CN108980101A

CN108980101A - 一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片

Info

Publication number: CN108980101A
Application number: CN201810872643.3A
Authority: CN
Inventors: 王凯; 芦鑫; 刘厚林; 谈明高; 王勇; 董亮; 景玉成
Original assignee: Jiangsu University; Zhenjiang Fluid Engineering Equipment Technology Research Institute of Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University; Zhenjiang Fluid Engineering Equipment Technology Research Institute of Jiangsu University
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2018-12-11
Anticipated expiration: 2038-08-02
Also published as: CN108980101B

Abstract

本发明属于水泵技术领域，具体公开了一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片，包括前缘减阻段、中弧线前减阻段、中弧线后减阻段、后缘减阻段；仿生叶片为轴流式叶片；前缘减阻段为圆齿形减阻沟槽，沟槽宽度b₁＝7.5～11.5k₁，沟槽深度h₁＝0.35～0.45b₁，槽肩宽度t₁＝0.1～0.2b；中弧线前减阻段为圆齿形减阻沟槽，沟槽的宽度b₂＝11.5～14.5k₂，沟槽深度h₂＝0.65～0.75b₂，槽肩宽度t₂＝0.1～0.2b₂；中弧线后减阻段为刀刃形减阻沟槽，沟槽的宽度b₃＝16.5～18.5k₃，沟槽深度h₃＝0.45～0.55b₃，槽肩宽度t₃＝0.1～0.2b₃；后缘减阻段为锯齿形减阻沟槽，槽肩倾斜度β＝50～65°，沟槽宽度b₄＝13.5～15.5k₄，沟槽深度h₄＝0.95～1.05b₄，槽肩宽度t₄＝0.1～0.2b₄。本发明能有效地利用不同减阻槽的减阻效率，最大幅度地降低叶片表面阻力及叶片表面阻力带来的水力损失，提高泵的运行效率。

Description

一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片

技术领域

本发明属于水泵技术领域，特别指涉及一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片。

背景技术

随着水泵技术和仿生技术的逐渐发展，多学科交叉设计逐渐在水泵设计领域占据了重要地位，仿生技术作为一种较为成熟的技术，在减阻降噪方面表现出了较好的功能，国内外众多学者对仿生技术在叶片泵上的应用也进行了研究，同样证明了仿生技术在叶片泵上减阻方面上具有一定的功效和可行性。

目前仿生在叶片设计方面的应用多是如中国专利文献记载的一种低噪声轴流风机复合仿生翼型叶片【申请号：201710455803.X；公布号：CN107023515A】及一种水平轴潮流能水轮机组合翼型叶片的设计方法【申请号：CN105201728A；公布号：CN105201728A】，上述设计均为对叶片的翼型造型进行仿生设计，忽略了翼型表面边界层对绕流的影响。

在此基础上，中国专利文献记载的一种仿生非光滑表面离心风机叶片【申请号：201520028311.9公布号：CN204553332U】采用仿生非光滑技术改变近壁面区的流场，目的在一定程度上减低风机叶片表面边界层厚度，降低了叶片表面对来流的摩擦，但是上述设计采用粗颗粒体分布表面，且颗粒的间隔分布形成了狭小通道，对来流在叶片表面的流场造成了负面影响，大幅度降低了仿生表面的减阻效应，且只限用于风机领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片，它针对轴流式叶片不同位置的流场属性特点分别采用三种水力结构的减阻槽，减阻槽呈四段布置于叶片不同位置，形成整个叶片的减阻表面，有效地利用不同减阻槽的减阻效率，最大幅度地降低叶片表面阻力及叶片表面阻力带来的水力损失，从而提高泵的运行效率。

为达到以上目的，采用如下技术方案：

一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片，仿生叶片为轴流式叶片；仿生叶片包括前缘减阻段、中弧线前减阻段、中弧减后阻段及后缘减阻段；前缘减阻段和中弧线前减阻段为带有圆齿形减阻沟槽的叶片工作面；中弧线后减阻段为带有刀刃形减阻沟槽的叶片工作面；后缘减阻段为带有锯齿形减阻沟槽的叶片工作面。

叶片轮缘进口安放角β₁＝5～17°、出口安放角β₂＝11～23°；叶片轮缘处冲角α₁＝0～3°；叶片轮毂处进口安放角β₁₂＝13～25°、出口安放角β₂₂＝31～42°；叶片轮毂处冲角α₂＝0～2°；轮缘至轮毂过渡段各参数采用线性过渡。

