本發(fā)明屬于曝氣機。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)化、現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，生活用水與工業(yè)用水發(fā)生交叉污染、點源污染以及面源污染的現(xiàn)象層出不窮，全國70%以上的河流、湖泊遭受污染。因此，采用污水處理設(shè)施對污水進行凈化處理，同時提升污水處理效率，進一步保護凈化水資源，保障人民的用水安全刻不容緩。由于污水當中的主要污染物容易被微生物分解，采用曝氣充氧方式培養(yǎng)微生物并利用微生物對污染物質(zhì)的分解作用凈化水資源是當前污水處理工藝技術(shù)方案當中的重要手段，使用的曝氣設(shè)備是曝氣機。曝氣機通過將外界空氣中的氧氣注入到污水中并進行混合攪拌，增大污水中溶氧量，從而使得好樣微生物能夠在充足的氧含量下對污水中的有機物進行分解，達到凈化污水的作用。

2、目前污水凈化系統(tǒng)中所采用的曝氣機主要分為以下幾類：泵型葉輪表面曝氣機、ozbg?復葉式節(jié)能曝氣機、大功率倒傘曝氣機和轉(zhuǎn)刷曝氣機、表面曝氣機、螺旋槳式曝氣機、潛水曝氣機、導流式曝氣機、轉(zhuǎn)刷曝氣機、增壓式曝氣機等等。其中潛水曝氣機具有結(jié)構(gòu)簡單、充氧能力強、動力效率高等眾多優(yōu)點，因此成為污水處理廠常用的表面曝氣設(shè)備。對于潛水曝氣機來說，實現(xiàn)將氣體充分溶解到水中，形成氣泡并將氣泡細分為更小的氣泡均勻的分散在污水中從而促進好氧細菌分解污水中有害物質(zhì)功能的重要部件是曝氣機葉輪，可以說曝氣機葉輪的結(jié)構(gòu)和功能，直接影響著潛水式曝氣機的工作效率。

3、潛水曝氣機工作的時候，水下的電機旋轉(zhuǎn)帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，通過進氣管從外界吸入空氣溶入水中。葉輪轉(zhuǎn)動使周圍的水通過出水口流到周圍水域中，周圍水域的水又流到葉輪周圍，在這個過程中使空氣溶入到水中。現(xiàn)有的現(xiàn)有潛水曝氣機設(shè)計存在以下缺陷：

4、①葉輪完全仿照螺旋槳進行設(shè)計，而螺旋槳葉片追求的是高推進力，與曝氣機目的不一致，且螺旋槳葉周圍結(jié)構(gòu)與曝氣機結(jié)構(gòu)差別較大，兩者工況也不一致，目前現(xiàn)有方案葉輪葉型不符合曝氣要求，如曝氣效率低，曝氣面積小。

5、②葉輪較為寬大，葉也相互重疊，導致葉輪重量較大，在相同曝氣效率下所需要的功較多，不節(jié)能。

6、③葉輪葉尖處存在強度較大的泄漏渦，泄漏渦的存在減小了溶解氧濃度的增加速度，且導致注入的氣體無法有效地參與溶解氧的傳遞過程，增加了曝氣機能耗。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明從兩個方面對現(xiàn)有技術(shù)提出的了改進：

2、①對曝氣機葉輪子午面及回轉(zhuǎn)面的形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，通過cfd數(shù)值模擬確定能夠確保該框架下曝氣機效率最高的各參數(shù)的最優(yōu)取值，建立最優(yōu)模型，提升曝氣機效率。②通過參考鳥類翅膀翅尖部分斜面結(jié)構(gòu)對曝氣機葉輪葉尖部分進行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，進一步提升曝氣機工作效率。

3、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

4、一種高效能仿生曝氣機葉輪，所述葉輪由三個葉片組成，其中輪轂直徑為60~90mm，優(yōu)選為80?mm；葉輪外徑180~190?mm，優(yōu)選為183?mm；

5、所述的葉輪葉根處進口角為20°、出口角為45°；葉輪葉尖處進口角為15°、出口角為40°，葉輪其余各處進口角與出口角隨著距離軸線半徑均勻變化；

6、葉輪子午流面中，其前緣葉根與尾緣葉根距離為60~150?mm，優(yōu)選為91.5?mm；前緣葉尖距離前緣葉根的軸向距離l1為5~25?mm,最優(yōu)為20?mm；尾緣葉尖距離尾緣葉根的軸向距離l2為-20~20?mm，最優(yōu)為10?mm，其中l(wèi)2在尾緣葉尖b1位于尾緣葉根b2以及前緣葉根a2同側(cè)時為正；前緣處和尾緣處，葉尖到葉根的曲線為bézier樣條曲線；

7、其中，前緣處為由5個控制點確定的bézier樣條曲線，以葉根處為第一個控制點，以葉尖處為第五個控制點，其余三個控制點距離葉根處控制點的軸向距離與徑向距離占葉尖控制點和葉根控制點軸向距離與徑向距離的比例分別為（16.7%,16.7%）、（30%,50%）、（83.3%,83.3%）；

