全文摘要
本实用新型公开了一种高速离心压气机仿生前缘叶片及叶轮，包括：吸力面、压力面、前缘及尾缘，所述前缘及所述尾缘为所述吸力面和所述压力面的相交线，所述叶片的前缘至所述尾缘方向的宽度逐渐减小，所述叶片在所述前缘至所述尾缘方向上三维空间内扭转，所述前缘至所述尾缘扭转角度逐渐增大；所述叶片的前缘为波纹状，所述叶片的所述吸力面和所述压力面前缘截面为波纹状，所述波纹状的若干凸起间距相等且若干凸起高度相等；所述波纹状的若干波纹凹陷的间距相等且若干波纹凹陷深度相等；本实用新型解决了叶轮高转速下无法大幅优化空气动力性能问题，通过将叶片改进为前缘的仿生特性，使得叶轮能够在高速旋转下，实现工作性能的大幅提高。
主设计要求
1.一种高速离心压气机仿生前缘叶片，其特征在于，包括：吸力面、压力面、前缘及尾缘，所述前缘及所述尾缘为所述吸力面和所述压力面的相交线，所述叶片的前缘至所述尾缘方向的宽度逐渐减小，所述叶片在所述前缘至所述尾缘方向上三维空间内扭转，所述前缘至所述尾缘扭转角度逐渐增大；所述叶片的前缘为波纹状，所述吸力面和所述压力面邻近所述前缘处截面为波纹状，所述波纹状的若干波纹凸起间距相等且若波纹干凸起高度相等；所述波纹状的若干波纹凹陷的间距相等且若干波纹凹陷深度相等。
设计方案
1.一种高速离心压气机仿生前缘叶片，其特征在于，包括：吸力面、压力面、前缘及尾缘，所述前缘及所述尾缘为所述吸力面和所述压力面的相交线，所述叶片的前缘至所述尾缘方向的宽度逐渐减小，所述叶片在所述前缘至所述尾缘方向上三维空间内扭转，所述前缘至所述尾缘扭转角度逐渐增大；所述叶片的前缘为波纹状，所述吸力面和所述压力面邻近所述前缘处截面为波纹状，所述波纹状的若干波纹凸起间距相等且若波纹干凸起高度相等；所述波纹状的若干波纹凹陷的间距相等且若干波纹凹陷深度相等。
2.根据权利要求1所述的高速离心压气机仿生前缘叶片，其特征在于，所述叶片的压力面的波纹凸起为所述吸力面的波纹凹陷，所述叶片的压力面的波纹凹陷为所述吸力面的波纹凸起。
3.根据权利要求2所述的高速离心压气机仿生前缘叶片，其特征在于，所述叶片的压力面及吸力面上的波纹凸起高度在所述前缘至尾缘方向逐渐减小。
4.根据权利要求3所述的高速离心压气机仿生前缘叶片，其特征在于，所述波纹凸起高度d与波纹凸起间距s之比在0.015～0.030之间。
5.一种高速离心压气机叶轮，其特征在于，包括：权利要求4所述的叶片、轮盘及轮轴；所述轮轴为喇叭筒状且内部中空，所述轮盘中心点设置有通孔，所述轮轴的喇叭筒的大直径端垂直于所述轮盘中心点，所述轮轴与所述通孔连通，所述轮盘与所述轮轴一体成型；多个所述叶片尾缘朝向所述轮盘，多个所述叶片的侧缘面与所述轮轴的侧面径向弧形匹配，并等间距设置于所述轮轴侧面，多个所述叶片与所述轮轴一体成型。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及离心压气机领域，尤其涉及一种高速离心压气机仿生前缘叶片及叶轮。
背景技术
现在通常的技术是设置离心压气机叶片前缘处的椭圆型线(长轴和短轴比例)，叶片前缘整体呈直线型，不具有仿生翅翼结构，无法进一步提升压比和大流量效率。其他轴流、低速风机中有仿生学叶片构型，但其转速和叶尖流速均低于高速离心压气机的1\/10，气动条件差别显著，设计参数不能直接借用，无法达到高转速高效率高压比的效果。
实用新型内容
本实用新型提供一种高速离心压气机仿生前缘叶片及叶轮，以克服无法在高转速下进一步大幅优化空气动力学特性的问题。
本实用新型包括：吸力面、压力面、前缘及尾缘，所述前缘及所述尾缘为所述吸力面和所述压力面的相交线，所述叶片的前缘至所述尾缘方向的宽度逐渐减小，所述叶片在所述前缘至所述尾缘方向上三维空间内扭转，所述前缘至所述尾缘扭转角度逐渐增大；所述叶片的前缘为波纹状，所述吸力面和所述压力面邻近所述前缘处截面为波纹状，所述波纹状的若干波纹凸起间距相等且若波纹干凸起高度相等；所述波纹状的若干波纹凹陷的间距相等且若干波纹凹陷深度相等。
进一步地，所述叶片的压力面的波纹凸起为所述吸力面的波纹凹陷，所述叶片的压力面的波纹凹陷为所述吸力面的波纹凸起。
