CN108457704B - 一种仿生叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生叶片，叶片具有旋轴初始边、旋轴终点边和阿基米德曲线顶边构成，旋轴初始边的长度为L，旋轴终点边的长度为d，旋轴初始边和旋轴终点边之间的夹角为θ；叶片符合公式：采用圆柱旋转切除的方法对所得叶片域进行切割，最终取得叶轮叶片；本发明通过结合大自然界中的常见曲线——阿基米德曲线，使得流体机械在叶片设计中不再以设计者的经验去参考，而是让叶片设计的更为规范、设计精度更高。本发明在叶片曲面的拟合上符合流体在自然流动情况下的螺旋形有利于叶片对其输送及做功，从而提高其工作效率，降低能耗。

Description

一种仿生叶片

技术领域

本发明为泵、螺旋桨、风扇等流体机械的叶片，该叶片结合了大自然中最常见的曲线——阿基米德曲线。相比于其他叶片的设计而言，该叶片设计精度更高，具更好的流动曲线，对于流体的输送更加有利，使输送效率得到提升。

背景技术

在泵、螺旋桨、风扇等流体机械中，叶片作为核心部件，直接与流体接触，对流体的运输、做功起着及其重要的作用，因此，叶片的设计尤为重要。如今国内外流体机械效率不高，能耗较大，这很大程度上取决于叶片的设计还不够完善，这其中造成最严重的问题就是汽蚀现象，汽蚀对叶片的损害极大，使得叶片的寿命缩短，工作效率降低。现阶段，叶片的设计主要采用相似设计的原理，在曲面的拟合上设计者一般采用光滑过度即可，没有固定的标准，而汽蚀现象程度受叶片弯曲程度的影响，非定量的设计也就造成了叶片使用寿命短，效率不高，能耗大等问题。因此，寻求优质的过度曲线成为提升叶片效率的一条捷径。

事实上，科学研究表明大自然在传递流体或者穿过流体的物质时，采用的路径并不是直线，而是一种与浴缸下水时的涡流同样的螺旋形。那么，在叶片曲面的拟合上能符合流体在自然流动情况下的螺旋形会有利于叶片对其输送及做功，从而提高其工作效率，降低能耗。而在自然界中最为常见的二维螺旋线就是阿基米德曲线，即一点沿一条射线等速率运动的同时，这条射线又以等角速度绕起始点旋转。如图1所示，阿基米德曲线的几何特点是螺线每相邻圈之间极径的距离相等，匀速向外扩展。本发明就是基于阿基米德曲线来设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生叶片，通过结合大自然界中的常见曲线——阿基米德曲线，使得流体机械在叶片设计中不再以设计者的经验去参考，而是让叶片设计的更为规范、设计精度更高。

本发明通过三维软件中的方程式曲线构造来阿基米德曲线，由于阿基米德曲线是一个二维曲线，而流体的流动符合三维螺旋线。因此，给予阿基米德曲线添加一个方向的参数方程，即获得阿基米德螺旋线。在叶片的设计中，螺距是影响叶片弯曲程度的重要因素之一，为此根据阿基米德曲线的几何特点，添加螺距方向的参数方程符合匀速扩展的特点，即线性增长。从而获得了整个阿基米德螺旋线参数方程。

在叶片的设计中，对于叶片的弯曲程度大多数设计者是根据经验来去拟合，而在该新型叶片的设计中，旋轴初始边1的长度L、旋轴初始边1和旋轴终点边2之间的夹角θ来调控，θ越大，曲面的弯曲程度越大，反之越小；这样就不再是传统方式中设计者根据经验来去调控叶片弯曲程度，而是通过角度θ更为直观便捷的去调控叶片倾角。

