CN105317734A - 一种脊状表面减阻的翼型叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脊状表面减阻的翼型叶片，用以减少泵与风机运行时的流动阻力和能量损失，具体指布置在翼型叶片表面的“V”型脊状结构，脊状结构之间相对间隔尺寸定为a、h和s，气流流过叶片流道时，脊状结构沟谷内形成的稳定的二次涡，能够显著减小黏性阻力。本发明减小了叶片与气流间的阻力，具有降低能耗的优点。

Description

一种脊状表面减阻的翼型叶片

技术领域

本发明属于泵与风机减阻增效节能领域，具体指一种以非光滑脊状结构表面来达到减阻节能效果的叶片。

背景技术

泵与风机类流体机械，其在国民生产生活中占有重要地位的同时，也消耗了大量的能源。例如，锅炉送、引风机作为发电厂重要的辅助设备，其耗电量约占厂用电的30％。对于泵与风机等旋转流体机械而言，因流体黏性而产生的摩擦作用，对其性能有着重要的影响。当气流流过叶片流道时，因黏性作用在叶片表面产生的边界层，其厚度虽小，却使得叶轮流道有效通流截面积减小，此外因黏性引发的边界层分离、二次流等现象，都会引起泵与风机的流动损失。尽可能地减少流体在泵与风机内部的流动阻力和能量损失，对提高效率、降低能耗具有重要的意义。传统泵与风机叶片，加工工艺粗糙，结构简单，机械工作时受流体黏性影响大，甚至影响泵与风机稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过脊状表面减阻的翼型叶片，减小泵与风机运行时所受流体黏性的影响，减小流动阻力和能量损失，进而提高效率、降低能耗。

为达到上述目的，本发明提供一种通过脊状表面减阻的翼型叶片，用以减少泵与风机运行时的流动阻力和能量损失，包括：“V”型的脊状结构，脊状结构之间相对间隔尺寸a、h和s可根据实际情况调整。相比其他多种形状的脊状结构，如“U”型“L”型等，“V”型的脊状结构内二次涡的形成更加稳定，产生的能量损耗更小，具有更好的减阻效果。同时，根据不同的流速和流体，适当改变相对间隔的尺寸a可以使脊状结构内形成稳定的、形状和位置基本相同的二次涡，使得这些涡既没有向外扩散，也无明显的相互影响，所产生的湍流耗散明显减小，减阻效果明显。同时，脊状结构的减阻效果也受流速、流体物性参数、脊状结构尺寸和叶片尺寸等多个因素影响，因此定义无量纲参数s⁺和h⁺。

h⁺＝h·v_τ/v，s⁺＝s·v_τ/v，其中h为脊状结构高度，s为脊状结构间距，v_τ为壁面摩擦速度，v为流体的运动粘度，τ_w为壁面剪切应力。

τ_w的计算参考板经验公式： ${\mathrm{\τ}}_w=0.0225\mathrm{\ρ}{U}^2{\left(\frac{v}{\mathrm{U\δ}}\right)}^{\frac{1}{4}}$

式中， $\mathrm{\δ}=0.37x{\left(\frac{v}{\mathrm{Ux}}\right)}^{\frac{1}{5}}=0.37x{\mathrm{Re}}^{-\frac{1}{5}},$ 化简后既得：

${\mathrm{\τ}}_w=0.02885\mathrm{\ρ}{U}^2{\mathrm{Re}}^{-\frac{1}{5}},h^{+}=\frac{0.17\mathrm{hU}{\mathrm{Re}}^{-\frac{1}{10}}}{v},s^{+}=\frac{0.17\mathrm{sU}{\mathrm{Re}}^{-\frac{1}{10}}}{v}$

若无量纲参数s⁺和h⁺较大，则表明脊状结构的相对尺寸较大，当流体流速一定时，会产生较大的压差阻力和湍流耗散，减弱减阻效果或增大叶片阻力。因此在本发明中建议无量纲参数s⁺≤30和h⁺≤25，在该范围内能够达到较好的减阻效果，具体最优的脊状结构尺寸大小则需根据叶片实际运行工况中各参数大小确定。

