CN113339267A - 一种弓形高能量密度叶片设计方法及其设计的叶片泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弓形高能量密度叶片设计方法及其设计的叶片泵。叶片设计方法为：叶片在延伸方向具有第一端和第二端及在叶高方向上具有轮毂侧和轮缘侧，包括包角初始值、进口角、型线和出口角。包角初始值为第一端上各点轴面相对于第一端的轮毂侧轴面之间的圆周角，由叶片的弓形曲线确定；进口角形成于叶片的第一端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间，由零速度环量准则确定；型线根据叶片的安放角沿相对轴面流线的分布规律进行定义，由轴面流动计算确定；出口角形成于叶片的第二端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间，由轴面流动计算确定。本发明叶片设计方法得到的叶片可有效提高叶片泵的能量密度并拓宽泵的稳定运行区间。

Description

一种弓形高能量密度叶片设计方法及其设计的叶片泵

技术领域

本发明涉及叶片泵技术领域，尤其涉及一种弓形高能量密度叶片设计方法及其设计的叶片泵。

背景技术

近年来，叶片泵在能源动力、航空航天和海洋动力等多领域广泛应用，对泵的做功能量密度要求日益提高。因此，急需发展一种高能量密度的叶片泵，使其在有限空间约束下输出更高能量。

目前提高叶片泵的能量密度的方法主要是叶片的型线以及泵的流道进行改型设计，以提升泵在设计工况下的能量密度，但是此类方法提升的效果十分有限，并且在偏工况下会产生严重的扬程下降，导致泵不能稳定运行。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种弓形高能量密度叶片设计方法，得到的叶片可有效提高叶片泵的能量密度并拓宽泵的稳定运行区间。

根据本发明第一方面实施例的弓形高能量密度叶片设计方法，所述弓形高能量密度叶片在延伸方向具有第一端和第二端以及在叶高方向上具有轮毂侧和轮缘侧，且包括：

包角初始值，所述包角初始值为所述第一端的在所述叶高方向上各点轴面相对于所述第一端的轮毂侧轴面之间的圆周角，所述包角初始值的分布规律由所述叶片的弓形曲线确定；

进口角，所述进口角形成于所述叶片的所述第一端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间，所述进口角由零速度环量准则确定；

型线，所述型线根据所述叶片的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成的安放角沿相对轴面流线的分布规律进行定义，所述分布规律由轴面流动计算确定；

出口角，所述出口角形成于叶片的所述第二端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间，所述出口角由轴面流动计算确定。

根据本发明第一方面实施例的弓形高能量密度叶片设计方法，主要是采用弓形曲线设计，有效改善流动状态，在限定了叶轮直径的前提下，提高叶片泵的流量和扬程；通过对进口角、出口角和型线的设计，可以对叶片泵的流量、扬程、效率和功率产生积极作用。本发明第一方面实施例的弓形高能量密度叶片设计方法得到的叶片，可以快速完成叶片泵的设计，有效提升叶片泵的能量密度并拓宽叶片泵的稳定运行区间。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述弓形曲线由第一段圆弧、第二段圆弧和第三段圆弧顺次相切连接，其中，所述第一段圆弧的圆心和所述第三段圆弧的圆心位于所述弓形曲线的一侧，所述第二段圆弧的圆心位于所述弓形曲线的另一侧。

根据本发明第一方面进一步的实施例，所述弓形曲线的起始端坐标为(0,0)，终止端坐标为(1,1)，所述弓形曲线的形状为：

其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)分别为所述第一段圆弧的圆心坐标、所述第二段圆弧的圆心坐标、所述第三段圆弧的圆心坐标，(a,a)为所述第一段圆弧和所述第二段圆弧的交点，(1-a,1-a)为所述第二段圆弧和所述第三段圆弧的交点。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，所述弓形曲线的所述第一段圆弧和所述第三段圆弧的形状相同，所述第一段圆弧的圆心、所述第二段圆弧的圆心和所述第三段圆弧的圆心由y₁和a确定，其中x₁＝a-y₁，x₂＝a+y₁(1-2a)/a，y₂＝a+(a-y₁)(1-2a)/a，x₃＝1-y₁，y₃＝y₁+1-a。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述轮毂侧的所述包角初始值为0，所述轮缘侧的所述包角初始值为θ_1s,所述θ_1s大于0，所述包角初始值从所述轮毂侧到所述轮缘侧沿所述叶高方向的分布规律为非线性分布。

根据本发明第一方面进一步的实施例，所述包角初始值从所述轮毂侧到所述轮缘侧沿所述叶高方向的分布规律利用所述弓形曲线y＝f(x)和所述轮缘侧的所述包角初始值θ_1s确定。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，所述包角初始值从所述轮毂侧到所述轮缘侧沿所述叶高方向的分布规律为：

其中，r_h为轮毂半径，r_s为轮缘半径。

本发明第二方面还提出了一种叶片泵。

根据本发明第二方面实施例的叶片泵，包括叶片，所述叶片为根据本发明第一方面任意一个实施例所述的弓形高能量密度叶片设计方法得到。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明弓形高能量密度叶片设计方法得到的叶片应用在叶轮上的示意图。

