CN1414249A - 一种叶片式机械的叶片叶尖结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片式机械叶片叶尖结构，其主要特点是沿叶片叶尖旋转的圆周方向上增加一定的宽度，形成叶尖副叶，并在叶尖副叶与叶片式机械机壳内壁相对的面上设置大量的凹陷，通过进一步优化叶尖副叶的宽度、厚度以及形状等，达到比较有效地抑制叶片式机械叶尖涡流噪声的目的。本结构的工艺性比较好，对于降低轴流风机、斜流式风机、混流式风机、轴流泵等叶片式机械噪声有显著成效。

Description

一种叶片式机械的叶片叶尖结构

技术领域

本发明专利涉及叶片式机械的技术领域，具体是叶片式机械的一种叶片的叶尖结构。

技术背景

目前叶片式机械的叶尖间隙涡流噪声控制方面，比较成功的结构主要有：减少间隙法和旋转围带法。减少间隙法是采用减少叶片叶尖与叶片式机械外壳间隙的办法来增大形成叶尖间隙涡流的阻力，从而减轻叶尖涡流的形成。在实践中，该方法已经在降低叶尖间隙涡流噪声方面发挥了一定的作用。但是，由于要实现几乎是零间隙，即叶尖间隙涡流不易形成或造成的危害不大的情况，在制造方面是非常不易实现的。使用旋转围带法也是一种非常有效的降低该种噪声的手段，它是用完全封闭的环形围带连接到叶片顶部，实现了完全意义上的叶尖间隙为零的情况，消除了叶尖涡流的形成。但是，该结构又形成了旋转围带与固定机壳的间隙，随着该间隙的产生，环壁边界层噪声产生了，形成了新的噪声源，同时旋转围带在众多叶片式机械中安装非常不易，降低了该方法的适用性。

发明内容

本发明的目的在于在借鉴前辈技术精华的基础上，力争克服现有技术的不足之处，提供一种能够在实践中比较容易使用，比较有效地抑制叶片式机械叶尖涡流噪声的一种叶片叶尖结构。

本发明的目的是这样实现的：在叶片式机械叶片叶尖设计叶尖副叶，叶尖副叶是通过在处于叶片叶尖旋转的圆周内，增加叶尖沿圆周方面宽度而形成。在与叶片式机械机壳内壁相对的面上设有大量的凹陷，作为叶片叶尖辅助结构。叶尖副叶的长度尺寸L应不超过两倍弦长，叶尖副叶的最大宽度尺寸K也不大于两倍弦长。叶尖副叶的长度尺寸最好控制在叶片其它部份轴向投影的尺寸范围内，叶尖副叶的最大宽度尺寸K的最佳值为小于20mm。副叶与叶片相交的角度∠Q的数值，一般可以在0°～30°中选择，最好是3°～10°。副叶的厚度t一般为大于0小于10mm，最好是大于0.5mm小于5mm。叶尖副叶尾部最好位于叶片尾缘，叶尖副叶尾部与叶片尾缘相交部份的副叶宽度F值，最好是叶尖副叶的最小宽度部份，其数值为大于叶片尾缘厚度小于6mm。叶片副叶最好设计成最大宽度位于副叶中部的，且整个副叶位于叶片吸力面那边的弓形。叶尖副叶上的凹陷式迷宫，是众多凹陷构成的，这些凹陷的截面可以是圆形、椭圆、长条形、三角形、矩形、方形、五边形、六边形和其它任何形状，最好是圆形。在深度上可以是上下宽度完全一样的柱体，也可以是上下宽度逐渐减少的台状和锥体，还可以是上下宽度任意变化的异型体，最好是上下宽度逐渐减少的台体。在副叶宽度方向上的凹陷宽度S为0.1～5mm，最好为2～3mm。凹陷的深度N与宽度S之比为0.05～1.5，对于柱体状的凹陷最好为0.25～0.35，锥体类的最好为0.5～1，锥度为10°～30°的台体最好为0.30～0.40，凹陷的深度N与宽度S之比在副叶较厚的地方最好取大值，相反最好取小值。相邻凹陷的墙体的最小宽度一般为0.1～5mm，最好为0.5～2mm。在凹陷分布上，可以任意分布，但最好是交错分布。对于条形凹陷，最好是其长度方向平行于或接近平行于叶尖副叶的中心线。叶尖副叶上的凹陷式迷宫，最好是锥度为10°～30°的圆台，圆台的最大直径最好为2～3mm，圆台的深度N与最大直径S之比最好为0.30～0.40，圆台最好是交错分布。

