CN113898607B - 叶轮机械的叶片相贯线、叶片的设计方法及叶轮机械的叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种叶轮机械的叶片相贯线的设计方法包括：根据二维的叶片外环骨线确定叶片的二维的叶片外环型线，根据叶片外环型线和外环的内表面参数确定叶片与外环的相贯线；根据二维的叶片外环骨线和外环的内表面参数计算二维的叶片外环骨线在外环的内表面上对应的三维的叶片外环骨线；根据三维的叶片外环骨线确定投影向量，根据投影向量确定投影面，对三维的叶片外环骨线在投影面上进行投影；对三维的叶片外环骨线在投影面上的投影取点集以确定二维的叶片内环骨线；根据确定的二维的叶片内环骨线确定叶片的二维的叶片内环型线，根据二维的叶片内环型线、投影面的参数和内环的外表面参数确定叶片与内环的相贯线。

Description

叶轮机械的叶片相贯线、叶片的设计方法及叶轮机械的叶片

技术领域

本发明涉及叶轮机械领域，特别涉及一种叶轮机械的叶片相贯线、叶片的设计方法及叶轮机械的叶片。

背景技术

叶轮机械在工程应用中使用广泛，包括风机、液力变矩器、水泵、压气机等。叶轮机械一般由叶栅和位于叶栅的外侧的外环和内侧的内环组成，叶栅由包括绕旋转轴周期排布的多个叶片，内环包括前盘、外环包括后盘，叶栅与前盘、后盘之间围成的通道形成流体流动的流道，通过叶栅与流体的相互作用实现机械能与流体动能的相互转化。叶栅的叶片是叶轮机械的核心组成部分，其设计的好坏直接影响叶轮机械的性能表现。叶片形状根据其应用场合的不同差别很大，包括二维直板叶片、非等厚三维扭曲叶片等。中国专利申请号201310028487.X的专利申请提出一种用解析函数表示的翼型及其生成方法，叶片的单环面采用上、下型线解析函数表示。中国专利申请号201710523249.4的专利申请公开了一种多翼离心风机叶片，叶片型线的进口端曲线为对数螺旋线，出口端型线为圆弧线。中国专利申请号201510036723.1专利申请公开了一种基于贝塞尔曲线的液力变矩器二维叶片型线的构造方法，公开了通过给定液力变矩器的循环圆，利用贝塞尔曲线构造泵轮叶片内环的二维的叶片骨线，然后利用该二维的叶片骨线构造叶片厚度分布从而得到了二维叶片型线。中国专利申请号201510036723.1专利申请公开了一种基于贝塞尔曲线的液力变矩器二维叶片型线的构造方法，公开了通过给定液力变矩器的循环圆，利用贝塞尔曲线构造泵轮叶片内环的二维的叶片骨线，然后利用该二维的叶片骨线构造叶片厚度分布从而得到了二维叶片型线。中国专利申请号201410220625.9的专利申请公开了一种基于儒科夫斯基型线的液力变矩器叶片造型，公开了通过儒科夫斯基型线构造单元叶片二维的叶片内环型线和叶片外环型线，然后根据给定的循环圆的参数构造三维叶片内环曲线和外环曲线，最后叶片造型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叶轮机械的叶片相贯线的设计方法，通过该设计方法能够构造合适的叶轮机械的叶片相贯线，从而有助于保证叶片的适应性、多样性、灵活性和很好的工艺性。

本发明第一方面公开一种叶轮机械的叶片相贯线的设计方法，叶轮机械包括外环、位于所述外环内侧的内环和连接在所述内环外表面和所述外环内表面之间的叶片，所述叶轮机械的叶片相贯线的设计方法包括：

给定二维的叶片外环骨线、所述外环的内表面参数和所述内环的外表面参数；

根据所述二维的叶片外环骨线确定所述叶片的二维的叶片外环型线，根据所述二维的叶片外环型线和所述外环的内表面参数确定所述叶片与所述外环的相贯线；

根据所述二维的叶片外环骨线和所述外环的内表面参数计算所述二维的叶片外环骨线在所述外环的内表面上对应的三维的叶片外环骨线；

根据所述三维的叶片外环骨线确定投影向量，根据所述投影向量确定投影面，对所述三维的叶片外环骨线在所述投影面上进行投影；

对所述三维的叶片外环骨线在所述投影面上的投影取点集以确定二维的叶片内环骨线；

根据确定的所述二维的叶片内环骨线确定所述叶片的二维的叶片内环型线，根据所述二维的叶片内环型线、所述投影面的参数和所述内环的外表面参数确定所述叶片与所述内环的相贯线。