前缘减阻段为带有圆齿形减阻沟槽的叶片工作面，圆齿形减阻沟槽较小，其宽度b₁＝7.5～11.5k₁，减阻槽宽度沿叶片型线由叶片进口向出口方向逐渐增大，沟槽深度h₁＝0.35～0.45b₁，槽肩宽度t₁＝0.1～0.2b₁，其中k₁＝0.04283ρυ^3/4A₁ ^1/4/v₁ ⁷c₁，ρ为流体密度，υ为流体运动粘性系数，v₁为前缘减阻段流场的平均速度，c₁为前缘减阻段过流断面上的周湿，A₁为前缘减阻段段过流断面的面积；

中弧线前减阻段为带有圆齿形减阻沟槽的叶片工作面，圆齿形减阻沟槽的宽度b₂＝11.5～14.5k₂，沟槽深度h₂＝0.65～0.75b₂，槽肩宽度t₂＝0.1～0.2b₂，其中k₂＝0.04837ρυ^3/4A₂ ^1/4/v₂ ⁷c₂，v₂为中弧线前减阻段流场的平均速度，c₂为中弧线前减阻段过流断面上的周湿，A₂为中弧线前减阻段过流断面的面积；

中弧线后减阻段为带有刀刃形减阻沟槽的叶片工作面，刀刃形减阻沟槽的宽度b₃＝16.5～18.5k₃，沟槽深度h₃＝0.45～0.55b₃，槽肩宽度t₃＝0.1～0.2b₃，其中k₃＝0.04796ρυ^3/4A₃ ^1/4/v₃ ⁷c₃，v₃为中弧线后减阻段流场的平均速度，c₃为中弧线后减阻段过流断面上的周湿，A₃为中弧线后减阻段过流断面的面积；

后缘减阻段为带有锯齿形减阻沟槽的叶片工作面，锯齿形减阻沟槽的槽肩倾斜度β₄＝50～65°，槽肩肩顶磨圆，沟槽宽度b₄＝13.5～15.5k₄，沟槽深度h₄＝0.95～1.05b₄，槽肩宽度t₄＝0.1～0.2b₄，其中k₄＝0.04965ρυ^3/4A₄ ^1/4/v₄ ⁷c₄，v₄为后缘减阻段流场的平均速度，c₄为后缘减阻段过流断面上的周湿，A₄为后缘减阻段过流断面的面积。

前缘减阻段上的圆齿形减阻沟槽在仿生叶片的工作面上沿叶片前缘外形分布，单个沟槽与所在半径上叶片型线的夹角α₃＝80～90°，槽肩可沿叶片型线方向倾斜，轮缘处倾斜角度α₄₁＝0.8～0.9α₁，轮毂处倾斜角α₄₂＝0.9～1.1α₂，由轮缘到轮毂线性过渡，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₁＝0～0.175l₀、l₁₁＝0～0.175l₀₁，其中l₀、l₀₁分别为叶片轮缘及轮毂处的弦长。

中弧线前减阻段上的圆齿形减阻沟槽在仿生叶片工作面的中弧线段上与所在半径上叶片型线呈α₅＝85～90°角度放置，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₂＝0.175～0.385l₀、l₂₁＝0.175～0.385l₀₁。

中弧线后减阻段上的刀刃形减阻沟槽在仿生叶片工作面的中弧线段上槽肩垂直于减阻槽所在半径上的叶片型线放置，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₃＝0.385～0.705l₀、l₃₁＝0.385～0.705l₀₁。

后缘减阻段上锯齿形减阻沟槽在仿生叶片工作面上后缘段上槽肩垂直于减阻槽所在半径上的叶片型线放置，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₄＝0.705～1.0l₀、l₄₁＝0.705～1.0l₀₁。

附图说明

图1为本发明的一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片结构示意图

图2为外特性计算结果对比图

图中：1圆齿形减阻沟槽，2刀刃形减阻沟槽，3锯齿形减阻沟槽，a前缘减阻段，b中弧线前减阻段，c中弧线后减阻段，d后缘减阻段。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例：

一台比转速为650的轴流水泵，其设计参数为：设计流量Q_d＝200m³/h，扬程H＝6m，转速n＝2900r/min，叶轮直径150mm，叶片轮缘处弦长l₀＝83.64mm，轮毂处弦长l₀₁＝63.46mm。

叶片轮缘进口安放角β₁＝11.5°、出口安放角β₂＝13.4°；叶片轮缘处冲角α₁＝3°；叶片轮毂处进口安放角β₁₂＝21.3°、出口安放角β₂₂＝39.8°；叶片轮毂处冲角α₂＝1°；轮缘至轮毂过渡段各参数采用线性过渡。

