CN102042264B - 具有仿生结构的蜗舌及使用该蜗舌的蜗壳 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有仿生结构的蜗舌及使用该蜗舌的蜗壳，该蜗舌的外轮廓线分别与蜗壳内型线及扩张室内壁相连；在蜗舌上设有多条导风槽，导风槽的一端与蜗壳内型线相接，另一端与扩张室内壁相接。采用本发明的蜗舌及蜗壳结构简单，降噪效果好。

Description

具有仿生结构的蜗舌及使用该蜗舌的蜗壳

技术领域

本发明涉及一种具有仿生结构的蜗舌及使用该蜗舌的蜗壳。

背景技术

离心风机在旋转时，由于蜗舌的存在，蜗舌与叶片出口边缘间的间隙较蜗壳其他地方小得多，旋转的叶片通道掠过蜗舌，蜗舌处空气就会出现周期性的压力和速度脉动，产生较高的旋转噪声，其频率为叶片通过频率f＝Z·n/60(Hz)。高的旋转噪声通常形成难听的啸叫噪声，污染环境，对于那些要求噪声低的设备如空调等产品，会恶化音质。

不仅如此，旋转噪声对于离心风机，通常表明其蜗舌处出口流场气流紊乱，造成回流区域扩大，在低流量时由为明显，紊乱的流场增大叶轮径向周期性脉动力，造成叶轮径向摆动增大，形成恶性循环；这种径向振动会传至风机电机轴，使得电机前端轴承径向游隙和电机定转子间隙发生变化，导致电机定转子磁场发生扰动，产生2、4倍电源频率电磁噪声和齿谐波噪声。

现有技术对于降低离心风机离散旋转噪声的方法是：1、增大蜗舌间隙t；2、增大蜗舌舌部半径r；3、采用倾斜蜗舌；4、采用不等距叶片或斜叶片离心风叶；5、采用穿孔板蜗舌消声器等，专利文献CN1270281公开了“阶梯蜗舌降噪蜗壳”，在一定程度上降低了噪声；CN201277205Y公开了一种“降噪离心通风机”，采用微穿孔和吸声蜗壳的双层蜗壳；CN101509506A公开了一种“仿生耦合消声降噪蜗舌”，以上三种结构均设计复杂，制造难度大，也没有同时考虑风机旋转噪声和电机噪声的蜗舌设计，降噪效果不甚理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有仿生结构的蜗舌及使用该蜗舌的蜗壳，本发明的结构简单，降噪效果好。

其技术方案如下：

一种具有仿生结构的蜗舌，蜗舌的外轮廓线分别与蜗壳内型线及扩张室内壁相连；在舌部设有多条导风槽，导风槽的一端与蜗壳内型线相接，另一端与扩张室内壁相接。

采用前述蜗舌的蜗壳的结构是：

一种蜗壳，其蜗舌的外轮廓线分别与蜗壳内型线及扩张室内壁相连；在蜗舌上设有多条导风槽，导风槽的一端与蜗壳内型线相接，另一端与扩张室内壁相接。

实验表明，蜗舌槽深h主要与风速、叶轮叶片通过频率关联，经过采用微型压力传感器和风速计测量蜗舌处不同轴向位置处的压力脉动情况和风速，表明其沿轴向分布并不均匀，大致以中间部位为大，压力脉动频率与叶片通过频率相同，脉动波形为锯齿状，风速略小于叶片径向出流速度。因此，本发明在蜗舌设有导风槽，对风的出流进行导流，将叶轮相邻两个叶片出流脉动通过抵达蜗舌表面的时间差进行抵消，使气流通过导风槽产生的气流再生噪声降到最小，通过相位相消降低旋转噪声。经过实验优化，有效的降低了风经过蜗舌处的脉动，降低风机的旋转噪声。

前述技术方案进一步细化的技术方案可以是：

所述导风槽包括槽顶及槽底，所述导风槽的槽顶及槽底的轨迹均包括直线段及圆角，所述直线段与圆角相切，所述槽顶轨迹直线段及槽底轨迹直线段均与扩张室内壁相接，所述槽顶轨迹圆角及槽底轨迹圆角均与蜗壳内型线相接。