本发明与现有技术相比的优点，主要是提供了一种工艺性比较好的，能够有效抑制叶片式机械叶尖涡流噪声的，叶片叶尖结构。本发明对于降低叶片式机械叶尖涡流噪声，即降低轴流风机、斜流式风机、混流式风机、轴流泵等叶片式机械噪声有显著成效。

附图说明

图1是叶尖涡流示意图；

图2是叶尖涡流立体示意图；

图3是叶尖副叶主视图；

图4是叶尖副叶俯视图；

图5是叶尖副叶A向视图；

图6是较好叶尖副叶俯视图；

图7是较好叶尖副叶P向视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：以轴流风机为例来说明叶尖间隙涡流噪音的形成原因和控制机理。在轴流风机中，随着风机叶片1的转动，叶片负载的增加，形成了气流的轴向运动，即主流X，也形成了叶片1压力面与吸力面沿叶片前缘到尾缘不断增加的压力差，同时，由于叶尖2与风机机壳4有较大的间隙存在，使得气流通过叶尖从压力面流向吸力面，形成了从叶片前缘到尾缘规模不断扩大的叶尖涡流Y，如图1和图2所示。随着叶片负载的增加，叶片的压力面与吸力面的压差增大，叶尖涡流也增大。在叶片轻负载的情况下，会产生较小的叶尖涡流，该叶尖涡流比较容易被主流冲走，形成低噪声状态。当叶片负载足够时，叶尖涡流会增长到不易被主流冲走的状态，碰撞到甚至完全浸没后一叶片，这时叶尖涡流与后一叶片发生强烈冲击，形成强烈的干扰噪声。如果能够抑制叶尖涡流的形成规模，增加叶尖涡流与后一叶片相互作用的难度，就能够减轻叶尖涡流与后一叶片产生干扰噪声的程度，甚至会完全被主流带走形成低噪声状态。

本发明正是从该机理出发，来抑制叶尖涡流噪声的。参见兔、图4和图5，本发明所述的叶尖副叶3，是一个位于叶片叶尖2上、在叶尖旋转的圆周方面增加一定宽度而形成的。在副叶3与叶片式机械机壳相对的面上有或没有大量的凹陷5，作为辅助结构。该叶尖副叶3在下面几方面发挥了作用：1)叶尖加宽后，增大了气流通过叶尖的距离，即气流从原来的B2到B3，增大为B1到B4，在相同的叶尖间隙的情况下，气流通过叶尖的风阻大幅度提高，减轻了叶尖涡流形成的规模；2)位于叶尖副叶上的大量凹陷，由于其位于气流通过叶尖与机壳的间隙内，这些凹陷发挥了直通式迷宫的作用，大幅度提高了气流通过叶尖的风阻，削弱了叶尖涡流的形成；3)叶尖加宽后，削弱了叶尖间隙的气压差，由于气压在轴向的分布是在吸力面从高气压到低气压，在叶片的作用下形成了，在压力面从高气压并流向低气压，即点B4的气压高于点B3，点B2的气压高于B1，这样B1与34的气压差低于B2与B3的气压差，从而使得形成叶尖涡流的原动力气压差降低，从而降低叶尖涡流的规模；4)由于主流的方向是从叶片的前缘流向尾缘，同样叶尖涡流也是沿着叶片前缘到尾缘的方向被冲走，也就意味着叶尖涡流最容易撞击叶片的尾缘，同时由于为了削弱不稳定的T-S波及层流边界层涡流脱落的影响，叶片尾缘都比较薄，比较容易起振，这样就形成了最容易受到叶尖涡流攻击的，同时也是强度最薄弱的，C3点的存在，在有叶尖副叶存在的情况下，该点的强度大幅增加，有力地削弱了该点的振动。5)叶尖副叶的存在也并非完全都是有利的，主要不利因素主要体现在：第一，叶尖副叶加宽了叶顶，使得叶尖涡流形成的位置后移，使得叶尖涡流距离后一叶片的距离更近，也更容易撞击后一叶片；第二，叶尖副叶都有一定的厚度，在压力边的e1点会产生层流撞击叶片，在吸力边的e4点也会产生层流脱落形成紊流。

