CN109236728A - 一种基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，包括前盖板、后盖板和叶片，所述叶片的工作面和背面上位于叶轮出口处设有多个相互平行的V形槽，V形槽从叶片出口边向叶片进口边的方向延伸，前盖板和后盖板均设有椭圆形凹坑阵列，每列凹坑均沿叶片流线方向均匀设置，每行凹坑均以叶轮的中线为中心沿圆周方向均匀设置，本发明通过在叶片的工作面与背面上开设V形槽组进行仿生优化，并在前盖板和后盖板相对的壁面上设置椭圆形凹坑阵列进行仿生优化，有效降低了叶片表面的阻力，提高泵的减阻效果。

Description

一种基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮
技术领域
本发明涉及叶片泵仿生减阻领域，尤其涉及一种基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮。
背景技术
鲸鱼、鲨鱼、海豚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：低能耗长距离巡航、敏锐的感知定位能力、优异的自我保护和巡游波动小等能力，这其中的能力都是目前水力机械以及水下航行体期望达到的目标，因此利用仿生原理进行减阻的理论和应用技术研究已成为目前国内外研究的热点，将仿生非光滑表面独有的经济、环保、减阻和降噪特性应用在了军工、汽车和航空航天等行业中。
经检索，中国专利申请号：CN201410040097.9，名称为：双涡轮液力变矩器导轮仿生叶片，将导轮叶片的外轮廓由叶片前缘、压力面轮廓、吸力面轮廓和叶片尾部平滑连接构成海豚形状。该发明所述的双涡轮液力变矩器导轮仿生叶片克服了现有技术中由于双涡轮液力变矩器导轮叶片前缘肥大、边缘曲线曲率不连续、中间流线不合理等因素等造成液流流经导轮后的能量损失较大的问题，双涡轮液力变矩器导轮仿生叶片，曲线过度光滑平整，结构简单，制造容易，可有效提高双涡轮液力变矩器的性能。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，提高泵的减阻效果。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，包括前盖板、后盖板和叶片，所述叶片的工作面上位于叶轮出口处设有多个相互平行的第一V形槽，所述第一V形槽从叶片出口边向叶片进口边的方向延伸，所述第一V形槽的长度Lg为整个叶片长度的四分之一，所述第一V形槽的导向与所述叶片出口边的夹角θ1为95°；
所述叶片的背面上位于叶轮出口处设有多个相互平行的第二V形槽，所述第二V形槽从叶片出口边向叶片进口边的方向延伸，所述第二V形槽的长度Lb为整个叶片的长度的三分之一，所述第二V形槽的导向与所述叶片出口边的夹角θ2为85°；
所述前盖板和后盖板上均设有凹坑阵列，每列凹坑包括多个沿叶片流线方向均匀间隔开设置的凹坑，多列凹坑使得叶轮流道被均分为多个沿着叶片流线方向的分流道，每行凹坑包括多个以叶轮的中线为中心沿圆周方向均匀间隔开设置的凹坑。优选地，所述凹坑为椭圆形凹坑，所述椭圆形凹坑的长轴沿叶片流线方向设置。
优选地，所述前盖板与后盖板上的椭圆形凹坑关于前盖板与后盖板之间的中心面相互对称。
优选地，所述椭圆形凹坑的长轴长度为2mm，短轴长度为1.5mm，沿叶轮径向方向相邻两个椭圆形凹坑的中心距离为Ra，Ra＝0.04D2，其中D2为叶轮出口直径。
优选地，所述椭圆形凹坑的深度为h，前盖板的厚度为B1，后盖板的厚度为B2，h＝(B1+B2)/20。
优选地，每列凹坑沿叶轮的出口边至叶片进口边方向的分布范围为0.5D2～1.0D2，其中D2为叶轮出口直径。
优选地，所述凹坑阵列中的列数为10列。
优选地，所述第一V形槽和第二V形槽的深度均为h，h为叶片厚度δ的六分之一，如果叶片为非等厚度叶片，则叶片厚度δ取厚度的最大值。
优选地，所述第一V形槽和第二V形槽的宽度均为S，S为叶片出口边的宽度b2的二十分之一。
优选地，多个所述第一V形槽形成第一V形槽组，所述第一V形槽组与前盖板和后盖板之间的距离均为叶片出口边宽度b2的十分之一，多个所述第二V形槽形成第二V形槽组，所述第二V形槽组与前盖板和后盖板之间的距离均为叶片出口边宽度b2的十分之一。
