CN1195155C

CN1195155C - 一种叶轮装置

Info

Publication number: CN1195155C
Application number: CNB021375291A
Authority: CN
Inventors: 华汉金
Original assignee: 708th Research Institute of CSIC
Current assignee: 708th Research Institute of CSIC
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: CN1403704A

Abstract

本发明涉及一种叶轮装置，包括锯齿形旋转叶片和安装叶片的轮毂，其特点是，所述旋转叶片的叶梢的弦长必须小于5%的叶轮直径，锯齿形分布在旋转叶片半径的0.75至1.0倍处的随边上，从齿中间到齿的边缘由厚变薄，且在旋转叶片的压力面和吸力面的齿根两齿间均形成马鞍形凹面。该叶轮装置能有效地消除梢涡，提高叶轮的效率。

Description

一种叶轮装置

技术领域

本发明涉及一种叶轮装置。

背景技术

为了减小螺旋桨、叶片泵、风机、水轮机和旋翼等有旋转叶片的机械(叶轮机械)装置的梢涡产生的噪音、振动和空泡及空泡剥蚀对环境的污染和对这些装置自身的危害，延长其使用寿命，必须减小或消除其梢涡。但是涡是伴随着流体动力一起产生的，要想得到流体动力就必然有涡产生。象梢涡是旋转叶片在外半径处各相邻半径间的环量差产生的马蹄涡的一支形成的自由尾涡翻卷而成的(见图1)。梢涡对流体有很强的诱导作用，因此会诱导出强烈的脉动流，该脉动流就产生出很强的噪音和脉动力，脉动力又加大了噪音并诱发振动，严重地污染了环境，象矿井和隧道口的风机发出的令人烦恼的噪音主要就是梢涡产生的。直升飞机的旋翼的梢涡是直升飞机的主要噪音和振动源，其桨涡干扰就更使问题变得严重和复杂。在水力机械上梢涡中的低压使之过早地初生了空化，其强烈的空化噪音将暴露舰艇目标使之丧失战斗力。水泵和水轮机上的梢涡空泡在其外壳的内壁上剥蚀出一片一片的蜂窝状空洞，每隔一二年就得用不锈钢补焊并打磨一次，既影响其正常运转，又耗费财力。

现有技术对这些有旋转叶片的流体机械的梢涡及其危害却至今无相当有效的解决办法，顶多在螺旋桨的近叶梢处减小些负荷以减小其梢涡，但这样做作用不大却影响了其效率。虽然，西班牙新德里大学曾有人提出过在叶梢加端板以形成无梢涡(TVF)螺旋桨的技术，但由于端板的阻力影响了螺旋桨的效率，且由于船后螺旋桨的进流不均匀，端板处时有分离流出现，故该技术难以推广。我们也曾研究过用叶梢向叶面(压力面)弯曲和侧斜的反弯扭技术来消除或减小梢涡，该技术能在一定程度上减小梢涡，取得了一定的减振降噪效果，但在重负荷时反弯扭叶片还是压不住梢涡。

以前，国外有人用锯齿形随边来消除螺旋浆的鸣音，其依据的是用螺旋浆叶片随边结构的交叉变化来破坏其展向相关性，从而减小对其尾流中的卡门涡街的激励作用的响应(卡门涡街不参与形成梢涡，是一种横向涡；卡门涡街的激励作用是流体机械或电线等产生蜂鸣的原因，是一种共振现象。)，以此来消除鸣音。但是，由于鸣音往往由浆叶内半径较厚的随边诱发，故锯齿形随边必须从0.5R(R为螺旋浆半径)处做起，而对于叶梢弦长是否为零无要求。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种在叶梢部位其环量逐渐减小为零时能有效消除梢涡的叶轮装置。

本发明的另一个目的是提高叶轮装置的效率。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：一种叶轮装置，包括锯齿形旋转叶片和安装叶片的轮毂，其特点是，所述旋转叶片的叶梢的弦长必须小于5％的叶轮直径，锯齿形分布在旋转叶片半径的0.75至1.0倍处的随边上，从齿中间到齿的边缘由厚变薄，且在旋转叶片的压力面和吸力面的齿根两齿间均形成马鞍形凹面。

