CN110821890A - 一种具有仿生结构的离心泵蜗壳 - Google Patents

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郭超
代翠
刘厚林
郭瑾楠
张宇航
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Abstract

本发明涉及一种具有仿生结构的离心泵蜗壳。所述离心泵蜗壳的扩散段的对称壁上设有第一仿生段，所述第一仿生段的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼的线性正弦曲线的圆弧齿状结构；所述第一仿生段从蜗壳第十断面开始，并沿扩散段流线方向延伸至扩散段出口处，并保证扩散段的第十断面形状面积与原第十断面形状面积相同。所述蜗壳内壁面处设有第二仿生段，所述的第二仿生段的轮廓形状为仿蜣螂背板的凹槽结构。第二仿生段设置不止一个球冠凹槽，起点位于第一断面，终点延伸至第八断面。本发明所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳能够更好的实现离心泵的减阻降噪，改善离心泵性能，且在一定工况范围内提高离心泵的水力性能。

Description

一种具有仿生结构的离心泵蜗壳
技术领域
本发明涉及一种蜗壳设计方法，具体为一种具有仿生结构的离心泵蜗壳。
背景技术
离心泵作为一种通用机械，在国民经济中起着极其重要的作用。但其过流部件结构较为复杂，且旋转的叶轮与静止的蜗壳之间存在着动静干涉作用，使离心泵运行时内部流场呈现三维非稳态湍流，还会伴随强烈的脉动和噪声。这会影响系统的运行安全和使用寿命，对于隐匿性能较高的军用设备，振动和噪声是需要解决的问题。
蜗壳是离心泵运行的重要部件，位于叶轮出口之后，其功用是把从叶轮内流出来的液体收集起来，并尽可能的将动能转化为出口的总压。但现有的蜗壳，如图1所示，由于液体在流出叶轮时速度很高，流体易对蜗壳造成一定的破坏，且装置稳定性较差。
利用仿生非光滑表面实现减阻和降噪的技术已逐渐成熟，但是在离心泵领域进行的应用并不广泛，并且对于同一对象上的仿生表面所产生减阻和降噪效果之间关联的研究也尚不多见。
仿生设计通过对生物结构，生物功能和生命过程的认识为解决工程和机械设计中的难题提供巧妙的设计思路和灵感。蜣螂体表的非光滑结构，腹部不粘土且阻力小，可以有效减少土壤粘附和摩擦。飞鸟羽翼外轮廓的圆弧齿状结构可以实现高速无声飞行。这为减阻降噪蜗壳提供了设计思路和方法。
发明内容
为了改善离心泵性能，且在一定工况范围内提高离心泵的水力性能。本发明提出了一种降低离心泵内部流场的振动与噪声问题的具有仿生结构的离心泵蜗壳。
本发明所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳的扩散段的对称壁上设有第一仿生段，所述第一仿生段的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼的线性正弦曲线的圆弧齿状结构；所述第一仿生段从蜗壳第十断面开始，并沿扩散段流线方向延伸至扩散段出口处，并保证扩散段的第十断面形状面积与原第十断面形状面积相同。
进一步的，所述离心泵蜗壳的内壁面设有第二仿生段，所述第二仿生段的轮廓形状为仿蜣螂背板的凹槽结构，所述第二仿生段的起点位于第一断面处，终点延伸至第八断面。
进一步的，所述第一仿生段沿流线方向布置长度为整个扩散段的4/5，所述第一仿生段的仿生结构的结束点与泵蜗壳出口处平齐，所述第一仿生段的圆弧齿状结构间隔为8～14mm，圆弧齿状结构高度为1～2mm，圆弧齿状结构单元个数为2～5个，所述第一仿生段360°包围所述扩散段的出口处。
进一步的，所述离心泵蜗壳的内壁面处设置有至少一个球冠凹槽。
进一步的，所述球冠凹槽大小一致、分奇偶列均匀设置在所述离心泵蜗壳的内壁面处。
优选的，每列球冠凹槽中，各球冠凹槽底面球心间距为2.2mm。
优选的，每列球冠凹槽中，偶列球冠凹槽底面球心与奇列球冠凹槽底面球心的间距为2.2mm。
优选的，所述的每列球冠凹槽中，偶列球冠凹槽底面球心与奇列球冠凹槽底面球心的垂直距离为1.1mm。
优选的，所述的球冠凹槽直径为1.2mm，高0.12mm。
本发明所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳具有如下技术效果：本发明涉及的离心泵蜗壳采用仿生的设计理念，将具有非光滑结构，腹部不粘土且阻力小的蜣螂体表以及飞鸟羽翼外轮廓的圆弧齿状结构用于离心泵蜗壳仿生设计，能够更好的实现离心泵的减阻降噪，提高不同流量下的水利效率，改善离心泵性能，提高离心泵整体效率。
附图说明
图1是传统的蜗壳轮廓图
图2是本发明所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳流道中截面示意图(其中a～k分别代表第一到第十一断面)
图3是本发明所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳的内壁面球冠型凹槽结构尺寸图
图4是本发明所述的球冠型凹槽高度尺寸图
图5为蜣螂背板的凹坑外形图
图6为本发明所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳断面图
