申请/专利权人：江苏大学镇江流体工程装备技术研究院;江苏大学

申请日：2019-06-19

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN110173462B

主分类号：F04D29/40

分类号：F04D29/40;F04D29/68

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2019.09.20#实质审查的生效;2019.08.27#公开

摘要：本发明提供一种基于减阻降噪的混流泵仿生蜗壳，所述仿生蜗壳具有隔舌和蜗壳螺旋段，所述蜗壳螺旋段靠近所述隔舌一端的内表面设有披针形轮廓结构；所述披针形轮廓结构自所述隔舌的部位起，沿所述蜗壳螺旋段的内表面分为轮廓前段组和轮廓交错段组；所述轮廓前段组和所述轮廓交错段组间隔设置，所述轮廓前段组和所述轮廓交错段组分别包括多个平行排布的披针形凹陷，至少部分所述披针形凹陷上设有减阻微结构。本发明能够有效地利用披针形轮廓结构结合减阻微结构，以及叶轮与蜗壳隔舌的匹配方式来实现减阻降噪的作用，最大幅度地降低隔舌及隔舌附近的流动阻力和流体噪声。

主权项：1.一种基于减阻降噪的混流泵仿生蜗壳，其特征在于：所述仿生蜗壳具有隔舌和蜗壳螺旋段，所述蜗壳螺旋段靠近所述隔舌一端的内表面设有披针形轮廓结构；所述披针形轮廓结构自所述隔舌的部位起，沿所述蜗壳螺旋段的内表面分为轮廓前段组和轮廓交错段组；所述轮廓前段组和所述轮廓交错段组间隔设置，所述轮廓前段组和所述轮廓交错段组分别包括多个平行排布的披针形凹陷，至少部分所述披针形凹陷上设有减阻微结构；所述披针形凹陷的轮廓为三角状，所述披针形凹陷的轴线垂直于所述混流泵的叶轮叶片出口；所述轮廓前段组的所述披针形凹陷的锐角顶点与所述轮廓交错段组的所述披针形凹陷的底部收缩面钝角顶点距离f＝0.045～0.075b3；所述轮廓前段组的所述披针形凹陷的轴线与所述轮廓交错段组的所述披针形凹陷的轴线交错分布，交错间距e1＝0.008～0.045b3，相邻披针形轮廓轴线间距e＝0.017～0.045b3；所述轮廓前段组的所述披针形凹陷上设有圆柱型减阻微结构；所述圆柱型减阻微结构沿所述披针形凹陷的轴线对称分布，圆柱半径r1＝-0.0028n12QH34+0.13～0.15，柱槽底部为半圆状，其圆弧半径为r0，柱槽深度m1与柱槽宽度n1之比m11＝0.85～1.25；所述轮廓交错段组的所述披针形凹陷上设有圆屋顶型减阻微结构；所述披针形凹陷的上部最大宽度w1＝0～0.012b3；所述披针形凹陷的上部夹角α＝2°～6°；所述披针形凹陷的中部最大宽度w2＝0.012～0.03b3；所述披针形凹陷的下部最大宽度w3＝0.03～0.048b3；所述披针形凹陷的底边宽度w＝0.035～0.048b3，所述披针形凹陷底部为钝角收缩面，所述钝角收缩面长度h1＝0.01～0.015b3，所述钝角收缩面的钝角β＝106°～128°；所述披针形凹陷的总长度h＝0.45～0.75b3；b3为蜗壳进口宽度，n为额定转速，Q为泵设计流量，H为泵扬程。

