CN114704468A - 一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法及具有其的叶片泵 - Google Patents

一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法及具有其的叶片泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了本发明提出了一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，所述三阶贝塞尔型轮毂包括轮毂进口、轮毂出口以及轮毂型线，所述设计方法包括如下步骤：S1、确定轮毂进口的斜率和半径、轮毂出口的斜率和半径以及轮毂的轴向长度；S2、由轮毂进口的半径、轮毂出口的半径以及轮毂轴向长度确定放大系数；S3、由三阶贝塞尔曲线的表达式确定轮毂型线的横坐标表达式以及纵坐标表达式；S4、对轮毂型线的横坐标表达式、纵坐标表达式以及放大系数进行公式处理，得到轮毂型线最终的参数表达式，用以确定轮毂型线。应用本发明提供的设计方法可以有效提高叶片泵在一定的尺寸限制条件下的做功能力并提升叶片泵的效率。

Description

一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法及具有其的叶片泵
技术领域
本发明涉及叶片泵技术领域，具体涉及一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法及具有其的叶片泵。
背景技术
近年来，由于叶片泵具有结构紧凑、性能优秀的特点，被广泛应用于能源动力、航空航天和海洋动力等多个领域。随着军用民用装备要求的提升，对叶片泵的能量性能提出了更高的要求。传统叶片泵的流道形状相对简单，在给定的几何尺寸限制下难以满足泵的功率和效率设计要求，因此急需发展一种高能高效的叶片泵流道的轮毂型线设计方法。
在传统的叶片泵设计方法中，轮毂型线大多采用直线、简单圆弧、多段线、高次多项式函数等方法进行设计。但这些方法或过于简单，可控性差，难以满足设计要求；或过于复杂，控制参数过多，难以实现轮毂快速定型。
因此申请人认为需要提出一种效率更高的叶片泵轮毂设计方法。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为达到上述目的，本发明提出了一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，所述三阶贝塞尔型轮毂包括轮毂进口、轮毂出口以及轮毂型线，所述设计方法包括如下步骤：
S1、确定轮毂进口的斜率和半径、轮毂出口的斜率和半径以及轮毂的轴向长度；
S2、由轮毂进口的半径、轮毂出口的半径以及轮毂轴向长度确定放大系数；
S3、由三阶贝塞尔曲线的表达式确定轮毂型线的横坐标表达式以及纵坐标表达式；
S4、对轮毂型线的横坐标表达式、纵坐标表达式以及放大系数进行公式处理，得到轮毂型线最终的参数表达式，用以确定轮毂型线。
本发明提出的三阶贝塞尔型轮毂设计方法，利用三阶贝塞尔曲线设计轮毂型线，在考虑任意给定的几何约束条件下，将控制参数进行精简，实现了轮毂型线的双参数控制，应用该方法可以有效提高叶片泵在一定的尺寸限制条件下的做功能力并提升叶片泵的效率。
可选地，S1中，所述轮毂进口半径、斜率由轮毂进口上游件的几何尺寸确定；所述轮毂出口半径、斜率由轮毂出口下游件的几何尺寸确定。
进一步地，在S3中，放大系数的确定包括如下步骤：
S21、确定轴向放大系数；
S22、确定径向放大系数；
S23、根据径向放大系数和轴向放大系数确定三阶贝塞尔曲线的起始端斜率以及终止端斜率。
进一步地，在S21和S22中，所述放大系数包括轴向放大系数Kx和径向放大系数Kr，其表达式为：
Kx＝L,Kr＝r2-r1，
其中，L为所述轮毂型线所在轮毂的轴向长度，r1为给定的轮毂进口半径，r2为给定的轮毂出口半径。
进一步地，在S23中，由轮毂进口斜率以及轮毂出口斜率确定三阶贝塞尔曲线的起始端斜率k1以及终止端斜率k2，其表达式为：
Figure BDA0003527044430000021
其中，K1为根据轮毂进口上游件几何尺寸确定的轮毂进口斜率，K2为根据轮毂出口下游件几何尺寸确定的轮毂出口斜率。
进一步地，在S3中，所述三阶贝塞尔曲线起始坐标设置为(0,0)，终止坐标设置为(1,1)，且三阶贝塞尔曲线由4个贝塞尔点控制，分别记为P0(x0,y0)、P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)，由所述三阶贝塞尔曲线的参数方程得到所述三阶贝塞尔曲线中横坐标x的表达式和纵坐标y的表达式如下：
Figure BDA0003527044430000022
进一步地，所述P0(x0,y0)为所述三阶贝塞尔曲线的起始端P0(0,0)，所述P3(x3,y3)为所述三阶贝塞尔曲线的终止端P3(1,1)。
进一步地，所述三阶贝塞尔曲线的形状仅由第二个贝塞尔点P1(x1,y1)以及第三个贝塞尔点P2(x2,y2)的横坐标x1、x2控制，其表达式如下：
