CN108386383A - 一种结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片及其制备方法，用于多翼离心风机中，包括叶片本体，其中，叶片本体的横截面为仿鲹科鱼类横截面轮廓外形，叶片本体横截面的中弧线为单圆弧形状，叶片本体横截面中弧线的圆心位置、圆弧半径及圆弧中心角根据多翼离心风机的前弯叶型设计方法进行确定，叶片本体上朝向叶轮吸入侧的端面为波浪形结构，叶片本体上朝向叶轮吹出侧的端面为锯齿形结构，该叶片能够在增加风量的前提下改善叶轮内气流流动，降低叶片表面压力脉动，降低气动噪声。

Description

一种结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种仿生叶片及其制备方法，具体涉及一种结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片及其制备方法。

背景技术

前向式多翼离心通风机被广泛应用于吸油烟机、换气装置等家用电器中，其具有结构紧凑、压力系数高、流量系数大等特点。其结构包括电机、蜗壳以及叶轮。其中，叶轮为多翼离心风机核心部件，具有叶片数目较多、叶片曲率较大、叶轮内外径较大、叶道流道较短等特点，其性能的好坏直接影响吸油烟机、换气装置等家用电器的性能。吸油烟机工作时电动机直联带动叶轮旋转，轴向吸入的油烟在离心力的作用下，从叶轮中心被径向甩出叶轮，换气装置的工作原理也是如此。由于气流流经叶轮叶道时在叶片壁面会产生较大的压力脉动，从而产生较大的气动噪声，成为干扰环境安静的祸源，严重影响室内环境。因此在增加风量的前提下同时改善叶轮内气流流动、降低叶片表面压力脉动从而降低气动噪声是十分必要的，这就需要对叶轮叶片结构设计进一步改进。

中国专利号“201410324541.X”公开了一种吸油烟机用仿生叶轮，包括若干组环形端面和叶片，每两组环形端面间均匀跨接有叶片，其特征是，所述的叶片为仿生叶片，仿生叶片朝向叶轮油烟机吸入侧为波形结构的前缘，朝向叶轮油烟机吹出侧为锯齿结构的尾缘。本产品的叶片有利于降低前缘压力冲击以及尾缘涡脱落频率，从而降低叶轮工作时的气动噪声；此外，新型结构叶片较原型叶片相比，叶片展开面积可降低13.5％，从而降低叶轮质量，降低电机负荷，有利于风机效率的提高。在实际应用中上述产品有一定的噪声效果，但是风量和风压提升不明显；此外，上述产品的叶片质量还是较大，增加了电机的负荷，降低了风机的工作效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片及其制备方法，该叶片能够在增加风量的前提下改善叶轮内气流流动，降低叶片表面压力脉动，降低气动噪声。

为达到上述目的，本发明所述的结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片用于多翼离心风机中，包括叶片本体，其中，叶片本体的横截面为仿鲹科鱼类横截面轮廓外形，叶片本体横截面的中弧线为单圆弧形状，叶片本体横截面中弧线的圆心位置、圆弧半径及圆弧中心角根据多翼离心风机的前弯叶型设计方法进行确定，叶片本体上朝向叶轮吸入侧的端面为波浪形结构，叶片本体上朝向叶轮吹出侧的端面为锯齿形结构。

叶片本体中弧线的进口安装角β₁为70°-90°，叶片本体中弧线的出口安装角β₂为150°-170°。

仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的头部对应叶片本体的前缘，仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的尾部对应叶片本体的尾缘。

所述波浪形结构对应的波幅为A，波长为λ，其中，A≤0.05R，λ≤πR/5,R为叶片本体起始端面横截面轮廓中弧线的曲率半径。

所述锯齿形结构的锯齿间隔为S，锯齿高度为H，锯齿宽度为B，其中，0.1R≤S≤0.2R，H＝0.5S-2S，B＝0.7H-1.5H。

叶片本体上朝向叶轮吸入侧的端面为正弦曲线的波浪形结构，其中，所述正弦曲线的波数是其周期的整数倍。

锯齿形结构的尾缘中的锯齿形波峰及波谷均为倒圆角形结构。

本发明所述结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片的制备方法包括以下步骤：

1)构建鲹科鱼类横截面轮廓曲线方程，对鲹科鱼类横截面轮廓曲线方程进行离散化，从而获取叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的特征点(x，y_k)，然后根据叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的特征点(x，y_k)进行拟合绘制叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓的初始外形，再根据多翼离心风机上叶片的安装尺寸对叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓的初始外形进行比例缩放，以配合不同尺度下的风机蜗壳；