因此，在叶尖副叶设计中既要发挥其有利的方面，同时也要抑制其不利的因素，具体来讲叶尖副叶设计应注意以下事项：

1、叶尖副叶的长度L应不超过两倍弦长，并最好控制在叶片其它部份轴向投影的尺寸范围内，即L＝L1。在靠近叶片前缘的叶尖处产生的叶尖涡流较少，使得叶尖副叶的C1C2部份没有什么意义，不仅如此，还由于其前凸和有一定的厚度，容易产生层流和层流脱落紊流，形成负面效应。在靠近叶片尾缘的C3C4部份的叶尖副叶也是如此，虽然靠近尾缘的叶尖处产生的涡流较多，但是其被主流仅需冲走很少的距离就不会与后一叶片相撞，相反，过长的C3C4部分还使得叶尖涡流即使没有撞击到后一叶片的其它部份，但是非常容易撞击到C3C4部分而形成负面效应，这也是图6为最佳设计方案的原因之一。

2、叶尖副叶的最大宽度尺寸K不大于两倍弦长，最佳K值为小于20mm。为了克服叶尖副叶产生过多的层流和层流脱落的不良影响，叶尖副叶制造较薄，过宽的薄形零件在冲击下比较容易产生振动，形成新的噪声源。同时过宽的副叶虽然降低了叶尖涡流的规模，但是造成了叶尖涡流与后一叶片距离的移近，即叶尖涡流更容易撞击后一叶片产生噪声。另外，过宽的叶尖副叶也大幅度降低了其工艺性。因此，在能够适当抑制叶尖涡流产生的情况下，叶尖副叶宽度应降低，比较合理的数值为小于20mm。对于最佳叶片宽度，影响的因素非常众多，可依据下列原则调整；叶片副叶上的凹陷抗透气性能越好，K值也可适当减小；叶片的线速度越高，K值也越小；叶片的轴向尺寸越小，K值越大；主流的速度越大，K值也越大；相邻两叶片的叶尖距离(弦长)越大，K值也越大。

3、叶尖副叶尾部最好位于叶片尾缘，叶尖副叶尾部与叶片尾缘相交部份的副叶宽度F值，最好是叶尖副叶的最小宽度部份，其数值为大于叶片尾缘厚度小于6mm。这主要在于，一方面可以减少其与涡流冲击的可能性，另一方面也便于提高叶片尾缘的该处的抗冲击能力。

4、叶片副叶最好设计成最大宽度位于副叶中部的，且整个副叶位于叶片吸力面那边的弓形。如图6和图7所示，Z为叶片工作区域。如果副叶有部份位于压力面，必然在该部份副叶的作用产生层流，由于该层流距离压力面太近，无法被主动冲走，极易产生干扰，成为新的噪声源。为了降低层流的影响，必然副叶设计较薄，使得在副叶上设计的凹陷的深度非常有限，透气性提高，使得同等宽度的副叶性能降低。同时，由于该部份副叶也是最易与前一叶片的涡流产生冲击的部份，造成薄形结构起振成为噪声源。因此，在压力面设计副叶部件方案不佳。当副叶位于吸力面的情况就完全不同了，虽然仍然有层流脱离的存在，但是其产生的紊流有限，且弓形结构的存在使得层流脱离在比较宽的范围内，使得形成的有限紊流比较分散不集中，非常容易被主流冲走，负面效应不大。同时由于位于吸力面，使得副叶与叶片相交的R可以较大，∠Q的数值也可以较大，一般可以在0°～30°中选择，最好在3°～10°。这样副叶在大部分相对可以做得较厚，这样位于副叶上部的大部分凹陷，可以做得较深，提高了迷宫的抗透气性能，相应提高了副叶的综合性能。因此，副叶的厚度t一般为大于0小于10mm，最好是大于05mm小于5mm。