所述导风槽的最大深度h不超过(λ/4+Δ)毫米，其中λ为蜗舌脉冲力波波长，Δ取值为0.5至1.0。

所述顶部导风槽的断面的顶部圆弧直径R1、底部圆弧直径R2的取值范围为0.20λ至0.50λ。

所述顶部导风槽的导风槽宽度L的取值范围为0.70λ至0.80λ。

所述导风槽包括顶部圆弧及底部圆弧，在所述顶部圆弧与底部圆弧之间具有中间直线段，所述中间直线段分别与顶部圆弧和底部圆弧相切。

位于所述蜗舌端部的所述导风槽为顶部导风槽，顶部导风槽的深度最大；顶部导风槽向所述扩张室内壁方向，其深度逐渐变小，且其端部与所述扩张室内壁圆滑连接；顶部导风槽向所述蜗壳内型线方向，其深度逐渐变小，且其端部与所述蜗壳内型线圆滑连接。

所述导风槽的槽顶轨迹为原蜗舌的轨迹，原蜗舌圆角与扩张室内壁的切点向扩张室内壁方向3λ至4λ处为第一导风槽末端，原蜗舌圆角与蜗壳内型线之间的切点为第二导向槽末端；从蜗舌圆角圆心向蜗轮圆心方向移动0.12λ至0.13λ的距离，再向蜗壳内型线方向向内移动0.12λ至0.13λ的距离为槽底轨迹圆圆心，以槽底轨迹圆圆心为圆心并过第二导向槽末端作圆形成槽底圆角，从第一导风槽末端向槽底圆角作切线形成切线段，槽底圆角及该切线段为槽底轨迹。

综上所述，本发明的优点是：本发胆所设计的仿生蜗舌结构，不但实现了对叶道空气出流进行导流的效果，而且改变了蜗舌表面较为均一的高静压，使叶片通道到达蜗舌的时间错开，通过仿鹰头部轮廓，使得气流通过导风槽产生的气流再生噪声降到很小。上一叶片通道产生的脉冲气流在仿生蜗舌表面形成气垫，减缓下一叶片通道产生的脉冲力波，达到削弱脉冲气流冲击的作用，由此也改善了叶轮叶片通道的出流条件，使出流更为顺畅；同时通过多个仿生导风槽错开气流反作用力波到达叶片时间，降低了气流反冲力对叶轮叶片的作用，使得气流反作用力波避开叶片前几阶振动模态，降低叶片振动，从而减轻叶轮产生的径向摆动，降低因叶轮径向摆动大而造成的电机倍频电源电磁噪声。本发明另一主要特点是降噪结构可以直接在原有蜗舌上加工而成，对原蜗壳模具仅需简单改动，不改变原有蜗舌和叶轮间隙，设计及制造简单，不需要增加任何结构件，成本低廉。

应用技术方案的仿生蜗舌结构，还可以将原来较大的蜗舌半径和蜗舌与叶轮间隙改小，以获得更高的风机风量，提高风机性能，而不产生旋转噪声，噪声总值基本不变。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

图1是本发明实施例中，离心风机的轴向视图；

图2为图1中，蜗舌截面的局部放大图；

图3是图1中，蜗壳的立体图；

图4是图3中，蜗舌的俯视图；

图5是图4中，导风槽的局部放大剖视图；

附图标记说明：

1、风叶，2、蜗壳，3、蜗舌，4、导风槽，5、蜗壳内型线，6、扩张室内壁，7、顶部导风槽，8、第一导风槽末端，9、第二导风槽末端，10、原蜗舌圆角圆心，11、槽底轨迹圆圆心，12、槽底轨迹圆角，13、切点，14、槽底轨迹直线段，15、槽底切点，R1、顶部圆弧直径，R2、底部圆弧直径，L、顶部导风槽宽度，T、圆弧宽度，S、相邻导风槽间距。

具体实施方式

如图1至图5所示，一种离心风机，包括蜗壳2及设于蜗壳2内的风叶1，蜗壳2上蜗舌3的外轮廓线分别与蜗壳内型线5及扩张室内壁6相连；在蜗舌3设有多条导风槽4，导风槽4的一端与蜗壳内型线5相接，另一端与扩张室内壁6相接。

