CN115263807B - 一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构 - Google Patents

一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构，包括叶片本体，叶片呈外宽内窄的镰刀状、三维空间扭曲状结构；叶片前缘设置有双波浪型结构，双波浪型结构可以诱导涡流的产生，增强边界层内的动量和能量交换，进而控制边界层的分离，从而减少气动噪声源以降低气动噪声；叶片翼型为仿海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型，海鸥翼型具有高升力系数、高升阻比的特点，相比较于传统翼型，海鸥仿生翼型拥有更为优良的气动性能，能够显著增强叶片的气动性能。因此采用叶片前缘双波浪型结构和仿海鸥翅翼两种结构进行耦合设计，能够有效降低气动噪音，同时保证了轴流风机的高气动性能。

Description

一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构
技术领域
本发明涉及风机技术领域，特别是一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构。
背景技术
随着经济社会的不断发展，空调技术也取得了显著的进步。空调室外机大多采用轴流风机进行散热，而轴流风机作为空调的重要部件，依靠其高速的旋转作用，使气体在叶片作用下定向流动，达到气体输送目的。叶片做功能力的提高对应的是产生的湍流增强，这通常会增大风机的气动噪声，在高速运转下，气动噪声已经远远超过机械噪声，在总噪声中占主导地位。
噪声污染不仅影响人们的正常休息、学习及工作，而且还会严重危害人体身心健康，如诱发神经功能失调、心血管疾病、内分泌障碍等。因此，人们期望在降低空调轴流风机气动噪声的同时，又不显著影响其气动性能，这是目前空调技术领域国内外研究的一个重点。
目前市场上的轴流风机大多通过降低风机气动性能来降低噪声，或者不考虑噪音的增加来提升气动性能，难以实现在增强气动性能的同时又降低风机的噪声。还有一些轴流风机采用仿生设计来达到降噪效果，在叶片表面设置减阻结构，或在叶片前缘处设置易磨损的整流结构，此类结构较为复杂，制作成本普遍比较高，较难实现规模化应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构，该耦合仿生空调轴流风机叶片通过在叶片前缘设计双波浪型结构，叶片翼型采用海鸥翅翼距离翅根40％处截面进行设计，能够有效降低风机气动噪声，又能显著增强叶片的气动性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构，包括叶片本体，所述叶片呈外宽内窄的镰刀状、三维空间扭曲状结构；所述叶片前缘设置有双波浪型结构；所述叶片翼型为仿海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型；
所述双波浪型结构包括大波浪结构和小波浪结构，所述小波浪结构以大波浪结构为基础设计在大波浪结构上，所述双波浪型结构能够起到整流作用，使叶片表面气流速度分布均匀，减少对叶片尾缘气流的干扰，进而降低叶片表面紊乱边界层压力脉动强度以增强边界层稳定性，从而降低由于边界层压力脉动引起的气动噪声；
所述仿海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型能够有效提升叶片的气动性能；
所述仿海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型的轮廓线上表面分布公式为：Zup＝Z(c)+Z(t)，轮廓线下表面分布公式为：Zlow＝Z(c)-Z(t)，其中Zup、Zlow为翼型上下表面坐标，Z(c)为翼型截面的中弧线坐标，Z(t)为翼型厚度坐标，c为翼型弦长；
所述中弧线分布公式为：其中Z(c)max为中弧线分布的最大值，c为翼型弦长，η为弦长的相对位置坐标，Sn为待定系数；
翼型厚度分布公式为：其中Z(t)max为中弧线分布的最大厚度，An是待定系数；
所述Z(c)max的分布公式为：Z(c)max/c＝0.14/(1+1.32ξ1.4)；
所述Z(t)max的分布公式为：Z(t)max/c＝0.1/(1+3.545ξ1.4)；
其中ξ为厚度分布的比例系数。
进一步地，所述大波浪结构的振幅为5mm，波长为20.6mm，所述小波浪结构的振幅为1mm，波长为2.25mm。
进一步地，所述待定系数Sn的取值为S1＝3.876，S2＝-0.806，S3＝0.771。
进一步地，所述待定系数An的取值为A1＝-15.245，A2＝26.481，A3＝-18.976，A4＝4.623。
进一步地，所述叶片安装角为26.55°，内径安装角之差控制在±2°之间。
进一步地，所述叶片各旋转半径上叶型中心点连线为三维曲线，轴向方向呈向上抛物线。
进一步地，所述叶片外径处弦长是内径处弦长2.7倍以内，所述叶片各截面弦长与曲率半径之比控制在0.75-0.8之间。
本发明具有如下有益效果：
(1)在叶片前缘设计双波浪型结构，双波浪型结构类似于小尺度的旋涡发生器，可以诱导涡流的产生，以增强边界层内的动量和能量交换，进而控制边界层的分离，从而减少气动噪声源以降低气动噪声。
(2)叶片翼型基于海鸥翅翼距离翅根40％处截面进行设计，由于海鸥翼型具有高升力系数、高升阻比的特点，相比较于传统翼型，海鸥仿生翼型拥有更为优良的气动性能，能够显著增强叶片的气动性能。