Figure BDA0003527044430000023
进一步地，在所述S4中，得到所述轮毂型线的参数表达式如下：
Figure BDA0003527044430000031
本申请还提出一种叶片泵，包括叶轮叶片和轮毂，所述轮毂由根据以上任一项所述的一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法得到。
本发明附加的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
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明所述三阶贝塞尔轮毂设计方法设计的叶轮叶片和轮毂的具体结构；
图2为本发明的设计方法步骤流程图；
图3为本发明S2步骤中的详细步骤流程图；
图4是本发明一个实施例的叶片泵的叶轮的轴面流道示意图；
图5是本发明一个实施例的叶片泵轮毂的三阶贝塞尔曲线图。
附图标记说明：
1、轮毂；2、轮毂型线；3、轮毂进口；4、轮毂出口；5、轮毂进口上游件；6、轮毂出口下游件；7、叶轮叶片；8.叶轮转轴。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，为了更好的对设计方法进行说明，在本实施例中提供根据本发明设计的一种叶片泵内部叶轮叶片7和轮毂1的结构模型，参照图1，轮毂1包括轮毂进口3、轮毂出口4以及沿叶轮转轴8的轴向存在于轮毂进口3和轮毂出口4之间的轮毂型线2，叶轮叶片7设置于轮毂1外侧壁上。本实施例中结合该结构模型对三阶贝塞尔型轮毂设计方法进行详细阐述。
一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，参照图1至图5，三阶贝塞尔型轮毂1包括轮毂进口3、轮毂出口4以及轮毂型线2，设计方法包括如下步骤：
S1、确定轮毂进口3的斜率和半径、轮毂出口4的斜率和半径以及轮毂1的轴向长度；
S2、由轮毂进口3的半径、轮毂出口4的半径以及轮毂1轴向长度确定放大系数；
S3、由三阶贝塞尔曲线的表达式确定轮毂型线2的横坐标表达式以及纵坐标表达式；
S4、对轮毂型线2的横坐标表达式、纵坐标表达式以及放大系数进行公式处理，得到轮毂型线2最终的参数表达式，用以确定轮毂型线2。
在进行S1时，由于设计需求不同，轮毂进口3的几何尺寸、轮毂出口4的几何尺寸一般由对应与轮毂进口3连接的轮毂进口上游件5给定的几何尺寸和与轮毂出口4连接的轮毂出口下游件6给定的几何尺寸确定，因此轮毂进口3半径、斜率由轮毂进口上游件5的几何尺寸确定；轮毂出口4半径、斜率由轮毂出口下游件6的几何尺寸确定。
在S2中，放大系数的确定包括如下步骤：
S21、确定轴向放大系数；
S22、确定径向放大系数；
S23、根据径向放大系数和轴向放大系数确定三阶贝塞尔曲线的起始端斜率以及终止端斜率。
在S21和S22中，放大系数包括轴向放大系数Kx和径向放大系数Kr，其表达式为：
Kx＝L,Kr＝r2-r1，
其中，L为轮毂型线2所在轮毂1的轴向长度，r1为给定的轮毂进口3半径，r2为给定的轮毂出口4半径。
在S23中，根据在S21和S22中得到的放大系数表达式，需要对轮毂进口3斜率和轮毂出口4斜率做出修正，才能对应得到三阶贝塞尔曲线的起始端斜率和终止端斜率，轮毂进口3斜率以及轮毂出口4斜率确定轮三阶贝塞尔曲线的起始端斜率k1以及终止端斜率k2，其表达式为：
Figure BDA0003527044430000041
其中，K1为根据轮毂进口上游件5几何尺寸确定的轮毂进口3斜率，K2为根据轮毂出口下游件6几何尺寸确定的轮毂出口4斜率。
在S3中，三阶贝塞尔曲线由4个贝塞尔点控制，分别记为P0(x0,y0)、P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)，三阶贝塞尔曲线的表达式为：
Figure BDA0003527044430000042
由三阶贝塞尔曲线的参数方程得到三阶贝塞尔曲线中横坐标x的表达式和纵坐标y的表达式如下：
Figure BDA0003527044430000051
三阶贝塞尔曲线起始坐标设置为(0,0)，终止坐标设置为(1,1)，P0(x0,y0)为三阶贝塞尔曲线的起始端P0(0,0)，P3(x3,y3)为三阶贝塞尔曲线的终止端P3(1,1)，也即三阶贝塞尔曲线的形状仅由第二个贝塞尔点P1(x1,y1)以及第三个贝塞尔点P2(x2,y2)的横坐标x1、x2控制，则其横坐标表达式x以及纵坐标y表达式如下：
Figure BDA0003527044430000052
在S4中，将上述的由放大系数表达式得到的对应三阶贝塞尔曲线的起始端斜率k1和终止端斜率k2带入三阶贝塞尔曲线的横坐标x的表达式及y坐标的表达式中，得到轮毂型线2的参数表达式如下：
Figure BDA0003527044430000053
