应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮

1.本发明涉及流体机械领域，特别是涉及应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮。


背景技术：

2.离心叶轮因其制作工艺简单、增压比高、结构简单、轴向尺寸小、稳定工作范围广等特点，得到广泛应用。二维离心叶轮应用于惰性气体循环泵等装置时，内部工质不仅要求性质稳定，还要求有良好的换热能力，流动损失小等，并且要较为容易压缩膨胀。进行热功转换，闭式系统中一般使用氦气作为压缩工质，但是氦气较难压缩，因此使用惰性混合工质，而惰性混合工质，使得流动更容易发生分离，减小叶轮和泵装置的稳定工作范围，从而降低了叶轮的压缩工质能力。
3.现如今离心叶轮的气动效率普遍不高，高速旋转状态下，叶轮内部流动极易不稳定，流动分离等现象频繁发生，易引发喘振等非正常工况。优良的离心叶片的气动外形构造，是提升装置压缩气体能力的前提和保证。对气体的流动效率和平稳程度至关重要，且高速运行下的叶轮结构的强度及安全性有待检验。离心叶轮正朝着微型、轻量化和高速化发展，现阶段需要攻克的难题是，在保证叶轮做功的基础上，减少气动故障发生，抑制附面层分离并提高流动效率，提供有效而稳定的工作范围，最终提高叶轮压缩工质的压比。同时保证蜗壳出风均匀，减少离心叶轮的出口处涡流现象的发生，严重影响风机的效率。为此，提出一种应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮，包括叶轮主体、若干设置于所述叶轮主体的轮毂上的仿生高性能叶片，所述叶轮主体外侧设有有叶扩压器，所述叶轮主体和所述有叶扩压器外罩设有蜗壳，所述仿生高性能叶片为仿海鸥翼型，所述仿生高性能叶片的顶部端面为吸力面，所述仿生高性能叶片的底部端面为压力面，所述仿生高性能叶片的内腔设有支撑组件，所述支撑组件用于提高内部的结构强度，所述仿生高性能叶片的两端分别为叶片前缘和叶片尾缘；所述吸力面上设有抑制回流襟翼，所述抑制回流襟翼沿所述吸力面上下偏转；所述压力面上靠近所述叶片尾缘的一端设有格尼襟翼组件，所述格尼襟翼组件包括相邻设置的第一格尼襟翼和第二格尼襟翼，所述第一格尼襟翼和所述第二格尼襟翼用于抑制附面层分离。
6.优选的，所述仿生高性能叶片包括叶片外壳，所述叶片外壳为所述仿海鸥翼型，所述叶片外壳的顶部端面为所述吸力面，所述叶片外壳的底部端面为所述压力面，所述叶片外壳的内部中空，所述叶片外壳的内腔设有所述支撑组件；所述叶片前缘和所述叶片尾缘分别设于所述叶片外壳的两端；所述抑制回流襟翼设置在所述叶片外壳的所述吸力面上，
并且所述抑制回流襟翼沿所述叶片外壳的所述吸力面上下偏转；所述第一格尼襟翼和所述第二格尼襟翼固接在所述压力面上靠近所述叶片尾缘的一端。
7.优选的，所述第一格尼襟翼为波浪型格尼襟翼，所述第二格尼襟翼为直线型格尼襟翼，所述第二格尼襟翼与所述第一格尼襟翼固接在所述压力面上，所述第二格尼襟翼位于所述第一格尼襟翼靠近所述叶片尾缘的一端。
8.优选的，所述抑制回流襟翼设置在所述吸力面从所述叶片前缘开始的65％弦长处。
9.优选的，所述支撑组件包括若干支撑梁，所述支撑梁包括固接在所述叶片外壳内腔顶部的第一横梁、固接在所述叶片外壳内腔底部的第二横梁、固接在所述第一横梁和所述第二横梁之间的竖梁。
10.优选的，所述吸力面上开设有凹槽，所述凹槽位于沿所述叶片前缘的65％弦长处，所述抑制回流襟翼位于所述凹槽内，所述抑制回流襟翼的一端通过转轴与所述吸力面转动连接。
11.优选的，所述有叶扩压器设置在所述叶片外壳的径向外侧，所述有叶扩压器用于增大扩压能力。
