CN109185223B - 一种使离心泵具有减阻降噪性能的仿生设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使离心泵具有减阻降噪性能的仿生设计方法，在叶轮的叶片工作面上靠近叶片出口处设置多个类鲨鱼表皮的V型槽，多个V型槽相互平行并沿液力流向布置，所述V形槽在叶片出口处的截断面与叶片出口齐平；在蜗壳的隔舌附近设置类鸟类羽翼前缘的弧线凸起结构，弧线凸起结构的纵截面的轮廓形状为线性正弦曲线，弧线凸起结构的起点位于隔舌与基圆相切处，终点位于蜗壳的第Ⅰ断面与第Ⅱ断面之间，本发明的V型槽结构设计能够有效控制射流尾迹和边界层分离的现象，降低叶轮工作阻力，提高离心泵工作效率，弧线凸起结构能够有效的控制隔舌处离心泵的压力脉动，减少此处的动静干涉效应，从而降低离心泵运行时的噪声。

Description

一种使离心泵具有减阻降噪性能的仿生设计方法

技术领域

本发明涉及流体机械领域，尤其涉及一种使离心泵具有减阻降噪性能的仿生设计方法。

背景技术

作为重要的能量转换设备及流体输送装置，泵广泛应用于国民经济各部门以及潜艇、舰船和航空航天等尖端技术领域，其中约70％为离心泵。离心泵作为主要的输送设备之一，对于高效稳定工作的要求也在逐步提高。泵在流体输送和能量转换的过程中不可避免的伴有冲击、脱流以及机械损失等引起的水力损失，造成流动的不稳定性和能量的浪费，同时由于内部流动结构复杂，离心泵运行过程中常伴有强烈的噪声。

由于水泵是流体机械领域一种比较成熟的机械，从传统设计的角度出发提高泵效率和降低泵运行时的湍动噪声已经十分困难，因此，需要一种全新的理念来进一步实现泵的减阻降噪功能。鲨鱼等位于食物链高端的海洋生物，经过漫长的自然进化和生物选择，迄今为止已具备了卓越的运动能力和生存能力，其皮肤表面具有优秀的低水力阻力系数、高速游动能力和低湍动噪声的特点。长耳鸮等鸟类的羽翼边缘基本都呈现非光滑的圆弧形态。本发明利用仿生学原理将鲨鱼皮肤表面特征形状提取、简化、抽象并应用于离心泵叶片的设计上，将鸟类羽翼前缘的形态提取出来并应用于离心泵流动最复杂，对噪声影响最大的隔舌附近。通过全新的角度来设计离心泵，并且通过综合考量流体力学原理、几何学原理和实验数据，不同离心泵对应的最优仿生学尺寸通过设计公式都具体给出，这可以很大程度上节省离心泵设计与试验所消耗的时间成本与人力资源，而且可以将其与计算机结合运用，使参数化设计成为可能。

专利号为201110308957.9的专利中公开了一种获得离心泵的高效低噪叶轮方法，其首先通过传统方法得到离心泵叶轮的主要结构尺寸：叶轮进口直径、叶轮外径、叶片包角等，然后进行数值模拟进行性能预测，然后提出新的改进方案，再进行离心泵的性能评价，直到得到理想性能的离心泵。此种设计方法可以设计得到较高性能，较低噪声的离心泵叶片，但是过程较为繁琐复杂，需要消耗很多的时间精力和人力成本。专利号为201510351784.7的专利中公开了一种具有仿生结构的减振降噪离心泵，其在隔舌和叶轮上加了很多棱柱结构，并在蜗壳结构上做了创新，但是其仿生结构的设计比较宽泛，只是给出一定的取值范围，没有具体的公式来指导设计参数，也没有提供完善准确的设计方案，而且其给出的设计方法很笼统没有针对性，很多特殊的离心泵产品上可能难以实现。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种使离心泵具有减阻降噪性能的仿生设计方法，改善泵内流体流动达到减阻降噪的效果。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种使离心泵具有减阻降噪性能的仿生设计方法，所述离心泵为闭式结构，主要包括叶轮和标准蜗壳，在所述叶轮的叶片工作面上靠近叶片出口处设置多个类鲨鱼表皮的V型槽，多个所述V型槽相互平行并沿液力流向布置，所述V形槽在叶片出口处的截断面与叶片出口齐平；

