CN113719471A - 一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮 - Google Patents

一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮 Download PDF

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Abstract

本申请提出一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，包括，叶盘；多个叶片，叶片均匀设置在叶盘的上表面；其中，叶片的尾缘为凹凸结构，凹凸结构的凹凸方向与叶盘的周向垂直，本申请和现有技术相比所具有的优点是：通过凹凸结构及凹坑的设置，使离心叶轮工作时的噪声大大降低，以在该离心叶轮用于呼吸机时，能够使呼吸机总体的噪声得到有效地控制。

Description

一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮
技术领域
本申请涉及离心叶轮技术领域，尤其涉及一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮。
背景技术
在现代临床医学中，呼吸机作为一项能够通过外界提供能量代替人自身自主通气的有效手段，在现代医学领域内占有十分重要的位置，呼吸机的关键部位是离心叶轮，离心叶轮可以提供具有一定压力和流量的压缩空气，以得到临床治疗时所需要的氧气浓度和所需流量的混和气体，在离心叶轮应用的领域，尤其是民用领域，离心叶轮发展的方向与追求的目标主要为高效率、宽工作范围、低噪声、长寿命及低成本，对于呼吸机而言，除了效率高的要求以外，对噪音还有特别的要求。
离心叶轮的气动噪声按辐射机理的不同分为翼型自噪声、湍动来流噪声和叶片旋转低频噪声，其中，翼型自噪声主要包括层流边界层脱落涡噪声、湍流边界层尾缘噪声、失速噪声、叶尖噪声、表面缺陷噪声和钝尾缘噪声。
层流边界层脱落涡噪声，随来流攻角增加，吸力面边界层加速脱落，气流脱离边界层形成分离而产生的噪声；
湍流边界层噪声是翼型尾缘与湍流边界层互相影响的结果，在高雷诺数下，湍流边界层尾缘噪声是风力机高频噪声主要来源；
叶尖涡噪声是翼型上下翼面压差使叶尖周围产生的旋转流动和尾缘相互作用的结果；
钝尾缘噪声是翼型钝尾后产生尾缘脱落润，钝尾尺寸决定其噪声幅度和频率：当钝尾缘厚度远大于边界层厚度，该噪声对翼型自身总体噪声影响较大。
上述大部分的翼型噪声均与翼型尾缘和湍流的相互作用有关，一部分原因是湍流遇到物体的较尖的边缘时会发散，这将导致辐射声功率相比自由空间波动有相当大的增加，因此，尾缘噪声通常是主要噪声源之一。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的目的在于提出一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮。
为达到上述目的，本申请提出的一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，包括，叶盘；多个叶片，所述叶片均匀设置在所述叶盘的上表面；其中，所述叶片的尾缘为凹凸结构，所述凹凸结构的凹凸方向与所述叶盘的周向垂直。
所述凹凸结构为多个连续的正弦波结构。
所述正弦波的波长L为所述叶片叶高的20％-50％。
所述正弦波的振幅A为所述波长L的10％-30％。
所述正弦波的数量为2个-5个。
所述叶片的吸力面和/或压力面上靠近所述尾缘处设置有多个球面型凹坑。
所述凹坑的直径d为所述叶片叶高的5％-30％。
所述凹坑的深度δ为所述凹坑直径d的10％-50％。
所述凹坑的坑口边缘处具有倒圆角。
所述叶片的前缘呈曲线型。
采用上述技术方案后，本申请和现有技术相比所具有的优点是：
当气流到达尾缘时，凹凸结构的尾缘可以加强离心叶片尾迹内的流向涡结构，从而加强尾缘的速度剪切掺混，降低由剪切层不稳定性产生的气动噪声；
当气流流过凹坑时，由于凹坑的存在，改变了各截面尾迹涡的脱落位置，增大脱落涡间的距离，削弱了脱落涡对尾迹流动的影响，降低叶片表面的压力脉动，最终使得尾迹涡引起的气动噪声显著减小；
