CN107084158A - 一种基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构，采用记忆合金驱动器+尾缘锯齿滑块模式，并将其约束在轴流风机空心静叶内部；两组记忆合金驱动器固定在机匣和轮毂上的槽道的端部；尾缘锯齿滑块安装在机匣和轮毂内位于静子叶片尾缘的侧面，尾缘锯齿滑块的连接杆通过连接环与记忆合金驱动器相连接。在不同转速下，利用电压控制记忆合金丝的伸长量，进而改变尾缘锯齿滑块的位移，使之与尾迹宽度一致，有效地降低静叶尾缘宽频噪声。同时，低速轴流风机在不同转速下的尾迹变化较小，所采用的记忆合金驱动方式实现毫米级位移的控制，具有较高的控制精度，并且确保尾缘锯齿滑块与尾迹宽度的一致性，使得控制达到最佳效果。
Description
技术领域
本发明涉及叶轮机械降噪技术领域，具体地说，涉及一种基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构。
背景技术
叶轮机械是一种借助连续旋转叶片与发生能量交换的动力机械。但是，常见的叶轮机械，如轴流风机，在处理噪声问题上却存在着很大的缺陷。噪声通常可分为振动噪声与气动噪声两大类。振动噪声主要由机械振动产生，通常借助动平衡来加以控制。气动噪声则是由于流场中的湍流脉动产生，一般通过流动控制技术，对湍流团的击碎、疏导等方式来减弱。轴流风机主要由转子叶片和静子叶片两个基本部分实现，其尾缘与湍流边界层干涉辐射出的宽频噪声是轴流风机的噪声来源之一。
叶片尾缘锯齿构型，由于其能将叶片的脱落涡分割成数个小涡，并防止尾迹脱落涡集中产生，降低叶片尾缘附近的压力脉动，进而实现降噪。
专利CN102635573公开了“一种齿形尾缘轴流风扇”，该齿形尾缘轴流风扇是在常规风扇尾缘添加固定结构大小的锯齿结构，并在某一转速下达到了一定的降噪效果。但是，该齿形尾缘轴流风扇的锯齿结构宽度固定，可在某一特定转速下能达到较好的降噪目的，但在其它转速下的降噪效果欠佳。并且，该齿形尾缘轴流风扇仅仅降低了转子叶片尾缘噪声，而对于具有静叶的叶轮机械，其静叶会辐射出宽频噪声。因此，目前需要的是一种在各转速条件下均能有效降低静叶尾缘噪声的锯齿结构。
在不同的工作状况下，不同宽度的锯齿结构对降噪效果的影响有所不同。现有公开的技术文献“叶片锯齿尾缘对降低空调室外机气动噪声影响的试验研究”(《工程热物理学报》，2011,10:1681-1684)中研究表明，锯齿宽度对降噪效果影响较大，而当锯齿宽度与尾迹宽度相一致时，降噪效果较好。轴流风机的动叶转速决定了静叶上游来流速度，而来流速度对静叶表面边界层发展产生影响，进而决定了尾迹宽度。由此可见，可以通过实验或数值模拟得到不同转速下的尾迹宽度，进而获取最佳尾缘锯齿宽度。
形状记忆合金(简称SMA)是一种具有形状记忆功能的合金，兼有感知和驱动功能的新型材料。形状记忆合金驱动器就是利用形状记忆合金形状记忆效应中的位移和力来对外界做功的机构。在航空航天制造领域，形状记忆合金驱动器应用前景广阔。利用形状记忆合金驱动器制成的变形机翼、进气道、喷口等，可根据自身工作状况变化情况，改变关键位置的几何尺寸，以实现流动控制。发明专利CN104314621提出了一种基于记忆合金的涡轮叶尖间隙控制系统的快速响应控制装置。其中所采用的记忆合金丝-压缩弹簧偏动式驱动器，实现叶顶间隙的精确控制。目前形状记忆性能较好的TiNi基合金，其最佳回复应变约为8％，其设计得到的驱动机构受热回复应变为3％至5％。