本发明的叶片具有旋轴初始边1、旋轴终点边2和阿基米德曲线顶边3构成，旋轴初始边1的长度为L，旋轴终点边2的长度为d，旋轴初始边1和旋轴终点边2之间的夹角为θ；

叶片符合下述公式：

叶片的参数方程为x、y、z均为坐标轴，其单位是毫米。

叶片曲面的斜率通过旋轴初始边1的长度L和夹角θ来调控，θ越大，曲面的弯曲程度越大，反之越小；采用圆柱旋转切除的方法对所得叶片域4进行切割，最终取得叶轮叶片5；

其中：是叶片的阿基米德曲线6；x、y均为坐标轴，其单位是毫米；

a为无量纲常系数，其值满足公式a＝D₂+c，D₂为叶轮出口直径，c为无量纲常数，c取值范围为50～100；t为无量纲，取值范围为0～1；π为圆周率；常系数a决定了阿基米德曲线向外扩展的范围，以保证了足够的叶片区域4。

其中：z＝bt是在阿基米德曲线的基础上添加的螺距方向上的参数方程；z为坐标轴，其单位是毫米，t为无量纲，其取值范围为0～1；b为无量纲常系数，根据a的取值范围，利用公式求得b的取值范围，常系数b决定了单圈螺距的大小。

本发明的有益效果：

通过结合大自然界中的常见曲线——阿基米德曲线，使得流体机械在叶片设计中不再以设计者的经验去参考，而是让叶片设计的更为规范、设计精度更高。本发明在叶片曲面的拟合上符合流体在自然流动情况下的螺旋形有利于叶片对其输送及做功，从而提高其工作效率，降低能耗。

附图说明

图1为本发明的阿基米德曲线。

图2为本发明所用的阿基米德曲线。

图3为本发明的阿基米德曲线叶片域图。

图4为本发明的阿基米德曲线叶轮叶片立体示意图。

图5为本发明的用于叶轮的示意图。

具体实施方式

本实施例以泵的叶轮为例，加以说明；如图2至图5所示；

泵的叶轮的出口直径D₂符合下述公式：

其中：Q是流量、H是扬程、n是转速、n_s为比转速，k_D2为速度系数；D₂＝124mm确定叶片的阿基米德曲线：x、y均为坐标轴，其单位是毫米；

其中：a为常系数，t为无量纲，取值范围为0～1。根据叶轮出口直径D₂确定常系数a的取值范围为174～224，常系数a决定了阿基米德曲线向外扩展的范围，以保证了足够的叶片域4。

在阿基米德曲线的基础上添加螺距方向上的参数方程z＝bt，b为常系数，根据a的取值范围，确定b的取值范围为87～112，常系数b决定了单圈螺距的大小。构成阿基米德螺旋线方程，即叶片的参数方程通过三维软件方程式曲面构成叶片域，其中曲面的斜率通过旋轴长度L、曲线端点到旋轴初始点的距离d构成夹角θ来调控，θ越大，曲面的弯曲程度越大，反之越小。x、y、z均为坐标轴，其单位是毫米。

采用圆柱旋转切除的方法对所得叶片域进行切割，最终获取叶轮叶片5，构成QS50-26型号下的叶轮。

Claims (1)

1.一种仿生叶片，其特征在于：叶片具有旋轴初始边(1)、旋轴终点边(2)和阿基米德曲线顶边(3)构成，旋轴初始边(1)的长度为L，旋轴终点边(2)的长度为d，旋轴初始边(1)和旋轴终点边(2)之间的夹角为θ；

叶片符合下述公式：

叶片的参数方程为x、y、z均为坐标轴，其单位是毫米；

叶片曲面的斜率通过旋轴初始边(1)的长度L和夹角θ来调控，θ越大，曲面的弯曲程度越大，反之越小；采用圆柱旋转切除的方法对所得叶片域(4)进行切割，最终取得叶轮叶片(5)；

其中：是叶片的阿基米德曲线6；x、y均为坐标轴，其单位是毫米；

a为无量纲常系数，其值满足公式a＝D₂+c，D₂为叶轮出口直径，c为无量纲常数，c取值范围为50～100；t为无量纲，取值范围为0～1，π为圆周率；常系数a决定了阿基米德曲线向外扩展的范围，以保证了足够的叶片域(4)；

其中：z＝bt是在阿基米德曲线的基础上添加的螺距方向上的参数方程；z为坐标轴，其单位是毫米，t为无量纲，其取值范围为0～1；b为无量纲常系数，根据a的取值范围，利用公式求得b的取值范围，常系数b决定了单圈螺距的大小。