(3)采用叶片前缘双波浪型结构和仿海鸥翅翼两种结构进行耦合设计，既解决了叶片前缘表面流动速度分布不均匀引起的尾缘处气流紊乱堆积从而导致气流噪声过大的问题，也保证了轴流风机的高气动性能和叶片易加工特性。
附图说明
图1是本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构立体示意图；
图2为本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的俯视示意图；
图3为本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的正视示意图；
图4为本发明所述的双波浪型前缘结构示意图；
图5为本发明所述的仿海鸥翅翼40％处截面翼型结构示意图；
图6为本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的局部剖视示意图；
图7为采用本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机与原始轴流风机的静压-流量特性曲线对比图；
图8为采用本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机与原始轴流风机的静压-效率特性曲线对比图；
图9为采用本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机气动噪音模拟的12个监测点分布图；
图10为采用本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机与原始轴流风机的12个监测点声压级对比图；
图11为采用本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机与原始轴流风机的4号监测点处声压级频谱对比图；
其中有：1.轮毂；2.叶片；3.双波浪型前缘结构；4.仿海鸥翅翼40％处截面翼型。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1-3所示，一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构，包括叶片2本体，叶片2为耦合仿生叶片，叶片2呈外宽内窄的镰刀状、三维空间扭曲状结构，叶片2的前缘设有双波浪型前缘结构3；叶片2各旋转半径上叶型中心点连线为三维曲线，轴向方向呈向上抛物线；叶片2外径处弦长是内径处弦长2.7倍以内，叶片2各截面弦长与曲率半径之比控制在0.75-0.8之间。
叶片2安装在空调轴流风机的轮毂1上，叶片2的安装角为26.55°，内径安装角之差控制在±2°之间。
叶片2的翼型为仿海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型4。
如图4所示，叶片2的双波浪型前缘结构3包括大波浪结构和小波浪结构，小波浪结构以大波浪结构为基础设计在大波浪结构上，大波浪结构的振幅为5mm、波长为20.6mm；小波浪结构的振幅为1mm、波长为2.25mm。双波浪型前缘结构3类似于小尺度的旋涡发生器，能够起到整流作用，使叶片表面气流速度分布均匀，减少对叶片尾缘气流的干扰，进而降低叶片表面紊乱边界层压力脉动强度以增强边界层稳定性，从而降低由于边界层压力脉动引起的气动噪声。另外该双波浪型前缘结构3结构比较简单，易加工，制作成本低。
如图5-6所示，仿海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型4能够有效提升叶片的气动性能；仿海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型4的轮廓线上、下表面分布公式为：
Zup＝Z(c)+Z(t)，
Zlow＝Z(c)-Z(t)，
其中，Zup、Zlow为翼型上下表面坐标，Z(c)为翼型截面的中弧线坐标，Z(t)为翼型厚度坐标，c为翼型弦长；
仿海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型中弧线分布公式为：
其中，Z(c)max为中弧线分布的最大值，c为翼型弦长，η为弦长的相对位置坐标，Sn为待定系数(n＝1,2,3)，取值为S1＝3.876，S2＝-0.806，S3＝0.771。
翼型厚度分布公式为：其中Z(t)max为中弧线分布的最大厚度，An是待定系数(n＝1,2,3,4)；A1＝-15.245，A2＝26.481，A3＝-18.976，A4＝4.623。
Z(c)max的分布公式为：Z(c)max/c＝0.14/(1+1.32ξ1.4)；
Z(t)max的分布公式为：Z(t)max/c＝0.1/(1+3.545ξ1.4)；
其中ξ为厚度分布的比例系数。
根据海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型的上下表面的相对坐标，绘制出截面翼型如图5所示。仿海鸥翼型具有高升力系数，高升阻比的特点，相比较于传统翼型拥有更为优良的气动性能。
实施例1：为了验证采用本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机的气动性能，分别对无耦合仿生叶片设计的原始轴流风机和采用本发明耦合仿生叶片的耦合仿生轴流风机，在静压0Pa、10Pa、20Pa、30Pa和40Pa五种工况下进行了CFD数值计算，气动性能模拟计算结果如图7、8所示。
