一种用于叶轮机械降噪的仿生稳流结构

1.本发明涉及一种具有降噪作用的仿生稳流结构，属于叶轮机械气动噪声控制领域。
技术背景
2.随着工业化程度的提高，噪声问题已经成为人类所面临的一个重要的环境问题，噪声污染是工业文明带给人类的第三大污染源。从常见的汽车排气噪声到飞机发动机噪声，从日常生活中的空调，油烟机通风噪声，到工业上的通风机、风力机、汽轮机、内燃机噪声，都属于气动噪声的范畴。此外，气动噪声还是影响设备稳定性的主要原因，在航天叶轮机械领域，气动噪声的控制已成为影响飞机研制与适航取证的关键技术之一。
3.在流动控制降噪领域，基于猫头鹰等鸮形目鸟类羽毛的前缘“梳状”和尾缘“刘海”形态的锯齿结构已被大量证实具有良好的降噪作用，并成功应用于风力机等设备的降噪设计中。目前，锯齿结构的制造主要采用“切割式”和“附加式”两种方法，其中“切割式”是直接对叶片减材制造，这种方法制备的叶片不会有弦长的增加，但是往往会造成气动性能的下降。“附加式”是在保证叶片弦长不变的前提下，在前后缘添加一个锯齿状平板，但是这种制备方法不能保证叶片的完整性。受锯齿结构形状的影响，锯齿结构降噪的主要问题包括不能兼顾气动性能和声学性能等多目标要求，而且，在用于高速旋转的叶轮机械等设备时，因锯齿强度不够而发生断裂，造成安全隐患等。
4.针对以上仿生锯齿结构的不足，本发明基于仿生流动控制原理提出了一种新型的流动控制降噪结构，可广泛应用于叶轮机械等装备的气动噪声控制。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供具有降噪作用的仿生稳流结构，具体为具有通孔特征的波浪薄片结构。所述降噪结构具有切割气流的作用，气流在流过通孔后，大尺度的涡被切割成规则的块状结构，减小了脱落涡在展向的关联性。其最大的优势是在降噪的同时，不改变叶片过流面积，不影响叶片的气动性能。
6.本申请的目的主要是通过以下技术方案实现的：
7.本申请提供了一种具有降噪作用的仿生稳流结构，所述的降噪特征设计在叶轮机械叶片前缘，具体是有通孔特征(32)的波浪薄片结构(31)。
8.进一步，所述仿生稳流结构安装于叶片吸力面a一侧。
9.进一步，所述仿生稳流结构留有通孔(32)，气流在流过通孔后可以形成更细碎、稳定的流向涡。
10.进一步，所述仿生稳流结构的中心线l1与气流在设计点o处的切速度方向平行。
11.进一步，所述设计点o为仿生稳流结构中心线l1和轴线l2的交点。
12.进一步，所述仿生稳流结构的设计点o距离叶片前缘(1)5％-10％c，c为降噪结构设计点o所在的当地弦长。
13.进一步，所述仿生稳流结构主要参数为：通孔的波长λ＝2％-4％c，内壁面(33)距离叶片表面的高度h＝1％-2％c，外壁面(34)内壁面(33)之间的厚度t＝5％-15％h，降噪结构沿流向的宽度为w＝1％-2％c。
14.进一步，所述仿生稳流结构的波浪形构型为正弦型，以设计点o为原点，降噪结构内壁面(33)的曲线方程为：外壁面(34)的曲线方程为：
15.进一步，所述仿生稳流结构沿叶片展向分布，相邻两降噪结构之间的间距为s＝2％-4％c。
16.进一步，所述仿生稳流结构的波浪形构型也可为圆弧型、锯齿型。
17.进一步，所述仿生稳流结构的降噪原理为：波浪薄片结构(31)起到切割气流的作用，可以将大尺度的涡切割成规则的块状流向涡，减小了脱落涡在展向的关联性；气流在流经通孔(32)后可以和外部气流快速融合，从而缩小了过渡段，增强了气流的稳定性。两者协同作用，在近壁面形成更规则、稳定的流向涡，从而减小了气流对尾缘(2)的干扰，降低尾缘处的压力脉动强度，降低了叶片的气动噪声。
18.与现有的技术相比，本申请可以实现如下有益效果:
19.(1)通过布置具有降噪作用的仿生稳流结构降低了叶片尾缘处的气动噪声；
20.(2)在降低气动噪声的同时，不影响叶片的气动性能；
21.(3)稳流结构特征简单，制备工艺简单，安装方式简单，应用范围广。
附图说明
22.图1为本发明在轴流风扇上的应用示意图；
23.图2为应用在轴流风扇的稳流结构构型示意图；
24.图3为应用在轴流风扇的稳流结构构型正视图；
25.图4为为应用在轴流风扇的稳流结构构型右视图；
26.图5为本发明在离心风机的稳流结构构型示意图；
27.图6为应用在离心风机的稳流结构构型示意图；
28.图7为应用在离心风机的稳流结构构型正视图；
29.图8为为应用在离心风机的稳流结构构型右视图；
30.附图标记：
31.1-前缘；2-尾缘；3-仿生稳流结构；31-波浪薄片结构；32-通孔；33-内壁面；34-外壁面；λ-波长；h-高度；w-宽度；t-厚度；l
1-中心线；l1＇-引导线；l
2-轴线；r-内圆弧半径。
32.具体实施案例1
33.图1-4是本发明仿生稳流结构的在轴流风扇上的实施方式及构型。轴流风扇包含叶轮(1)和叶片(2)，在叶片的吸力面a上具有稳流结构(3)，稳流结构为正弦型薄片(31)，并具有通孔特征(32)。风扇在叶尖处的弦长c＝200mm，半径为100mm，展向长度d＝60mm。稳流结构主要参数为：波长λ＝5mm，内壁面(33)与叶片表面的高度h＝2mm，与外壁面(34)之间的厚度t＝0.15mm，沿流向的宽度w＝2mm。安装位置定义为：稳流结构沿着叶片展向分布。稳流结构设计点o距叶片前缘10％当地弦长处，气流在设计点o处的切速度方向与中心线l1平行，具体为稳流结构的中心线l1与叶片表面引导线l1＇在点o处相切。引导线l1＇是以风扇中心为圆心，等距离的同心圆在叶片吸力面上的投影，相邻同心圆之间的间距为5mm。
34.具体实施案例2
35.图5-8示出了本发明仿生稳流结构应用在离心风机的实施方式。离心风机包含电机(1)和叶片(2)，在叶片的吸力面a上具有稳流结构(3)，其中稳流结构为圆弧型薄片结构(31)，具体由三段相切的劣弧组成，圆弧半径r＝1.5mm。如图3所示，安装设计点o位于叶片前缘的8％当地弦长处；稳流结构波长λ＝6mm，内壁面(33)与叶片表面的高度h＝1.5mm，与外壁面(34)之间的厚度t＝0.1mm，沿流向的宽度w＝1.5mm。稳流结构沿叶片展向分布，相邻两结构之间的间距为6mm。在来流速度20-60m/s时，风洞试验结果显示上述稳流结构可实现降噪2-3db。