通过凹凸结构及凹坑的设置，使离心叶轮工作时的噪声大大降低，以在该离心叶轮用于呼吸机时，能够使呼吸机总体的噪声得到有效地控制。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请一实施例提出的一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮的结构示意图；
图2是本申请一实施例提出的一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮的局部剖面示意图；
图3是本申请一实施例提出的一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮中尾缘处的结构示意图；
图4是本申请一实施例提出的一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮中凹坑处的剖面示意图；
图5是本申请一实施例提出的一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮的俯视图；
如图所示：1、叶盘，2、叶片，3、叶顶，4、叶根，5、前缘，6、尾缘，7、吸力面，8、压力面，9、固定孔，10、电机轴孔，11、前下圆，12、前上圆，13、尾圆，14、凹凸结构，15、凹坑。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
如图1至图5所示，本申请实施例提出一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，包括叶盘1及多个叶片2，叶片2均匀设置在叶盘1的上表面，多个叶片2在叶盘1上呈辐射状分布，且均焊接在叶盘1的上表面。
叶片2的数量根据实际需要进行设置，优选的，叶片2的数量为8个-15个，在本实施例中，叶片2的数量为12个。
叶盘1具有环形盘及轴套，轴套与环形盘一体成型，且轴套的中心轴与环形盘的中心轴重合并形成叶盘1的中心轴，同时，环形盘具有上表面及下表面。
在本实施例中，环形盘的上表面与下表面平行，以使环形盘的厚度均匀，为保证叶盘1的强度，环形盘的厚度b3根据叶盘1实际使用时所需的强度进行设置，优选的，环形盘的厚度b3为0.4mm-0.8mm，其中，b3的具体取值在此不再一一列举。
在一些实施例中，为满足实际需要，环形盘的上表面与下表面之间可存在夹角，但应保证该夹角为锐角。
叶盘1中心轴处的轴套内设置有呈阶梯状相连的固定孔9及电机轴孔10，固定孔9相对电机轴孔10更靠近叶盘1的上表面，电机轴孔10则相对固定孔9更靠近叶盘1的下表面，而且，固定孔9的中心轴及电机轴孔10的中心轴均与叶盘1的中心轴重合，通过固定孔9及电机轴孔10，使叶盘1能够安装在电机的输出轴上，在电机的驱动下，实现叶盘1的转动，电机是把外界电能转化为机械能，并通过其输出轴将机械能传递到叶盘1和叶片2上，然后再通过叶片2做功将机械能转化为气流的动能及压力能。
其中，应根据电机转速、电机输出轴的直径等参数选择固定孔9及电机轴孔10的半径，优选的，固定孔9的半径r0为1mm-2mm，电机轴孔10半径r1为1.5mm-2.5mm。
同时，还应根据电机转速、电机输出轴的直径等参数选择轴套的壁厚，优选的，轴套上位于电机轴孔10处的壁厚b4为2mm-5mm。
其中，半径r0、半径r1及壁厚b4的具体取值根据实际需要进行设置，在此不再一一列举。
叶盘1的上表面与叶盘1的中心轴之间具有夹角α2，夹角α2的角度根据实际需要进行设置，优选的，α2为60°-80°，该角度的设置，能够便于空气的流动，降低能量损失，提高离心叶轮的效率，且其中夹角α2的具体取值在此不再一一列举。
叶片2具有叶顶3、叶根、前缘5、尾缘6、吸力面7及压力面8。
叶顶3为叶片2的顶部，叶顶3为楔形，其上靠近叶盘1边缘一端的延伸线与叶盘1之间具有夹角α1，夹角α1的角度根据实际需要进行设置，优选的，α1为5°-20°，该角度的设置，能够便于空气的流动，降低能量损失，提高离心叶轮的效率，且其中α1的具体取值在此不再一一列举。
叶根为叶片2的底部，叶片2通过叶根与叶盘1的环盘连接。
叶片2的前缘5为叶顶3与叶根之间靠近叶盘1中心轴的一端，其呈曲线型，且曲线的凸面朝向叶盘1，前缘5的下端靠近叶盘1的中心轴，且与叶片2的叶根连接，前缘5的上端远离叶盘1的中心轴，且与叶片2的叶顶3连接。