图2为本发明的叶片的弓形曲线的坐标示意图。

附图标记：

叶片 100

第一端 1 第二端 2 轮毂侧 3 轮缘侧 4 型线 5

第一端1的某点处的包角初始值 θ₁ 进口角 β₁ 出口角 β₂

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图2来描述根据本发明实施例的弓形高能量密度叶片设计方法及其设计的叶片泵。

本发明第一方面提出了一种弓形高能量密度叶片设计方法。

根据本发明第一方面的弓形高能量密度叶片设计方法，如图1所示，弓形高能量密度叶片100应用在叶轮上，该弓形高能量密度叶片100在延伸方向具有第一端1和第二端2以及在叶高方向上具有轮毂侧3和轮缘侧4，这里的延伸方向可以理解为叶片100的型线5延伸方向，第一端1和第二端2可以理解为叶片100在延伸方向的两端端部处。

该弓形高能量密度叶片100包括包角初始值θ₁、进口角β₁、型线5和出口角β₂。

包角初始值为第一端1的在叶高方向上各点轴面相对于第一端1的轮毂侧3轴面之间的圆周角，包角初始值的分布规律由叶片100的弓形曲线确定。这里对包角初始值的定义进行一下说明，首先定义固结于叶轮上的正交曲线坐标系，其三个方向为轴向z、径向r和圆周方向θ，对于叶片泵而言，包角的几何意义为某一叶高处从第一端1到第二端2叶片100的型线5所掠过的圆周转角θ，规定第一端1某一点(例如本发明实施例中规定为轮毂侧3)的圆周转角为0，第一端1的各点所对应的θ坐标就确定了，该坐标即为包角初始值。也就是说，叶片100的第一端1从轮毂侧3到轮缘侧4沿叶高方向的各点均具有对应的包角初始值，例如如图1所示，第一端1的轮毂侧3的包角初始值为0，第一端1的某点的包角初始值为θ₁。而叶片100的弓形曲线可以理解为第一端1的形状、第二端2的形状以及第一端1和第二端2之间的在延伸方向任意部位的横断面的形状均为弓形曲线的形状，但弓形叶片100由第一端1来定义。

通过定义了包角初始值后，可以明确地定义以及更精准地控制叶片100的第一端1的几何形状如弓形曲线的形状，从而对叶轮的水力性能进行调控及优化。

进口角β₁形成于叶片100的第一端1的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间，进口角β₁由零速度环量准则确定；第一端1与进口角β₁连接。

型线5根据叶片100的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成的安放角沿相对轴面流线的分布规律进行定义，该分布规律由轴面流动计算确定，也就是说，型线5由轴面流动计算确定。

出口角β₂形成于叶片100的第二端2的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间，出口角β₂由轴面流动计算确定；第二端2与出口角β₂连接。

根据本发明第一方面实施例的弓形高能量密度叶片设计方法，主要是采用弓形曲线设计，有效改善流动状态，在限定了叶轮直径的前提下，提高叶片泵的流量和扬程。通过对进口角β₁、出口角β₂和型线5的设计可以对叶片泵的流量、扬程、效率和功率产生积极作用。本发明第一方面实施例的弓形高能量密度叶片设计方法得到的叶片100，可以快速完成叶片泵的设计，有效提升叶片泵的能量密度并拓宽叶片泵的稳定运行区间。

如图2所示，根据本发明第一方面的一个实施例，弓形曲线由第一段圆弧、第二段圆弧和第三段圆弧顺次相切连接，其中，第一段圆弧的圆心和第三段圆弧的圆心位于弓形曲线的一侧，第二段圆弧的圆心位于弓形曲线的另一侧。由此，设计出的弓形叶片100，相对于传统叶片而言，可以大幅地提高叶片泵的高能量密度并拓展高效区。

如图2所示，根据本发明第一方面进一步的实施例，弓形曲线的起始端坐标为(0,0)，终止端坐标为(1,1)，弓形曲线的形状为：

其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)分别为第一段圆弧的圆心坐标、第二段圆弧的圆心坐标、第三段圆弧的圆心坐标，(a,a)为第一段圆弧和第二段圆弧的交点，(1-a,1-a)为第二段圆弧和第三段圆弧的交点。由此，通过该公式反映出了本发明实施例叶片100的弓形曲线的形状。通过该公式可以快速地设计出叶片100。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，弓形曲线的第一段圆弧和第三段圆弧的形状相同，第一段圆弧的圆心、第二段圆弧的圆心和第三段圆弧的圆心由y₁和a确定，其中x₁＝a-y₁，x₂＝a+y₁(1-2a)/a，y₂＝a+(a-y₁)(1-2a)/a，x₃＝1-y₁，y₃＝y₁+1-a。由此，通过两个参数y₁和a可以完全确定弓形曲线的形状，可以快速地设计出叶片100的弓形形状，以便通过该叶片100大幅地提高叶片泵的高能量密度并拓展高效区。

