一种低噪声轴流风机叶片及轴流风机

技术领域

本发明属于流体机械领域，更具体地，涉及一种低噪声轴流风机叶片及轴流风机。

背景技术

风机系统是空调室外机用以散热和送风的重要部件。轴流风机高速运行时为了避免风机叶片和机匣壁面在相对运动中发生摩擦碰撞，在叶片和机匣之间存在一定的间隙称为叶顶间隙。由于叶顶间隙的存在，轴流风机工作时叶片压力面部分流体在压差作用下，翻过叶顶间隙形成叶顶泄漏流(或称为叶顶间隙流)，叶顶泄漏所形成的叶顶泄漏涡是轴流风叶气动噪声的重要贡献源。同时叶顶泄露流造成的气动损失约占轴流风机的三分之一。有效控制叶顶间隙流动，提高轴流风机的气动性能，优化轴流风机涡流噪声，一直是学术界研究的重点。

叶尖小翼技术作为被动控制叶顶泄漏流的方法之一，已在其他叶轮机械领域有较多的研究及应用。但结构不合理的叶尖小翼会导致轴流风机静压效率下降。如现有专利CN208106644 U带叶尖小翼的轴流风机叶片，该专利中的轴流风机叶片由叶片本体、叶片小翼(叶尖小翼的外倾角为0°)、堵头体、尾翼固定板等构件组合得到，如图1所示，主要目的是提高叶片升阻比和提升轴流风机叶轮效率，该专利中多构件组合体的形式在轴流风机高速旋转的作用下很容易造成共振，产生机械噪声影响轴流风机的噪声质量，且外倾角为0°的叶尖小翼设计对轴流风机涡流噪声的削减程度非常有限。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低噪声轴流风机叶片及轴流风机，其目的在于，通过对叶片叶尖小翼进行设计，控制叶尖涡的发展，抑制叶尖及机匣处的涡流噪声，从而降低风机气动噪声。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种低噪声轴流风机叶片，该叶片外缘设有叶尖小翼，该叶尖小翼由叶片外缘向吸力面方向翻折形成，其起始于叶片前缘，终止于叶片尾缘；

所述叶尖小翼的外倾角角度为20°～30°，叶尖小翼的翻折高度为1～4倍的风叶外缘壁厚。

作为进一步优选的，叶尖小翼的翻折高度为4倍的风叶外缘壁厚。

作为进一步优选的，所述叶尖小翼的主体厚度与风叶外缘壁厚相等。

作为进一步优选的，叶尖小翼高度在与叶片前缘、尾缘相接处以一定弧度降低，其中，尾缘渐变弧弦长与吸力面夹角为20°～30°，前缘渐变弧弦长与吸力面夹角为5°～15°。

作为进一步优选的，叶片的吸力面向压力面凹陷。

作为进一步优选的，叶片的压力面、吸力面为多组轮廓线在对应圆周面上的投影线放样所形成的曲面，每组对应的压力面轮廓线和吸力面轮廓线位于同一圆周截面上；

压力面的轮廓线P由如下方程确定：

吸力面的轮廓线S由如下方程确定：

其中，θ

作为进一步优选的，压力面、吸力面轮廓线在圆柱坐标系中的角度变量按如下方式确定：

a＝(5E-06)R

b＝(4E-06)R

c＝(3E-06)R

则当轮廓线半径为R时，压力面角度变量θ

作为进一步优选的，所述叶片的截面直径为165mm～550mm。

按照本发明的另一方面，提供了一种低噪声轴流风机，其包括上述叶片。

作为进一步优选的，所述叶片安装在轮毂上，轮毂比为0.2～0.3；轮毂上安装的叶片数量为2～6个。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明设计了一种带有叶尖小翼的轴流风机叶片，相对于无外倾角叶尖小翼的轴流风机，本发明采用了合适外倾角及翻折高度的融合式叶尖小翼风机的气动性能明显提升，可以明显降低轴流风机叶顶间隙造成的泄露流动，消除大尺寸翼尖涡流，降低叶顶泄漏流造成的能量损失，衰减轴流风机气动噪声中的涡流噪声，从而实现优化轴流风机运行噪声值的目的。

2、叶尖泄漏涡引起的噪声为宽频噪声，叶尖分离涡产生的噪声主要集中在低频段；添加叶尖小翼可以有效降低叶尖泄漏涡的强度，但是叶尖小翼外倾角过小时会导致叶尖分离涡强度增大，当外倾角过大时则无法起到抑制叶尖泄漏涡的作用，据此采用20°～30°外倾角的叶尖小翼可以在有效控制叶尖泄漏涡的同时，避免产生较大的叶尖分离涡，对轴流风机噪声值优化的效果最好。