需要说明的是，叶片2的前缘5是在叶高截面上呈曲线型，叶高截面是指叶片2上被叶高所在平面截得的截面。
利用该曲线型的前缘5结构，可以使前缘5附近进口气流角更为均匀，增加离心叶轮的稳定性，提高其稳定裕度，并减小气流在前缘5处的冲击；进口气流能够几乎同时和整个前缘5接触，而不是先与叶顶3处接触，再流向叶根，可以减小流动损失；取消过渡段，使离心叶轮的轴向尺寸能够设置较小，进而减小呼吸机的体积；能够改善呼吸机中离心叶轮的进口条件和流动状态，以适应不同的来流条件。
其中，曲线型可以为抛物线型，也可以为圆弧型。
叶片2的厚度由前缘5宽度b1与叶顶3宽度b2决定，同时，叶片2的前缘5宽度b1与叶片2的叶顶3宽度b2相等，前缘5宽度b1沿叶高方向不变，叶顶3宽度b2沿叶片2型线方向不变，可以理解的是，叶片2的厚度均相同设置。
需要说明的是，叶高方向是指叶根到叶顶3的方向，叶片2型线方向是指由前缘5沿叶片2的外形弧线到尾缘6的方向。
叶片2的厚度根据实际需要进行设置，而前缘5宽度b1与叶顶3宽度b2的大小则根据叶片2的厚度进行设置，优选的，叶片2的厚度为0.3mm-0.5mm，其中叶片2厚度的具体取值在此不再一一列举。
叶片2的尾缘6为叶顶3与叶根之间靠近叶盘1边缘的一端，叶片2为凹凸结构14，凹凸结构14的凹凸方向与叶盘1的周向垂直。
当气流到达尾缘6时，凹凸结构14的尾缘6可以加强离心叶片2尾迹内的流向涡结构，从而加强尾缘6的速度剪切掺混，降低由剪切层不稳定性产生的气动噪声，以在该离心叶轮用于呼吸机时，能够使呼吸机总体的噪声得到有效地控制。
凹凸结构14为多个连续的正弦波结构，正弦曲线能够显著加强离心叶片2尾迹内的流向涡结构，使噪声的降低效果更为明显。
其中，正弦波的波长、振幅及数量均根据实际需要进行设置，优选的，正弦波的波长L为叶片2尾缘6处叶高的20％-50％，正弦波的振幅A为波长L的10％-30％，正弦波的数量为2个-5个，其中L、A及正弦波数量的具体取值在此不再一一列举。
尾缘6与吸力面7及压力面8之间的相交线为倒圆角结构，以进一步加强离心叶片2尾迹内的流向涡结构，进而进一步降低气动噪声。
叶片2的吸力面7和/或压力面8上靠近尾缘6处设置有多个球面型凹坑15。
在本实施例中，叶片2的吸力面7和压力面8上靠近尾缘6处均设置有多个球面型凹坑15，在一些实施例中，可单独在吸力面7上靠近尾缘6处设置多个球面型凹坑15，也可单独在压力面8上靠近尾缘6处设置多个球面型凹坑15。
当气流流过凹坑15时，由于凹坑15的存在，改变了各截面尾迹涡的脱落位置，增大脱落涡间的距离，削弱了脱落涡对尾迹流动的影响，降低叶片2表面的压力脉动，最终使得尾迹涡引起的气动噪声显著减小，以在该离心叶轮用于呼吸机时，能够使呼吸机总体的噪声得到有效地控制。
其中，凹坑15的数量根据实际需要进行设置，在此不限制凹坑15的数量，在本实施例中，凹坑15的数量设置为6个。
凹坑15的直径及深度均根据实际需要进行设置，直径及深度过大的话会对气流流动有严重影响，过小的话，又达不到改变叶片2表面脉动应力的效果，优选的，凹坑15的直径d为叶片2尾缘6处叶高的5％-30％，凹坑15的深度δ为凹坑15直径d的10％-50％，其中d及δ的具体取值在此不再一一列举。
凹坑15的坑口边缘处具有倒圆角，可以理解的是，凹坑15与吸力面7及压力面8之间的相交线为倒圆角结构，其能够进一步削弱脱落涡对尾迹流动的影响，进而进一步降低气动噪声。
叶片2的吸力面7及压力面8即为叶顶3与叶根之间的两侧面，其均与叶盘1的上表面垂直。
多个叶片2的前缘5下端在叶盘1上形成有前下圆11，多个叶片2的前缘5上端在叶盘1上形成有前上圆12，前上圆12的半径r3及前下圆11的半径r2根据抛物线的具体形状进行设置，优选的，前下圆11的半径r2为1.5mm-2.5mm，前上圆12的半径r3为5mm-10mm，该尺寸的设置，符合小体积呼吸机的要求，且其中r2及r3的具体取值在此不再一一列举。
可以理解的是，叶片2前缘5的高度能够根据r2及r3进行确定，而叶片2尾缘6的高度则能够根据叶片2前缘5高度及α1进行确定，同时，通过调整r2与r3，可得到所需的空气进口流量和流速。
多个叶片2的尾缘6在叶盘1上形成有尾圆13，尾圆13的半径r4根据实际需要进行设置，优选的，尾圆13的半径r4为12mm-20mm，其中r4的具体取值在此不再一一列举。