本发明的有益效果：
1)本发明通过在叶片的工作面与背面上分别开设第一和第二V形槽组进行仿生优化，并在前盖板和后盖板相对的壁面上设置多列乘多行凹坑进行仿生优化，同时对第一和第二V形槽的长度以及第一和第二V形槽的导向与叶片出口边的夹角进行了量化设计，第一和第二V形槽通过减少湍流的产生来控制边界层、降低边界层最底层水流速度，即降低叶片表面与水的结合力从而降低摩擦剪切应力；凹坑改变了前后盖板边界层的流体结构，抑制和延迟紊流的发生，从而有效降低了盖板表面的阻力；
2)本发明在前后盖板沿流线方向布置有椭圆形凹坑，与圆形凹坑相比椭圆形凹坑顺着流线方向布置更适合前后盖板上流体的流动情况，对边界层湍流结构的扰动更加强烈，从而减阻效果更好。
3)第一V形槽的导向与叶片出口边的角度θ1、第二V形槽与叶片出口边的角度θ2以及第一V形槽和第二V形槽的高度S和深度h的量化能够使得流体延沟槽方向流动时，径向涡旋只能与沟槽尖顶发生小面积接触，减小对沟槽内壁的剪切力；对于第一V形槽和第二V形槽的长度的量化考虑了加工过程以及叶片强度，可以在保证叶片强度和易加工情况下获得较好的减阻效果。
附图说明
图1为本发明所述基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮的结构示意图。
图2为本发明所述叶片的工作面上的第一V形槽组的结构示意图。
图3为本发明所述叶片的背面上的第二V形槽组的结构示意图。
图4为本发明所述第一V形槽的结构示意图。
图5为本发明所述前盖板或后盖板上凹坑的示意图。
图中：
1.前盖板；2.叶片出口边；3.后盖板；4.叶片；5.第一V形槽；6.第二V形槽。
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，本发明所述的一种基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，包括前盖板1、后盖板3和叶片4。
如图2所示，叶片4的工作面上位于叶轮出口处设有多个相互平行的第一V形槽5，第一V形槽5从叶片出口边2向叶片进口边的方向延伸，基于数值计算分析叶片4的工作面边界层剪切力分布情况，第一V形槽5的长度Lg为整个叶片4长度的四分之一，第一V形槽5的导向与叶片出口边2的夹角θ1为95°，相邻两个第一V形槽5之间的距离为0，多个第一V形槽5形成第一V形槽组，第一V形槽组与前盖板1和后盖板3之间的距离均为叶片出口边2的宽度b2的十分之一。
如图3所示，叶片4的背面上位于叶轮出口处设有多个相互平行的第二V形槽6，第二V形槽6从叶片出口边2向叶片进口边的方向延伸，基于数值计算分析叶片4背面边界层剪切力分布情况，第二V形槽6的长度Lb为整个叶片4长度的三分之一，第二V形槽6的导向与叶片出口边2的夹角θ2为85°，相邻两个第二V形槽6之间的距离为0，多个第二V形槽6形成第二V形槽组，第二V形槽组与前盖板1和后盖板3之间的距离均为叶片出口边2宽度b2的十分之一。第一V形槽5和第二V形槽6通过减少湍流的产生来控制边界层、降低边界层最底层水流速度，即降低叶片4表面与水的结合力从而降低摩擦剪切应力。
如图4所示，第一V形槽5和第二V形槽6的深度均为h，h为叶片4的厚度δ的六分之一，如果叶片4为非等厚度，则叶片4的厚度δ取其厚度的最大值。
第一V形槽5和第二V形槽6的宽度均为S，S为叶片出口边2的宽度b2的二十分之一。
如图1和图5所示，前盖板1和后盖板3与叶片4连接的壁面上均设有凹坑阵列，凹坑阵列包括多列乘多行凹坑，本实施例中，凹坑的列数为10列，每列凹坑包括多个沿叶片4流线方向均匀间隔开设置的椭圆形凹坑，10列凹坑使得叶轮流道被分为11个沿着叶片4的流向的分流道，每行包括多个以叶轮的中线为中心沿圆周方向均匀间隔开设置的椭圆形凹坑。每个椭圆形凹坑的长轴沿叶片4的流线方向设置。椭圆形凹坑的长轴长度为2mm，短轴长度为1.5mm，沿叶轮径向方向相邻两个椭圆形凹坑的中心的距离为Ra，Ra＝0.04D2，其中D2为叶轮出口直径。
椭圆形凹坑的深度为h，前盖板1的厚度为B1，后盖板3的厚度为B2，h＝B1+B2/20。