在一些实施例中，根据所述三维的叶片外环骨线确定投影向量包括：

确定所述三维的叶片外环骨线的极值点，对所述三维的叶片外环骨线的起始点和终点进行连线得到第一线段，过所述极值点做与所述连线的垂直且相交于第一点的第一直线；

在与所述第一直线垂直的平面内过所述极值点做半径为r₁的第一圆，在与所述第一直线垂直的平面内过所述第一点做半径为r₂的第二圆，其中r₁小于r₂，且r₁和r₂均小于所述第一线段的长度的一半，在所述第一圆内取第二点，在所述第二圆内取第三点，将连接所述第二点和所述第三点得到的向量确定为所述投影向量。

在一些实施例中，设所述极值点的坐标为(x_M，y_M，z_M)，设所述第一点的坐标为(x_H，y_H，z_H)，连接所述极值点和所述第一点得到第一向量，设第一向量的空间坐标为(V_x，V_y，V_z)，设所述第二点的坐标为(x₁，y₁，z₁)，设所述第三点的坐标为(x₂，y₂，z₂)，其中：

y₁∈(y_M-r₁，y_M+r₁)，x₂∈(x_H-r₂，x_H+r₂)，y₂∈(y_H-r₂，y_H+r₂)。

在一些实施例中，根据所述三维的叶片外环骨线确定投影向量包括：

确定所述三维的叶片外环骨线的极值点，对所述三维的叶片外环骨线的起始点和终点进行连线得到第一线段，过所述极值点做与所述连线的垂直且相交于第一点的第一直线；

过所述极值点在所述第一直线和所述第一线段确定的平面内向所述第一直线的一侧偏转角度α做第二直线，和在与所述第一直线和所述第一线段确定的平面相垂直的平面内向所述第一直线的一侧偏转角度β做第三直线，第二直线与第一线段交于第四点，连接所述极值点和所述第四点得到第二向量，根据所述第三直线得到第三向量，所述投影向量等于所述第二向量和所述第三向量的向量和。

在一些实施例中，所述二维的叶片外环骨线为贝赛尔曲线。

本发明第二方面公开一种叶轮机械的叶片的设计方法，包括任一所述叶轮机械的叶片相贯线的设计方法。

在一些实施例中，还包括：用直线对所述叶片与所述内环的相贯线和所述叶片与所述外环的相贯线进行扫掠以得到所述叶轮机械的叶片。

本发明第三方面公开一种叶轮机械的叶片，包括应用所述的叶轮机械的叶片的设计方法进行设计。

在一些实施例中，所述叶轮机械的叶片包括液力变矩器的泵轮的叶片，所述外环包括泵轮外壳，所述内环包括泵轮导环；或所述叶轮机械的叶片包括液力变矩器的涡轮的叶片，所述外环包括涡轮外壳，所述内环包括涡轮导环

基于本发明提供的叶轮机械的叶片相贯线的设计方法，通过利用二维的叶片外环骨线计算三维的叶片外环骨线，然后对三维的叶片外环骨线通过找到合适的投影向量投影后利用该投影确定二维的叶片内环骨线，可以方便地、有效的得到合适、协调的二维的叶片内环骨线，通过该种方法得到的叶轮机械的叶片相贯线更加合理、协调和有效，制作得到的叶片力学性能好、工艺性好。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的叶轮机械的叶片相贯线的设计方法的流程图；

图2为本发明另一实施例的叶轮机械的部分结构示意图；

图3为本发明又一实施例的叶轮机械的叶片相贯线的设计方法的确定投影向量的示意图；

图4为本发明又一实施例的叶轮机械的叶片相贯线的设计方法的确定投影向量的示意图。

具体实施方式

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在......之上”、“在......上方”、“在......上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在......上方”可以包括“在......上方”和“在......下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

如图2所示，叶轮机械包括外环1、位于外环1内侧的内环5和连接在内环5的外表面和外环1的内表面之间的叶片，叶片包括叶片外环2、叶片内环6、叶片前缘4和叶片后缘8，叶片外环2为叶片位于径向外侧的外表面，也即叶片与外环1的相交表面，叶片外环2的外轮廓也即叶片与外环1的相贯线。叶片内环6为叶片位于径向内侧的内表面，也即叶片与内环5的相交表面，叶片内环6的外轮廓也即叶片与内环5的相贯线。