其中，位于蜗舌3凸出部的导风槽4为顶部导风槽7，顶部导风槽7的深度最大；顶部导风槽7向扩张室内壁6方向，其深度逐渐变小，且其端部与扩张室内壁6圆滑连接；顶部导风槽7向蜗壳内型线5方向，其深度逐渐变小，且其端部与蜗壳内型线圆滑连接。所述顶部导风槽7的最大深度h＝(λ/4+Δ)毫米，Δ取值为0.5至1.0；顶部导风槽7的槽底及槽顶的断面均呈圆弧状，顶部导风槽7的断面的顶部圆弧直径R1、底部圆弧直径R2的取值范围为0.20λ至0.50λ；所述顶部导风槽7中，导风槽宽度L的取值范围为0.70λ至0.80λ；所述导风槽的槽顶轨迹为原蜗舌的轨迹(原蜗舌圆角圆心图示为标号10)，原蜗舌圆角与扩张室内壁6的切点13向扩张室内壁6方向3λ至4λ处为第一导风槽末端8，原蜗舌圆角与蜗壳内型线5之间的切点为第二导向槽末端9；其中λ为蜗舌脉冲力波波长，取λ＝60*V/(n*z)，其中V为蜗舌处的最大风速，n为风机每分种的转速，z为风机的叶片数。

本实施例选取鹰为仿生对象，观察其翅膀初级飞羽和头部独特的流体力学特征，以一定的高速气流模拟其在空中高速飞翔的状态，对此时的形体特征进行实验分析，并将其应用在离心风机蜗舌旋转噪声的降噪处理，提出一种仿生消声波浪形导风槽状蜗舌结构，仿生波浪形导风槽状蜗舌在原有蜗舌基础上开设仿生沟槽，不改变原有蜗舌和叶轮的间隙，在不影响风量的前提下，满足宽流速范围的旋转噪声降噪要求，气流再生噪声小。

1、蜗舌形态：鹰的初级飞羽在不飞翔状态呈现互相叠合的三角形沟槽状，实验表明，在模拟飞翔状态时，其初级飞羽三角形沟槽底部变为圆弧形，因此本实施例沟槽底部仿鹰初级飞羽飞翔时形态采用圆弧结构；其头部在高速飞行时，敷羽紧贴皮肤，头部边缘呈现大圆角弧形，脸颊边缘呈一定角度的坡度与翅膀前缘交接，观察表明，大多数鸟类此处角度处于直角的黄金分割点附近，因此本实施例齿部仿鸟类头部形态；

2、蜗舌导风槽尺寸：

2.1、实验表明，蜗舌槽深h主要与风速、叶轮叶片通过频率关联，经过采用微型压力传感器和风速计测量蜗舌处不同轴向位置处的压力脉动情况和风速，表明其沿轴向分布并不均匀，大致以中间部位为大，压力脉动频率与叶片通过频率相同，脉动波形为锯齿状，风速略小于叶片径向出流速度。因此，本实施例采用将叶轮相邻两个叶片出流脉动通过抵达蜗舌表面的时间差进行抵消，通过相位相消降低旋转噪声，经过实验优化，蜗舌脉冲力波波长λ及槽深h符合公式：

$\mathrm{\λ}=V\×\frac{1}{\frac{n\×z}{60}}$

h＝λ/4+Δ

式中：λ-计算气流脉冲力波波长；h-槽深；V-蜗舌处风速；n-风机转速；z-风机叶片数；Δ-考虑蜗舌对流的修正项，在蜗舌风速V＜10m/s时，经验结果Δ＝0.5～1mm。如图3所示。n按照风机的最大转速来记算，最大转速状态下噪音要求满足，其他自然满足。

2.2、其余尺寸的选取，导风槽顶部与原蜗舌表面过渡圆角半径取R1＝0.2λ～0.5λ(优选R1＝λ/4)，导风槽底部也为圆弧状，圆弧直径取R2＝λ/4＝0.2～0.5λ(优选为R1＝λ/4)，圆弧宽度T＝λ/8＝0.15～0.2λ(优选T＝λ/8)；中间直线段与底部圆弧和顶部圆角分别相切，与原蜗舌表面夹角α＝50～65°，以55～60°为最佳效果。顶部导风槽宽度L＝0.7～0.8λ(优选为L＝3λ/4)。