12.优选的，所述有叶扩压器上设有扩压器叶片，所述扩压器叶片的前缘为圆头，所述扩压器叶片的尾缘为钝尾缘。
13.优选的，所述蜗壳上开设有进气口和排气口。
14.优选的，所述蜗壳的截面为圆形。
15.本发明公开了以下技术效果：
16.本发明的抑制回流襟翼设置在吸力面上，并且抑制回流襟翼可以沿仿生高性能叶片的吸力面上下偏转，当吸力面的气流流过抑制回流襟翼时，抑制回流襟翼通过干扰仿生高性能叶片的吸力面回流区的流场，改变了仿生高性能叶片表面动态失速涡的分布，从而能够改善了仿生高性能叶片的动态失速特性；
17.本发明的第一格尼襟翼、第二格尼襟翼固接在所述压力面上靠近叶片尾缘的一端，第一格尼襟翼和第二格尼襟翼的运用能够使得在不同转速下和不同流量下，本发明的叶轮对工质的做功具有良好的适应性，并且基本维持较高的工作效率；
18.本发明通过设置抑制回流襟翼、第一格尼襟翼、第二格尼襟翼，能够使本发明的应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮在高速运转工况下，流动分离点后延，推迟附面层分离的发生，促进气体有序集中流动，改善叶轮内部流场均匀性，提高流动稳定性并提高结构强度；本发明能够提高仿生高性能叶片的吸力面和压力面之间的压差，增强本发明的应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮的做功能力，提升压比；
19.本发明运用了仿海鸥的仿生高性能叶片，可以有效控制本发明的叶轮位移大小和方向，具有更宽的工作范围；
20.本发明能够在叶轮高速旋转时，减少壁面的流动分离程度，削弱仿生高性能叶片壁面的湍流耗散强度，提高叶轮对气体的压缩和做功能力，当仿生高性能叶片的叶片前缘与来流方向呈一定夹角工况下，即在适当大的攻角下，抑制回流襟翼的运动对翼型动态失速涡的分布产生影响，使得翼型俯仰力矩得到大幅的削弱，平均升力提高的同时平均阻力并未增加，改善了叶片尾缘部位的动态失速特性，提高仿生高性能叶片将动能转化为压力
势能的水平；
21.本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮，该叶轮能够对工质产生更大的推动力和压缩能力，同时推迟附面层分离，在保证等熵功的前提下，提高流动稳定性和流动效率，提高单级压比和稳定工作区范围。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。
23.图1为本发明应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮的结构示意图；
24.图2为本发明中离心叶片剖面结构示意图；
25.图3为本发明中离心叶片子午面的结构示意图；
26.其中，1、蜗壳；2、叶轮主体；3、有叶扩压器；4、排气口；5、仿生高性能叶片；6、进气口；7、叶片前缘；8、叶片外壳；9、支撑梁；10、转轴；11、抑制回流襟翼；12、第一格尼襟翼；13、第二格尼襟翼；14、叶片尾缘。
具体实施方式
27.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，都属于本发明保护的范围。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.参照图1-3，本发明提供应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮，属于二维离心叶轮，包括叶轮主体2、若干设置于叶轮主体2的轮毂上的仿生高性能叶片5，叶轮主体2外侧设有有叶扩压器3，叶轮主体2和有叶扩压器3外罩设有蜗壳1，仿生高性能叶片5为仿海鸥翼型，仿生高性能叶片5的顶部端面为吸力面，仿生高性能叶片5的底部端面为压力面，仿生高性能叶片5的内腔设有支撑组件，支撑组件用于提高内部的结构强度，仿生高性能叶片5的两端分别为叶片前缘7和叶片尾缘14；吸力面上设有抑制回流襟翼11，抑制回流襟翼11沿吸力面上下偏转；压力面上靠近叶片尾缘14的一端设有格尼襟翼组件，格尼襟翼组件包括相邻设置的第一格尼襟翼12和第二格尼襟翼13，第一格尼襟翼12和第二格尼襟翼13用于抑制附面层分离；
