CN103671249B

CN103671249B - 一种具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片

Info

Publication number: CN103671249B
Application number: CN201310638756.4A
Authority: CN
Inventors: 张家忠; 段思明; 任小龙; 王乐
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-11-30
Filing date: 2013-11-30
Publication date: 2017-12-15
Anticipated expiration: 2033-11-30
Also published as: CN103671249A

Abstract

本发明公开了一种具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片，包括轮毂、轮盘和叶片，在叶轮叶片的前缘开设有空腔，空腔用柔性材料填充；或者在空腔内设置有激振系统，空腔上覆盖柔性材料膜，激振系统由激振器、弹簧和固定装置组成；当激振器达到最高点时，弹簧发生变形，长度变短，将柔性材料膜向下拉，当激振器达到最低点时，弹簧复原，长度恢复，将柔性材料膜向上顶起，通过激振器的往复振动，柔性材料膜出现周期性振动。本发明通过对局部柔性结构加载强迫振动和局部柔性结构自激振荡的方式对流体的气动性能进行控制，拓宽工况范围，既能够克服传统的改进流道方法所带来的瓶颈，同时也不同于现在广泛应用的吹吸气方法。

Description

一种具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片

技术领域

本发明属于离心式风机叶轮叶片技术领域，涉及一种具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片。

背景技术

离心式风机是冶金、建材、电力、石油、化工、环境工程等工业生产中所必须的动力设备，同时它也是重要的耗能设备。随着科学技术的发展，实际工程中对离心式风机的负载要求逐步提高，流体的流动分离现象越来越严重。流动分离一方面使耗能增大；另一方面使稳定高效工况范围变窄。这与目前世界范围内能源资源日益短缺的现状形成了鲜明的矛盾。因此如何降低离心式风机的能耗、提高其效率是亟待解决的问题。

对于离心式风机，如果能提高其内流的气动性能，抑制或推迟其叶片上的流动分离，必然能够减少机组的能耗，拓展稳定高效工况范围。实践证明，传统的改进机组流道形状的方法已经远远不能满足现代工业的需要。人们在不断地研究和探索中发现，非线性动力系统对外加扰动极为敏感，可以利用非线性气动弹性现象来对流体气动特性进行控制，并且理论和研究发现局部柔性结构对流场有很强的规则化作用。例如：通过对具有局部柔性的飞行器机翼的增升减阻特性进行了理论与实验研究，发现在亚音速条件下，能够达到增升89%、减阻96%的显著效果。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种一种具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片，以提高机组的气动性能，实现节能降耗、扩稳。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片，包括轮毂、轮盘和叶片，在叶轮叶片的前缘开设有空腔，空腔用柔性材料填充；或者在空腔内设置有激振系统，空腔上覆盖柔性材料膜，激振系统由激振器、弹簧和固定装置组成；当激振器达到最高点时，弹簧发生变形，长度变短，将柔性材料膜向下拉，当激振器达到最低点时，弹簧复原，长度恢复，将柔性材料膜向上顶起，通过激振器的往复振动，柔性材料膜出现周期性振动。

所述的激振器的频率通过信号线连接外部电源，通过信号线设定激振器的振动频率，实现对柔性材料的强迫振动。

所述激振器的工作频率为0.5f_n～5f_n，f_n为离心式风机叶轮叶片静态失速时升力系数振荡的频率。

所述的方形空腔开设于叶轮叶片工作面沿叶弦0.3～15.8%处。

所述的柔性材料为镀铝聚酯膜柔性材料。

所述的柔性材料通过耐高温胶将镀铝聚酯膜柔性材料固定在叶片上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片，通过对局部柔性结构加载强迫振动和局部柔性结构自激振荡的方式对流体的气动性能进行控制，拓宽工况范围，是一种实现离心式风机节能降耗、扩稳的经济、有效途径；既能够克服传统的改进流道方法所带来的瓶颈，同时也不同于现在广泛应用的吹吸气方法。