全文数据：一种基于减阻降噪的混流泵仿生蜗壳技术领域本发明属于水泵技术领域，特别指涉及一种基于减阻降噪的混流泵仿生蜗壳。背景技术混流泵广泛应用于国民经济的各个部门，主要用于农业灌溉水、市政给排水、电厂循环供水、区域性调水等，另外，在核电、舰船喷水推进方面也得到应用。由于泵内部流动结构复杂，其运行过程中常伴有摩擦损失和强烈的噪声。混流泵泵内部过流部件复杂，液体冲击隔舌部位会造成严重的摩擦损失，且叶轮与隔舌之间的动静干涉作用以及叶轮出口的不均匀流动引起远场流动噪声，并使得其内部为三维非稳态湍流。为了降低隔舌处的摩擦阻力，以及减小隔舌对离心泵脉动特性的影响，基于仿生学原理，提取生物原型形态特征，建立仿生降噪的结构模型，并对隔舌与叶轮的匹配方式进行改进。目前仿生在风机蜗壳结构设计方面的应用多是如中国专利文献CN107676304A记载的一种基于具有仿生非对称倾斜蜗舌结构的风机蜗壳；专利文献CN106855062A记载一种基于变深度降噪蜗舌及多翼离心风机；专利文献CN104929953A公开了具有仿生结构的蜗舌及使用该蜗舌的蜗壳，上述设计均为对风机蜗舌造型进行设计，适用于气体输送。在水泵技术领域，仿生在结构设计方面的应用如中国专利文献CN204126964U记载的一种基于大型蜗壳泵内衬仿生结构，主要目的是采用不锈钢泵壳内衬提高耐磨、耐腐蚀性能；CN109026726A公开了一种基于具有仿生非光滑表面的离心式泥泵,泵体与泥沙接触的表面形成仿生非光滑表面，减小摩擦损失、提高耐磨性；CN108213534A公开了一种基于水泵锥形进水管内壁仿生沟槽加工装置及加工方法，介绍了一种基于针对锥形进水管内壁仿生沟槽加工而设计的一种基于装置和方法；CN102042264A公开了具有仿生结构的减振降噪离心泵，在隔舌处运用仿生结构对泵进行减振降噪优化，并没有考虑其对泵整体水力性能的影响；以及现有的集中在蜗壳仿生方面的论文有：《混流泵仿生蜗壳离心泵内部非定常流动特性分析》和《混流泵仿生蜗壳结构对离心泵隔舌区域脉动特性的影响》，对蜗壳靠近隔舌段进行结构仿生，利用羽翼外轮廓的弹性区域来改善压力脉动，但破坏了水力性能，螺旋段流场较混乱，损失较大。综上所述，目前针对离心泵蜗壳结构的仿生设计较少，且大多仿生结构适用于风机和离心泵，对于混流泵的仿生结构很少，本发明考虑混流泵叶片倾斜出口的形式，设计一种基于减阻降噪的混流泵仿生蜗壳，以实现减阻降噪的目的。发明内容为解决上述至少一个技术问题，本发明公开了一种基于减阻降噪的混流泵仿生蜗壳，所述仿生蜗壳具有隔舌和蜗壳螺旋段，所述蜗壳螺旋段靠近所述隔舌一端的内表面设有披针形轮廓结构；所述披针形轮廓结构自所述隔舌的部位起，沿所述蜗壳螺旋段的内表面分为轮廓前段组和轮廓交错段组；所述轮廓前段组和所述轮廓交错段组间隔设置，所述轮廓前段组和所述轮廓交错段组分别包括多个平行排布的披针形凹陷，至少部分所述披针形凹陷上设有减阻微结构。可选地，隔舌安放角隔舌头部倒圆半径r＝0.005～0.021D2其中，n为额定转速，Q为泵设计流量，H为泵扬程，D2为叶轮出口直径。可选地，所述隔舌与所述混流泵的叶轮叶片出口平行布置，所述叶轮叶片出口边在轴面上的投影与轴线夹角记为δ，所述隔舌在轴面上的投影与轴线夹角记为δ1，δ1＝δ＝arctan[D2a-D2e2b2]；所述隔舌的倾斜角θ1等于所述叶轮叶片出口边倾斜角θ；所述隔舌与叶轮出口间距记为Δ，Δ＝0.03～0.06D2；所述隔舌的长度记为c，c＝2b3[cosδ-θ+cosδ+θ]；其中，D2a为叶轮前盖流线外径，D2e为叶轮后盖板流线外径，b2为叶轮出口宽度，D2为叶轮出口直径，b3为蜗壳进口宽度。可选地，所述披针形凹陷的轮廓为三角状，所述披针形凹陷的轴线垂直于所述叶片出口。