30.如此设置，仿生高性能叶片5为仿海鸥翼型，可以有效控制本发明的叶轮位移大小和方向，具有更宽的工作范围；仿生高性能叶片5的内部中空，可以实现仿生高性能叶片5的轻量化，通过支撑组件提高仿生高性能叶片5的结构强度；
31.当吸力面的气流流过抑制回流襟翼11时，抑制回流襟翼11通过干扰仿生高性能叶片5的吸力面回流区的流场，改变了仿生高性能叶片5表面动态失速涡的分布，从而能够改
善了仿生高性能叶片5的动态失速特性；
32.第一格尼襟翼12和第二格尼襟翼13设置在压力面的叶片尾缘附近，第一格尼襟翼12和第二格尼襟翼13的运用能够使得在不同转速下和不同流量下，本发明的叶轮对工质的做功具有良好的适应性，并且基本维持较高的工作效率；本发明通过设置抑制回流襟翼11、第一格尼襟翼12、第二格尼襟翼13，能够使本发明的应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮在高速运转工况下，流动分离点后延，推迟附面层分离的发生，促进气体有序集中流动，改善叶轮内部流场均匀性，提高流动稳定性并提高结构强度；
33.本发明能够提高仿生高性能叶片5的吸力面和压力面之间的压差，增强本发明的应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮的做功能力，提升压比；
34.本发明能够在叶轮高速旋转时，减少壁面的流动分离程度，削弱仿生高性能叶片5壁面的湍流耗散强度，提高叶轮对气体的压缩和做功能力，当仿生高性能叶片5的叶片前缘7与来流方向呈一定夹角工况下，即在适当大的攻角下，抑制回流襟翼的运动对翼型动态失速涡的分布产生影响，使得翼型俯仰力矩得到大幅的削弱，平均升力提高的同时平均阻力并未增加，改善了叶片尾缘14部位的动态失速特性，提高仿生高性能叶片5将动能转化为压力势能的水平；
35.本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮，该叶轮能够对工质产生更大的推动力和压缩能力，同时推迟附面层分离，在保证等熵功的前提下，提高流动稳定性和流动效率，提高单级压比和稳定工作区范围。
36.进一步优化方案，仿生高性能叶片5包括叶片外壳8，叶片外壳8为仿海鸥翼型，叶片外壳8的顶部端面为吸力面，叶片外壳8的底部端面为压力面，叶片外壳8的内部中空，叶片外壳8的内腔设有支撑组件；叶片前缘7和叶片尾缘14分别设于叶片外壳8的两端；抑制回流襟翼11设置在叶片外壳8的吸力面上，并且抑制回流襟翼11沿叶片外壳8的吸力面上下偏转；第一格尼襟翼12和第二格尼襟翼13固接在压力面上靠近叶片尾缘14的一端；如此设置，叶片外壳8的内部设有一空腔，空腔内设有所述支撑组件，可以实现轻量化的同时保证叶片外壳8的结构强度。