在所述标准蜗壳的隔舌附近设置类鸟类羽翼前缘的弧线凹凸结构，所述弧线凹凸结构的纵截面的轮廓形状为线性正弦曲线，所述弧线凹凸结构的起点位于隔舌与基圆相切处，终点位于蜗壳的第Ⅰ断面与第Ⅱ断面之间，其中所述第Ⅰ断面是标准蜗壳出口中线与标准蜗壳外圆轮廓相交的截面，第Ⅱ断面是远离隔舌并且与第Ⅰ断面成45°角的截面。

优选地，多个所述V型槽形成V形槽组，所述V形槽组与前盖板以及后盖板的距离均为p，按照如下公式计算p：

式中：

T——比例系数，无量纲数；

n——离心泵的额定转速，r/min；

ω——离心泵运转的额定角速度，rad/s；

D₂——叶轮出口直径，m；

Q——离心泵的额定流量，m³/s；

H——泵的额定扬程，m；

g——重力加速度，9.8m/s²；

B₂——叶轮前盖板与后盖板之间的距离，m。

优选地，所述V形槽的长度范围为从叶片出口处到叶片进口总长度的30％～60％。

优选地，所述V形槽的横截面为等腰三角形，所述等腰三角形的底边长为s，高度为h，其中h和s的大小根据光滑离心泵的模拟计算结果的壁面剪切力τ₀计算，计算公式如下：

V_τ＝0.1(τ₀/ρ)^1/2 (4)

s＝s⁺ν/V_τ (5)

h＝h⁺ν/V_τ (6)

式中：

V_τ——壁面剪切速度，m/s；

τ₀——壁面剪切应力，Pa；

v——动力黏性系数，m²/s；

ρ——液体的密度，kg/m³

s⁺和h⁺为无量纲系数，取值范围为15≤s⁺≤30，15≤h⁺≤30。

优选地，所述s⁺和h⁺取值均为15。

优选地，所述V形槽组中，每相邻两条V形槽之间的间距相等，均为k，k为s的0.5～0.8倍。

优选地，所述V形槽组中的V形槽条数为N，所述V形槽的横截面为等腰三角形，所述等腰三角形的底边长为s，N的计算公式如下：

式中：

k——相邻两条V形槽之间的间距，m；

优选地，所述弧线凹凸结构包括两个凸起结构和两个凹陷结构，所述凸起结构和凹陷结构的高度均为Hw，相邻两个所述凸起结构中心的间距为Sw，计算公式如下：

Sw＝L·sin(0.28T-13.8) (9)

式中：T——比例系数，无量纲数；

h₁——标准蜗壳第Ⅰ断面处外轮廓曲线与基圆之间的高度，m；

L——标准蜗壳外轮廓上第Ⅰ断面与第Ⅱ断面之间的截面曲线的弧长，m。

本发明的有益效果：

本发明的有益效果是根据不同离心泵的具体尺寸，利用无量化的参数设计方法得到适用于相应离心泵的最优仿生结构尺寸，设计公式简单，关键尺寸获取方便准确；在叶片工作面上的V型槽结构设计通过抽象提取鲨鱼表面皮肤特征和结合前人的理论推导，能够有效的控制射流尾迹和边界层分离的现象，降低叶轮工作阻力，提高离心泵工作效率；在蜗壳隔舌附近设计的非光滑结构提取鸟类羽翼前缘的特征，可以很好的控制隔舌处离心泵的压力脉动，减少此处的动静干涉效应，从而降低离心泵运行时的噪声。

附图说明

图1为本发明所述仿生离心泵的叶轮的结构示意图。

图2为本发明所述V形槽组的横截面示意图。

图3为本发明所述蜗壳的横截面示意图。

图4为标准离心泵与本发明所述仿生离心泵的总扭矩与效率对比情况。

图5为标准离心泵与本发明所述仿生离心泵的内场声压级分布情况。

图中：

1—前盖板，2—V形槽，3-叶片出口，4—后盖板，5-叶片工作面。

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。

如图1所示，本实施例中以闭式结构的光滑离心泵进行仿生设计，光滑离心泵主要包括叶轮和蜗壳，光滑离心泵的具体参数为：流量Q＝25m³/h＝0.006944m³/s，扬程H＝10m，转速n＝1450r/min，比转数n_s＝78.4，模型泵叶轮出口3的直径D₂为0.2m，叶轮出口3的宽度B₂为0.008m，标准蜗壳外轮廓第Ⅰ、Ⅱ断面之间截面曲线的弧长L是0.31m，蜗壳第Ⅰ断面处外轮廓曲线与基圆之间的高度h₁0.01m，第Ⅰ断面是标准蜗壳出口中线与蜗壳外圆轮廓相交的截面，第Ⅱ断面是远离隔舌并且与第Ⅰ断面成45°角的截面。