本实施例的叶轮机械包括风机、液力变矩器、水泵、压气机等。当叶轮机械为液力变矩器时，且当图2所示的叶片为泵轮叶片时，外环1为泵轮外壳，内环5为泵轮导环，流体从叶片前缘4所在侧的入口3进入，在泵轮的叶片的离心作用下从叶片后缘8所在侧的出口7流出进入涡轮中。在图2所示的Z方向示意泵轮的转轴方向，R方向示意泵轮的径向。

本实施例的叶轮机械的叶片相贯线的设计方法包括：

给定二维的叶片外环骨线、外环的内表面参数和内环的外表面参数。

二维的叶片外环骨线可以根据已有经验采用经验的骨线线型，也可以通过贝塞尔曲线来构造二维的叶片外环骨线。

根据二维的叶片外环骨线确定叶片的二维的叶片外环型线，根据叶片外环型线和外环1的内表面参数确定叶片与外环1的相贯线。

外环1的内表面参数包括内表面的形状、角度、尺寸分布等参数信息。在获得二维的叶片外环型线后，根据内表面参数将二维的叶片外环型线映射到三维，即可得到叶片与外环的相贯线，实施方式有多种，其中的一种实施方式可以参考中国专利申请号201410220625.9的专利申请中根据叶片的内环型线构造三维的叶片内环曲线的步骤，另外的实施方式还可以包括将二维的叶片外环型线当做三维的叶片外环型线投影得到的，则根据内表面参数对二维的叶片外环型线进行投影的逆运算即可得到三维的叶片外环型线，另外的实施方式还可以包括将二维的叶片外环型线当作在将外环的内表面展开成平面时三维的叶片外环型线展开得到的，根据内表面参数将二维的叶片外环型线所在的平面逆向卷曲成外环的内表面时，二维的叶片外环型线即可得到三维的叶片外环型线。

在获得二维的叶片外环骨线后，通过构造叶片厚度分布和将厚度分布叠加二维的叶片外环骨线上即可得到二维的叶片外环型线。

本实施例可以参考中国专利申请号201510036723.1专利申请中构造泵轮叶片的内环型线的实施例，本实施例的构造二维的叶片外环骨线可以参考该专利申请实施例中构造单元叶片骨线的方法步骤，本实施例中根据二维的叶片外环骨线确定叶片的二维的叶片外环型线可以参考该专利申请实施例中构造叶片厚度分布和将厚度分布叠加到叶片骨线上，获得叶片二维型线的方法步骤。

根据二维的叶片外环骨线和外环的内表面参数计算二维的叶片外环骨线在外环的内表面上对应的三维的叶片外环骨线。二维的叶片外环骨线获得三维的叶片外环骨线的方式与上述根据叶片外环型线和外环1的内表面参数确定叶片与外环1的相贯线的实现方式原理相同。

根据三维的叶片外环骨线确定投影向量，根据投影向量确定投影面，对三维的叶片外环骨线在投影面上进行投影。对三维的叶片外环骨线在投影面上的投影取点集以确定二维的叶片内环骨线。

如图2和图3所示，在获得三维的叶片外环骨线后，对三维的叶片外环骨线确定合适的投影向量和投影面，然后即可利用该投影选取一些点的集合来制作二维的叶片内环骨线。可以将三维的叶片外环骨线在投影面上的投影中的一部分直接作为二维的叶片内环骨线，也可以将该投影中采取一部分点的集合，然后采用插值的方法构造曲线作为二维的叶片内环骨线。

根据确定的二维的叶片内环骨线确定叶片的二维的叶片内环型线，根据二维的叶片内环型线、投影面的参数和内环的外表面参数确定叶片与内环的相贯线。二维的叶片内环骨线确定叶片的二维的叶片内环型线的方法与根据二维的叶片外环骨线确定叶片的二维的叶片外环型线的方法类似，根据二维的叶片内环型线确定叶片与内环的相贯线的方法与根据叶片外环型线确定叶片与外环的相贯线的方法类似。

通过利用二维的叶片外环骨线计算三维的叶片外环骨线，然后对三维的叶片外环骨线通过找到合适的投影向量投影后利用该投影确定二维的叶片内环骨线，可以简单地、有效地得到合适、协调的二维的叶片内环骨线，通过该种方法得到的叶轮机械的叶片相贯线更加合理、协调和有效，制作得到的叶片力学性能好、工艺性好。