前缘减阻段为带有圆齿形减阻沟槽的叶片工作面，圆齿形减阻沟槽较小。

根据计算前缘减阻段区流场的平均速度v₁＝20.18m/s，过流断面上的周湿c₁＝0.67m，过流断面的面积A₁＝0.017m²，流体介质为20℃下的清水，运动粘性系数υ＝1.0067×10⁶m²/s，流体密度为ρ＝1000kg·s/m⁴。

k₁＝0.042835ρυ^3/4A₁ ^1/4/v₁ ⁷c₁＝5.2×10^-4m，沟槽宽度b₁＝3.9mm，减阻槽宽度沿叶片型线方向逐渐增大，沟槽宽度b_1max＝6.03mm，沟槽深度h₁＝1.37mm，h_1max＝2.71mm，槽肩宽度t₁＝1mm，前缘减阻段上的圆齿形减阻沟槽在仿生叶片的工作面上沿叶片前缘外形分布，单个沟槽与所在半径上叶片型线的夹角α₃＝84°，槽肩沿叶片型线方向倾斜，轮缘处倾斜角度α₄₁＝2.4°，轮毂处倾斜角α₄₂＝1°，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₁＝0～14.64mm、l₁₁＝0～11.1mm。

根据计算中弧线前减阻区流场的平均速度v₂＝22.15m/s，流断面上的周湿c₂＝0.65m，过流断面的面积A₂＝0.016m²。

k₂＝0.04837ρυ^3/4A₂ ^1/4/v₂ ⁷c₂＝3.3×10^-4m，沟槽宽度b₂＝3.96mm，沟槽深度h₂＝2.77mm，槽肩宽度t₂＝0.79mm，中弧线前减阻段上的圆齿形减阻沟槽在仿生叶片工作面的中弧线段上与所在半径上叶片型线呈α₅＝90°角度放置，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₂＝14.64～20.9mm、l₂₁＝11.1～15.86mm。

根据计算中弧线后减阻区流场的平均速度v₃＝23.59m/s，流断面上的周湿c₃＝0.602m，过流断面的面积A₃＝0.014m²。

k₃＝0.04796ρυ^3/4A₃ ^1/4/v₃ ⁷c₃＝4.4×10^-4m，沟槽宽度b₃＝7.48mm，沟槽深度h₃＝3.36mm，槽肩宽度t₃＝1.12mm，中弧线后减阻段上的刀刃形减阻沟槽在仿生叶片工作面的中弧线段上槽肩垂直于减阻槽所在半径上的叶片型线放置，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₃＝20.9～58.96mm、l₃₁＝15.86～44.73mm。

根据计算后缘减阻区流场的平均速度v₄＝25.52m/s，流断面上的周湿c₄＝0.57m，过流断面的面积A₄＝0.011m²。

k₄＝0.04965ρυ^3/4A₄ ^1/4/v₄ ⁷c₄＝1.2×10^-4m，槽肩倾斜度β₄＝60°，沟槽宽度b₄＝1.8mm，沟槽深度h₄＝1.8mm，槽肩宽度t₄＝0.3mm，后缘减阻段上锯齿形减阻沟槽在仿生叶片工作面上后缘段上槽肩垂直于减阻槽所在半径上的叶片型线放置，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₄＝58.96～83.64mm、l₄₁＝44.73～63.46mm。

为了验证基于鲨鱼表面减阻叶片的性能，分别对采用普通光滑表面叶片的轴流水泵和采用本发明专利减阻叶片的轴流水泵进行了CFD数值计算，外特性计算结果如图2所示。从图中可以看出，本发明专利设计的泵效率和扬程均高于采用普通光滑表面叶片的轴流水泵。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片，其特征在于，所述仿生叶片为轴流式叶片；所述仿生叶片包括前缘减阻段、中弧线前减阻段、中弧减后阻段及后缘减阻段；所述前缘减阻段和中弧线前减阻段为带有圆齿形减阻沟槽的叶片工作面；所述中弧线后减阻段为带有刀刃形减阻沟槽的叶片工作面；所述后缘减阻段为带有锯齿形减阻沟槽的叶片工作面。

2.根据权利要求1所述的一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片，其特征在于，所述叶片轮缘进口安放角β₁＝5～17°、出口安放角β₂＝11～23°；叶片轮缘处冲角α₁＝0～3°；叶片轮毂处进口安放角β₁₂＝13～25°、出口安放角β₂₂＝31～42°；叶片轮毂处冲角α₂＝0～2°；轮缘至轮毂过渡段各参数采用线性过渡。