2)根据多翼离心风机的前弯叶型设计方法确定叶片本体的中弧线，再根据叶片本体的中弧线将叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓的初始外形进行弯曲，使弯曲后叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓初始外形的中弧线与叶片本体的中弧线重合，再以弯曲后的仿鲹科鱼类横截面轮廓初始外形作为轮廓，以前缘波浪形结构为引导线进行放样拉伸，将放样拉伸仿鲹科鱼类横截面轮廓初始外形后所形成的实体的尾缘剪切成锯齿形结构，得结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片。

以鲹科鱼类横截面轮廓的质心为原点构建x-y坐标系，其中，x轴的方向为鲹科鱼体上从头部指向尾部的方向，y轴为鲹科鱼体的横向方向，则步骤1)中的鲹科鱼类横截面轮廓曲线方程为：

y_k＝y×k，

其中，y_k为针对不同鲹科类鱼体横截面轮廓的横向尺寸，k表示不同鲹科类鱼体横截面轮廓横向尺寸的差异度，k＝0.5-2。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片及其制备方法在具体操作时，叶片本体的横截面为仿鲹科鱼类横截面轮廓外形，较好的利用鲹科鱼类流线型外形，使气动阻力降低，同叶片本体中弧线的圆心位置、圆弧半径及圆弧中心角根据多翼离心风机的前弯叶型设计方法进行确定，具有比同样进出口安装角的前弯叶片更强的做功能力，因此应用于多翼离心风机后所产生的最大风量比传统的多翼离心风机更高，同时叶片所形成叶道的横截面宽度由入口到出口不断减小，因此速度不断增大，可以消除叶道中的涡流，效率较高，降低叶片表面压力脉动引起的气动噪声，另外，本发明中叶片本体上朝向叶轮吸入侧的端面为波浪形结构，叶片本体上朝向叶轮吹出侧的端面为锯齿形结构，即采用仿鸟翼外形设计，有利于降低前缘压力冲击以及尾缘涡脱落频率，进一步降低叶轮工作时的气动噪声。经测量，本发明所述叶片较同样进出口安装角的前弯叶片的横截面积减小33％，展向面积降低10％-13.5％，从而大幅降低叶轮的质量，降低电机的负荷，有利于风机效率的提高，可广泛用于吸油烟机、换气装置等家用电器的多翼离心风机中。

附图说明

图1为k＝1时鲹科鱼类横截面轮廓的外形图；

图2为本发明的结构示意图；

图3a为本发明在波浪形结构2波峰处横截面的轮廓图；

图3b为本发明在波浪形结构2波谷处横截面的轮廓图；

图4为本发明中波浪形结构2的结构示意图；

图5为本发明中锯齿形结构3的结构示意图；

图6为用于本发明的多翼离心风机叶轮的结构示意图；

图7为本发明的二维横截面轮廓结构示意图；

图8为本发明的叶道截面宽度变化示意图。

其中，1为叶片本体，2为波浪形结构，3为锯齿形结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

研究表明，鱼类在长期的进化过程中，进化出具有多样的外形及完备的生理结构，这些外形和结构相应地使其具有高效、快速等卓越的游动性能。鱼类的高效游动性能除了独特的摆动推进方式外，还得益于其有效的减阻机制。这种减阻机制除了鱼类表皮的非光滑结构外，还和鱼类的流线型外形有直接的关系。另外，鸟类在长期的进化过程中，进化出具有多样结构以及优异性能的翅膀和羽毛，研究表明苍鹰在飞行时几乎没有声音，这得益于其前缘非光滑结构和尾缘锯齿结构特征。综合鱼类的减阻流线型外形和鸟类的降噪效果，基于逆向重构工程，将鱼类的流线型外形和鸟类的特殊结构采用多元仿生设计理论应用于多翼离心风机叶轮中，使其叶片具有较好的减阻效果，增大风量，同时降低叶片表面压力脉动，并降低其叶片前缘压力冲击和尾缘涡脱落频率，从而达到在增加风量的同时能有效的降低叶轮的气动噪声，本发明正是基于上述原理设计而成。