5、叶尖副叶上的凹陷式迷宫，是众多凹陷构成的。这些凹陷的截面可以是圆形、椭圆、长条形、三角形、方形、矩形、五边形、六边形以及其它任何形状。从抗透气性的角度上讲，截面形状影响不大；从工艺上讲，圆形较好。在深度上，凹陷可以是上下宽度完全一样的柱体，也可以是上下宽度逐渐减少的台体和锥体，还可以是上下宽度任意变化的异型体。从抗透气性的角度上讲，有的异型体性能超群，其次是柱体较好；从有利于叶尖副叶有相当的强度上讲，台体较好，有的异型体最差；从工艺上，台体也较好，有的异型体最差。且小锥度台体的抗透气性与柱体没有本质区别。因此，锥度为10°～30°的圆台综合指标较好。在副叶宽度方向上的凹陷宽度S为0.1～5mm，最好为2～3mm，凹陷的深度N与宽度S之比为0.05～1.5，对于柱体状的凹陷最好为0.25～0.30，锥体类的最好为0.5～1，锥度为10°～30°的台体最好为0.30～0.40。凹陷的深度N与宽度S之比在副叶较厚的地方最好取大值，相反最好取小值。相邻凹陷的墙体的最小宽度一般为0.1～5mm，最好为0.5～2mm。在凹陷分布上，可以任意分布，但最好是交错分布，对于条形凹陷最好是其长度方向平行于或接近平行于叶尖副叶的中心线。

Claims (10)

1、一种叶片式机械的叶片叶尖结构，其特征在于沿叶片叶尖旋转的圆周方向增加一定的宽度，形成叶尖副叶。

2、根据权利要求1所述的叶片叶尖结构，其特征在于叶尖副叶在与叶片式机械机壳内壁相对的面上设有大量的凹陷。

3、根据权利要求1或2所述的叶片叶尖结构，其特征在于叶尖副叶的长度L不超过两倍弦长，叶尖副叶的最大宽度尺寸K不大于两倍弦长，叶尖副叶与叶片相交的角度∠Q的数值为0°～30°，副叶的厚度t大于0小于10mm。

4、根据权利要求3所述的叶片叶尖结构，其特征在于叶尖副叶的长度尺寸最好控制在叶片其它部份轴向投影的尺寸范围内，叶尖副叶的最大宽度尺寸K的最佳值为小于20mm，副叶与叶片相交的角度∠Q的数值最好是3°～10°，副叶的厚度t最好是大于0.5mm并小于5mm。

5、根据权利要求1或2所述的叶片叶尖结构，其特征在于叶尖副叶尾部最好位于叶片尾缘，叶尖副叶尾部与叶片尾缘相交部份的副叶宽度F值，最好是叶尖副叶的最小宽度部份，其数值为大于叶片尾缘厚度并小于6mm。

6、根据权利要求1或2所述的叶片叶尖结构，其特征在于叶尖副叶的最大宽度最好位于副叶中部。

7、根据权利要求1或2所述的叶片叶尖结构，其特征在于叶尖副叶最好是整个副叶位于叶片吸力面那边的弓形。

8、根据权利要求2所述的叶片叶尖结构，其特征在于叶尖副叶上的凹陷任意分布，截面为圆形、椭圆、长条形、三角形、矩形、方形、五边形或六边形，在深度上可以是上下宽度完全一样的柱体，也可以是上下宽度逐渐减少的台体和锥体，还可以是上下宽度任意变化的异型体，在副叶宽度方向上的凹陷宽度S为0.1～5mm，凹陷的深度N与宽度S之比为0.05～1.5，相邻凹陷的墙体的最小宽度一般为0.1～5mm。

9、根据权利要求8所述的叶片叶尖结构，其特征在于凹陷的截面最好是圆形，在深度上最好是上下宽度逐渐减少的台体；在副叶宽度方向上的凹陷宽度S最好为2～3mm，凹陷的深度N与宽度S之比，对于柱体状的凹陷最好为0.25～0.30，锥体类的最好为0.5～1，锥度为10°～30°的台体最好为0.30～0.40，副叶上凹陷的深度N与宽度S之比在副叶较厚的地方最好取大值，相反最好取小值，相邻凹陷的墙体的最小宽度最好为0.5～2mm，凹陷最好是交错分布，对于条形凹陷最好是其长度方向平行于或接近平行于叶尖副叶的中心线。

10、根据权利要求8所述的叶片叶尖结构，其特征在于叶尖副叶上的凹陷好是锥度为10°～30°的圆台，圆台的最大直径最好为2～3mm，圆台的深度N与最大直径S之比最好为0.30～0.40，圆台最好是交错分布。

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