CN109236731A - 一种基于耦合仿生优化的耐磨损叶片 - Google Patents

一种基于耦合仿生优化的耐磨损叶片 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于耦合仿生优化的耐磨损叶片，应用于叶片泵叶轮，叶片上设有：第一凸包矩阵，位于叶片前缘的重度磨损区；第二凸包矩阵，位于叶片的工作面上靠近出口边的重度磨损区；第三凸包矩阵，位于叶片的背面上紧靠出口边的重度磨损区；第一条纹组，位于叶片的工作面上紧靠第二凸包矩阵；第二条纹组，位于叶片的背面上紧靠第三凸包矩阵；三个凸包矩阵均包括多行乘多列形成于叶片表面上的凸包，凸包呈光滑块状，第一条纹组和第二条纹组均包括多条平行设置的条纹凸起，条纹凸起的横截面呈三角形。本发明设置的三个凸包矩阵以及两个条纹组能够提高叶片的耐磨损性能。

Description

一种基于耦合仿生优化的耐磨损叶片
技术领域
本发明涉及泵仿生领域，尤其涉及一种基于耦合仿生优化的耐磨损叶片。
背景技术
固液两相流离心泵在实际应用中由于其输送介质的特殊性，含沙水流会对过流部件表面产生磨损或切削破坏，严重影响其运行稳定性和使用寿命。为了降低磨损带来的问题，通常采用抗磨损性能较好的涂层材料对过流部件表面进行涂层防护，来提高叶片的抗磨损性能，但该方法仅仅能够延长叶片的抗磨性能，无法从根本上解决磨损问题。
自然界中生物体表组织经过千百万年的进化，具有非常独特的结构和性能。生物体表形态是生物体自身生长机制与生存环境长期相互作用的结果。已有的研究表明，生存在粘湿土壤中的动物体表呈几何非光滑特征，具有减粘、降阻、耐磨作用。土壤动物体表的几何非光滑特征是由于体表触土部位随机地或规律地分布着一定几何形状的结构单元体，运动时有利于减小正压力对体表的作用，降低摩擦分量。如果把这种结构与组成机理应用到叶片泵的表层，将会提高叶片泵的抗磨性。
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耐磨损叶片，应用于叶片泵叶轮，以提高叶片的耐磨损性能。
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耐磨损叶片，应用于叶片泵叶轮，所述叶片上设有：
第一凸包矩阵，位于所述叶片前缘的重度磨损区，所述第一凸包矩阵包围所述叶片前缘；
第二凸包矩阵，位于所述叶片的工作面上靠近出口边的重度磨损区；
第三凸包矩阵，位于所述叶片的背面上紧靠出口边的重度磨损区；
第一条纹组，位于所述叶片的工作面上紧靠所述第二凸包矩阵；
第二条纹组，位于所述叶片的背面上紧靠所述第三凸包矩阵；
其中，所述第一凸包矩阵、所述第二凸包矩阵和所述第三凸包矩阵均包括多行乘多列形成于叶片表面上的凸包，所述凸包呈光滑块状，所述第一条纹组和所述第二条纹组均包括多条平行设置的条纹凸起，所述条纹凸起的横截面呈三角形。
根据本发明的一个实施例，所述第一凸包矩阵、所述第二凸包矩阵和所述第三凸包矩阵的宽度即为叶片的高度b2，所述第一凸包矩阵展开为平面后的长度为Lj，Lj为的叶轮出口直径D2与叶轮进口直径Dj差值的0.1～0.15倍；
所述第二凸包矩阵和所述第三凸包矩阵展开为平面后的长度均为Lc，Lc为0.3～0.35倍Lj。