如图1所示，根据本发明第一方面的一些实施例，轮毂侧3的包角初始值为0，轮缘侧4的包角初始值为θ_1s,θ_1s大于0，包角初始值从轮毂侧3到轮缘侧4沿叶高方向的分布规律为非线性分布。由此，规定了包角初始值的零点，同时给定轮缘侧4的包角初始值，且通过包角初始值沿叶高的总体分布来规定叶轮叶片100向后倾斜。

根据本发明第一方面进一步的实施例，包角初始值从轮毂侧3到轮缘侧4沿叶高方向的分布规律利用弓形曲线y＝f(x)和轮缘侧4的包角初始值θ_1s确定。由此，明确了弓形曲线和包角初始值分布规律之间的关系，即包角初始值的分布规律是由弓形曲线和轮缘侧4的包角初始值来确定的。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，包角初始值从轮毂侧3到轮缘侧4沿叶高方向的分布规律为：

其中，r_h为轮毂半径，r_s为轮缘半径。

由此，这种叶片100可以有效大幅地提升叶片泵的能量密度和高效区，有利于快速地设计出叶片泵。

本发明第二方面还提出了一种叶片泵。

根据本发明第二方面实施例的叶片泵，包括叶片，所述叶片为根据本发明第一方面任意一个实施例所述的弓形高能量密度叶片设计方法得到。

根据本发明第二方面实施例的叶片泵，由于叶片泵的叶片采用了本发明第一方面任意一个实施例的弓形高能量密度叶片设计方法得到，得到的叶片可以快速完成叶片泵的设计，大幅提升叶片泵能量密度，拓宽叶片泵的高效区。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种弓形高能量密度叶片设计方法，其特征在于，所述弓形高能量密度叶片在延伸方向具有第一端和第二端以及在叶高方向上具有轮毂侧和轮缘侧，且包括：

包角初始值，所述包角初始值为所述第一端的在所述叶高方向上各点轴面相对于所述第一端的轮毂侧轴面之间的圆周角，所述包角初始值的分布规律由所述叶片的弓形曲线确定；

进口角，所述进口角形成于所述叶片的所述第一端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间，所述进口角由零速度环量准则确定；

型线，所述型线根据所述叶片的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成的安放角沿相对轴面流线的分布规律进行定义，所述分布规律由轴面流动计算确定；

出口角，所述出口角形成于叶片的所述第二端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间，所述出口角由轴面流动计算确定。

2.根据权利要求1所述的弓形高能量密度叶片设计方法，其特征在于，所述弓形曲线由第一段圆弧、第二段圆弧和第三段圆弧顺次相切连接，其中，所述第一段圆弧的圆心和所述第三段圆弧的圆心位于所述弓形曲线的一侧，所述第二段圆弧的圆心位于所述弓形曲线的另一侧。

3.根据权利要求2所述的弓形高能量密度叶片设计方法，其特征在于，所述弓形曲线的起始端坐标为(0,0)，终止端坐标为(1,1)，所述弓形曲线的形状为：

其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)分别为所述第一段圆弧的圆心坐标、所述第二段圆弧的圆心坐标、所述第三段圆弧的圆心坐标，(a,a)为所述第一段圆弧和所述第二段圆弧的交点，(1-a,1-a)为所述第二段圆弧和所述第三段圆弧的交点。

4.根据权利要求3所述的弓形高能量密度叶片设计方法，其特征在于，所述弓形曲线的所述第一段圆弧和所述第三段圆弧的形状相同，所述第一段圆弧的圆心、所述第二段圆弧的圆心和所述第三段圆弧的圆心由y₁和a确定，其中x₁＝a-y₁，x₂＝a+y₁(1-2a)/a，y₂＝a+(a-y₁)(1-2a)/a，x₃＝1-y₁，y₃＝y₁+1-a。

5.根据权利要求2-4中任意一项所述的弓形高能量密度叶片设计方法，其特征在于，所述轮毂侧的所述包角初始值为0，所述轮缘侧的所述包角初始值为θ_1s,所述θ_1s大于0，所述包角初始值从所述轮毂侧到所述轮缘侧沿所述叶高方向的分布规律为非线性分布。

6.根据权利要求5所述弓形高能量密度叶片设计方法，其特征在于，所述包角初始值从所述轮毂侧到所述轮缘侧沿所述叶高方向的分布规律利用所述弓形曲线y＝f(x)和所述轮缘侧的所述包角初始值θ_1s确定。

7.根据权利要求6所述的弓形高能量密度叶片设计方法，其特征在于，所述包角初始值从所述轮毂侧到所述轮缘侧沿所述叶高方向的分布规律为：

其中，r_h为轮毂半径，r_s为轮缘半径。

8.一种叶片泵，其特征在于，包括叶片，所述叶片为根据权利要求1-7中任意一项所述的弓形高能量密度叶片设计方法得到。

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