从图7和图8中可以看出，采用本发明耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机的流量和效率均高于无耦合仿生设计的原始轴流风机，在静压0Pa工况下，流量提升约4.5％，效率提升5.9％；在静压10Pa工况下，流量提升约14.3％，效率提升7.1％；在静压20Pa工况下，流量提升约6.1％，效率提升3.32％；在静压30Pa工况下，流量提升约12.7％，效率提升2.52％；在静压40Pa工况下，流量提升约14.2％，效率提升3.55％。由此可以看出，相比于无耦合仿生设计的原始轴流风机，采用耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机的气动性能显著增强。
实施例2：为了验证采用本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机的降噪性能，在实施案例1计算结果的基础上，距离风机半径1m的圆周上每隔30°设置一个噪音监测点，进行气动噪音数值计算，12个监测点分布如图9所示。
图10为采用本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机与无耦合仿生设计的原始轴流风机的12个监测点声压级对比图，从图10看出，采用耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机的气动噪音明显低于无耦合仿生设计的原始轴流风机，在1-12号监测点声压级均有降低，尤其是在4号监测点声压级减小最为显著，可达18.83dB，1-12号监测点平均总声压级降低可达9.1dB。
其中4号监测点的声压级频谱图如图11所示，由图中可以看出，采用本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机在各频段声压级均有减小，20-4000Hz频段减小最为显著，可达21.1dB。由此可知，采用本发明一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构的轴流风机的能够有效降低噪音。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种耦合仿生空调轴流风机叶片结构，其特征在于：包括叶片本体，所述叶片呈外宽内窄的镰刀状、三维空间扭曲状结构；所述叶片前缘设置有双波浪型结构；所述叶片翼型为仿海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型；
所述双波浪型结构包括大波浪结构和小波浪结构，所述小波浪结构以大波浪结构为基础设计在大波浪结构上，所述双波浪型结构能够起到整流作用，使叶片表面气流速度分布均匀，减少对叶片尾缘气流的干扰，进而降低叶片表面紊乱边界层压力脉动强度以增强边界层稳定性，从而降低由于边界层压力脉动引起的气动噪声；
所述仿海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型能够有效提升叶片的气动性能；
所述仿海鸥翅翼距离翅根40％处截面翼型的轮廓线上表面分布公式为：Zup＝Z(c)+Z(t)，轮廓线下表面分布公式为：Zlow＝Z(c)-Z(t)，其中Zup、Zlow为翼型上下表面坐标，Z(c)为翼型截面的中弧线坐标，Z(t)为翼型厚度坐标，c为翼型弦长；所述中弧线分布公式为：其中Z(c)max为中弧线分布的最大值，c为翼型弦长，η为弦长的相对位置坐标，Sn为待定系数；翼型厚度分布公式为：/>其中Z(t)max为中弧线分布的最大厚度，An是待定系数；
所述Z(c)max的分布公式为：Z(c)max/c＝0.14/(1+1.32ξ1.4)；
所述Z(t)max的分布公式为：Z(t)max/c＝0.1/(1+3.545ξ1.4)；
其中ξ为厚度分布的比例系数。
2.根据权利要求1所述的耦合仿生空调轴流风机叶片结构，其特征在于：所述大波浪结构的振幅为5mm，波长为20.6mm，所述小波浪结构的振幅为1mm，波长为2.25mm。
3.根据权利要求2所述的耦合仿生空调轴流风机叶片结构，其特征在于：所述待定系数Sn的取值为S1＝3.876，S2＝-0.806，S3＝0.771。
4.根据权利要求3所述的耦合仿生空调轴流风机叶片结构，其特征在于：所述待定系数An的取值为A1＝-15.245，A2＝26.481，A3＝-18.976，A4＝4.623。
5.根据权利要求4所述的耦合仿生空调轴流风机叶片结构，其特征在于：所述叶片安装角为26.55°，内径安装角之差控制在±2°之间。
6.根据权利要求5所述的耦合仿生空调轴流风机叶片结构，其特征在于：所述叶片各旋转半径上叶型中心点连线为三维曲线，轴向方向呈向上抛物线。
7.根据权利要求6所述的耦合仿生空调轴流风机叶片结构，其特征在于：所述叶片外径处弦长是内径处弦长2.7倍以内，所述叶片各截面弦长与曲率半径之比控制在0.75-0.8之间。
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基于仿海鸥翅翼构型的机翼气动性能分析;史继拓;华欣;王宏伟;吴克超;;机械科学与技术(第S1期) *

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CN115263807A (zh) 2022-11-01

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