可选地，所述轮廓前段组的所述披针形凹陷的锐角顶点与所述轮廓交错段组的所述披针形凹陷的底部收缩面钝角顶点距离f＝0.045～0.075b3；所述轮廓前段组的所述披针形凹陷的轴线与所述轮廓交错段组的所述披针形凹陷的轴线交错分布，交错间距e1＝0.008～0.045b3，相邻披针形轮廓轴线间距e＝0.017～0.045b3。可选地，所述轮廓前段组的所述披针形凹陷上设有圆柱型减阻微结构。可选地，所述圆柱型减阻微结构沿所述披针形凹陷的轴线对称分布，圆柱半径r1＝-0.0028n12QH34+0.13～0.15，柱槽底部为半圆状，其圆弧半径为r0，柱槽深度m1与柱槽宽度n1之比m1n1＝0.85～1.25。可选地，所述轮廓交错段组的所述披针形凹陷上设有圆屋顶型减阻微结构。可选地，所述圆屋顶型减阻微结构沿所述披针形凹陷的轴线对称分布，圆屋顶半径r2＝0.21～0.35b3×10-2，沟槽底部为方形，槽深m2与槽宽n2之比m2n2＝0.85～1.15。可选地，所述披针形凹陷的上部最大宽度w1＝0～0.012b3；所述披针形凹陷的上部夹角α＝2°～6°；所述披针形凹陷的中部最大宽度w2＝0.012～0.03b3；所述披针形凹陷的下部最大宽度w3＝0.03～0.048b3；所述披针形凹陷的底边宽度w＝0.035～0.048b3，所述披针形凹陷底部为钝角收缩面，所述钝角收缩面长度h1＝0.01～0.015b3，所述钝角收缩面的钝角β＝106°～128°；所述披针形凹陷的总长度h＝0.45～0.75b3。采用上述技术方案，本发明所述的混流泵仿生蜗壳具有如下有益效果：1采用隔舌与叶轮叶片出口边平行的匹配方式，可以减少隔舌附近低速漩涡，降低叶轮与隔舌间隙内涡量脉动与压力脉动，同时提高泵的水力性能。2柱槽微结构的疏水性能能够减小液体与固体表面的粘滞作用，减小流动阻力，增大工作效率。3三角状的披针形轮廓凹面引导冲击到隔舌的液体向前流动，对叶轮出口冲击隔舌的流线进行梳理，能较好地改善叶轮流道及扩散段内流体的流动状态，从而降低隔舌区域的压力脉动，使得脉动幅度更平缓，达到减振降噪的目的。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例的一种混流泵仿生隔舌处局部示意图；图2为本发明实施例的一种圆柱型与圆屋顶型减阻微结构示意图；图3为本发明实施例的一种蜗壳结构图；图4为本发明实施例的一种叶轮示意图；图5为本发明实施例的一种叶轮与隔舌轴面投影的匹配示意图；图6为本发明实施例的一种单个披针形凹陷的主视图；图7为本发明实施例的一种外特性曲线；图8为本发明实施例的一种蜗壳出口压力脉动特性时域图。图中：1-隔舌，2-轮廓前段组，3-圆柱型减阻微结构，4-蜗壳螺旋段，5-轮廓交错段组，6-圆屋顶型减阻微结构，7-蜗壳扩散段。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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。实施例1：如图1-2和图6所示，一种基于减阻降噪的混流泵仿生蜗壳，所述仿生蜗壳具有隔舌1和蜗壳螺旋段4，所述蜗壳螺旋段4靠近所述隔舌1一端的内表面设有披针形轮廓结构；所述披针形轮廓结构自所述隔舌1的部位起，沿所述蜗壳螺旋段4的内表面分为轮廓前段组2和轮廓交错段组5；所述轮廓前段组2和所述轮廓交错段组5间隔设置，所述轮廓前段组2和所述轮廓交错段组5分别包括多个平行排布的披针形凹陷，至少部分所述披针形凹陷上设有减阻微结构。在一些实施例中，隔舌1安放角隔舌1头部倒圆半径r＝0.005～0.021D2其中，n为额定转速，Q为泵设计流量，H为泵扬程，D2为叶轮出口直径。