本发明的非光滑的脊状结构表面叶片，当气流流过叶片流道时，在脊状结构沟谷内部由于受黏性所阻滞产生部分低速流动的气体，形成了稳定的二次涡，产生了机械中“滚动轴承”的作用，达到了减小黏性阻力的效果。同时，脊状表面湍流边界层近壁面的法向速度梯度明显低于光滑表面，从而，脊状结构的存在减小了壁面上平均速度梯度，使剪切应力减小，达到明显的减阻效果。

与现有技术相比，本发明减小了叶片与气流间的阻力，具有降低能耗的优点。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1为不同形状的脊状结构示意图；

图2为本发明脊状结构表面叶片示意图；

图3为脊状结构局部流场示意图；

图4为脊状结构单元示意图；

图5为原翼型叶片二维示意图；

图6为脊状表面翼型叶片二维示意图；

图7为脊状表面翼型叶片二维局部放大示意图；

图中：1-流体相对叶片运动方向，2-叶片，3-脊状结构，4-二次涡。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明

如图1至图7，一种脊状表面减阻的翼型叶片，在叶片2的表面布置“V型”脊状结构3，脊状结构3的沟槽走向与流体相对叶片运动方向1垂直，其沟槽尺寸特征由槽深h、槽宽s及槽间距a确定，由于该减阻技术仅适用于紊流状态，在叶片表面需将脊状结构布置于叶片的中后部，即流体绕流叶片时达到紊流的充分发展部分。同时，为了使脊状结构的布置能够更好的适应叶片本身的流线型，不对叶片的气动特性产生较大影响，则按如下方法进行布置：将如图4所示单个脊状结构命名为一个单元，经过严格计算，保证该“V型”单元的两边呈对称结构且尺寸不随表面发展而发生变化；根据脊状结构尺寸的大小将一段连续脊状结构定义为10～50个单元，每个单元之间沿翼型型线方向首尾相接；将整个脊状结构布置区域根据实际尺寸分为若干个连续脊状结构段，每段起点与终点位置由叶片表面的流线外形坐标位置确定。采用这样的布置方法既能减小复杂的脊状结构在翼型叶片表面均匀连续布置的难度，又能使大面积的脊状结构区域尽可能充分的适应翼型叶片表面的流线型，不改变叶片本身设计的气动特性。当流体与叶片发生相对运动时，该脊状结构表面叶片的沟槽内会因脊状结构与流场的相互作用，而形成稳定的、形状和位置基本相同的二次涡，这些涡之间无明显的相互影响，其在脊状结构内引起的与原流体运动方向相反的回流，造成脊状结构内黏性阻力的方向与总阻力方向相反，产生的类似机械中“滚动轴承”的作用，可以减小黏性阻力，产生明显的减阻效果。更为具体的，为了适应不同的流体种类以及叶片结构，该脊状表面的布置范围以及脊状结构的尺寸特征h、a和s，均可根据实际应用需要进行调整和优化，以达到更优的减阻效果。

Claims (4)

1.一种脊状表面减阻的翼型叶片，其特征是：在叶片的表面布置“V”型脊状结构，脊状结构的沟槽走向与流体相对叶片运动方向垂直，其沟槽尺寸特征由槽深、槽宽、及槽间距确定。

2.根据权利要求1所述的一种脊状表面减阻的翼型叶片，其特征是：所述“V”型脊状结构布置在翼型叶片表面。

3.根据权利要求1所述的一种脊状表面减阻的翼型叶片，其特征是：所述“V”型脊状结构的沟槽走向与流体相对叶片运动方向垂直。

4.根据权利要求1所述的一种脊状表面减阻的翼型叶片，其特征是：所述“V”型脊状结构的尺寸特征由槽深、槽宽、及槽间距确定，并可根据实际应用需要进行调整和优化，以达到更优的减阻效果。