37.进一步优化方案，第一格尼襟翼12为波浪型格尼襟翼，第二格尼襟翼13为直线型格尼襟翼，第二格尼襟翼13与第一格尼襟翼12固接在压力面上，第二格尼襟翼13位于第一格尼襟翼12靠近叶片尾缘14的一端；叶片外壳8的压力面靠近叶片尾缘14的端部开设有安装口，第二格尼襟翼13和第一格尼襟翼12均固定安装在安装口内，第一格尼襟翼12为躺倒的s型，第一格尼襟翼12的一端与叶片外壳8的压力面均匀过渡，第二格尼襟翼13固接在第一格尼襟翼12的另一端，第二格尼襟翼13的截面为i型，第二格尼襟翼13与叶片外壳8的压力面垂直设置，并且所述第二格尼襟翼13与所述叶片尾缘14之间设有间距，第一格尼襟翼12和第二格尼襟翼13组合后截面为“s+i”型；如此设置，“s+i”型的第一格尼襟翼12和第二格尼襟翼13组合，能够使叶轮高速运转工况下流动分离点后延，推迟附面层分离的发生，促进气体有序集中流动，改善叶轮内部流场均匀性，提高流动稳定性并提高结构强度，第一格尼襟翼12和第二格尼襟翼13的运用能够使得在不同转速下和不同流量下，本发明的叶轮对工质的做功具有良好的适应性，并且基本维持较高的工作效率。
38.进一步优化方案，抑制回流襟翼11设置在吸力面从叶片前缘7开始的65％弦长处；
如此设置，当吸力面的气流流过抑制回流襟翼11时，抑制回流襟翼11通过干扰叶片外壳8的吸力面回流区的流场，改变了叶片外壳8表面动态失速涡的分布，从而能够改善了仿生高性能叶片5的动态失速特性。
39.进一步优化方案，支撑组件包括若干支撑梁9，支撑梁9包括固接在叶片外壳8内腔顶部的第一横梁、固接在叶片外壳8内腔底部的第二横梁、固接在第一横梁和第二横梁之间的竖梁，竖梁的一端固接在第一横梁的端部，竖梁的另一端固接在第二横梁与第一横梁相对的端部，如此设置，第一横梁、竖梁、第二横梁组合后的形成的支撑梁9的截面呈u型，相邻的两个支撑梁9的u型开口相对设置，可以在保障仿生高性能叶片5轻量化的同时，有效提升结构强度。
40.进一步优化方案，吸力面上开设有凹槽，凹槽位于沿叶片前缘7的65％弦长处，抑制回流襟翼11位于凹槽内，抑制回流襟翼11的一端通过转轴10与吸力面转动连接。
41.进一步优化方案，有叶扩压器3设置在叶片外壳8的径向外侧，有叶扩压器3用于增大扩压能力。
42.进一步优化方案，有叶扩压器3上设有扩压器叶片，扩压器叶片的前缘为圆头，扩压器叶片的尾缘为钝尾缘。
43.进一步优化方案，蜗壳1上开设有进气口6和排气口4；如此设置，当本发明的叶轮高速运行时，气流从进气口6流入，分别流经仿生高性能叶片5的压力面和吸力面，并从排气口4排出。
44.进一步优化方案，蜗壳1的截面为圆形；如此设置，截面为圆形的蜗壳1相较于截面为矩形蜗壳的流动损失低，蜗壳1通过降低介质的速度，同时不断扩张流动面积，将流体的动能逐渐地转化为压力势能，以实现增压效果。
45.工作原理：
46.本发明的应用于流动控制的高性能非线性对称仿生离心叶轮，属于二维离心叶轮，当本发明的叶轮高速运行时，气流从进气口6流入，分别流经仿生高性能叶片5的压力面和吸力面；流经仿生高性能叶片5的压力面的气流流过第一格尼襟翼12和第二格尼襟翼13时，第一格尼襟翼12和第二格尼襟翼13时可有效抑制附面层分离，使得在不同转速下和不同流量下，本发明的叶轮对工质的做功具有良好的适应性，并且基本维持较高的工作效率；流经吸力面的气流流过抑制回流襟翼11时，抑制回流襟翼11通过干扰仿生高性能叶片5的吸力面回流区的流场，改变了仿生高性能叶片5表面动态失速涡的分布，从而能够改善了仿生高性能叶片5的动态失速特性；通过抑制回流襟翼11、第一格尼襟翼12和第二格尼襟翼13的设置，使得在高速运转工况下，流动分离点后延，推迟附面层分离的发生，促进气体有序集中流动，改善叶轮内部流场均匀性，提高流动稳定性并提高结构强度；从仿生高性能叶片5的压力面和吸力面流出后气流沿有叶扩压器3增压后沿排气口4排出。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。
48.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出
的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。