CN109737095A - 一种仿生离心泵叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种仿生离心泵叶片，在叶片背面设有仿生结构，所述仿生结构包括若干列球状凹坑，每列球状凹坑均沿所述叶片的宽度方向布置，所述仿生结构的起始位置布置于距所述叶片进口边1/3 L处，其中L为所述叶片的长度，所述叶片工作时，低速流体将形成涡旋积聚于所述球状凹坑的内部。本发明降低了壁面剪应力引起的相应流动损失，提高了叶轮的工作效率与叶片的使用寿命。同时，仅需在叶片背面的中部布置仿生结构，仿生结构的造型区域小，减少加工量，利于加工，降低成本。

Description

一种仿生离心泵叶片
技术领域
本发明涉及节能减排领域的叶片造型技术，尤其涉及一种仿生离心泵叶片。
背景技术
离心泵属于典型的叶片式流体机械，主要由吸入室、叶轮、压出室等部分组成，而叶轮作为离心泵的核心部分，在离心泵的能量转换过程中起至关重要的作用，其设计的优劣直接决定了离心泵的水力性能好坏。与此同时，离心泵的能效与噪声等社会效应在现今全社会呼吁节能减排的大环境下也越来越受到使用者的关注，因此人们对相应离心泵的设计方法提出了新的需求。然而，目前现有的叶轮的模型库陈旧，水力设计方法正发展到瓶颈阶段，新型的水力设计方法往往局限于特定模型，从水力设计阶段出发费时费力。因此目前工程实际中多采用改造现有模型造型结构的方法，可实现节能减排同时缩短生产周期。
现有技术公开了在离心泵圆柱叶片的基础上，在其叶片背面中部设置整流凸部以优化离心泵叶片背面流线，减小背面脱流或回流现象，从而达到提高离心泵工作效率的目的。但该设计使得简单的圆柱叶片设计过程复杂化，且难以应用于扭曲叶片。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种仿生离心泵叶片，以降低离心泵工作中叶片与流体介质间的摩擦阻力。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种仿生离心泵叶片，在叶片背面设有仿生结构，所述仿生结构包括若干列球状凹坑，每列球状凹坑均沿所述叶片的宽度方向布置，所述仿生结构的起始位置布置于距所述叶片进口边1/3L处，其中L为所述叶片的长度，所述叶片工作时，低速流体将形成涡旋积聚于所述球状凹坑的内部。
优选地，所述仿生结构的终止位置与起始位置的距离不大于1/3L。
优选地，所述仿生结构包括多个主列球状凹坑和多个次列球状凹坑，所述主列球状凹坑与所述次列球状凹坑交错排布，所述主列球状凹坑中设有五个球状凹坑，所述次列球状凹坑中设有四个球状凹坑。
优选地，所述球状凹坑的球心位于所述叶片的背面上。
优选地，所述仿生结构中从起始位置起，第n列球状凹坑所在过流断面与所述叶片表面的交线长度记为Ln，第n列球状凹坑中的所述球状凹坑的半径为
优选地，所述仿生结构中从起始位置起，第n列球状凹坑中每相邻两个所述球状凹坑的球心距离相同，均为dn＝4Rn；所述主列球状凹坑中心的所述球状凹坑的球心位于所述叶片中线3上；所述次列球状凹坑中间两个所述球状凹坑的球心对称分布在所述叶片中线3的两侧。
优选地，所述仿生结构中从起始位置起，第n列球状凹坑与第n+1列球状凹坑间的距离为Dn＝2.5Rn。
本发明的有益效果：
1)本发明在叶片背面设置仿生结构，该仿生结构包括若干列球状凹坑，每列球状凹坑均沿叶片的宽度方向布置，仿生结构位于叶片背面的中部，相比于现有技术中无仿生单元结构的叶片表面，小流量工况下壁面剪应力同比降低约5％，大流量工况下壁面剪应力同比降低10％以上，因此，本发明降低了壁面剪应力引起的相应流动损失，提高了叶轮的工作效率与叶片的使用寿命。同时，仅需在叶片背面的中部布置仿生结构，仿生结构的造型区域小，减少加工量，利于加工，降低成本。
2)本发明的仿生结构包括多个主列球状凹坑和多个次列球状凹坑，主列球状凹坑与次列球状凹坑交错排布，使得球状凹坑在叶片面上形成菱形织构，能更有效地利用单个球状凹坑的减阻效果。
3)本发明中球状凹坑的大小及间距随球状凹坑所在处的叶片宽度规律性变化，避免在叶片下游出现凹坑密度过大的情况，并且有效提高了单个球状凹坑的减阻率。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种仿生离心泵叶片的结构示意图。
图2为根据本发明实施例的球状凹坑的分布示意图。
图3为根据本发明实施例的叶片相比于普通光滑表面叶片的减阻率图。
附图标记：