8、最優(yōu)取值下，葉輪子午流面前緣處bézier樣條曲線的方程為：

9、

10、該方程中，以前緣葉根為坐標原點，葉根至葉尖的軸向為x軸正方向，t的取值范圍為[0,1]。

11、尾緣處為由5個控制點確定的bézier樣條曲線，葉根處為第一個控制點，以葉尖處為第五個控制點，其余三個控制點距離葉根處控制點的軸向距離與徑向距離占葉尖控制點和葉根控制點軸向距離與徑向距離的比例分別為（3.33%,16.7%）、（10%,50%）、（70%,83.3%）；

12、最優(yōu)取值下，葉輪子午流面尾緣處bézier樣條曲線的方程為：

13、

14、該方程中，以尾緣葉根為坐標原點，葉根至葉尖的軸向為x軸正方向，t的取值范圍為[0,1]；

15、葉輪回轉(zhuǎn)面中，葉輪上距離轉(zhuǎn)軸中心線不同距離的各個位置包角取值相等，與葉輪葉尖包角保持一致，包角取值為105°~120°，優(yōu)選為110?°；葉輪其葉尖處的前彎角為-35~-5°，優(yōu)選為-25°，同時葉根處到葉尖處的前彎角從0開始依次線性過渡到葉尖處的前彎角。

16、本發(fā)明中葉輪葉片還包含葉尖小翼結(jié)構(gòu)，所述葉尖小翼結(jié)構(gòu)的確定方法如下：

17、（1）首先在葉輪葉尖等弧長確定五個點，從尾緣至前緣依次記為a1、a2、a3、a4和a5，將a1、a2、a3、a4向軸向平面投影得到四個點，對應(yīng)記為b1、b2、b3和b4，之后確定葉尖小翼寬度高度尺寸均為x，將軸向平面上的b1、b2、b3、b4沿圓心方向分別移動0、x/4、2x/4、3x/4后得到四個點（c1、c2、c3、c4）；c5點為將原葉輪外徑減小尺寸2x后得到的葉輪同心圓與葉輪尾緣的交點，之后使用第一樣條線將c1、c2、c3、c4、c5進行連接，得到葉尖小翼寬度結(jié)構(gòu)；

18、（2）將葉輪葉尖處五個點（a1、a2、a3、a4、a5）向吸力面分別沿軸向移動0、x/4、2x/4、3x/4、x距離得到五個點，對應(yīng)記為d1、d2、d3、d4、d5，并使用第二樣條線依次連接，確定葉尖小翼的高度結(jié)構(gòu)；

19、（3）最后將第一樣條線向軸向方向投影到葉輪表面上得到的投影曲線和第二樣條線連接，并與葉輪剩余部分進行組合，形成具有葉尖小翼的葉片；

20、上述步驟中，x的取值為3~15?mm，優(yōu)選為15?mm。

21、進一步優(yōu)選地，在軸向方向上，以葉尖小翼葉尖處高度為0，葉尖小翼底部曲線上各點高度隨該點在軸向投影面上與軸心連線同葉尖與軸心連線所成夾角的變化規(guī)律為：

22、h1=?-0.00000000005811690692θ16+?0.00000001895860252121θ15-0.00000225160241740241θ14+?0.00013715322745611000θ13-?0.00031158576530288000θ12+?0.48726103737135400000θ1-?0.00182222966395784000

23、其中，h1為小翼底部曲線上各點高度，單位為mm;θ1為角度，單位為°。

24、葉尖小翼底部曲線上各點在軸向投影與軸心間距離（半徑）隨該點在軸向投影面上與軸心連線同葉尖與軸心連線所成夾角的變化規(guī)律為：

25、r=?0.00000000006002416641?θ16-?0.00000003306120560103θ15+0.00000717472430152519?θ14-?0.000781581038976682θ13+?0.0447206715581385?θ12-1.39528953634802θ1+?105.826648197346

26、其中，r為小翼底部曲線上各點半徑，單位為mm;θ1為角度，單位為°。

27、葉尖小翼底部曲線包角為117°。

28、在軸向方向上，以葉尖小翼葉尖處高度為0,葉尖小翼尖部曲線上各點高度隨該點在軸向投影面上與軸心連線同葉尖與軸心連線所成夾角的變化規(guī)律為：

29、h2=?0.00000000014261666064θ26-?0.00000003977552039472θ25+0.00000428766255433644θ24-?0.000187236440638117θ23+?0.0068859190105286θ22+0.295853876545152θ2+?0.00784134343120968

30、其中，h2為小翼尖部曲線上各點高度，單位為mm;θ2為角度，單位為°。

31、該曲線上各點半徑均為91.5mm。該曲線對應(yīng)中心角為110°。

32、本發(fā)明的有益效果：

33、采用本發(fā)明的曝氣機葉輪的動力效率提升了11.8%~15.1%，并且在浸沒深度較深的地方，動力效率提升更加明顯，可有效的節(jié)約電能。