根据本发明的一个实施例，所述第一条纹组和所述第二条纹组展开为平面的长度Lt均为Lj为0.1～0.15倍Lj，宽度即为叶片的高度b2，所述第一条纹组和所述第二条纹组中条纹凸起的导向与所述叶轮前盖板之间的夹角θ1为10°-15°，且所述第一条纹组和所述第二条纹组中条纹凸起均朝向叶轮的所述出口边倾斜。
根据本发明的一个实施例，所述第一凸包矩阵、所述第二凸包矩阵和所述第三凸包矩阵中的凸起为椭圆形凸包，所述椭圆形凸包的长轴均沿叶片的高度方向设置。
根据本发明的一个实施例，所述椭圆形凸包的长轴长度为1mm，短轴长度为0.4mm，沿叶片的高度方向相邻两个椭圆形凸包的中心的距离R1为1.5mm，沿椭圆形凸包的短轴方向相邻两列椭圆形凸包的中心的距离R2为0.8mm。
根据本发明的一个实施例，椭圆形凸包的凸起高度为0.5～1mm。
根据本发明的一个实施例，所述第一凸包矩阵中的行数为Lj/1.5向下取整，所述第一凸包矩阵中的列数为叶片高度b2/1.2向下取整。
根据本发明的一个实施例，所述第二凸包矩阵和第三凸包矩阵中的行数为Lc/1.5向下取整，所述第二凸包矩阵和第三凸包矩阵中的列数为b2/1.2向下取整。
根据本发明的一个实施例，所述第一条纹组和所述第二条纹组中的条纹凸起的横截面为正三角形，所述正三角形的底边长hk为1～2.5mm，所述第一条纹组和所述第二条纹组展开为平面后相邻两个条纹凸起的中心距hj为1.5～3mm。
本发明的有益效果：
1.本发明通过在叶片前缘的重度磨损区布置第一凸包矩阵，减少了叶轮进口处固体颗粒对于叶轮冲击，并通过改变进口表面的受力分布，使得叶片前缘的局部受力明显小于光滑表面，在此处能够产生明显的应力缓释效应，起到了很好的减磨效果；叶片靠近出口边的重度磨损区设置第二凸包矩阵和第三凸包矩阵，能够起到了存储和润滑的作用，使得块状凸起附近应变的加大吸收了一部分摩擦能量，且通过凸包矩阵还会对边界层处产生扰动，实现减阻减磨，同时，在叶片的工作面上以及背面上分别设置第一条纹组和第二条纹组，增加了叶片的受力面积进而提高其抗磨损性能。
2.本发明的第一条纹组和第二条纹组中的条纹状凸起与前盖板呈一定角度，并均朝向叶片出口边倾斜，以顺应流体在叶轮中部的流动情况，可有效抑制叶尖大涡形成，降低旋涡强度，能有效地控制流场结构，降低流动损失。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于耦合仿生优化的耐磨损叶片在前盖板上布置的示意图；
图2为本发明实施例的第一凸包矩阵结构展开为平面的示意图；
图3为本发明实施例的第二凸包矩阵和第三凸包矩阵结构展开为平面的示意图。
图4为本发明实施例的第一条纹组和第二条纹组展开为平面的示意图。
图5为本发明实施例的第一条纹组和第二条纹组的横截面的示意图。
附图标记：
1.叶片前缘；2.第一凸包矩阵；3.第一条纹组；4.第二条纹组；5.第二凸包矩阵；6.第三凸包矩阵；7.出口边；8.前盖板。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能偶以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种基于耦合仿生优化的耐磨损叶片。
请参阅图1，根据本发明实施例的一种基于耦合仿生优化的耐磨损叶片，应用于叶片泵叶轮，叶片上设有：第一凸包矩阵2、第二凸包矩阵5、第三凸包矩阵6、第一条纹组3和第二条纹组4。