每列凹坑沿叶片出口边2至叶片进口边方向的分布范围为0.5D2～1.0D2，其中D2为叶轮出口直径。在前盖板1和后盖板3上沿叶片4流线方向布置椭圆形凹坑，并量化了椭圆形凹坑的相关参数，与圆形凹坑相比椭圆形凹坑顺着叶片4的流线方向布置更适合前盖板1和后盖板3上流体的流动情况，对边界层湍流结构的扰动更加强烈，从而减阻效果更好。
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 (10)

1.一种基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，包括前盖板(1)、后盖板(3)和叶片(4)，其特征在于，所述叶片(4)的工作面上位于叶轮出口处设有多个相互平行的第一V形槽(5)，所述第一V形槽(5)从叶片出口边(2)向叶片进口边的方向延伸，所述第一V形槽(5)的长度Lg为整个叶片(4)长度的四分之一，所述第一V形槽(5)的导向与所述叶片出口边(2)的夹角θ1为95°；
所述叶片(4)的背面上位于叶轮出口处设有多个相互平行的第二V形槽(6)，所述第二V形槽(6)从叶片出口边(2)向叶片进口边的方向延伸，所述第二V形槽(6)的长度Lb为整个叶片(4)长度的三分之一，所述第二V形槽(6)的导向与所述叶片出口边(2)的夹角θ2为85°；
所述前盖板(1)和后盖板(3)上均设有凹坑阵列，每列凹坑包括多个沿叶片(4)流线方向均匀设置的凹坑，多列凹坑使得叶轮流道被均分为多个沿着叶片(4)流线方向的分流道，每行凹坑包括多个以叶轮的中线为中心沿圆周方向均匀设置的凹坑。
2.根据权利要求1所述的基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，其特征在于，所述凹坑为椭圆形凹坑，所述椭圆形凹坑的长轴沿叶片(4)的流线方向设置。
3.根据权利要求2所述的基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，其特征在于，所述前盖板(1)与后盖板(3)上的椭圆形凹坑关于前盖板(1)与后盖板(3)之间的中心面相互对称。
4.根据权利要求2所述的基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，其特征在于，所述椭圆形凹坑的长轴长度为2mm，短轴长度为1.5mm，沿叶轮径向方向相邻两个椭圆形凹坑的中心距离为Ra，Ra＝0.04D2，其中D2为叶轮出口直径。
5.根据权利要求2所述的基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，其特征在于，所述椭圆形凹坑的深度为h，前盖板(1)的厚度为B1，后盖板(3)的厚度为B2，h＝(B1+B2)/20。
6.根据权利要求1所述的基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，其特征在于，每列凹坑沿叶片出口边(2)至叶片进口边方向的分布范围为0.5D2～1.0D2，其中D2为叶轮出口直径。
7.根据权利要求1所述的基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，其特征在于，所述凹坑阵列中的列数为10列。
8.根据权利要求1所述的基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，其特征在于，所述第一V形槽(5)和第二V形槽(6)的深度均为h，h为叶片(4)厚度δ的六分之一，如果叶片(4)为非等厚度，则叶片(4)的厚度δ取厚度的最大值。
9.根据权利要求1所述的基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，其特征在于，所述第一V形槽(5)和第二V形槽(6)的宽度均为S，S为叶片出口边(2)的宽度b2的二十分之一。
10.根据权利要求1所述的基于耦合仿生优化的叶片泵叶轮，其特征在于，多个所述第一V形槽(5)形成第一V形槽组，所述第一V形槽组与前盖板(1)和后盖板(3)之间的距离均为叶片出口边(2)宽度b2的十分之一，多个所述第二V形槽(6)形成第二V形槽组，所述第二V形槽组与前盖板(1)和后盖板(3)之间的距离均为叶片出口边(2)宽度b2的十分之一。
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