CN108980101B - 一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片 - Google Patents

一种基于鲨鱼表面减阻技术的仿生叶片 Download PDF

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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、中弧线后减阻段及后缘减阻段。
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＝0.04283ρυ3/4A1 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＝0.04837ρυ3/4A2 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＝0.04796ρυ3/4A3 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＝0.04965ρυ3/4A4 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。
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设置，设置区间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°角度设置，相邻沟槽沿叶片型线连接设置，设置区间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设置，相邻沟槽沿叶片型线连接设置，设置区间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设置，相邻沟槽沿叶片型线连接设置，设置区间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Qd＝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＝0.042835ρυ3/4A1 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b1max＝6.03mm，沟槽深度h1＝1.37mm，h1max＝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设置，设置区间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＝0.04837ρυ3/4A2 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°角度设置，相邻沟槽沿叶片型线连接设置，设置区间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＝0.04796ρυ3/4A3 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设置，相邻沟槽沿叶片型线连接设置，设置区间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＝0.04965ρυ3/4A4 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设置，相邻沟槽沿叶片型线连接设置，设置区间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 (6)

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、中弧线后减阻段及后缘减阻段；
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＝0.04283ρυ3/4A1 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＝0.04837ρυ3/4A2 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＝0.04796ρυ3/4A3 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＝0.04965ρυ3/4A4 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。
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设置，设置区间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。
4.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°角度设置，相邻沟槽沿叶片型线连接设置，设置区间l2＝0.175～0.385l0、l21＝0.175～0.385l01，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刀刃形减阻沟槽所在半径上的叶片型线设置，相邻沟槽沿叶片型线连接设置，设置区间l3＝0.385～0.705l0、l31＝0.385～0.705l01，其中l0、l01分别为叶片轮缘及轮毂处的弦长。
6.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锯齿形减阻沟槽所在半径上的叶片型线设置，相邻沟槽沿叶片型线连接设置，设置区间l4＝0.705～1.0l0、l41＝0.705～1.0l01，其中l0、l01分别为叶片轮缘及轮毂处的弦长。
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