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构；采用记忆合金驱动器+锯齿尾缘滑块模式，并将其约束在轴流风机空心静叶内部；在不同的档位下，利用记忆合金作为驱动元件，控制尾缘锯齿滑块的位移尺寸，建立转速与尾缘锯齿宽度的关系，进而获得最佳的降噪效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括静子叶片、机匣、轮毂、滑槽、安装基座、槽道、尾缘锯齿滑块、连接杆、连接环和记忆合金驱动器，所述静子叶片与机匣和轮毂固定连接，机匣和轮毂上开有对称的槽道，且位于静子叶片尾缘同侧面，槽道用于尾缘锯齿滑块的连接杆伸出，滑槽位于机匣和轮毂内侧槽道端部下游，滑槽用于约束尾缘锯齿滑块移动；
所述尾缘锯齿滑块为整体加工成型的片状体，尾缘锯齿滑块一侧边加工有锯齿，另一侧边两端有凸出的连接杆，两端连接杆分别穿过机匣和轮毂上的槽道，两端连接杆分别与带有内螺纹的连接环固连，并通过连接环与记忆合金驱动器相连接；尾缘锯齿滑块位于静子叶片尾缘侧面沿着槽道与滑槽移动，实现尾缘锯齿滑块位移的改变；
所述记忆合金驱动器为两组，两组记忆合金驱动器分别位于机匣和轮毂上的槽道端部；所述记忆合金驱动器包括矩形定板、记忆合金丝、偏动弹簧、驱动杆、外套筒、圆形动板，所述矩形定板中心有圆孔，矩形定板与安装基座一端固连并通过安装基座固定在机匣和轮毂上，矩形定板中心圆孔用于导线的引出；所述驱动杆一端与连接杆上的连接环螺纹连接，驱动杆上加工有圆形动板，用于支撑偏动弹簧和记忆合金丝；所述记忆合金丝两端分别与矩形定板和圆形动板连接，记忆合金丝为拉伸状态，记忆合金丝之间通过导线串联，由轴流风机控制系统在两端施加直流电压；所述偏动弹簧套装在记忆合金丝的外侧，偏动弹簧两端分别与矩形定板和圆形动板连接，偏动弹簧为压缩状态；所述外套筒嵌套在偏动弹簧外侧，外套筒一端与矩形定板固连，另一端为敞口端。
所述记忆合金丝沿驱动杆周向分布为多根。
所述记忆合金丝为TiNi合金材料。
所述静子叶片为空心厚叶片或薄叶片。
有益效果
本发明提出的一种基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构，采用记忆合金驱动器+尾缘锯齿滑块模式，并将其约束在轴流风机空心静叶内部；两组记忆合金驱动器固定在机匣和轮毂上的槽道的端部；尾缘锯齿滑块安装在机匣和轮毂内位于静子叶片尾缘的侧面，尾缘锯齿滑块的连接杆通过连接环与记忆合金驱动器相连接。在不同转速下，利用电压控制记忆合金丝的伸长量，进而改变尾缘锯齿滑块的位移，使之与尾迹宽度一致，有效地降低静叶尾缘宽频噪声。同时，低速轴流风机在不同转速下的尾迹变化较小，所采用的记忆合金驱动方式实现毫米级位移的控制，具有较高的控制精度，并且确保尾缘锯齿滑块与尾迹宽度的一致性，使得控制达到最佳效果。
本发明基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构，利用记忆合金作为驱动元件，控制尾缘锯齿滑块的位移尺寸，具有结构简单，使用操作方便的特点；且不会使结构增加较大重量。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构作进一步详细说明。
图1为本发明轴流风机静叶降噪结构示意图。
图2为本发明轴流风机静叶降噪结构的静子叶片与槽道部位示意图。
图3为图2的静子叶片侧的滑槽与槽道放大图。
图4为本发明轴流风机静叶降噪结构的尾缘锯齿滑块示意图。