如图3所示，在一些实施例中，根据三维的叶片外环骨线确定投影向量包括：

确定三维的叶片外环骨线的极值点，对三维的叶片外环骨线的起始点和终点进行连线得到第一线段，过极值点做与连线的垂直且相交于第一点的第一直线；对于图3所示的实施例，M点为极值点，A点和N点分别为三维的叶片外环骨线的起始点和终点，线段AN为第一线段，H点为第一点，直线MH为第一直线。

在与第一直线垂直的平面内过极值点做半径为r₁的第一圆，在与第一直线垂直的平面内过第一点做半径为r₂的第二圆，其中r₁小于r₂，且r₁和r₂均小于第一线段的长度的一半，在第一圆内取第二点，在第二圆内取第三点，将连接第二点和第三点得到的向量确定为投影向量。对于图3所示的实施例中，s1圆为第一圆，s2圆为第二圆，M’点为第二点，H’点为第三点，向量M’H’即为得到的投影向量。投影向量与投影面垂直，根据投影向量即可得到投影面。本实施例得到的投影向量，有助于使得到的三维的叶片外环骨线的投影更好更完整地映射三维的叶片外环骨线，使得到的二维的叶片内环骨线能更好地与二维的叶片外环骨线相协调，从而得到更加适合的叶片与内环的相贯线。

如图3所示，在一些实施例中，设极值点的坐标为(x_M，y_M，z_M)，设第一点的坐标为(x_H，y_H，z_H)，连接极值点和第一点得到第一向量，设第一向量的空间坐标为(V_x，V_y，V_z)，设第二点的坐标为(x₁，y₁，z₁)，设第三点的坐标为(x₂，y₂，z₂)，其中：

y₁∈(y_M-r₁，y_M+r₁)，x₂∈(x_H-r₂，x_H+r₂)，y₂∈(y_H-r₂，y_H+r₂)。本实施例的投影向量的坐标通过上式确定。

如图4所示，在一些实施例中，根据三维的叶片外环骨线确定投影向量包括：

确定三维的叶片外环骨线的极值点，对三维的叶片外环骨线的起始点和终点进行连线得到第一线段，过极值点做与连线的垂直且相交于第一点的第一直线；对于图4所示的实施例，M点为极值点，A点和N点分别为三维的叶片外环骨线的起始点和终点，线段AN为第一线段，H点为第一点，直线MH为第一直线。

过极值点在第一直线和第一线段确定的平面内向第一直线的一侧偏转角度α做第二直线，和在与所述第一直线和所述第一线段确定的平面相垂直的平面内(该平面过第一直线)向第一直线的一侧偏转角度β做第三直线，第二直线与第一线段交于第四点，连接极值点和第四点得到第二向量，根据第三直线得到第三向量，投影向量等于第二向量和第三向量的向量和。对于图4所示的实施例中，K点为第四点，J点为第五点，向量MK为第二向量，向量MJ为第三向量，向量MK与向量MJ的向量和即得到投影向量。

在一些实施例中，二维的叶片外环骨线为贝赛尔曲线。

在一些实施例中还公开一种叶轮机械的叶片的设计方法，上述的叶轮机械的叶片相贯线的设计方法。

在一些实施例中，叶轮机械的叶片的设计方法还包括：用直线对叶片与内环的相贯线和叶片与外环的相贯线进行扫掠以得到叶轮机械的叶片。即将叶片与内环的相贯线以及叶片与外环的相贯线等分，然后将叶片与内环的相贯线以及叶片与外环的相贯线的对应点连接即可得到叶片的外轮廓。

在一些实施例中还公开一种叶轮机械的叶片，包括应用上述叶轮机械的叶片的设计方法进行设计。

在一些实施例中，叶轮机械的叶片包括液力变矩器的泵轮的叶片，液力变矩器包括泵轮、涡轮和导轮，其中泵轮包括泵轮外壳、泵轮导环和连接在泵轮外壳和泵轮导环之间的叶片，本实施例中外环包括泵轮外壳，内环包括泵轮导环；或叶轮机械的叶片包括液力变矩器的涡轮的叶片，外环包括涡轮外壳，内环包括涡轮导环。从而给定外环的内表面参数以及给定内环的外表面参数时可包括通过给出液力变矩器的循环圆的参数的方式给定。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种叶轮机械的叶片相贯线的设计方法，叶轮机械包括外环、位于所述外环内侧的内环和连接在所述内环外表面和所述外环内表面之间的叶片，其特征在于，所述叶轮机械的叶片相贯线的设计方法包括：