进一步地，所述叶片的压力面及吸力面上的波纹凸起高度在所述前缘至尾缘方向逐渐减小。
进一步地，所述波纹凸起高度d与波纹凸起间距s之比在0.015～0.030 之间。
本实用新型还提供一种高速离心压气机叶轮，包括：上述的叶片、轮盘及轮轴；所述轮轴为喇叭筒状且内部中空，所述轮盘中心点设置有通孔，所述轮轴的喇叭筒的大直径端垂直于所述轮盘中心点，所述轮轴与所述通孔连通，所述轮盘与所述轮轴一体成型；多个所述叶片尾缘朝向所述轮盘，多并等间距设置于所述轮轴侧面，多个所述叶片与所述轮轴一体成型。
本实用新型解决了叶轮高转速下无法大幅优化空气动力性能问题，通过将叶片改进为前缘的仿生特性，使得叶轮能够在高速旋转下，实现工作性能的大幅提高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的叶片结构示意图；
图2为本实用新型的波纹凸起结构设计示意图；
图3为本实用新型的叶轮正视图；
图4为本实用新型的叶轮俯视图；
图5为本实用新型的叶轮与原型叶轮压比和效率对比图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型为一种高速离心压气机仿生前缘叶片，包括：吸力面2、压力面1、前缘3及尾缘4，所述前缘3及所述尾缘4为所述吸力面2和所述压力面1的相交线，所述叶片的前缘3至所述尾缘4方向上的宽度逐渐减小，所述叶片在所述前缘3至所述尾缘4方向上三维空间内扭转，所述前缘3至所述尾缘4扭转角度逐渐增大；所述叶片的前缘3为波纹状，所述吸力面2 和所述压力面1邻近所述前缘3处截面为波纹状，所述波纹状的若干波纹凸起5间距相等且若波纹干凸起5高度相等；所述波纹状的若干波纹凹陷6的间距相等且若干波纹凹陷6深度相等。
进一步地，所述叶片的压力面1的波纹凸起5为所述吸力面2的波纹凹陷，所述叶片的压力面1的波纹凹陷6为所述吸力面2的波纹凸起。
具体而言，如图1所示，所述叶片整体为镰刀形，所述叶片的两面分别为吸力面2和压力面1，所述压力面1及所述吸力面2相交的相对两边分别为前缘3和尾缘4，所述前缘3比所述尾缘4宽，所述叶片在所述前缘3至所述尾缘4方向上三维空间内呈现扭曲旋转，所述前缘3设计成波纹状，所述叶片的压力面1及吸力面2前缘3邻近处设置波纹状，所述压力面1的波纹凸起5为所述吸力面2的波纹凹陷，所述压力面1的波纹凹陷6为所述吸力面2的波纹凸起，所述若干波纹凸起5等间距且高度相同；所述前缘3上的波纹与所述压力面1及是吸力面2上的波纹分别垂直。该波纹状的设计的得到：压气机叶轮作为离心压气机的核心部件，压气机叶轮叶片的成型在设计软件(例如BladeGen)中直接优化生成。研究发现座头鲸胸鳍和长耳鸮羽翼具有不规则前缘结构，即翅翼型前缘凸起，BladeGen中直接调整叶片型线控制点，叶片直接构型生成高压比和高效率的叶轮叶片，如图2所示，d为波纹凸起5高度，s为两个波纹凸起5中心线距离，该种设计依据仿生翅翼前缘结构，有利于叶片压力面1与吸力面2上的压力分布，能够将叶片旋转时产生的压力进行分散，减小叶片在旋转时的阻力。
进一步地，所述叶片的压力面1及吸力面2上的波纹凸起5高度在所述前缘3至尾缘4方向逐渐减小。
具体而言，所述叶片的压力面1及吸力面2的波纹凸起5高度在所述前缘3至尾缘4方向上逐渐减小，该设计会对压缩空气入口处所产生的大涡流进行导向的作用，进而有效减小叶片在旋转时的阻力，并增大与叶片尾缘4 邻近的压力面1上的压力，叶片压力面1上压力越大对空气压缩做功效率越高。
采用细化和拓扑网格技术，保证叶片表面的网格质量和流道整体网格质量，网格分布由叶片中间向轮毂和机匣方向逐渐加密，满足叶片近壁和出口流速最高处第一层网格Yplus<1，保证高速大马赫数下为考虑壁面处涡流对网格边界层要求。
进一步地，所述波纹凸起5高度d与波纹凸起5间距s之比在0.015～0.030 之间。
具体而言，如图2所示，满足基于高速空气动力学条件下的相似要求，即离心压气机内流速与长耳鸮飞行速度之比。
对于叶轮转速n转\/分钟，叶轮直径Dmm，则其叶尖线速度v叶轮<\/sub>为
v叶轮<\/sub>＝πn*D\/60,000(m\/s) (1)