参考图2、图3a、图3b及图4，本发明所述的结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片用于多翼离心风机中，包括叶片本体1，其中，叶片本体1的横截面为仿鲹科鱼类横截面轮廓外形，叶片本体1横截面的中弧线为单圆弧形状，叶片本体1横截面中弧线的圆心位置、圆弧半径及圆弧中心角根据多翼离心风机的前弯叶型设计方法进行确定，叶片本体1上朝向叶轮吸入侧的端面为波浪形结构2，叶片本体1上朝向叶轮吹出侧的端面为锯齿形结构3，具体的，叶片本体1上朝向叶轮吸入侧的端面为正弦曲线波浪形结构2，其中，所述正弦曲线的波数是其周期的整数倍；锯齿形结构3的尾缘中的锯齿形波峰及波谷均为倒圆角形结构，即，叶片不同叶高横截面轮廓均为仿鲹科鱼类横截面轮廓外形，且沿叶高方向呈周期性变化。同时，由于受到叶片前缘波浪形结构的影响，该叶片结构不同叶高的横截面轮廓线外形和中弧线弧长在一个周期的前1/2区间内均不同，在后一个1/2区间内和前一个1/2区间的变化规律相反，依此周期性变化，且在一个周期区间中位置横截面轮廓的中弧线弧长最长，一个周期区间的两端横截面轮廓的中弧线弧长最短，但在一个周期内每个横截面轮廓均为仿鲹科鱼类横截面轮廓外形，且为不同弧长和k值下的仿鲹科鱼类横截面轮廓外形。

叶片本体1中弧线的进口安装角β₁为70°-90°，叶片本体1中弧线的出口安装角β₂为150°-170°，例如图7中，中弧线的进口安装角β₁为70，出口安装角β₂为160°，圆弧半径为10.41mm，圆弧中心角为95.66°。

参考图4及图5，仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的头部对应叶片本体1的前缘，仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的尾部对应叶片本体1的尾缘；所述波浪形结构2对应的波幅为A，波长为λ，其中，A≤0.05R，λ≤πR/5,R为叶片本体1起始端面横截面轮廓中弧线的曲率半径；所述锯齿形结构3的锯齿间隔为S，锯齿高度为H，锯齿宽度为B，其中，0.1R≤S≤0.2R，H＝0.5S-2S，B＝0.7H-1.5H。

本发明所述结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片的制备方法包括以下步骤：

1)构建鲹科鱼类横截面轮廓曲线方程，对鲹科鱼类横截面轮廓曲线方程进行离散化，从而获取叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的特征点(x，y_k)，然后根据叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的特征点(x，y_k)进行拟合绘制叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓的初始外形，再根据多翼离心风机上叶片的安装尺寸对叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓的初始外形进行比例缩放，以配合不同尺度下的风机蜗壳；

2)根据多翼离心风机的前弯叶型设计方法确定叶片本体1的中弧线，再根据叶片本体1的中弧线将叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓的初始外形进行弯曲，使弯曲后叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓初始外形的中弧线与叶片本体1的中弧线重合，再以弯曲后的仿鲹科鱼类横截面轮廓外形作为轮廓，以前缘波浪形结构为引导线进行放样拉伸，将放样拉伸仿鲹科鱼类横截面轮廓初始外形后所形成的实体的尾缘剪切成锯齿形结构，得结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片。

设定鱼体总长0.1m，以鲹科鱼类横截面轮廓的质心为原点构建x-y坐标系，其中，x轴的方向为鲹科鱼体上从头部指向尾部的方向，y轴为鲹科鱼体的横向方向，则步骤1)中的鲹科鱼类横截面轮廓曲线方程为：

y_k＝y×k，

其中，y_k为针对不同鲹科类鱼体横截面轮廓的横向尺寸，k表示不同鲹科类鱼体横截面轮廓横向尺寸的差异度，k＝0.5-2，图1中k＝1，为满足不同尺度下叶片径向长度的限制，在实际设计多翼离心风机叶片时需要对鲹科鱼类横截面轮廓曲线按照所需的比例进行缩放，以配合不同尺度下的风机蜗壳。

参考图1和图7，交叉仿生叶片横截面轮廓的中弧线与图1中的中弧线为同一含义，均指鲹科鱼类横截面轮廓的对称线，而图7中的仿鲹科鱼类横截面轮廓外形在中弧线两侧的型线长度不一致，这与鲹科鱼体在游动时通过收缩和拉伸肌肉实现摆动身体的姿势是一致的，为了尽可能的利用鲹科鱼体的流线形外形，采取对图1中的鲹科鱼类横截面轮廓外形曲线进行离散化，依此来获取鲹科鱼类横截面轮廓外形的特征点，然后根据特征点进行拟合绘制叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓的初始外形，根据多翼离心风机的前弯叶型设计方法确定叶片本体1的中弧线，再根据叶片本体1的中弧线将叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓的初始外形进行弯曲，使弯曲后叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓初始外形的中弧线与叶片本体1的中弧线重合，形成弯曲后的仿鲹科鱼类横截面轮廓初始外形。

