CN110145491A - 一种叶片叶尖后缘呈锯齿型结构的矿用局部轴流式通风机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿用局部轴流式通风机节能降噪的技术领域，尤其涉及一种叶片叶尖后缘呈锯齿型结构的矿用局部轴流式通风机叶片，其特征在于，包括叶片本体，叶片本体的叶尖后缘呈锯齿型切槽状，还提供一种局部矿用轴流式通风机，包括叶片叶尖后缘呈锯齿型切槽状的叶片、集风器、Ⅰ级机体、Ⅰ级叶轮、Ⅱ级叶轮、Ⅱ级机体、隔爆型三相异步电动机、消声扩散锥。本发明提供的一种叶尖后缘呈锯齿型结构的通风机叶片，在通风机叶片叶尖后缘开槽，呈现锯齿型结构，在不增加成本的前提下对叶尖后缘结构进行改进设计，工艺简单，便于一体化设汁，可规模化生产。同时，在保证通风机的通风性能的前提下，提高了通风机出口流速，降低了通风机气动噪声，减少了通风机的流动损失，提高了通风机的效率，延长了通风机使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及矿用局部轴流式通风机节能降噪的技术领域，尤其涉及一种叶片叶尖后缘呈锯齿型结构的矿用局部轴流式通风机。
背景技术
为了降低轴流式通风机的流动损失和气动噪声进而提高气动效率，世界各国的研究者提出了各种各样的方法。如采用前掠叶片、弯扭叶片和软出边叶片等。以上方法都是通过优化叶片结构参数和设计新叶片来改变轴流式通风机气动特性，用以降低轴流式通风机气动噪声，但是改变叶片结构参数和设计新叶片都会改变轴流式通风机结构动力学特性、使问题变得复杂，使影响因素增加，加大了研究困难。
前掠叶片、弯扭叶片用以降噪的方法的缺点是：制造弯扭叶片的工序以及工艺较为复杂，对叶片的加工精度和强度要求更高，增加了制造成本。软出边叶片的制造成本则是普通叶片的几倍，且不便于一体化设计。
在通风机的能量损失中，流动损失是影响其通风效率的主要因素之一。由于通风机机壳的存在，且为使叶轮正常无阻碍的转动，于是机壳与叶片顶部必然具有一定的间隙，正因为叶尖与机壳的间隙使得叶尖涡减少而形成了叶尖泄漏涡。为减少叶尖泄漏涡流造成的流动损失，世界各国的研究者对叶片叶尖进行了不同切割量对轴流通风机的性能的影响的研究，得出了叶片叶尖切割后，通风机内部涡流紊乱状态得以改善，通风机叶片叶尖的切割形状和切割量，都直接影响通风机的效率和气动噪声的产生。
本发明提供的一种叶尖后缘呈锯齿型结构的轴流式通风机叶片，在兼顾通风机性能和节能降噪并且不增加成本的前提下对叶尖后缘结构进行改进设计，降低通风机的叶尖噪声，改善叶片的受力情况，减少叶片的疲劳程度，延长轴流式通风机的使用寿命，为轴流式通风机降噪途径的探索积累实验和设计经验。
发明内容
本发明在轴流式通风机叶片叶尖后缘切槽，使叶尖结构变化，呈现锯齿型结构，在兼顾通风机性能和节能降噪并且不增加成本的前提下对叶尖结构进行改进设计，降低通风机的叶尖噪声，减少叶尖泄漏涡流造成的流动损失，改善叶片的受力情况，减少叶片的疲劳程度，延长轴流式通风机的使用寿命。
本发明提供的一种叶尖后缘呈锯齿型结构的轴流式通风机叶片，包括叶片本体，叶片本体的叶尖后缘部位具有锯齿型切槽。
本发明提供的一种局部矿用轴流式通风机，包括叶片叶尖后缘呈锯齿型结构的叶片、集风器、Ⅰ级机体、Ⅰ级叶轮、Ⅱ级叶轮、Ⅱ级机体、隔爆型三相异步电动机、消声扩散锥；集风器与Ⅰ级机体和Ⅱ级机体依次构成了局部矿用轴流式通风机的外壳，锯齿型结构的叶片分别固定在叶轮上依次构成Ⅰ级叶轮和Ⅱ级叶轮，Ⅰ级叶轮位于所属的Ⅰ级机体内，Ⅱ级叶轮位于Ⅱ级机体内，消声扩散锥位于Ⅱ级叶轮的后部，隔爆型三相异步电动机分别驱动Ⅰ级叶轮和Ⅱ级叶轮转动。
本发明提供的一种叶尖后缘呈锯齿型结构的轴流式通风机叶片，在轴流式通风机叶片叶尖后缘切槽，使叶尖结构变化，呈现锯齿型结构，在不增加成本的前提下对叶尖结构进行改进设计，工艺简单，费用低，便于一体化设汁，可规模化生产。同时，在保证轴流式通风机的通风性能的前提下，降低通风机叶尖噪声，减少叶片的疲劳程度，提高通风机的效率，延长通风机使用寿命。
附图说明
为了更清楚的说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的叶尖后缘呈锯齿型结构的局部矿用轴流式通风机叶片叶尖后缘部位的示意图；