3、本发明还配合外倾角，设计了叶尖小翼翻折高度，取翻折高度为1～4倍叶尖厚度时，叶片具有较好的全压效率和静压效率；进一步优化翻折高度为4倍叶尖厚度时，风机叶顶泄露流量减少，有较为良好的湍流动能及更高的全压效率，全压效率越高对气动噪声的优化作用越大，同时避免翻折过高对风叶正常工作造成影响，使得叶尖小翼对轴流风机气动性能的提高最为明显。

4、叶尖小翼高度在与前/尾缘相接处以一定弧度降低，通过设计前/尾缘渐变弧弦长与叶片吸力面夹角，能有效提高风叶的碎涡能力，降低风机系统的气动噪声。

5、轴流风机叶片叶型由吸力面和压力面样式决定，本发明叶片吸力面向压力面凹陷，通过进一步对轮廓线的优化设计，实现了叶片表面压力分布均匀，叶片空间流场流线顺畅，一定程度上减小了叶片尾缘的较大脱落涡，实现了风机系统宽频噪声的优化。

附图说明

图1为背景技术中对比专利带叶尖小翼的轴流风机叶片示意图；

图2为本发明实施例轴流风机叶片结构示意图；

图3为本发明实施例轴流风机叶片中气体流动示意图；

图4为本发明实施例轴流风机叶片俯视图；

图5为本发明实施例轴流风机叶片侧视图；

图6为本发明实施例轴流风机叶片轮廓线示意图；

图7为本发明实施例轴流风机叶片叶型截面结构示意图；

图8为本发明实施例轴流风机叶片叶尖小翼结构示意图；

图9中(a)、(b)分别为本发明实施例叶尖小翼三维视图和展平视图；

图10中(a)～(d)为本发明实施例叶尖小翼折弯高度h＝1δ

图11为本发明实施例轴流风叶与原有风叶的风量和噪声对比图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：风叶前缘-1、叶尖小翼-2、叶片-3、风叶内缘-4、轮毂-5、风叶尾缘-6。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种低噪声轴流风机叶片，如图2至图5所示，数个该叶片3均匀分布安装在圆形的轮毂5上，形成风机叶轮，风机叶轮安装在轴流风机上，可应用于空调室外机。叶片3与轮毂连接处为叶根(即风叶内缘4)，远离叶根处为风叶外缘，沿叶片旋转方向叶片两端为风叶前缘1和风叶尾缘6。

优选的，轮毂5作为叶片3的支撑，其轮毂比为j，j∈[0.2，0.3]；具有轴心的圆形轮毂外周均匀分布有N片叶片，N∈{2，3，4，5，6}。

所述叶片具有特殊的叶片叶型，包括但不限于特殊的弯掠特征、叶片厚度、空间扭角等，风机叶片前缘、尾缘、叶尖小翼处均平滑过渡。

所述叶片的形状、弯掠程度、叶片厚度以及其在空间中的角度由压力面、吸力面所决定，压力面指叶片在轴流风机工作时靠近出风侧的方向面，吸力面则为靠近进气侧的方向面。

如图6、图7所示，所述压力面、吸力面为各空间轮廓线在对应圆周面上的投影线放样所形成的曲面，所述的弯掠程度整体趋势为压力面为凹陷面，吸力面为凸出面，具体弯掠程度由相应轮廓线方程确定，在该弯掠程度范围内叶片的流场更为流畅，叶片表面的压力分布也更为均匀。

为进行详细说明，作为示例，取压力面轮廓线为P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11；吸力面轮廓线为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11；且压力面轮廓线与吸力面轮廓线一一对应，形成11组轮廓线。

每组对应的压力面和吸力面轮廓线位于同一圆周截面上(即P1和S1、P2和S2，以此类推)，以轮毂轴线为Z轴，建立圆柱坐标系，为确定轮廓线形态，需确定三个变量：圆周面半径R，角度θ，以及Z轴偏移量。

压力面和吸力面轮廓线半径为R

具体的，压力面的轮廓线P由方程1确定：

方程1：

方程1中a

压力面轮廓线前缘边界和尾缘边界是由叶片压力面前缘积叠线与叶片压力面尾缘积叠线控制；压力面前缘、尾缘积叠线由其在圆柱坐标系R-θ面投影线控制，前缘积叠线和尾缘积叠线在圆柱坐标系R-θ面的投影线分别由方程2、方程3确定：