图5为本发明轴流风机静叶降噪结构的记忆合金驱动器结构示意图。
图6为不同转速下的静叶尾迹宽度示意图。
图中:
1.静子叶片 2.机匣 3.轮毂 4.滑槽 5.安装基座 6.槽道 7.尾缘锯齿滑块 8.连接杆9.连接环 10.矩形定板 11.记忆合金丝 12.偏动弹簧 13.驱动杆 14.外套筒15.圆形动板
具体实施方式
本实施例是一种基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构。
本实施例是借助尾缘锯齿滑块破碎脱落涡的原理，以其达到降低轴流风机静叶尾缘噪声的目的。通过记忆合金驱动器，实现尾缘锯齿滑块的调节，使其与不同转速下的尾迹宽度相近，进而将轴流风机静叶的尾缘噪声控制到最低。
参阅图1～图5，本实施例基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构，由静子叶片1、机匣2、轮毂3、滑槽4、安装基座5、槽道6、尾缘锯齿滑块7、连接杆8、连接环9和记忆合金驱动器组成；其中，静子叶片1为满足强度要求的空心厚叶片或薄叶片；静子叶片1与机匣2和轮毂3固定连接，机匣2和轮毂3上开有槽道6，且位于静子叶片尾缘同侧面，槽道6用于尾缘锯齿滑块7的连接杆8伸出，滑槽4位于机匣2和轮毂3内侧槽道6端部下游，滑槽4用于约束尾缘锯齿滑块7滑动。尾缘锯齿滑块7为整体加工成型的片状体；尾缘锯齿滑块7一侧边加工有锯齿，尾缘锯齿滑块7另一侧边两端有凸出的连接杆8，两端连接杆8分别穿过机匣2和轮毂3上的槽道6，两端连接杆8分别与带有内螺纹的连接环9固连，并通过连接环9与记忆合金驱动器相连接。尾缘锯齿滑块7位于静子叶片尾缘侧面沿着槽道6与滑槽4移动，实现尾缘锯齿滑块7位移的改变。
本实施例中，每个静子叶片有两组记忆合金驱动器,两组记忆合金驱动器分别安装在机匣2和轮毂3上的槽道6端部。记忆合金驱动器包括矩形定板10、记忆合金丝11、偏动弹簧12、驱动杆13、外套筒14、圆形动板15；矩形定板10中心加工有圆孔，矩形定板10与安装基座5一端固连并通过安装基座固定在机匣2和轮毂3上，矩形定板10中心圆孔用于导线的引出。驱动杆13一端与连接杆8上的连接环9螺纹连接，驱动杆13上有圆形动板用于支撑偏动弹簧12和记忆合金丝11。本实施例中记忆合金丝11由TiNi合金材料制成，每个记忆合金驱动器有四根记忆合金丝11，记忆合金丝11两端分别与矩形定板10和圆形动板15连接，记忆合金丝11为拉伸状态，并且记忆合金丝11之间通过导线串联，由轴流风机控制系统在两端施加直流电压。偏动弹簧12为压缩状态套装在记忆合金丝11的外侧，偏动弹簧12两端分别与矩形定板10和圆形动板15连接。外套筒14嵌套在偏动弹簧12外侧，外套筒14一端与矩形定板10固定连接，另一端为敞口端。
本实施例基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构的工作原理为:由传热学知识得到公式(1):
式中，U为电压、R为电阻、h为对流换热系数、A为记忆合金丝的表面积、T为记忆合金丝11表面温度、T0为环境温度。可以看出，记忆合金丝11两端的电压越高，其温度就越高，使得记忆合金丝11的刚度增加，发生回复变形，带动驱动杆13收缩。在风机的低转速工况下，静子叶片1的来流速度较低，附面层较厚，尾迹宽度大。此时在记忆合金丝11两端施加低电压，记忆合金丝11输出的可回复应变小，露出静叶尾缘的锯齿宽度较大。当风机变档至高转速工况时，将记忆合金丝11两端的电压升高，使其输出的可回复应变增加，驱动杆13带动片状锯齿尾缘滑块7向内收缩，锯齿宽度减小，与高转速较小的尾迹宽度相适应。