给定二维的叶片外环骨线、所述外环的内表面参数和所述内环的外表面参数；

根据所述二维的叶片外环骨线确定所述叶片的二维的叶片外环型线，根据所述二维的叶片外环型线和所述外环的内表面参数确定所述叶片与所述外环的相贯线；

根据所述二维的叶片外环骨线和所述外环的内表面参数计算所述二维的叶片外环骨线在所述外环的内表面上对应的三维的叶片外环骨线；

根据所述三维的叶片外环骨线确定投影向量，根据所述投影向量确定投影面，对所述三维的叶片外环骨线在所述投影面上进行投影；

对所述三维的叶片外环骨线在所述投影面上的投影取点集以确定二维的叶片内环骨线；

根据确定的所述二维的叶片内环骨线确定所述叶片的二维的叶片内环型线，根据所述二维的叶片内环型线、所述投影面的参数和所述内环的外表面参数确定所述叶片与所述内环的相贯线。

2.如权利要求1所述叶轮机械的叶片相贯线的设计方法，其特征在于，根据所述三维的叶片外环骨线确定投影向量包括：

确定所述三维的叶片外环骨线的极值点，对所述三维的叶片外环骨线的起始点和终点进行连线得到第一线段，过所述极值点做与所述连线的垂直且相交于第一点的第一直线；

在与所述第一直线垂直的平面内过所述极值点做半径为r₁的第一圆，在与所述第一直线垂直的平面内过所述第一点做半径为r₂的第二圆，其中r₁小于r₂，且r₁和r₂均小于所述第一线段的长度的一半，在所述第一圆内取第二点，在所述第二圆内取第三点，将连接所述第二点和所述第三点得到的向量确定为所述投影向量。

3.如权利要求2所述叶轮机械的叶片相贯线的设计方法，其特征在于，设所述极值点的坐标为(x_M，y_M，z_M)，设所述第一点的坐标为(x_H，y_H，z_H)，连接所述极值点和所述第一点得到第一向量，设第一向量的空间坐标为(V_x，V_y，V_z)，设所述第二点的坐标为(x₁，y₁，z₁)，设所述第三点的坐标为(x₂，y₂，z₂)，其中：

x₁∈(x_M-r₁，x_M+r₁)，

y₁∈(y_M-r₁，y_M+r₁)，x₂∈(x_H-r₂，x_H+r₂)，y₂∈(y_H-r₂，y_H+r₂)。

4.如权利要求1所述叶轮机械的叶片相贯线的设计方法，其特征在于，根据所述三维的叶片外环骨线确定投影向量包括：

确定所述三维的叶片外环骨线的极值点，对所述三维的叶片外环骨线的起始点和终点进行连线得到第一线段，过所述极值点做与所述连线的垂直且相交于第一点的第一直线；

过所述极值点在所述第一直线和所述第一线段确定的平面内向所述第一直线的一侧偏转角度α做第二直线，和在与所述第一直线和所述第一线段确定的平面相垂直的平面内向所述第一直线的一侧偏转角度β做第三直线，第二直线与第一线段交于第四点，连接所述极值点和所述第四点得到第二向量，根据所述第三直线得到第三向量，所述投影向量等于所述第二向量和所述第三向量的向量和。

5.如权利要求1至4任一所述叶轮机械的叶片相贯线的设计方法，其特征在于，所述二维的叶片外环骨线为贝赛尔曲线。

6.一种叶轮机械的叶片的设计方法，其特征在于，包括如权利要求1至5任一所述叶轮机械的叶片相贯线的设计方法。

7.如权利要求6所述的叶轮机械的叶片的设计方法，其特征在于，还包括：用直线对所述叶片与所述内环的相贯线和所述叶片与所述外环的相贯线进行扫掠以得到所述叶轮机械的叶片。

8.一种叶轮机械的叶片，其特征在于，包括应用如权利要求6或7所述的叶轮机械的叶片的设计方法进行设计。

9.如权利要求8所述的叶轮机械的叶片，其特征在于，所述叶轮机械的叶片包括液力变矩器的泵轮的叶片，所述外环包括泵轮外壳，所述内环包括泵轮导环；或所述叶轮机械的叶片包括液力变矩器的涡轮的叶片，所述外环包括涡轮外壳，所述内环包括涡轮导环。