第一凸包矩阵2位于叶片前缘1的重度磨损区，第一凸包矩阵2包围叶片前缘1，第一凸包矩阵2的宽度即为叶片的高度b2，请参阅图2，第一凸包矩阵2展开为平面后的长度为Lj，Lj为的叶轮出口直径D2与叶轮进口直径Dj差值的0.1～0.15倍。
第二凸包矩阵5位于叶片的工作面上靠近出口边7的重度磨损区，第二凸包矩阵5的宽度即为叶片的高度b2，请参阅图3，第二凸包矩阵展开为平面后的长度均为Lc，Lc为0.3～0.35倍Lj。
第三凸包矩阵6位于叶片的背面上紧靠出口边7的重度磨损区，第三凸包矩阵6的宽度即为叶片的高度b2，请参阅图3，第三凸包矩阵展开为平面后的长度均为Lc，Lc为0.3～0.35倍Lj。
请参阅图2和图3，第一凸包矩阵2、第二凸包矩阵5和第三凸包矩阵6均包括多行乘多列形成于叶片表面上的凸包，凸包呈光滑块状，作为优选，本实施例中的三个凸包矩阵的块状凸包均为椭圆形，椭圆形凸包的外形形状更加符合边界层流动，对边界层流动的阻塞作用较小。
椭圆形凸包的长轴均沿叶片的高度方向设置，椭圆形凸包的长轴长度为1mm，短轴长度为0.4mm，椭圆形凸包的凸起高度为0.5～1mm。沿叶片的高度方向相邻两个椭圆形凸包的中心的距离R1为1.5mm，沿椭圆形凸包的短轴方向相邻两列椭圆形凸包的中心的距离R2为0.8mm。本实施例中的椭圆形凸包的尺寸、凸包间距离以及凸包矩阵的分布范围均为数值计算后的优选方式，可以改变贴近叶片表面流场紊性边界层中原有结构与速度分布，使得边界层趋于稳定，阻止其表面层流向湍流转化，有效减小阻力。
第一凸包矩阵2中的行数为Lj/1.5向下取整，第一凸包矩阵2中的列数为叶片高度b2/1.2向下取整。第二凸包矩阵5和第三凸包矩阵6中的行数为Lc/1.5向下取整，第二凸包矩阵5和第三凸包矩阵6中的列数为b2/1.2向下取整。
第一条纹组3位于叶片的工作面上紧靠第二凸包矩阵5；第二条纹组4位于叶片的背面上紧靠第三凸包矩阵6；第一条纹组3和第二条纹组4均包括多条平行设置的条纹凸起，条纹凸起的横截面呈三角形，作为优选本实施例中的条纹凸起的横截面呈正三角形，请参阅图5，正三角形的底边长hk为1～2.5mm。请参阅图4，第一条纹组3和第二条纹组4展开为平面的长度Lt均为Lj为0.1～0.15倍Lj，宽度即为叶片的高度b2，相邻两个条纹凸起的中心距hj为1.5～3mm，第一条纹组3和第二条纹组4中条纹凸起的导向与叶轮前盖板8之间的夹角θ1为10°-15°，且第一条纹组3和第二条纹组4中条纹凸起均朝向叶轮的出口边7倾斜。条纹凸起与前盖板8之间形成一定夹角，这样使得条纹处增加了固体颗粒与叶片表面的接触面积，降低了对于叶片的摩擦，与条纹凸起顺着叶片表面布置相比，可有效抑制叶尖大涡形成，降低旋涡强度，能够有效地控制流场结构，降低流动损失。
本发明通过在叶片前缘1的重度磨损区布置第一凸包矩阵2，减少了叶轮进口处固体颗粒对于叶轮的冲击，并通过改变进口表面的受力分布，使得叶片前缘1的局部受力明显小于光滑表面，在此处能够产生明显的应力缓释效应，起到了很好的减磨效果；叶片靠近出口边7的重度磨损区设置第二凸包矩阵5和第三凸包矩阵6，能够起到了存储和润滑的作用，使得块状凸包附近应变的加大吸收了一部分摩擦能量，且通过凸包矩阵还会对边界层处产生扰动，实现减阻减磨，同时，在叶片的工作面上以及背面上分别设置第一条纹组3和第二条纹组4，增加了叶片的受力面积进而提高其抗磨损性能。