在一些实施例中，上述的混流泵仿生蜗壳如图3所示与叶轮如图4所示的匹配方式，所述隔舌1与所述混流泵的叶轮叶片出口平行布置，所述叶轮叶片出口边在轴面上的投影与轴线夹角记为δ，布置方式的轴面投影，如图5所示，所述隔舌1在轴面上的投影与轴线夹角记为δ1，δ1＝δ＝arctan[D2a-D2e2b2]；所述隔舌1的倾斜角θ1等于所述叶轮叶片出口边倾斜角θ；所述隔舌1与叶轮出口间距记为Δ，Δ＝0.03～0.06D2；所述隔舌1的长度记为c，c＝2b3[cosδ-θ+cosδ+θ]；其中，D2a为叶轮前盖流线外径，D2e为叶轮后盖板流线外径，b2为叶轮出口宽度，D2为叶轮出口直径，b3为蜗壳进口宽度。在一些实施例中，所述披针形凹陷的轮廓为三角状，所述披针形凹陷的轴线垂直于所述叶片出口。在一些实施例中，所述轮廓前段组2的所述披针形凹陷的锐角顶点与所述轮廓交错段组5的所述披针形凹陷的底部收缩面钝角顶点距离f＝0.045～0.075b3；所述轮廓前段组2的所述披针形凹陷的轴线与所述轮廓交错段组5的所述披针形凹陷的轴线交错分布，交错间距e1＝0.008～0.045b3，相邻披针形轮廓轴线间距e＝0.017～0.045b3。在一些实施例中，所述轮廓前段组2的所述披针形凹陷上设有圆柱型减阻微结构3，如图2a所示。在一些实施例中，所述圆柱型减阻微结构3沿所述披针形凹陷的轴线对称分布，圆柱半径r1＝-0.0028n12QH34+0.13～0.15，柱槽底部为半圆状，其圆弧半径为r0，柱槽深度m1与柱槽宽度n1之比m1n1＝0.85～1.25。在一些实施例中，所述轮廓交错段组5的所述披针形凹陷上设有圆屋顶型减阻微结构6，如图2b所示。在一些实施例中，所述圆屋顶型减阻微结构6沿所述披针形凹陷的轴线对称分布，圆屋顶半径r2＝0.21～0.35b3×10-2，沟槽底部为方形，槽深m2与槽宽n2之比m2n2＝0.85～1.15。在一些实施例中，所述披针形凹陷的上部最大宽度w1＝0～0.012b3；所述披针形凹陷的上部夹角α＝2°～6°；所述披针形凹陷的中部最大宽度w2＝0.012～0.03b3；所述披针形凹陷的下部最大宽度w3＝0.03～0.048b3；所述披针形凹陷的底边宽度w＝0.035～0.048b3，所述披针形凹陷底部为钝角收缩面，所述钝角收缩面长度h1＝0.01～0.015b3，所述钝角收缩面的钝角β＝106°～128°；所述披针形凹陷的总长度h＝0.45～0.75b3。具体的，以一台混流泵为例，其设计参数为：设计流量Q＝1200m3h，扬程为H＝10m，功率P＝45kW，额定转速n＝1450rpm，比转速ns＝543，叶轮出口宽度b2＝37mm，蜗壳进口宽度b3＝43mm,叶轮出口直径D2＝248mm。利用上述公式进行后续计算。所述隔舌1在轴面上的投影与轴线夹角记为δ1，δ1＝δ＝31.4°；所述隔舌1的倾斜角θ1等于所述叶轮叶片出口边倾斜角θ，θ1＝θ＝8°；所述隔舌1与叶轮出口间距记为Δ＝8mm；所述隔舌1的长度记为c＝51mm，其中，D2a＝270.6mm，D2e＝225.4mm。披针形凹陷上部最大宽度w1＝0.51mm，上部夹角α＝4°，披针形凹陷中部最大宽度w2＝1.275mm，披针形凹陷下部最大宽度w3＝2.04mm，底边宽度w＝2.04mm，且底部为钝角收缩面,钝角收缩面长度h1＝0.51mm，收缩面钝角β＝127°，披针形凹陷的总长度h＝30mm，单个披针形凹陷的示意图，如图6所示。所述轮廓前段组2的所述披针形凹陷的锐角顶点与所述轮廓交错段组5的所述披针形凹陷的底部收缩面钝角顶点距离f＝3mm，所述轮廓前段组2的所述披针形凹陷的轴线与所述轮廓交错段组5的所述披针形凹陷的轴线交错分布，交错间距e1＝1.02mm，相邻披针形轮廓轴线间距e＝1.02mm。所述轮廓前段组2的所述披针形凹陷上设有圆柱型减阻微结构3。所述圆柱型减阻微结构3沿所述披针形凹陷的轴线对称分布，疏水减阻微结构圆柱半径r1＝0.13mm，柱槽底部为半圆状，其圆弧半径为r0＝0.13mm，柱槽深度m1与柱槽宽度n1之比m1n1＝1。所述轮廓交错段组5的所述披针形凹陷上设有圆屋顶型减阻微结构6。