù)合仿生葉片在軸流風(fēng)機(jī)上應(yīng)用實(shí)施例1
機(jī)翼型軸流風(fēng)機(jī)葉片(翼型為本發(fā)明提出的翼型為naca6405翼型的修正翼型)直徑為215mm，當(dāng)lih＝1.75ljg,lbe＝0.95×0.5(lad+lcf)，δbe＝0.95×0.5(δad+δcf)時(shí)，在專用風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試的氣動(dòng)性能表明，在13v、16v、20v、24v四個(gè)電壓模式下，其啟動(dòng)功率最大降低2.51％，靜壓效率提高1.53％。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t2888-2008《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》，應(yīng)用專用聲學(xué)測(cè)試設(shè)備測(cè)試結(jié)果表明，其噪聲總聲壓級(jí)最大可降低4.14db。
二、復(fù)合仿生葉片在軸流風(fēng)機(jī)上應(yīng)用實(shí)施例2
機(jī)翼型軸流風(fēng)機(jī)葉片(翼型為本發(fā)明提出的翼型為naca6405翼型的修正翼型)直徑為215mm，當(dāng)lih＝1.55ljg,lbe＝0.9×0.5(lad+lcf)，δbe＝0.9×0.5(δad+δcf)時(shí)，在專用風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試的氣動(dòng)性能表明，在13v、16v、20v、24v四個(gè)電壓模式下，其啟動(dòng)功率最大降低3.52％，靜壓效率提高3.09％。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t2888-2008《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》，應(yīng)用專用聲學(xué)測(cè)試設(shè)備測(cè)試結(jié)果表明，其噪聲總聲壓級(jí)最大可降低3.25db。
三、復(fù)合仿生葉片在軸流風(fēng)機(jī)上應(yīng)用實(shí)施例3
機(jī)翼型軸流風(fēng)機(jī)葉片(翼型為本發(fā)明提出的翼型為naca6405翼型的修正翼型)直徑為215mm，當(dāng)lih＝1.35ljg,lbe＝0.85×0.5(lad+lcf)，δbe＝0.85×0.5(δad+δcf)時(shí)，在專用風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試的氣動(dòng)性能表明，在13v、16v、20v、24v四個(gè)電壓模式下，其啟動(dòng)功率最大降低3.68％，靜壓效率提高3.79％。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t2888-2008《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》，應(yīng)用專用聲學(xué)測(cè)試設(shè)備測(cè)試結(jié)果表明，其噪聲總聲壓級(jí)最大可降低2.35db。