如图6所示，某低速轴流风机共有10765rpm、8130rpm、5059rpm三个档位，由CFD计算可知，静子叶片1在10765rpm、8130rpm、5059rpm三个档位下的尾迹宽度分别为:2.72mm、3.46mm、5.03mm。本实施例所采用的尾缘锯齿幅值与齿宽之比为0.866，所以片状尾缘锯齿滑块7伸出的距离分别是:2.36mm、2.99mm、4.35mm。当转速为5059rpm时，记忆合金丝11不产生回复位移，转速为10765rpm、8130rpm时所需要的变形量为1.99mm、1.36mm。选取最大可回复应变为5％、长度为40mm的记忆合金丝11，可以实现2mm的最大可回复位移。
在轴流风机工作过程中，依靠记忆合金丝11两端的电压合理控制其相变过程，从而改变片状尾缘锯齿滑块7的位置，实现锯齿宽度的调控。实际应用中，通过工程计算，合理选择每个转速下记忆合金丝11所需的电压值，使得尾缘锯齿滑块7与尾迹宽度尽可能一致，进而达到降低轴流风机静叶宽频噪声的目的。
Claims (4)
1.一种基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构，其特征在于:包括静子叶片、机匣、轮毂、滑槽、安装基座、槽道、尾缘锯齿滑块、连接杆、连接环和记忆合金驱动器，所述静子叶片与机匣和轮毂固定连接，机匣和轮毂上开有对称的槽道，且位于静子叶片尾缘同侧面，槽道用于尾缘锯齿滑块的连接杆伸出，滑槽位于机匣和轮毂内侧槽道端部下游，滑槽用于约束尾缘锯齿滑块移动；
所述尾缘锯齿滑块为整体加工成型的片状体，尾缘锯齿滑块一侧边加工有锯齿，另一侧边两端有凸出的连接杆，两端连接杆分别穿过机匣和轮毂上的槽道，两端连接杆分别与带有内螺纹的连接环固连，并通过连接环与记忆合金驱动器相连接；尾缘锯齿滑块位于静子叶片尾缘侧面沿着槽道与滑槽移动，实现尾缘锯齿滑块位移的改变；
所述记忆合金驱动器为两组，两组记忆合金驱动器分别位于机匣和轮毂上的槽道端部；所述记忆合金驱动器包括矩形定板、记忆合金丝、偏动弹簧、驱动杆、外套筒、圆形动板，所述矩形定板中心有圆孔，矩形定板与安装基座一端固连并通过安装基座固定在机匣和轮毂上，矩形定板中心圆孔用于导线的引出；所述驱动杆一端与连接杆上的连接环螺纹连接，驱动杆上加工有圆形动板，用于支撑偏动弹簧和记忆合金丝；所述记忆合金丝两端分别与矩形定板和圆形动板连接，记忆合金丝为拉伸状态，记忆合金丝之间通过导线串联，由轴流风机控制系统在两端施加直流电压；所述偏动弹簧套装在记忆合金丝的外侧，偏动弹簧两端分别与矩形定板和圆形动板连接，偏动弹簧为压缩状态；所述外套筒嵌套在偏动弹簧外侧，外套筒一端与矩形定板固连，另一端为敞口端。
2.根据权利要求1所述的基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构，其特征在于:所述记忆合金丝沿驱动杆周向分布为多根。
3.根据权利要求1所述的基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构，其特征在于:所述记忆合金丝为TiNi合金材料。
4.根据权利要求1所述的基于记忆合金的轴流风机静叶降噪结构，其特征在于:所述静子叶片为空心厚叶片或薄叶片。
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