相比于传统叶片泵，具有应用本发明所公开设计方法设计的轮毂1的叶片泵可以有效提高泵在设计工况点下的输出功率和效率。泵在设计工况下的功率系数可达到0.26，泵的叶轮效率可达到94％，以上可以证明三阶贝塞尔型轮毂设计方法的可行性及优越性。
本发明还提出一种叶片泵，具体的是一种轴流式叶片泵，参照图1，该叶片泵包括上述任一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法设计的轮毂1以及叶轮叶片7。基于类似的结构，本发明实施例的轴流式叶片泵对于任意给定的轮毂进口上游件5的几何条件以及轮毂出口下游件6的几何条件，可以快速完成叶片泵的轮毂1设计，并有效提升叶片泵的能量性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
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 (10)

1.一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，其特征在于，所述三阶贝塞尔型轮毂包括轮毂进口、轮毂出口以及轮毂型线，所述设计方法包括如下步骤：
S1、确定轮毂进口的斜率和半径、轮毂出口的斜率和半径以及轮毂的轴向长度；
S2、由轮毂进口的半径、轮毂出口的半径以及轮毂轴向长度确定放大系数；
S3、由三阶贝塞尔曲线的表达式确定轮毂型线的横坐标表达式以及纵坐标表达式；
S4、对轮毂型线的横坐标表达式、纵坐标表达式以及放大系数进行公式处理，得到轮毂型线最终的参数表达式，用以确定轮毂型线。
2.根据权利要求1所述的一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，其特征在于：S1中，所述轮毂进口半径、斜率由轮毂进口上游件的几何尺寸确定；所述轮毂出口半径、斜率由轮毂出口下游件的几何尺寸确定。
3.根据权利你要求2所述的一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，其特征在于：在S2中，放大系数的确定包括如下步骤：
S21、确定轴向放大系数；
S22、确定径向放大系数；
S23、根据径向放大系数和轴向放大系数确定三阶贝塞尔曲线的起始端斜率以及终止端斜率。
4.根据权利要求3所述的一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，其特征在于，在S21和S22中，所述放大系数包括轴向放大系数Kx和径向放大系数Kr，其表达式为：
Kx＝L,Kr＝r2-r1，
其中，L为所述轮毂型线所在轮毂的轴向长度，r1为给定的轮毂进口半径，r2为给定的轮毂出口半径。
5.根据权利要求4所述的一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，其特征在于，在S23中，由轮毂进口斜率以及轮毂出口斜率确定三阶贝塞尔曲线的起始端斜率k1以及终止端斜率k2，其表达式为：
Figure FDA0003527044420000011
其中，K1为根据轮毂进口上游件几何尺寸确定的轮毂进口斜率，K2为根据轮毂出口下游件几何尺寸确定的轮毂出口斜率。
6.根据权利要求5所述的一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，其特征在于，在S3中，所述三阶贝塞尔曲线起始坐标设置为(0,0)，终止坐标设置为(1,1)，且三阶贝塞尔曲线由4个贝塞尔点控制，分别记为P0(x0,y0)、P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)，由所述三阶贝塞尔曲线的参数方程得到所述三阶贝塞尔曲线中横坐标x的表达式和纵坐标y的表达式如下：
Figure FDA0003527044420000021
7.根据权利要求6所述的一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，其特征在于，所述P0(x0,y0)为所述三阶贝塞尔曲线的起始端P0(0,0)，所述P3(x3,y3)为所述三阶贝塞尔曲线的终止端P3(1,1)。
8.根据权利要求7所述的一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，其特征在于，所述三阶贝塞尔曲线的形状仅由第二个贝塞尔点P1(x1,y1)以及第三个贝塞尔点P2(x2,y2)的横坐标x1、x2控制，其表达式如下：
Figure FDA0003527044420000022
9.根据权利要求8任意一项所述的一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法，其特征在于：在所述S4中，得到所述轮毂型线的参数表达式如下：
Figure FDA0003527044420000023
10.一种叶片泵，其特征在于：包括叶轮叶片和轮毂，所述轮毂根据权利要求1-9任意一项所述的一种三阶贝塞尔型轮毂设计方法得到。
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