本发明提供的具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片，采用局部柔性结构，能有效地改善了离心式风机的气动性能，实现节能降耗，拓展了稳定高效工况范围；具有局部柔性结构的叶片具有结构简单，便于安装的特点；具有可控性高的特点，通过改变激振器的频率，可以改变局部镀铝聚酯膜柔性结构的振动频率，以适应不同的工况要求；只需要局部柔性材料的振动，就能达到较高的振动频率，对材料没有过高要求。

附图说明

图1是本发明强迫振动的结构示意图；

图2是本发明强迫振动的局部放大结构示意图；

图3是本发明自激振动的局部放大结构示意图。

其中：1-轮毂2-轮盘3-叶片4-空腔5-激振系统6-局部柔性结构。具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

在离心式风机运行过程中，叶轮叶片前缘剪切层对于不同的外界扰动具有丰富的响应谱。通过在这一区域加载适当的扰动，能够使得分离流动内部出现共振，从而使流动更加规则。这表明了叶轮叶片前缘是响应扰动的敏感区域，因此应选在此处选取柔性结构。

本发明提供的具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片，包括轮毂、轮盘和叶片，在叶轮叶片的前缘开设有空腔，空腔用柔性材料填充；或者在空腔内设置有激振系统，空腔上覆盖柔性材料膜，激振系统由激振器、弹簧和固定装置组成；当激振器达到最高点时，弹簧发生变形，长度变短，将柔性材料膜向下拉，当激振器达到最低点时，弹簧复原，长度恢复，将柔性材料膜向上顶起，通过激振器的往复振动，柔性材料膜出现周期性振动。

本发明采取两种不同的技术方案实现在柔性区域加载扰动。一是在叶轮叶片中内置激振系统对局部柔性结构施加强迫振动；二是选择弹性模量恰当的柔性材料，由于工质与柔性材料之间发生强烈的流固耦合现象，在离心式风机运行时局部柔性结构会产生自激振荡。

所述的激振器的频率通过信号线连接外部电源，通过信号线设定激振器的振动频率，实现对柔性材料的强迫振动。激振器的工作频率为0.5f_n～5f_n，f_n为离心式风机叶轮叶片静态失速时升力系数振荡的频率。

所述的方形空腔开设于叶轮叶片工作面沿叶弦0.3～15.8%处；

具体的，所述的柔性材料为镀铝聚酯膜柔性材料，而柔性材料通过耐高温胶将镀铝聚酯膜柔性材料固定在叶片上。

下面结合图1、图2、图3给出以下实施例。

实施例1

结合图1、图2，本实施例采用强迫振动的方式，在叶轮叶片工作面沿叶弦0.3%-15.8%敏感区域处开设方形空腔，再通过高强度耐高温胶将镀铝聚酯膜柔性材料固定在叶片上，在柔性材料下面配置激振系统。此激振系统由激振器、弹簧和固定装置组成。当激振器达到最高点时，弹簧发生变形，长度变短，将柔性材料向下拉；当激振器达到最低点时，弹簧复原，长度恢复到原来的尺寸，将柔性材料向上顶起。通过激振器的往复振动，镀铝聚酯膜柔性结构会出现周期性振动，使得流道内流动分离区域出现共振，从而使流动更加规则，这就是本发明的工作原理。工作时，外部电源通过信号线对激振器设定振动频率，以实现局部柔性材料的强迫振动。

实施例2

本实施例采用强迫振动的方式，在叶轮叶片非工作面沿叶弦0.3%-15.8%敏感区域处开设方形空腔，再通过高强度耐高温胶将镀铝聚酯膜柔性材料固定在叶片上，在柔性材料下面配置激振系统。此激振系统由激振器、弹簧和固定装置组成。当激振器达到最高点时，弹簧发生变形，长度变短，将柔性材料向下拉；当激振器达到最低点时，弹簧复原，长度恢复到原来的尺寸，将柔性材料向上顶起。通过激振器的往复振动，镀铝聚酯膜柔性结构会出现周期性振动，使得流道内流动分离区域出现共振，从而使流动更加规则，这就是本发明的工作原理。工作时，外部电源通过信号线对激振器设定振动频率，以实现局部柔性材料的强迫振动。