技术特征：
1.一种用于叶轮机械降噪的仿生稳流结构，其特征在于，所述仿生稳流结构为波浪薄片结构(31)。2.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械降噪的仿生稳流结构，其特征在于，所述仿生稳流结构具有通孔(32)。3.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械降噪的仿生稳流结构，其特征在于，所述仿生稳流结构的中心线l1与气流在设计点o处的切速度方向与平行。4.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械降噪的仿生稳流结构，其特征在于，所述仿生稳流结构的主要参数尺寸为：通孔(32)沿展向的波长λ＝2％-4％c，内壁面(33)与叶片表面的高度h＝1％-2％c，内壁面(33)与外壁面(34)之间的厚度t＝5％-15％h，降噪结构沿流向的宽度w＝1％-2％c，c为降噪结构设计点o所在的当地弦长。5.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械降噪的仿生稳流结构，其特征在于，所述仿生稳流结构沿叶片展向分布，相邻两降噪结构之间的间距s＝2％-4％c。6.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械降噪的仿生稳流结构，其特征在于，所述仿生稳流结构波浪构型可以为正弦波型、锯齿型、圆弧型。

技术总结
本发明公开了一种用于叶轮机械降噪的仿生稳流结构，主要思想是受到猫头鹰前缘“梳状”结构流动控制机理的启发，属于气动噪声控制领域。所述仿生稳流结构是具有通孔特征的波浪薄片结构，所述的波浪薄片结构起到切割气流的作用，可以将大尺度涡切割成规则的块状结构，减小了脱落涡在展向的关联性。气流在流经通孔后和外部的气流快速融合，从而缩短了过渡段，增加了气流的稳定裕度。两者协同作用，可以在近壁面处形成更细碎、稳定的流向涡，从而减弱了气流对叶片尾缘的流固作用，降低尾缘处的压力脉动强度，起到降低气动噪声的作用。起到降低气动噪声的作用。起到降低气动噪声的作用。


技术研发人员：张成春 程文 崔震 孙潇伟 沈淳 吴正阳 韩志武 任露泉
受保护的技术使用者：吉林大学威海仿生研究院 威海峻铭动力科技有限公司
技术研发日：2022.11.01
技术公布日：2022/12/9