1.叶片背面；2.球状凹坑；3.叶片中线；4.起始位置；5.终止位置。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种仿生离心泵叶片。
请参阅图1和图2，根据本发明实施例的一种仿生离心泵叶片，在叶片背面1设有仿生结构，所述仿生结构包括若干列球状凹坑，每列球状凹坑均沿所述叶片的宽度方向布置，仿生结构的起始位置4布置于距叶片进口边1/3L处，仿生结构的终止位置5布置于距叶片出口边1/3L处附近，终止位置5与起始位置4之间的间距不大于1/3L，其中L为叶片的长度。
叶片工作时，低速流体将形成涡旋积聚于球状凹坑2的内部，近壁面流体受凹坑内部涡旋影响形成低速层，壁面剪应力因此减小。
优选地，根据本发明的一个实施例，若干列球状凹坑包括多个主列球状凹坑和多个次列球状凹坑，主列球状凹坑与次列球状凹坑交错排布，主列球状凹坑中设有五个球状凹坑2，次列球状凹坑中设有四个球状凹坑2。仿生结构中从起始位置起，第一列为主列球状凹坑第二类为次列球状凹坑，此后主次列按前述规律交替排列，主列球状凹坑中心的球状凹坑2的球心位于叶片中线3上，次列球状凹坑内位于中间的两个球状凹坑2的球心对称分布在叶片中线3两侧，在叶片背面1形成了菱形状织构，有效地利用单个球状凹坑2的减阻效果，提高单个球状凹坑2减阻性能的利用率。
优选地，根据本发明的一个实施例，球状凹坑2的球心位于叶片的背面上，对于难以确定投影平面的扭曲叶片适应性更好。
优选地，根据本发明的一个实施例，仿生结构中从起始位置4起，第n列球状凹坑所在过流断面与叶片表面的交线长度记为Ln，第n列球状凹坑中的球状凹坑2的半径为第n列中每相邻两个球状凹坑2的球心距离相同，均为dn＝4Rn，球状凹坑2的大小及间距随球状凹坑2所在处的叶片宽度规律性变化，避免在叶片下游出现凹坑密度过大的情况，并且有效提高了单个球状凹坑2的减阻率。
本发明与现有技术相比，结合仿生理论在叶片背面中部规律性地排布球状凹坑仿生单元，在具有扭曲叶片的离心泵叶轮的水力优化方面表现优秀，有良好的适应性。同时，本发明将球状凹坑2集中排列在叶片背面1的中段，形成菱形织构，球状凹坑2的大小和间距规律性变化，可以有效提高单个球状凹坑2的减阻率，减少加工量。
采用CFD软件模拟试验，如图3所示，相比本身无球状凹坑的叶型，叶片所受壁面剪应力在全流量下减少10％左右，且在本实施例的设计工况Q＝30m3/h下减阻率达到最高，约为17％。主流区流场优化效果明显，有利于降低流激噪声。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种仿生离心泵叶片，其特征在于，在叶片背面设有仿生结构，所述仿生结构包括若干列球状凹坑，每列球状凹坑均沿所述叶片的宽度方向布置，所述仿生结构的起始位置布置于距所述叶片进口边1/3L处，其中L为所述叶片的长度，所述叶片工作时，低速流体将形成涡旋积聚于所述球状凹坑的内部。
2.根据权利要求1所述的仿生离心泵叶片，其特征在于，所述仿生结构的终止位置与起始位置的距离不大于1/3L。
3.根据权利要求1所述的仿生离心泵叶片，其特征在于，所述仿生结构包括多个主列球状凹坑和多个次列球状凹坑，所述主列球状凹坑与所述次列球状凹坑交错排布，所述主列球状凹坑中设有五个球状凹坑，所述次列球状凹坑中设有四个球状凹坑。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的仿生离心泵叶片，其特征在于，所述球状凹坑的球心位于所述叶片背面上。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的仿生离心泵叶片，其特征在于，所述仿生结构中从起始位置起，第n列球状凹坑所在过流断面与所述叶片表面的交线长度记为Ln，第n列球状凹坑中的所述球状凹坑的半径为
6.根据权利要求5所述的仿生离心泵叶片，其特征在于，所述仿生结构中从起始位置起，第n列球状凹坑中每相邻两个所述球状凹坑的球心距离相同，均为dn＝4Rn；所述主列球状凹坑中心的所述球状凹坑的球心位于所述叶片中线3上；所述次列球状凹坑中间两个所述球状凹坑的球心对称分布在所述叶片中线3的两侧。
7.根据权利要求5所述的仿生离心泵叶片，其特征在于，所述仿生结构中从起始位置起，第n列球状凹坑与第n+1列球状凹坑间的距离为Dn＝2.5Rn。
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