实施例3

结合图1、图3，本实施例采用自激振荡的方式，在叶轮叶片工作面沿叶弦0.3%-15.8%敏感区域处开设方形空腔，再通过高强度耐高温胶将镀铝聚酯膜柔性材料固定在叶片上。在叶片旋转过程中，此柔性材料可以和工质发生强烈的流固耦合作用，这就是本发明的工作原理。工作时，一方面，镀铝聚酯膜在流体载荷作用下会产生动态变形，另一方面，镀铝聚酯膜的变形又反过来影响流动，从而实现了局部柔性材料的自激振动，使流动更加规则。

实施例4

本实施例采用自激振荡的方式，在叶轮叶片非工作面沿叶弦0.3%-15.8%敏感区域处开设方形空腔，再通过高强度耐高温胶将镀铝聚酯膜柔性材料固定在叶片上。在叶片旋转过程中，此柔性材料可以和工质发生强烈的流固耦合作用，这就是本发明的工作原理。工作时，一方面，镀铝聚酯膜在流体载荷作用下会产生动态变形，另一方面，镀铝聚酯膜的变形又反过来影响流动，从而实现了局部柔性材料的自激振动，使流动更加规则。

升力系数和阻力系数是翼型绕流的一个重要特征参数，由于风机叶片与翼型的绕流流场具有可比性，因此可以通过具有局部弹性结构翼型的实验结果来衡量具有局部柔性结构叶片扩稳减阻的效果。先前在西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家级重点实验室的NF-3风洞进行了相关空气动力学实验。NF-3低速风洞的二元试验段截面积为3m×1.6m，紊流度低于0.05%，具有局部弹性结构翼型的测试范围在0.05到0.2马赫数之间。

风洞实验结果表明，采取实施例1的方案时，相较于传统NACA0015翼型，升力系数的提升最高可达到138%，阻力系数的降低最高可达到87%，升阻比的提升最高可达到733%；

采取实施例2的方案时，升力系数的提升最高可达到75%，阻力系数的降低最高可达到74%，升阻比的提升最高可达到652%，失速攻角的推迟最多可达到2°；

采取实施例3的方案时，升力系数的提升最高可达到67%，阻力系数的降低最高可达到89%，升阻比的提升最高可达到810%；

采取实施例4的方案时，升力系数的提升最高可达到56%，阻力系数的降低最高可达到80%，升阻比的提升最高可达到560%，失速攻角的推迟最多可达到3°。

通过上述已有实验结果，表明具有局部柔性结构叶片在工作过程中，能够有效地抑制或推迟叶片的流动分离和减阻，以达到节能降耗、拓宽稳定工况范围的效果。

Claims

1.一种具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片，其特征在于，在叶轮叶片的前缘开设有空腔，空腔用柔性材料填充；或者在空腔内设置有激振系统，空腔上覆盖柔性材料膜，激振系统由激振器、弹簧和固定装置组成；当激振器达到最高点时，弹簧发生变形，长度变短，将柔性材料膜向下拉，当激振器达到最低点时，弹簧复原，长度恢复，将柔性材料膜向上顶起，通过激振器的往复振动，柔性材料膜出现周期性振动；

所述的空腔为方形空腔，方形空腔开设于叶轮叶片工作面沿叶弦0.3～15.8％处；

空腔填充用柔性材料和空腔上覆盖的柔性材料膜均为镀铝聚酯膜柔性材料；

通过耐高温胶将镀铝聚酯膜柔性材料固定在叶片上。

2.如权利要求1所述的具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片，其特征在于，所述的激振器的频率通过信号线连接外部电源，通过信号线设定激振器的振动频率，实现对柔性材料膜的强迫振动。

3.如权利要求1所述的具有局部柔性结构的离心式风机叶轮叶片，其特征在于，激振器的工作频率为0.5f_n～5f_n，f_n为离心式风机叶轮叶片静态失速时升力系数振荡的频率。