可以理解的是，尾圆13的半径r4决定了离心叶轮的径向尺寸。
需要说明的是，由于叶片2尾缘6上具有凹凸结构14，因此尾圆13是由叶片2尾缘6在叶盘1上正投影的端部形成。
叶片2前缘5下端处位于吸力面7侧的气流进入方向与叶片2前缘5下端在前下圆11上的切线之间具有夹角β1h，叶片2前缘5上端处位于吸力面7侧的气流进入方向与叶片2前缘5上端在前上圆12上的切线之间具有夹角β1S，叶片2尾缘6处位于吸力面7侧的气流排出方向与叶片2尾缘6在尾圆13上的切线之间具有夹角β2。
通过β1h、β1S及β2能够确定气流流动方向以及叶片2的型线，由于叶片2会对气流做功，从而叶片2也会受到气流的反作用力，因此叶片2如果过于弯曲，可能会不满足强度要求，优选的，β1h不大于50°，β2不小于75°，其中，β1h及β2的具体取值在此不再一一列举，且β1S的大小根据β1h及β2的具体取值以及叶片2前缘5的抛物线形状进行确定。
需要说明的是，叶片2前缘5下端可视为前下圆11的切点，位于该切点处的切线即为叶片2前缘5下端在前下圆11上的切线，叶片2前缘5上端可视为前上圆12的切点，位于该切点处的切线即为叶片2前缘5上端在前上圆12上的切线，叶片2尾缘6在叶盘1上的正投影端部可视为尾圆13的切点，位于该切点处的切线即为叶片2尾缘6在尾圆13上的切线。
需要说明的是，上述正投影的投影线与叶盘1的中心轴平行。
离心叶轮在工作中，电机驱动其转动，外界空气进入离心叶轮时，其首先与抛物线型前缘5接触，与抛物线型前缘5接触的空气由于受到冲击，会被分为两股，两股空气分别沿着吸力面7及压力面8流向尾缘6，在流动过程中，由于叶片2的转动，叶片2会对该气流做功，尾缘6处的气流总压及静压将比前缘5处的气流总压及静压要高，从而达到模拟人自身呼吸的目的。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，其特征在于，包括，
叶盘；
多个叶片，所述叶片均匀设置在所述叶盘的上表面；
其中，所述叶片的尾缘为凹凸结构，所述凹凸结构的凹凸方向与所述叶盘的周向垂直。
2.根据权利要求1所述具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，其特征在于，所述凹凸结构为多个连续的正弦波结构。
3.根据权利要求2所述具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，其特征在于，所述正弦波的波长L为所述叶片叶高的20％-50％。
4.根据权利要求3所述具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，其特征在于，所述正弦波的振幅A为所述波长L的10％-30％。
5.根据权利要求2所述具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，其特征在于，所述正弦波的数量为2个-5个。
6.根据权利要求1所述具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，其特征在于，所述叶片的吸力面和/或压力面上靠近所述尾缘处设置有多个球面型凹坑。
7.根据权利要求6所述具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，其特征在于，所述凹坑的直径d为所述叶片叶高的5％-30％。
8.根据权利要求7所述具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，其特征在于，所述凹坑的深度δ为所述凹坑直径d的10％-50％。
9.根据权利要求6所述具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，其特征在于，所述凹坑的坑口边缘处具有倒圆角。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述具有仿生型尾缘叶片的呼吸机降噪离心叶轮，其特征在于，所述叶片的前缘呈曲线型。
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