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 (9)

1.一种基于耦合仿生优化的耐磨损叶片，应用于叶片泵叶轮，其特征在于，所述叶片上设有：
第一凸包矩阵，位于所述叶片前缘的重度磨损区，所述第一凸包矩阵包围所述叶片前缘；
第二凸包矩阵，位于所述叶片的工作面上靠近出口边的重度磨损区；
第三凸包矩阵，位于所述叶片的背面上紧靠出口边的重度磨损区；
第一条纹组，位于所述叶片的工作面上紧靠所述第二凸包矩阵；
第二条纹组，位于所述叶片的背面上紧靠所述第三凸包矩阵；
其中，所述第一凸包矩阵、所述第二凸包矩阵和所述第三凸包矩阵均包括多行乘多列形成于叶片表面上的凸包，所述凸包呈光滑块状，所述第一条纹组和所述第二条纹组均包括多条平行设置的条纹凸起，所述条纹凸起的横截面呈三角形。
2.根据权利要求1所述的基于耦合仿生优化的耐磨损叶片，其特征在于，所述第一凸包矩阵、所述第二凸包矩阵和所述第三凸包矩阵的宽度即为叶片的高度b2，所述第一凸包矩阵展开为平面后的长度为Lj，Lj为的叶轮出口直径D2与叶轮进口直径Dj差值的0.1～0.15倍；
所述第二凸包矩阵和所述第三凸包矩阵展开为平面后的长度均为Lc，Lc为0.3～0.35倍Lj。
3.根据权利要求2所述的基于耦合仿生优化的耐磨损叶片，其特征在于，所述第一条纹组和所述第二条纹组展开为平面的长度Lt均为Lj为0.1～0.15倍Lj，宽度即为叶片的高度b2，所述第一条纹组和所述第二条纹组中条纹凸起的导向与所述叶轮前盖板之间的夹角θ1为10°-15°，且所述第一条纹组和所述第二条纹组中条纹凸起均朝向叶轮的所述出口边倾斜。
4.根据权利要求3所述的基于耦合仿生优化的耐磨损叶片，其特征在于，所述第一凸包矩阵、所述第二凸包矩阵和所述第三凸包矩阵中的凸包为椭圆形凸包，所述椭圆形凸包的长轴均沿叶片的高度方向设置。
5.根据权利要求4所述的基于耦合仿生优化的耐磨损叶片，其特征在于，所述椭圆形凸包的长轴长度为1mm，短轴长度为0.4mm，沿叶片的高度方向相邻两个椭圆形凸包的中心的距离R1为1.5mm，沿椭圆形凸包的短轴方向相邻两列椭圆形凸包的中心的距离R2为0.8mm。
6.根据权利要求4所述的基于耦合仿生优化的耐磨损叶片，其特征在于，椭圆形凸包的凸起高度为0.5～1mm。
7.根据权利要求3所述的基于耦合仿生优化的耐磨损叶片，其特征在于，所述第一凸包矩阵中的行数为Lj/1.5向下取整，所述第一凸包矩阵中的列数为叶片高度b2/1.2向下取整。
8.根据权利要求3所述的基于耦合仿生优化的耐磨损叶片，其特征在于，所述第二凸包矩阵和第三凸包矩阵中的行数为Lc/1.5向下取整，所述第二凸包矩阵和第三凸包矩阵中的列数为b2/1.2向下取整。
9.根据权利要求1所述的基于耦合仿生优化的耐磨损叶片，其特征在于，所述第一条纹组和所述第二条纹组中的条纹凸起的横截面为正三角形，所述正三角形的底边长hk为1～2.5mm，所述第一条纹组和所述第二条纹组展开为平面后相邻两个条纹凸起的中心距hj为1.5～3mm。
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