在所述叶轮的叶片工作面5上靠近叶片出口3处设置多个类鲨鱼表皮的V型槽2，多个所述V型槽2相互平行并沿液力流向布置，所述V形槽2在叶片出口3处的截断面与叶片出口3齐平，所述V形槽2的布置长度范围是从叶片出口3处到叶片进口之间总长度的30％～60％。多个所述V型槽2形成V形槽组，所述V形槽组与前盖板1以及后盖板3的距离均为p，首先通过数值模拟方法，得到叶轮叶片上的剪切力等初始数据，然后进行仿生结构的具体尺寸设计。

按照如下公式计算p：

式中：

T——比例系数，无量纲数；

n——离心泵的额定转速，r/min；

ω——离心泵运转的额定角速度，rad/s；

D₂——叶轮出口直径，m；

Q——离心泵的额定流量，m³/s；

H——泵的额定扬程，m；

g——重力加速度，9.8m/s²；

B₂——叶轮前盖板与后盖板之间的距离，m。

由式(1)～(3)得到T＝50.5，ω＝152rad/s，p＝0.0002m。

根据模拟的光滑叶片离心泵的计算结果选择靠近叶片出口3处布置V形槽组，V形槽组占据整个叶片工作面5上从叶片出口3向叶片进口方向的30％～60％区域，本实施例中取1/3区域。V形槽2的横截面为等腰三角形，所述等腰三角形的底边长为s，高度为h，每相邻两条V形槽之间的间距相等，均为k，k为s的0.5～0.8倍，其中h和s的大小根据光滑离心泵的模拟计算结果的壁面剪切力τ₀计算，计算公式如下：

V_τ＝0.1(τ₀/ρ)^1/2 (4)

s＝s⁺ν/V_τ (5)

h＝h⁺ν/V_τ (6)

式中：

V_τ——壁面剪切速度，m/s；

τ₀——壁面剪切应力，Pa；

v——动力黏性系数，m²/s；

ρ——液体的密度，kg/m³

s⁺和h⁺为无量纲系数，取值范围为15≤s⁺≤30，15≤h⁺≤30。

本实施例中取h⁺＝s⁺＝15，k取0.6倍s，25℃水的动力粘性系数ν＝0.9*10^-6m²/s，数值计算得到叶片平均剪应力τ₀＝79Pa，25℃水的动力粘性系数ν＝0.9*10^-6m²/s，由式(4)～(6)得到；

V_τ＝0.1(τ₀/ρ)^1/2＝0.028m/s，s＝s⁺ν/V_τ＝0.0005m，h＝h⁺ν/V_τ＝0.0005m，k＝0.6s＝0.0003m。

所述V形槽组中的V形槽条数为N，所述V形槽的横截面为等腰三角形，所述等腰三角形的底边长为s，N的计算公式如下：

由式(7)得到N＝9。

在所述标准蜗壳的隔舌附近设置类鸟类羽翼前缘的弧线凹凸结构，所述弧线凹凸结构的纵截面的轮廓形状为线性正弦曲线，所述弧线凹凸结构的起点位于隔舌与基圆相切处，终点位于蜗壳的第Ⅰ断面与第Ⅱ断面之间，所述弧线凹凸结构包括两个凸起结构和两个凹陷结构，所述凸起结构和凹陷结构的高度均为Hw，相邻两个所述凸起结构中心的间距为Sw，计算公式如下：

Sw＝L·sin(0.28T-13.8) (9)

式中：T——比例系数，无量纲数；

h₁——标准蜗壳第Ⅰ断面处外轮廓曲线与基圆之间的高度，m；

L——标准蜗壳外轮廓上第Ⅰ断面与第Ⅱ断面之间的截面曲线的弧长，m。

由式(8)和(9)得到：Hw＝0.016m，Sw＝0.103m

上述V形槽和弧线凸起结构均按照上述设计的尺寸采用先进的激光加工工艺方法在光滑离心泵上进行雕刻加工，加工后得到仿生离心泵，将仿生离心泵与标准离心泵进行对比试验研究，通过扭矩的变化来确定减阻率。进行的试验包括离心泵效率试验，扭矩试验以及噪声测试试验。