所述圆屋顶型减阻微结构6沿所述披针形凹陷的轴线对称分布，圆屋顶半径r2＝0.12mm，沟槽底部为方形，槽深m2与槽宽n2之比m2n2＝1。为了验证该实施例混流泵仿生的减阻降噪效果，采用CFD对仿生蜗壳与原型蜗壳进行计算，外特性结果如图7所示，蜗壳出口处压力脉动，如图8所示，压力脉动更加平缓，流态得以改善，达到减阻降噪效果。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种基于减阻降噪的混流泵仿生蜗壳，其特征在于：所述仿生蜗壳具有隔舌和蜗壳螺旋段，所述蜗壳螺旋段靠近所述隔舌一端的内表面设有披针形轮廓结构；所述披针形轮廓结构自所述隔舌的部位起，沿所述蜗壳螺旋段的内表面分为轮廓前段组和轮廓交错段组；所述轮廓前段组和所述轮廓交错段组间隔设置，所述轮廓前段组和所述轮廓交错段组分别包括多个平行排布的披针形凹陷，至少部分所述披针形凹陷上设有减阻微结构。2.根据权利要求1所述的混流泵仿生蜗壳，其特征在于：所述隔舌的安放角所述隔舌的头部倒圆半径r＝0.005～0.021D2其中，n为额定转速，Q为泵设计流量，H为泵扬程，D2为叶轮出口直径。3.根据权利要求1或2所述的混流泵仿生蜗壳，其特征在于：所述隔舌与所述混流泵的叶轮叶片出口平行布置，所述叶轮叶片出口边在轴面上的投影与轴线夹角记为δ，所述隔舌在轴面上的投影与轴线夹角记为δ1，δ1＝δ＝arctan[D2a-D2e2b2]；所述隔舌的倾斜角θ1等于所述叶轮叶片出口边倾斜角θ；所述隔舌与叶轮出口间距记为Δ，Δ＝0.03～0.06D2；所述隔舌的长度记为c，c＝2b3[cosδ-θ+cosδ+θ]；其中，D2a为叶轮前盖流线外径，D2e为叶轮后盖板流线外径，b2为叶轮出口宽度，D2为叶轮出口直径，b3为蜗壳进口宽度。4.根据权利要求1所述的混流泵仿生蜗壳，其特征在于：所述披针形凹陷的轮廓为三角状，所述披针形凹陷的轴线垂直于所述混流泵的叶轮叶片出口。5.根据权利要求4所述的混流泵仿生蜗壳，其特征在于：所述轮廓前段组的所述披针形凹陷的锐角顶点与所述轮廓交错段组的所述披针形凹陷的底部收缩面钝角顶点距离f＝0.045～0.075b3；所述轮廓前段组的所述披针形凹陷的轴线与所述轮廓交错段组的所述披针形凹陷的轴线交错分布，交错间距e1＝0.008～0.045b3，相邻披针形轮廓轴线间距e＝0.017～0.045b3。6.根据权利要求1所述的混流泵仿生蜗壳，其特征在于：所述轮廓前段组的所述披针形凹陷上设有圆柱型减阻微结构。7.根据权利要求6所述的混流泵仿生蜗壳，其特征在于：所述圆柱型减阻微结构沿所述披针形凹陷的轴线对称分布，圆柱半径r1＝-0.0028n12QH34+0.13～0.15，柱槽底部为半圆状，其圆弧半径为r0，柱槽深度m1与柱槽宽度n1之比m1n1＝0.85～1.25。8.根据权利要求1所述的混流泵仿生蜗壳，其特征在于：所述轮廓交错段组的所述披针形凹陷上设有圆屋顶型减阻微结构。9.根据权利要求8所述的混流泵仿生蜗壳，其特征在于：所述圆屋顶型减阻微结构沿所述披针形凹陷的轴线对称分布，圆屋顶半径r2＝0.21～0.35b3×10-2，沟槽底部为方形，槽深m2与槽宽n2之比m2n2＝0.85～1.15。10.根据权利要求4-9任意一项所述的混流泵仿生蜗壳，其特征在于：所述披针形凹陷的上部最大宽度w1＝0～0.012b3；所述披针形凹陷的上部夹角α＝2°～6°；所述披针形凹陷的中部最大宽度w2＝0.012～0.03b3；所述披针形凹陷的下部最大宽度w3＝0.03～0.048b3；所述披针形凹陷的底边宽度w＝0.035～0.048b3，所述披针形凹陷底部为钝角收缩面，所述钝角收缩面长度h1＝0.01～0.015b3，所述钝角收缩面的钝角β＝106°～128°；所述披针形凹陷的总长度h＝0.45～0.75b3。

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