图7中实线表示的仿鲹科鱼类横截面轮廓外形与虚线表示的前弯叶型轮廓的面积不一致，仿鱼叶片的轮廓面积比前弯叶型轮廓面积要少33％，从而降低叶轮质量，降低电机负荷，有利于风机效率的提高。

参考图8，叶片产生的叶道的截面宽度由入口到出口不断减小，因此速度不断增大，可清除叶道中的涡区，效率较高。

Claims (9)

1.一种结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片，其特征在于，用于多翼离心风机中，包括叶片本体(1)，其中，叶片本体(1)的横截面为仿鲹科鱼类横截面轮廓外形，叶片本体(1)横截面的中弧线为单圆弧形状，叶片本体(1)横截面中弧线的圆心位置、圆弧半径及圆弧中心角根据多翼离心风机的前弯叶型设计方法进行确定，叶片本体(1)上朝向叶轮吸入侧的端面为波浪形结构(2)，叶片本体(1)上朝向叶轮吹出侧的端面为锯齿形结构(3)。

2.根据权利要求1所述的结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片，其特征在于，叶片本体(1)中弧线的进口安装角β₁为70°-90°，叶片本体(1)中弧线的出口安装角β₂为150°-170°。

3.根据权利要求1所述的结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片，其特征在于，仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的头部对应叶片本体(1)的前缘，仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的尾部对应叶片本体(1)的尾缘。

4.根据权利要求1所述的结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片，其特征在于，所述波浪形结构(2)对应的波幅为A，波长为λ，其中，A≤0.05R，λ≤πR/5,R为叶片本体(1)起始端面横截面轮廓中弧线的曲率半径。

5.根据权利要求4所述的结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片，其特征在于，所述锯齿形结构(3)的锯齿间隔为S，锯齿高度为H，锯齿宽度为B，其中，0.1R≤S≤0.2R，H＝0.5S-2S，B＝0.7H-1.5H。

6.根据权利要求1所述的结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片，其特征在于，叶片本体(1)上朝向叶轮吸入侧的端面为正弦曲线的波浪形结构(2)，其中，所述正弦曲线的波数是其周期的整数倍。

7.根据权利要求1所述的结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片，其特征在于，锯齿形结构(3)的尾缘中的锯齿形波峰及波谷均为倒圆角形结构。

8.一种权利要求1所述结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建鲹科鱼类横截面轮廓曲线方程，对鲹科鱼类横截面轮廓曲线方程进行离散化，从而获取叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的特征点(x，y_k)，然后根据叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓外形的特征点(x，y_k)进行拟合绘制叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓的初始外形，再根据多翼离心风机上叶片的安装尺寸对叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓的初始外形进行比例缩放，以配合不同尺度下的风机蜗壳；

2)根据多翼离心风机的前弯叶型设计方法确定叶片本体(1)的中弧线，再根据叶片本体(1)的中弧线将叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓的初始外形进行弯曲，使弯曲后叶片仿鲹科鱼类横截面轮廓初始外形的中弧线与叶片本体(1)的中弧线重合，再以弯曲后的仿鲹科鱼类横截面轮廓初始外形作为轮廓，以前缘波浪形结构为引导线进行放样拉伸，将放样拉伸仿鲹科鱼类横截面轮廓初始外形后所形成的实体的尾缘剪切成锯齿形结构,得结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片。

9.根据权利要求8所述的所述结合鲹科鱼体和鸟翼的交叉仿生叶片的制备方法，其特征在于，以鲹科鱼类横截面轮廓的质心为原点构建x-y坐标系，其中，x轴的方向为鲹科鱼体上从头部指向尾部的方向，y轴为鲹科鱼体的横向方向，则步骤1)中的鲹科鱼类横截面轮廓曲线方程为：

其中，y_k为针对不同鲹科类鱼体横截面轮廓的横向尺寸，k表示不同鲹科类鱼体横截面轮廓横向尺寸的差异度，k＝0.5-2。