所述旋转叶片随边锯齿的齿顶角小于120°，所述齿的高度小于3％锯齿所在处叶片宽度。

所述齿的靠近叶梢一侧的齿的外侧边与该边齿根处旋转方向的夹角大于或等于180°。

所述旋转叶片的形状是直叶的或侧斜的或弯扭的。

所述旋转叶片和轮毂的联接是整体铸造的或铰接的。

附图说明

下面借助于附图更详细地说明本发明，其中：

图1是关于梢涡的示意图。

图2是本发明的叶轮装置的平面图。

图3是图2的A向剖面图。

具体实施方式

请参阅图2所示，本发明是一种利用在螺旋桨、叶片泵、风机、水轮机和旋翼等流体机械的旋转叶片2的叶梢随边处的锯齿3来消除或减小梢涡的技术。由于形成梢涡的自由尾涡是由各半径间的环量差产生的，而这环量差是从叶片中部最大环量到叶梢为零的马蹄涡的一支形成的，因此，本发明的特点是它必须由在环量开始下降的外半径的随边处加工成锯齿形的旋转叶片2及安装叶片的轮毂1组成。旋转叶片2的形状可以是直叶的也可以是侧斜的或弯扭的，但由于一定的弦长是环量的载体，叶梢弦长较大的叶片在叶梢处的环量必定较大，且要一下子降为零，故该处的环量差很大，其形成的尾涡也特强，无法用锯齿3将其分割开来，从而无法避免其形成较强的梢涡。因此，用随边锯齿3消除梢涡的技术的旋转叶片2的叶梢的弦长必须小于5％D(D为叶轮机械的直径)，旋转叶片2与轮毂1的联接可以是整体铸造的也可以是铰接的，锯齿3分布在旋转叶片2的0.75R至1.0R(R为螺旋桨、叶片泵、风机、水轮机和旋翼地半径)之间的随边上，从齿中间到齿的边缘由厚变薄，在旋转叶片2的压力面4和吸力面5的齿根7两齿间均形成马鞍形凹面6(见图3)，以使流体形成涡汇，从而起到分割自由尾涡，防止其翻卷成梢涡，故齿根7的边缘也要变薄，马鞍形凹面6甚至可以延伸到旋转叶片2的压力面4和吸力面5上，以增强其形成涡汇的作用，并减小流体边界层内的紊流脉动性。

这里提出的仿照猫头鹰翅膀的锯齿形后缘构造有锯齿形随边(见图2)的叶梢的技术能在各种条件下(包括重负荷时)极大地减小有旋转叶片2的流体机械的梢涡。这是因为锯齿形随边的马鞍形凹面6能使流体在此形成涡汇，此涡汇把连成一片的自由尾涡分割成一条一条的离散涡使之不能翻卷成一个单一的梢涡(这些离散涡在到达叶梢时由于相位和强度不同，有相互耗散作用)，同样由于这些离散涡作用在流场中的某一点时由于相位和强度不同，其作用将互相抵消，故其诱导脉动流的作用将大大减弱，从而极大地减小了旋转叶片2的流体机械的梢涡及其引发的噪音和振动。与此同时，由于减小了梢涡损失，有旋转叶片2的流体机械的效率也提高了。例如，某艇螺距比约为1的螺旋桨在进速系数J＝0.5左右的重负荷工况时，用常规平直叶片时螺旋桨水噪音为156-161dB(各频段有不同的声级)，用反弯扭叶片时水噪音为143-153dB，用反弯扭的锯齿形叶梢叶片时水噪音为139-150dB，对船底板的激振力，上述各桨相应的值分别为4.88kPa，3.79kPa和1.93kPa，而螺旋桨效率用反弯扭叶片时比用常规叶片时提高了约3％，用锯齿形叶片时又比反弯扭叶片时提高了2.5％。从上述数据可以看到用锯齿形叶梢可降低噪音3-5dB，降低激振力44.2％。这充分证明了用马鞍形凹面产生的涡汇分割自由尾涡理论的正确性，也证明了用锯齿形随边的叶梢消除梢涡的技术是切实可行的。

为了有效分割自由尾涡，防止锯齿过大过疏，并防止影响旋转叶片2的流体动力性能，本发明的旋转叶片2随边锯齿3的齿顶角小于120°，齿高小于3％叶剖面弦长(即，锯齿所在处桨叶宽度)。因为齿高过大会破坏叶轮机械的水动力性能，因而影响其效率。而齿角过大会使锯齿太宽，达不到分割自由尾涡的目的，例如，弦长C为0.425D的叶片处3％C齿高的齿尖8的齿顶角为120°的话，齿宽就达0.044R，这样在0.25R的有效消涡范围内只能布置5个齿，与现在的布置了10个齿的锯齿形叶梢相比其梢涡的作用要减小一半，因此，其减振降噪作用也要减小一半左右。现在用小锯齿消除或减小了梢涡后，节省了原来产生梢涡的能量，故可以达到本发明的另一目的，提高了叶轮机械的效率。

在水动力机械中，如果不注意叶梢部位锯齿的形状，使其成为旋转叶片2的一部分导边(迎向进流的一边)，那么由于锯齿形的横剖面不是很好的流线型，锯齿形上将产生额外的空泡，其后果是引起噪音和激振力激增。因此，此时齿的靠近叶梢的一侧的外侧边与该处导边的法线方向的夹角必须大于或等于180°。

Claims

1、一种叶轮装置，包括锯齿形旋转叶片和安装叶片的轮毂，其特征在于，所述旋转叶片的叶梢的弦长必须小于5％的叶轮直径，锯齿形分布在旋转叶片半径的0.75至1.0倍处的随边上，从齿中间到齿的边缘由厚变薄，且在旋转叶片的压力面和吸力面的齿根两齿间均形成马鞍形凹面。

2、根据权利要求1所述的叶轮装置，其特征在于，所述旋转叶片随边锯齿的齿顶角小于120°，所述齿的高度小于3％锯齿所在处叶片宽度。

3、根据权利要求1所述的叶轮装置，其特征在于，所述齿的靠近叶梢一侧的齿的外侧边与该边齿根处旋转方向的夹角大于或等于180°。

4、根据权利要求1所述的叶轮装置，其特征在于，所述旋转叶片的形状是直叶的或侧斜的或弯扭的。

5、根据权利要求1所述的叶轮装置，其特征在于，所述旋转叶片和轮毂的联接是整体铸造的或铰接的。