通过试验结果的分析，如图4所示，发现从0.8Q_d工况开始，本发明所述仿生离心泵的扭矩总体小于标准离心泵的叶轮，在设计工况点附近，仿生离心泵开始产生减阻效果；在1.2Q_d时的减阻效果最明显，减阻率约为3.1％；两种离心泵的水力效率均在在1.0Q_d时为最佳工况点，在设计工况之后，标准离心泵的效率开始以较大幅度下降，而仿生离心泵的水力效率则下落的较慢，逐渐呈现出更高的水力效率；效率提升最大值约有3％；如图5所示，仿生离心泵相比光滑叶片对离心泵内远场声压级分布有明显降低，对频谱的影响不仅体现在宽频分布，同时在叶频及其倍频处也略有降低；对比两种离心泵在特征值处的声压级可以看出，叶频处声压级降低2.2dB，2倍叶频至4倍叶频声压级均有1.6～3.4dB的降低。且内场噪声总声压级从203.65dB降低至202.68dB。

因此，本发明提出的设计方法相较于相同水力模型的光滑表面离心泵有较好的减阻、增效和降噪性能，本发明提出的设计方法可以在传统的水力设计优化基础上做到进一步的性能提升。

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 (3)

1.一种使离心泵具有减阻降噪性能的仿生设计方法，所述离心泵为闭式结构，主要包括叶轮和标准蜗壳，其特征在于：

在所述叶轮的叶片工作面上靠近叶片出口处设置多个类鲨鱼表皮的V形槽，多个所述V形槽相互平行并沿液力流向布置，所述V形槽在叶片出口处的截断面与叶片出口齐平；

多个所述V形槽形成V形槽组，所述V形槽组与前盖板以及后盖板的距离均为p，按照如下公式计算p：

（1）

（2）

（3）

式中：

T——比例系数，无量纲数；

n——离心泵的额定转速，r/min；

——离心泵运转的额定角速度，rad/s；

D₂——叶轮出口直径，m；

Q——离心泵的额定流量，m³/s；

H——泵的额定扬程，m；

g——重力加速度，9.8 m/s²；

B₂——叶轮前盖板与后盖板之间的距离，m；

所述V形槽的横截面为等腰三角形，所述等腰三角形的底边长为s，高度为h，其中h和s的大小根据光滑离心泵的模拟计算结果的壁面剪切力τ₀计算，计算公式如下：

V_τ=0.1（τ₀/ρ）^1/2 （4）

s= s⁺ν/V_τ （5）

h= h⁺ν/V_τ （6）

式中：

V_τ——壁面剪切速度，m/s ；

τ₀——壁面剪切应力，Pa；

v——动力黏性系数，m²/s；

ρ——液体的密度，kg/m³

s⁺和h⁺为无量纲系数，取值范围为15

，15

；

所述V形槽组中的V形槽条数为N，所述V形槽的横截面为等腰三角形，所述等腰三角形的底边长为s，N的计算公式如下：

（7）

式中：

k——相邻两条V形槽之间的间距，m；

所述V形槽的长度范围为从叶片出口处到叶片进口总长度的30%～60%；

在所述标准蜗壳的隔舌附近设置类鸟类羽翼前缘的弧线凹凸结构，所述弧线凹凸结构的纵截面的轮廓形状为线性正弦曲线，所述弧线凹凸结构的起点位于隔舌与基圆相切处，终点位于蜗壳的第Ⅰ断面与第Ⅱ断面之间，其中所述第Ⅰ断面是标准蜗壳出口中线与标准蜗壳外圆轮廓相交的截面，第Ⅱ断面是远离隔舌并且与第Ⅰ断面成45°角的截面；

所述弧线凹凸结构包括两个凸起结构和两个凹陷结构，所述凸起结构和凹陷结构的高度均为Hw，相邻两个所述凸起结构中心的间距为Sw，计算公式如下：

（8）

（9）

式中：T——比例系数，无量纲数；

——标准蜗壳第Ⅰ断面处外轮廓曲线与基圆之间的高度，m；

L——标准蜗壳外轮廓上第Ⅰ断面与第Ⅱ断面之间的截面曲线的弧长，m。

2.根据权利要求1所述的使离心泵具有减阻降噪性能的仿生设计方法，其特征在于，所述s⁺和h⁺取值均为15。

3.根据权利要求1所述的使离心泵具有减阻降噪性能的仿生设计方法，其特征在于，所述V形槽组中，每相邻两条V形槽之间的间距相等，均为k， k为 s的0.5~0.8倍。

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