对于直径50mm叶轮来说，当转速达150000转\/分钟以上时，线速度可达 390m\/s以上，相对于长耳鸮最高飞行速度50m\/s来说，速度比λ v<\/sub>为，
λv<\/sub>＝v叶轮<\/sub>\/v长耳鸮<\/sub>＝7.8 (2)
根据流动力学相似中的牛顿数定义，
Ne<\/sub>＝F\/(ρL2<\/sup>v2<\/sup>) (3)
式中，Ne<\/sub>为无量纲牛顿数，F力场荷载，ρ流体密度，L几何特征长度， v特征速度。
叶轮旋转与长耳鸮飞行相似条件为
Ne叶轮<\/sub>＝Ne长耳鸮<\/sub>(4)
考虑力场和空气密度不变条件，几何长度特征参数比为λL<\/sub>＝L叶轮<\/sub>\/L长耳鸮<\/sub>＝1\/λv<\/sub>(5)
因此，叶轮的凸起5高度d与凸起5间距s之比L叶轮<\/sup>d\/s<\/sub>，与长耳鸮羽翼前缘结构中d与s之比L长耳鸮<\/sup>d\/s<\/sub>满足，
L叶轮<\/sup>d\/s<\/sub>\/L长耳鸮<\/sup>d\/s<\/sub>＝1\/λv<\/sub>(6)
依照仿生学中长耳鸮羽翼前缘凸起5高度d与凸起5间距s之比L长耳鸮<\/sup>d\/s<\/sub>为 0.12～0.19，本例中叶片的波纹凸起5高度d与波纹凸起5间距s比L 叶轮<\/sup>d\/s<\/sub>的设计范围可定为0.015～0.030。采用羽翼前缘凸起结构，在吸力面2表面压力分布不变的条件下，增加压力面1上的高压分布区域，增加叶片对空气压缩做功能力。
以八个叶片小型压气机叶轮为例，波纹凸起5高度d＝0.05mm，波纹凸起 5间距s＝1.8285mm为例，通过上述计算方法得到此时波纹凸起5高度d与波纹凸起5间距s之比这一特征参数为0.0273。压气机压比、效率见图5a-5d 所示，仿生前缘叶片叶轮的压气机压比普遍得到提高，最高增加9.89％，大流量时效率也显著提升，最大增幅8.88％。
本实用新型还提供一种高速离心压气机叶轮，包括：上述的叶片、轮盘 8及轮轴7；所述轮轴7为喇叭筒状且内部中空，所述轮盘8中心点设置有通孔，所述轮轴7的喇叭筒的大直径端垂直于所述轮盘8中心点，所述轮轴7 与所述通孔连通，所述轮盘8与所述轮轴7一体成型；多个所述叶片尾缘4 朝向所述轮盘8，多个所述叶片的侧缘面与所述轮轴7的侧面径向弧形匹配，并等间距设置于所述轮轴7侧面，多个所述叶片与所述轮轴7一体成型。
具体而言，如图3和图4所示，所述叶轮由所述轮盘8、所述轮轴7及多个上述具有波纹状的叶片构成，所述轮轴7为喇叭筒状，所述轮盘8为圆盘凸起5且中心处设置有通孔，所述轮轴7与所述轮盘8一体成型，所述轮轴7垂直于所述轮盘8并与所述通孔连通；本实施例中设置八个所述叶片等间距造型于所述轮盘8上及所述轮轴7侧面，多个所述叶片的尾缘4朝向所述轮盘8，多个所述叶片的侧缘等间距设置于所述轮轴7侧面与所述轮盘8 上表面，所述多个叶片与所述轮轴7成27°角，所述多个所述叶片与所述轮轴7一体成型；在动力设备节能高效方面，进一步提高小型高速离心压气机的压比，在大流量时提高压气机效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920121987.0
申请日:2019-01-24
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:91(大连)
授权编号:CN209539646U
授权时间:20191025
主分类号:F04D 29/30
专利分类号:F04D29/30;F04D29/28
范畴分类:28D;
申请人:大连海事大学
第一申请人:大连海事大学
申请人地址:116023 辽宁省大连市甘井子区凌海路1号
发明人:宋玉超
第一发明人:宋玉超
当前权利人:大连海事大学
代理人:杨威;张海燕
代理机构:21242
代理机构编号:大连至诚专利代理事务所(特殊普通合伙)
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计