方程2：a＝(5E-06)R

方程3：b＝(4E-06)R

即根据轮廓线半径R

吸力面的轮廓线S由如下方程4确定，

方程4：

方程4中g

与压力面轮廓线类似，所述吸力面前缘、尾缘积叠线由其在圆柱坐标系R-θ面投影线控制，前缘积叠线由方程2(同压力面前缘积叠线在圆柱坐标系R-θ面的投影线控制方程一致)确定、尾缘积叠线由方程5确定：

方程5：c＝(3E-06)R

即根据轮廓线半径R

所述的风叶安装角是指P1、S1弦长与水平方向的夹角，由上述方程1和方程4得到，在该专利要求的安装角度下风叶轮毂附近的气体涡数量较少，气动噪声能得到很好的改善。

所述系数的取值根据叶片的截面直径D确定，截面直径为叶片在旋转方向上的截面与吸力面或压力面的相交线的直径，D∈[165，550](单位：mm)。

所述轴流风叶的厚度δ为压力面到吸力面的垂直距离，且：

δ＝Z

δ

δ

上述叶片厚度的设计能够提高叶片的全压效率及强度，高转速下减少叶片的形变量，降低因形变而造成的风量损失。

进一步的，叶尖小翼2由轴流风机风叶叶缘翻折形成，起始于风叶前缘1终止于风叶尾缘6，叶尖小翼2的外形为翼型，叶尖小翼2在翼尖处与翼梢小翼翼根处进行圆滑过渡，机翼一体性更高，叶尖小翼安装方向在风叶的吸力面方向。

所述叶尖小翼的结构特征参数包括：翻折高度h、厚度δ

所述叶尖小翼的外形翼型如图9所示，小翼高度在前/尾缘相接处以一定弧度降低，该弧度通过角度η

所述叶尖小翼2翻折高度h是基于叶尖小翼的叶尖厚度δ

表1各翻折高度时叶片的全压效率η

所述外倾角角度α即为叶尖小翼2翻折后与风叶叶缘处法向的夹角角度，随着叶尖小翼2外倾角的增加，叶尖泄漏涡的发展轨迹与叶片3形成的夹角增加，使得叶尖泄漏涡远离叶片吸力面。叶尖小翼2影响了叶尖涡的强度，无叶尖小翼(相当于外倾角为90°)的风机泄漏涡强度很大，添加叶尖小翼2后泄漏涡的强度降低，分离涡强度增加。具体的，相比外倾角为0°时，添加20°以内的外倾角后，叶尖泄漏涡的强度稍有增加，分离涡强度减小，外倾角增大到30°以上时，叶尖泄漏涡的强度增加过高，分离涡强度减小，因此α最佳取值范围在20°～30°之间，使用该外倾角的叶尖小翼可以有效控制叶尖泄漏涡，同时避免产生较大的叶尖分离涡，对轴流风机噪声值优化的效果最好。

以下为具体实施例：

本实施例提供了一种轴流风叶，轮毂比j取0.27。

方程1系数取值根据截面直径D确定，本实施例中的叶片叶型使用了11个叶型截面，如图7所示，截面直径D＝165～550，从D＝165mm开始每间隔38.5mm创建一个叶型截面，各叶型截面上压力面所对应的方程1中无量纲量系数如表4所示。

方程4系数取值根据截面直径D确定，同样取11个叶型截面，截面直径D＝165～550mm，从D＝165mm开始每间隔38.5mm创建一个叶型截面，各叶型截面上吸力面所对应的方程4中无量纲量系数如表5所示。

计算得到压力面及吸力面轮廓线取值如表2、表3所示。

表2压力面轮廓线角度取值范围

表3吸力面轮廓线角度取值范围

表4各叶型截面压力轮廓线P的优选系数和系数取值范围

表5各叶型截面吸力轮廓线S的优选系数和系数取值范围

本实施例通过上述两个方程和系数确定叶片的叶型，再结合叶尖小翼结构的设计，具体的，η

将本实施例中提供的一种带有叶尖小翼的轴流风叶相比于原有风叶进行数据对比，通过如下表6的实验数据和表7的实验数据对比可以看出本实施例中的新型风叶在保持同风量下功率不变的情况下，噪音水平明显降低，且在同转速下可以达到更高的风量。

表6原有风叶数据

表7新风叶实验数据

通过将表6和表7的实验数据转化成图11，可以明显看出本实施例中的轴流风叶在同风量工况下，本发明设计的风叶相较于原有风叶降低了1.5～3dB(A)的噪音，故本发明提供的轴流风叶实现优化轴流风机低噪运行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。