3.根据权利要求1所述的一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片，其特征在于，所述前缘减阻段为带有圆齿形减阻沟槽的叶片工作面，圆齿形减阻沟槽较小，其宽度b₁＝7.5～11.5k₁，减阻槽宽度沿叶片型线由叶片进口向出口方向逐渐增大，沟槽深度h₁＝0.35～0.45b₁，槽肩宽度t₁＝0.1～0.2b₁，其中k₁＝0.04283ρυ^3/4A₁ ^1/4/v₁ ⁷c₁，ρ为流体密度，υ为流体运动粘性系数，v₁为前缘减阻段流场的平均速度，c₁为前缘减阻段过流断面上的周湿，A₁为前缘减阻段段过流断面的面积；

所述中弧线前减阻段为带有圆齿形减阻沟槽的叶片工作面，圆齿形减阻沟槽的宽度b₂＝11.5～14.5k₂，沟槽深度h₂＝0.65～0.75b₂，槽肩宽度t₂＝0.1～0.2b₂，其中k₂＝0.04837ρυ^3/4A₂ ^1/4/v₂ ⁷c₂，v₂为中弧线前减阻段流场的平均速度，c₂为中弧线前减阻段过流断面上的周湿，A₂为中弧线前减阻段过流断面的面积；

所述中弧线后减阻段为带有刀刃形减阻沟槽的叶片工作面，刀刃形减阻沟槽的宽度b₃＝16.5～18.5k₃，沟槽深度h₃＝0.45～0.55b₃，槽肩宽度t₃＝0.1～0.2b₃，其中k₃＝0.04796ρυ^3/4A₃ ^1/4/v₃ ⁷c₃，v₃为中弧线后减阻段流场的平均速度，c₃为中弧线后减阻段过流断面上的周湿，A₃为中弧线后减阻段过流断面的面积；

所述后缘减阻段为带有锯齿形减阻沟槽的叶片工作面，锯齿形减阻沟槽的槽肩倾斜度β₄＝50～65°，槽肩肩顶磨圆，沟槽宽度b₄＝13.5～15.5k₄，沟槽深度h₄＝0.95～1.05b₄，槽肩宽度t₄＝0.1～0.2b₄，其中k₄＝0.04965ρυ^3/4A₄ ^1/4/v₄ ⁷c₄，v₄为后缘减阻段流场的平均速度，c₄为后缘减阻段过流断面上的周湿，A₄为后缘减阻段过流断面的面积。

4.根据权利要求3所述的一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片，其特征在于，所述的前缘减阻段上的圆齿形减阻沟槽在仿生叶片的工作面上沿叶片前缘外形分布，单个沟槽与所在半径上叶片型线的夹角α₃＝80～90°，槽肩沿叶片型线方向倾斜，轮缘处倾斜角度α₄₁＝0.8～0.9α₁，轮毂处倾斜角α₄₂＝0.9～1.1α₂，由轮缘到轮毂线性过渡，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₁＝0～0.175l₀、l₁₁＝0～0.175l₀₁，其中l₀、l₀₁分别为叶片轮缘及轮毂处的弦长。

5.根据权利要求3所述的一种基于鲨鱼皮表面减阻技术的仿生叶片，其特征在于，所述的中弧线前减阻段上的圆齿形减阻沟槽在仿生叶片工作面的中弧线段上与所在半径上叶片型线呈α₅＝85～90°角度放置，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₂＝0.175～0.385l₀、l₂₁＝0.175～0.385l₀₁。

6.根据权利要求3所述的一种基于鲨鱼皮表面减阻技术的仿生叶片，其特征在于，所述的中弧线后减阻段上的刀刃形减阻沟槽在仿生叶片工作面的中弧线段上槽肩垂直于减阻槽所在半径上的叶片型线放置，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₃＝0.385～0.705l₀、l₃₁＝0.385～0.705l₀₁。

7.根据权利要求3所述的一种基于鲨鱼皮表面减阻技术的仿生叶片，其特征在于，所述的后缘减阻段上锯齿形减阻沟槽在仿生叶片工作面上后缘段上槽肩垂直于减阻槽所在半径上的叶片型线放置，相邻沟槽沿叶片型线连接放置，放置区间l₄＝0.705～1.0l₀、l₄₁＝0.705～1.0l₀₁。