3、导风槽4沿蜗舌轨迹：为了满足宽流速范围的降噪效果，仿鸟类头部曲线，则要求导风槽4深度沿蜗舌变化，实验表明，导风槽4的轨迹如图2所示：

所述导风槽的槽顶轨迹为原蜗舌的轨迹，原蜗舌原角圆心10以叶轮切向、叶轮旋转方向为正向X轴，以垂直于X轴方向、指向叶轮方向为正向Y轴；原蜗舌圆心沿正向X轴取λ/8距离，再沿正向Y轴方向取λ/8处为槽底轨迹圆角的圆心11，以槽底轨迹圆圆心11过第二导风槽末端9作圆，形成槽底轨迹圆角12；从第一导风槽末端8向槽底轨迹圆角作切线，槽底切点15与第一导风槽末端8之间形成槽底轨迹直线段14，槽底轨迹圆角12及槽底轨迹直线段构成导风槽槽底轨迹。

4、仿生导风槽排列方法和间距的选取。仿生导风槽的排列以布满叶轮宽度在蜗舌上的投影为佳；相邻导风槽间距S＝Δ+3λ/4可取得最好的降噪效果。蜗舌轨迹切线段14长度为3～5λ。

采用本实施例所述蜗舌之后，具体降噪效果如下：

风机分为超强档，强档，中档，低档，以超强档计算，叶轮直径350mm，叶片数为43，转速n＝550rmp以风速计测得V＝6m/s，

$\mathrm{\λ}=6\×\frac{1}{\frac{550\×43}{60}}=15\left(\mathrm{mm}\right)$

h＝λ/4+Δ＝15/4+0.5～1＝4.25～4.75(mm)

取h＝4.5mm，R＝R1＝3.75mm，T＝1.8mm，L＝11mm，S取12mm，α＝60°

接照以上数据，以及如上所述的各点的位置关系，加工出仿生蜗舌结构，测算采用这种仿生蜗舌结构的噪声如下，并对原蜗壳的噪声进行了对比，实验结果如表1所示。

在半消声室测试结果表明可降低风机旋转噪声峰值达3～5dB(A)，电机倍频电源噪声降低或消失，通过风机叶轮外圆圆周速度计算，结果大致相同。

按上述方案所设计的仿生蜗舌结构，不但实现了对叶道空气出流进行导流的效果，而且改变了蜗舌表面较为均一的高静压，使叶片通道到达蜗舌的时间错开，通过仿鹰头部轮廓，使得气流通过导风槽4产生的气流再生噪声降到很小。上一叶片通道产生的脉冲气流在仿生蜗舌表面形成气垫，减缓下一叶片通道产生的脉冲力波，达到削弱脉冲气流冲击的作用，由此也改善了叶轮叶片通道的出流条件，使出流更为顺畅；同时通过多个仿生导风槽4错开气流反作用力波到达叶片时间，降低了气流反冲力对叶轮叶片的作用，使得气流反作用力波避开叶片前几阶振动模态，降低叶片振动，从而减轻叶轮产生的径向摆动，降低因叶轮径向摆动大而造成的电机倍频电源电磁噪声。

表1

按照本实施例提供的仿生降噪蜗舌，其主要特点是降噪结构可以直接在原有蜗舌上加工而成，对原蜗壳模具仅需简单改动，不改变原有蜗舌和叶轮间隙，设计及制造简单，不需要增加任何结构件，成本低廉。本实施例的关键为获得蜗舌处风速、转速和叶片数之后，所采用的导风槽深度和宽度符合上述公式范围内，仿生导风槽数量以在蜗舌轴向布置范围在整个风机叶轮在沿横向在蜗壳2上的投影宽度范围为佳，超过一定范围后，会导致风机风量降低，噪声增大。

应用本实施例的仿生蜗舌结构，还可以将原来较大的蜗舌半径和蜗舌与叶轮间隙改小，以获得更高的风机风量，提高风机性能，而不产生旋转噪声，噪声总值基本不变。

本实施例将仿生理论应用于工程实际，仿鸟类飞行形体特征，提出了离心风机蜗舌设计的创新方法。与现有的降噪蜗舌和蜗壳设计相比较，本实施例具有设计制造简单，不增加任何结构件，可现场改造的优点，对旋转噪声降噪量大。特别是可以在不改变原风机其他参数，保证风量的前提下实现降噪，还可以在增大风量，提高风机性能上实现较好的降噪效果，具有很好的应用前景。