图2为本发明实施例提供的局部矿用轴流式通风机叶轮旋转区域噪声测点布置示意图；
图3为本发明叶片叶尖后缘改型前后局部矿用轴流式通风机的叶轮转速和出口风速的关系变化曲线图
图4为本发明叶片叶尖后缘改型前后局部矿用轴流式通风机叶轮旋转区域叶尖涡量在离叶轮中心平面不同距离时的变化曲线图；
图5为本发明叶片叶尖后缘改型前后局部矿用轴流式通风机叶轮旋转区域噪声的最大声压级在离旋转中心轴线不同距离时的变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以足可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接：可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供的一种叶尖后缘呈锯齿型结构的轴流式通风机叶片，包括叶片本体，叶片本体的叶尖后缘部分具有锯齿型切槽，叶尖后缘呈锯齿型机构的几何参数包括单个齿型切槽深度h、单个齿型切槽宽度a、单个齿型切槽角度θ，齿型个数A。
本发明还提供的一种局部矿用轴流式通风机，包括叶片叶尖后缘呈锯齿型结构的叶片、集风器、Ⅰ级机体、Ⅰ级叶轮、Ⅱ级叶轮、Ⅱ级机体、隔爆型三相异步电动机、消声扩散锥；集风器与Ⅰ级机体和Ⅱ级机体依次构成了局部矿用轴流式通风机的外壳，锯齿型结构的叶片分别固定在叶轮上依次构成Ⅰ级叶轮和Ⅱ级叶轮，Ⅰ级叶轮位于所属的Ⅰ级机体内，Ⅱ级叶轮位于Ⅱ级机体内，消声扩散锥位于Ⅱ级叶轮的后部，隔爆型三相异步电动机分别驱动Ⅰ级叶轮和Ⅱ级叶轮转动。
为了准确全面测试叶片叶尖后缘不切槽和叶片叶尖后缘呈锯齿型结构的通风机的内部流域涡量变化及叶轮旋转区域噪声变化特性，利用声阵列法对距离通风机进口平面1.45m截面（即叶轮轮毂中心截面）的径向线上7个测点进行分析，具体测试布置示意图2所示。其测试区域三维坐标轴定义为，以叶轮轮毂中心为坐标原点，出口轴线方向为Z轴正方向，以过原点的两两相互垂直的径向分别为X、Y轴，且以指向外部方向为正方向建立坐标系，噪声测试截面的Z轴坐标为0 mm，在截面的径向即Y轴方向上分别取7个噪声计算点，其Y轴坐标分别为270mm、290mm、310mm、330mm、350mm、370mm、390mm。利用数值计算对通风机旋转区域的截面进行了涡量分析。其分析截面布置区域的三维坐标轴定义为，以通风机进口截面圆心为坐标圆点，叶轮旋转轴线为X轴（以指向出口方向为正方向），在进口截面上，过进口截面圆心的直线为Y轴（以指向机壳方向为正方向）建立坐标系，分别选择截面1（Z=-40mm）、截面2（Z=-20 mm）、截面3（Z=0 mm）、截面4（Z=20 mm）、截面5（Z=40 mm）进行涡量分析。
在本实施例中，共设计出三种不同尺寸的单个锯齿型叶尖后缘结构，分别是单个锯齿型叶尖后缘1（a＝15mm、h＝20mm、θ＝40°）、单个锯齿型叶尖后缘2（a＝15mm、h＝16mm、θ＝50°）和单个锯齿型叶尖后缘3（a＝15mm、h＝12mm、θ＝60°），且齿型个数A分别为3个、4个、5个公9种情况与未改型轴流式通风机叶片进行对比，通过对比分析发现叶尖后缘齿型切槽角度θ＝50°，且齿型个数为4个比叶尖后缘切槽角度θ＝40°和θ＝60°的气动性能要好，故以锯齿型叶尖后缘结构的切槽角度θ＝50°，齿型个数为4个作为测试实例进行说明。具体方法为利用变频器调节局部矿用通风机的转速分别为500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min，并利用风速测速仪分别对未改型和锯齿型叶片叶尖后缘结构的通风机的出口流速在不同转速下进行测量，如图3所示，在低转速时，未改型的通风机出口流速比锯齿型叶片叶尖后缘结构的通风机的出口流速略高，但随着叶轮转速的提高锯齿型叶片叶尖后缘结构的通风机的出口流速逐渐高于未改型的通风机，在额定转速时锯齿型叶片叶尖后缘结构的通风机的出口流速为23.4 m/s，未改型的通风机出口流速为22.6m/s，由此可见锯齿型叶片叶尖结构的通风机的出口流速在随着转速的增加而增加，且逐渐高于未改型的通风机，在额定转速的情况下，锯齿型叶片叶尖结构的通风机出口流速比未改型的增加3.53%。