[發明專利]一種仿生葉片

有效

• 申請號: 201810517878.0
• 申請日: 2018-05-26
• 公開（公告）號: CN108457704B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 田麗梅;溫周;張吉祥;商延賡;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14;G06F30/17
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

本發明公開了一種仿生葉片，葉片具有旋軸初始邊、旋軸終點邊和阿基米德曲線頂邊構成，旋軸初始邊的長度為L，旋軸終點邊的長度為d，旋軸初始邊和旋軸終點邊之間的夾角為θ；葉片符合公式：采用圓柱旋轉切除的方法對所得葉片域進行切割，最終取得葉輪葉片；本發明通過結合大自然界中的常見曲線——阿基米德曲線，使得流體機械在葉片設計中不再以設計者的經驗去參考，而是讓葉片設計的更為規范、設計精度更高。本發明在葉片曲面的擬合上符合流體在自然流動情況下的螺旋形有利于葉片對其輸送及做功，從而提高其工作效率，降低能耗。

技術領域

本發明為泵、螺旋槳、風扇等流體機械的葉片，該葉片結合了大自然中最常見的曲線——阿基米德曲線。相比于其他葉片的設計而言，該葉片設計精度更高，具更好的流動曲線，對于流體的輸送更加有利，使輸送效率得到提升。

背景技術

在泵、螺旋槳、風扇等流體機械中，葉片作為核心部件，直接與流體接觸，對流體的運輸、做功起著及其重要的作用，因此，葉片的設計尤為重要。如今國內外流體機械效率不高，能耗較大，這很大程度上取決于葉片的設計還不夠完善，這其中造成最嚴重的問題就是汽蝕現象，汽蝕對葉片的損害極大，使得葉片的壽命縮短，工作效率降低。現階段，葉片的設計主要采用相似設計的原理，在曲面的擬合上設計者一般采用光滑過度即可，沒有固定的標準，而汽蝕現象程度受葉片彎曲程度的影響，非定量的設計也就造成了葉片使用壽命短，效率不高，能耗大等問題。因此，尋求優質的過度曲線成為提升葉片效率的一條捷徑。

事實上，科學研究表明大自然在傳遞流體或者穿過流體的物質時，采用的路徑并不是直線，而是一種與浴缸下水時的渦流同樣的螺旋形。那么，在葉片曲面的擬合上能符合流體在自然流動情況下的螺旋形會有利于葉片對其輸送及做功，從而提高其工作效率，降低能耗。而在自然界中最為常見的二維螺旋線就是阿基米德曲線，即一點沿一條射線等速率運動的同時，這條射線又以等角速度繞起始點旋轉。如圖1所示，阿基米德曲線的幾何特點是螺線每相鄰圈之間極徑的距離相等，勻速向外擴展。本發明就是基于阿基米德曲線來設計。

發明內容

本發明的目的是提供一種仿生葉片，通過結合大自然界中的常見曲線——阿基米德曲線，使得流體機械在葉片設計中不再以設計者的經驗去參考，而是讓葉片設計的更為規范、設計精度更高。

本發明通過三維軟件中的方程式曲線構造來阿基米德曲線，由于阿基米德曲線是一個二維曲線，而流體的流動符合三維螺旋線。因此，給予阿基米德曲線添加一個方向的參數方程，即獲得阿基米德螺旋線。在葉片的設計中，螺距是影響葉片彎曲程度的重要因素之一，為此根據阿基米德曲線的幾何特點，添加螺距方向的參數方程符合勻速擴展的特點，即線性增長。從而獲得了整個阿基米德螺旋線參數方程。

在葉片的設計中，對于葉片的彎曲程度大多數設計者是根據經驗來去擬合，而在該新型葉片的設計中，旋軸初始邊1的長度L、旋軸初始邊1和旋軸終點邊2之間的夾角θ來調控，θ越大，曲面的彎曲程度越大，反之越?。贿@樣就不再是傳統方式中設計者根據經驗來去調控葉片彎曲程度，而是通過角度θ更為直觀便捷的去調控葉片傾角。

本發明的葉片具有旋軸初始邊1、旋軸終點邊2和阿基米德曲線頂邊3構成，旋軸初始邊1的長度為L，旋軸終點邊2的長度為d，旋軸初始邊1和旋軸終點邊2之間的夾角為θ；

葉片符合下述公式：

葉片的參數方程為x、y、z均為坐標軸，其單位是毫米。

葉片曲面的斜率通過旋軸初始邊1的長度L和夾角θ來調控，θ越大，曲面的彎曲程度越大，反之越小；采用圓柱旋轉切除的方法對所得葉片域4進行切割，最終取得葉輪葉片5；

其中：是葉片的阿基米德曲線6；x、y均為坐標軸，其單位是毫米；