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步的说明。
本发明所采用的技术方案是：一种具有防生结构的离心泵蜗壳，如图3和图4所示，蜗壳内壁面上设置有不止一个球冠型凹槽，球冠凹槽底面直径1.2mm，球冠凹槽高0.12mm，球冠凹槽大小一致，分奇偶列均匀分布在蜗壳内壁面处；每列球冠凹槽中，各球冠凹槽底面球心间距为2.2mm；偶列球冠凹槽底面球心与奇列球冠凹槽底面球心的间距为2.2mm；偶列球冠凹槽底面球心与奇列球冠凹槽底面球心的垂直距离为1.1mm。
进一步的，请见图5为蜣螂胸节背板的凹坑外形图，离心泵工作过程中，叶轮和蜗壳之间的摩擦与蜣螂胸节背板在钻土过程中相似，为达到减阻的作用，选用蜣螂胸节背板的凹坑形作为蜗壳壁面的仿生结构。
进一步的，如图2所示，图2示出了本发明所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳流道中的界面示意图，其中a～k分别代表第一断面到第十一断面，其断面结构如图6所示，具体的，扩散段的对称壁上设有第一仿生段，所述的第一仿生段的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼的线性正弦曲线的圆弧齿状结构；所述的第一仿生段从蜗壳第十断面开始，并沿扩散段流线方向延伸至扩散段出口处，并保证扩散段的第十断面形状面积与原第十断面形状面积相同。
所述离心泵蜗壳的内壁面设有第二仿生段，所述第二仿生段的轮廓形状为仿蜣螂背板的凹槽结构，所述第二仿生段的起点位于第一断面处，终点延伸至第八断面。
所述的第一仿生段沿流线方向布置长度为整个扩散段4/5，仿生结构的结束点与蜗壳出口处平齐，所述第一仿生段的圆弧齿状结构间隔为8～14mm，圆弧齿状结构高度为1～2mm，圆弧齿状结构单元个数为2～5个，整个第一仿生段360°包围扩散段出口处。上述圆弧齿状结构是通过大量研究分析获得的，鸮可以在猎食过程中实现高速无声飞行，而鸮类独特的体表降噪系统得益于其羽翼的特殊结构，且长耳鸮翼型被认为对噪声有很好的控制作用。
扩散段仿生结构的工作原理：
对于扩散段出口位于蜗壳对称面中心线的蜗壳，离心泵的径向力得到很好的平衡,但扩散段内流体边界层分离较为严重,流体的流动状态极不稳定,漩涡及二次流较为明显。同时由于扩散段内流体压力较大,从而造成扩散段内的压力脉动幅值较大，使得扩散段内的振动和噪声十分明显。采用扩散段圆弧齿状结构时,扩散段内流体流经圆弧齿状结构时,漩涡及二次流现象明显被消除，且扩算段壁面边界层分离也得到很好的控制，使得流体的压力脉动显著下降,从而大大降低了扩散段内的振动及噪声。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.一种具有仿生结构的离心泵蜗壳，其特征在于：所述离心泵蜗壳的扩散段的对称壁上设有第一仿生段，所述第一仿生段的纵截面轮廓形状为仿飞鸟羽翼的线性正弦曲线的圆弧齿状结构；所述第一仿生段从蜗壳第十断面开始，并沿扩散段流线方向延伸至扩散段出口处，并保证扩散段的第十断面形状面积与原第十断面形状面积相同。
2.根据权利要求1所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳，其特征在于：所述离心泵蜗壳的内壁面设有第二仿生段，所述第二仿生段的轮廓形状为仿蜣螂背板的凹槽结构，所述第二仿生段的起点位于第一断面处，终点延伸至第八断面。
3.根据权利要求1所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳，其特征在于：所述第一仿生段沿流线方向布置长度为整个扩散段的4/5，所述第一仿生段的仿生结构的结束点与泵蜗壳出口处平齐，所述第一仿生段的圆弧齿状结构间隔为8～14mm，圆弧齿状结构高度为1～2mm，圆弧齿状结构单元个数为2～5个，整个所述第一仿生段360°包围所述扩散段的出口处。
4.根据权利要求2所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳，其特征在于：所述离心泵蜗壳的内壁面处设置有至少一个球冠凹槽。
5.根据权利要求4所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳，其特征在于：所述球冠凹槽大小一致、分奇偶列均匀设置在所述离心泵蜗壳的内壁面处。
6.根据权利要求5所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳，其特征在于：每列球冠凹槽中，各球冠凹槽底面球心间距为2.2mm。
7.根据权利要求5所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳，其特征在于：每列球冠凹槽中，偶列球冠凹槽底面球心与奇列球冠凹槽底面球心的间距为2.2mm。
8.根据权利要求5所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳，其特征在于：每列球冠凹槽中，偶列球冠凹槽底面球心与奇列球冠凹槽底面球心的垂直距离为1.1mm。
9.根据权利要求4或5或6或7或8所述的具有仿生结构的离心泵蜗壳，其特征在于：所述的球冠凹槽直径为1.2mm，高0.12mm。
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