在叶轮转速为额定转速3000r/min时，采用数值计算的方法来分析叶轮旋转区域在未改型和锯齿型叶尖结构时通风机内部流域的涡量变化。如图4所示，锯齿型叶尖后缘结构的叶轮在其进口截面处的叶尖涡明显比未改型的小，其原因是锯齿型叶尖后缘结构曾大了叶尖与机壳间间隙，使得叶尖涡流的紊乱状态得到改善。以过叶轮旋转轴线的截面截取通风机内部流域，通过对改型前后轴流通风机整体的涡量观察分析能够发现，对轴流通风机的叶片进行改型能够有效的打散通风机内部的涡量并且整合轴流通风机叶轮部分的涡量。改型前通风机叶轮旋转区域的涡量值为4062.32s-1，改型后通风机叶轮旋转区域的涡量值为2599.5s-1，改型后轴流通风机的叶轮旋转区域涡量相对于未改型轴流通风机的涡量下降了36%。改型前通风机内部流域整体的涡量值为1244.3s-1，改型后通风机内部流域整体的涡量值为805.5s-1，改型后轴流通风机内部流域整体的涡量相对于未改型轴流通风机整体的涡量下降了35.3%。由此可知，改型后的锯齿型叶尖后缘结构使得通风机内部流域的涡量减少，流动紊乱的现象得以改善，流动损失得以降低，提高了通风机的效率。通过对轴流通风机叶轮叶片压力的观察分析得出，经过对轴流通风机叶轮叶片的切削，使得叶片的受压部分由叶片的叶尖部分转移到了叶轮叶片的中间部分，并且将风机叶片的高压部分打散，增大了受压面积，减少叶片的疲劳程度，延长通风机使用寿命。
在本实施例中，叶轮在相同转速3000r/min下，分别对未改型和锯齿型叶尖后缘结构的通风机叶轮旋转区域的中心截面上每个噪声计算点噪声频谱图进行分析，轴流式通风机叶尖区域噪声的频谱图主要是由通风机叶轮的旋转基频及谐波、叶片旋转产生的叶尖涡脱落频率构成，其中最大声压级所对应的频率为叶轮的旋转基频700Hz。由图5可见，分析每个噪声测试点的噪声频谱图，得到每个计算点处噪声的最大声压级，以Y轴坐标值即噪声计算点离所在截面圆心的距离为横坐标，计算点的最大声压级为纵坐标，对比未改型和锯齿型叶尖后缘结构的噪声最大声压级变化曲线可知，锯齿型叶尖后缘结构在叶尖处的声压明显减小，改型后比改性前的叶尖噪声平均降低了1.24%。由此可知，锯齿型叶尖后缘结构降低了叶尖涡噪声和旋转噪声的产生。
通过叶尖后缘结构的改型，本发明提供的叶尖后缘呈锯齿型结构的轴流式通风机叶片，在兼顾通风机性能的前提下，降低通风机的叶尖噪声和通风机内部流体因涡流造成的流动损失，改善叶片的受力情况和通风机内部流体的紊流状态，减少叶片的疲劳程度，延长轴流式通风机的使用寿命。
最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述符实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (2)
1.一种叶片叶尖后缘呈锯齿型结构的矿用局部轴流式通风机，其特征在于，包括叶片本体，叶片本体的叶尖后缘部位具有锯齿型切槽；
所述叶片叶尖后缘锯齿型结构参数为单个齿型切槽深度h=16mm、单个齿型切槽宽度a=15mm、单个齿型切槽角度θ=50°，齿型个数A=4；
所述矿用局部轴流式通风机，在额定转速的情况下，出口流速比叶片未改型的局部矿用轴流式通风机增加3.53%；
所述矿用局部轴流式通风机比叶片未改型的局部矿用轴流式通风机叶轮旋转区域涡量平均降低了36%；
所述矿用局部轴流式通风机比叶片未改型的局部矿用轴流式通风机整机的内部流域涡量平均降低了35.3%；
所述矿用局部轴流式通风机比叶片未改型的局部矿用轴流式通风机叶轮叶尖噪声平均降低了1.24%。
2.一种局部矿用轴流式通风机其特征在于，包括如权利要求1所述的叶片叶尖后缘呈锯齿型结构的叶片、集风器、Ⅰ级机体、Ⅰ级叶轮、Ⅱ级叶轮、Ⅱ级机体；隔爆型三相异步电动机、消声扩散锥；
所述集风器与所属的Ⅰ级机体和Ⅱ级机体依次构成了局部矿用轴流式通风机的外壳，所述叶片叶尖后缘呈锯齿型结构的叶片分别固定在叶轮上依次构成所属Ⅰ级叶轮和所属Ⅱ级叶轮，所述Ⅰ级叶轮位于所属的Ⅰ级机体内，所述Ⅱ级叶轮位于所属的Ⅱ级机体内，所述消声扩散锥位于所属的Ⅱ级叶轮的后部，所述隔爆型三相异步电动机分别驱动所属的Ⅰ级叶轮和所属的Ⅱ级叶轮转动。
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