以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种具有仿生结构的蜗舌，所述蜗舌的外轮廓线分别与蜗壳内型线及扩张室内壁相连；其特征在于，所述蜗舌上设有多条导风槽，导风槽的一端与蜗壳内型线相接，另一端与扩张室内壁相接；所述导风槽包括槽顶及槽底，所述导风槽的槽顶及槽底的轨迹均包括直线段及圆角，所述直线段与圆角相切，所述槽顶轨迹直线段及槽底轨迹直线段均与扩张室内壁相接，所述槽顶轨迹圆角及槽底轨迹圆角均与蜗壳内型线相接。

2.如权利要求1所述的具有仿生结构的蜗舌，其特征在于，所述导风槽的槽深为渐变的，所述导风槽的最大深度h不超过(λ/4+Δ)毫米，其中λ为蜗舌脉冲力波波长，Δ取值为0.5至1.0。

3.如权利要求1所述的具有仿生结构的蜗舌，其特征在于，所述导风槽包括顶部圆弧及底部圆弧，顶部圆弧与底部圆弧过渡连接。

4.如权利要求3所述的具有仿生结构的蜗舌，其特征在于，所述导风槽包括顶部圆弧及底部圆弧，所述顶部圆弧与底部圆弧之间具有中间直线段，所述中间直线段分别与顶部圆弧和底部圆弧相切。

5.如权利要求4所述的具有仿生结构的蜗舌，其特征在于，所述中间直线段与顶部圆弧顶点的切线的夹角α的取值范围为50°至65°。

6.如权利要求1所述的具有仿生结构的蜗舌，其特征在于，位于所述蜗舌凸出部的所述导风槽为顶部导风槽，所述顶部导风槽的顶部圆弧直径R1、底部圆弧直径R2的取值范围为0.20λ至0.50λ，其中λ为蜗舌脉冲力波波长。

7.如权利要求6所述的具有仿生结构的蜗舌，其特征在于，所述顶部导风槽的宽度L的取值范围为0.70λ至0.80λ，其中λ为蜗舌脉冲力波波长。

8.如权利要求6或7所述的具有仿生结构的蜗舌，其特征在于，顶部导风槽的深度最大；顶部导风槽向所述扩张室内壁方向，其深度逐渐变小，且其端部与所述扩张室内壁圆滑过渡连接；顶部导风槽向所述蜗壳内型线方向，其深度逐渐变小，且其端部与所述蜗壳内型线圆滑过渡连接。

9.如权利要求8所述的具有仿生结构的蜗舌，其特征在于，所述导风槽槽顶轨迹为原蜗舌轨迹，包括：原蜗舌圆角及槽顶轨迹直线段， 

原蜗舌圆角与扩张室内壁的切点(13)向扩张室内壁方向3λ至4λ处为第一导风槽末端(8)，该切点(13)与第一导风槽末端(8)之间构成槽顶轨迹直线段，原蜗舌圆角与蜗壳内型线的切点为第二导风槽末端(9)；

所述导风槽槽底轨迹包括：槽底轨迹圆角及槽底轨迹直线段；

以叶轮切向、叶轮旋转方向为正向X轴，以垂直于X轴方向、指向叶轮方向为正向Y轴；原蜗舌圆心沿正向X轴取λ/8距离，再沿正向Y轴方向取λ/8处为槽底轨迹圆角圆心(11)，以槽底轨迹圆角圆心(11)过第二导风槽末端(9)作圆，形成槽底轨迹圆角；

以第一导风槽末端(8)向槽底轨迹圆角作切线，形成的切线段为槽底轨迹直线段。

10.如权利要求1所述具有仿生结构的蜗舌，其特征在于，所述多条导风槽之间的间距S＝3λ/4+Δ，其中λ为蜗舌脉冲力波波长，Δ取值为0.5至1.0。

11.一种蜗壳，其特征在于，所述蜗壳包括权利要求1至10任一项所述的具有仿生结构的蜗舌，蜗壳上蜗舌的外轮廓线分别与蜗壳内型线及扩张室内壁相连；其特征在于，在舌部设有多条导风槽，导风槽的一端与蜗壳内型线相接，另一端与扩张室内壁相接。 

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