一种泥泵叶轮叶片的设计方法与流程

本发明涉及泵轮技术领域，特别涉及一种泥泵叶轮叶片的设计方法。

背景技术：

泥泵是挖泥船的关键设备，而泥泵叶轮叶片的型线直接决定了泥泵性能的优劣，随着计算机技术的发展，泥泵水力设计大多利用三维绘图软件，逐渐淘汰了手工画图方法，工作效率大幅提高。然而现在的设计者首先需要在三维软件中生成离散的点，再将离散点连接成样条曲线，为减少叶片型线设计偏差，设计者不得不创建更多的截面来生成足够的离散点，不断调整样条曲线，逐步逼近型线设计值，以确保叶片型线相对准确，导致叶片型线设计与优化周期仍然很长，无法满足快速发展的社会需求。

技术实现要素：

为了克服现有泥泵设计中设计周期长和型线设计偏差大的问题，本发明的目的是提供一种泥泵叶轮叶片的设计方法，基于对数螺旋线理论，根据多年泥泵设计经验规律的总结，在三维绘图软件的环境下，以参数化方程的形式提供一种具有更高水力效率、设计周期更短、与理论设计吻合度更高的叶轮叶片设计方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种泥泵叶轮叶片的设计方法，包括以下步骤：

(1)确定叶片叶梢、叶根之间的关系，其对数螺旋线理论型线方程为：

对数形式为：

r1为叶片叶梢处极径、r2为叶片叶根处极径、ψ1为叶片叶梢处幅角、ψ2为叶片叶根处幅角、为螺旋角。

(2)确定叶片进、出口之间的关系，对于叶轮叶片来说，叶片进、出口之间的夹角为：

ψ1-ψ2＝π/180*(β2-β1+θd)

β2为叶片出口角、β1为叶片进口角，θd为叶片包角，为螺旋角。

(3)构建叶片型线，令叶片进口起始位置位于x轴上，此时叶片型线方程为：

其中r2、r1分别为叶片进、出口位置到型线原点的距离，对于包角大于180°的叶片，

其中r0＝d0/2，d0为叶轮叶片叶稍处直径，叶片中分面称为截面1、距离前盖板b2/4的轴向截面称为截面2，距离后盖板b2/4的轴向截面称为截面3，b2为叶片出口宽度，将叶片工作面与三个截面分别形成交线，交线方程分别为：

叶片与截面1交线方程：

叶片与截面2交线方程：

叶片与截面3交线方程:

其中，r0为叶片叶稍处直径的一半，θd为叶片包角，b2为叶片出口宽度，β1i、β1ii、β1iii分别为三条型线的进口角，β2为叶片出口角，ri(θ)、rii(θ)、riii(θ)分别为三条型线任意一点处的极径，这三条交线就构成了三条叶片型线。

本发明的优点：本发明基于对数螺旋线理论，根据多年泥泵设计经验规律的总结，在三维绘图软件的环境下，以参数化方程的形式提供一种具有更高水力效率、设计周期更短、与理论设计吻合度更高的叶轮叶片设计方法。而且通过改变公式中几何参数可以将本设计应用于其他类型泵的叶片设计。

附图说明

图1为叶轮叶片参数化方程理论型线图。

图2为本发明叶轮叶片参数化方程型线图。

图3为本发明实施例所得叶轮叶片三维图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种泥泵叶轮叶片的设计方法，包括以下步骤：

(1)确定叶片叶梢、叶根之间的关系，如图1所示，叶轮叶片参数化方程理论型线图，对数螺旋线理论型线方程为：：

对数形式为：

r1为叶片叶梢处极径、r2为叶片叶根处极径、ψ1为叶片叶梢处幅角、ψ2为叶片叶根处幅角、为螺旋角。

(2)确定叶片进、出口之间的关系，对于叶轮叶片来说，叶片进、出口之间的夹角为：

ψ1-ψ2＝π/180*(β2-β1+θd)

β2为叶片出口角、β1为叶片进口角，θd为叶片包角，为螺旋角。

(3)构建叶片型线，如图2所示为叶轮叶片参数化方程型线图，为了使型线方程更加准确和简捷，令叶片进口起始位置位于x轴上，此时使图1的理论型线图转化成图2。叶片型线方程为：

其中r2、r1分别为叶片进、出口位置到型线原点的距离，β1、β2分别为叶片进、出口角，θd为叶片包角。对于包角大于180°的叶片，

其中r0＝d0/2，d0为叶轮叶片叶稍处直径。叶片中分面称为截面1、距离前盖板b2/4的轴向截面称为截面2，距离后盖板b2/4的轴向截面称为截面3，b2为叶片轴向出口宽度，将叶片工作面与三个截面分别形成交线，交线方程分别为：

叶片与截面1交线方程：

叶片与截面2交线方程：

叶片与截面3交线方程:

其中，r0为叶片叶稍处直径的一半，θd为叶片包角，β1i、β1ii、β1iii分别为三条型线的进口角，β2为叶片出口角，θ为叶片任意一点极坐标下的极角，ri(θ)、rii(θ)、riii(θ)分别为三条交线任意一点到其型线原点(不一定是极坐标原点，仅在进、出口角相等时叶片型线原点与极坐标原点重合)的距离，这三条交线就构成了三条叶片型线。

在本实施例中，令叶轮叶片外径为d2＝2220mm，叶片出口宽度为b2＝365mm，叶片从进口到出口均匀加厚60～65mm，叶片包角取值θ＝195°，叶片出口角为β2＝22.5°，叶片进口角为β1＝21°～25°。

三维绘图软件中对应的公式为

叶片与截面1交线：ri(θ)＝r2i*exp(pi()/180*dci*tan(β1i))

叶片与截面2交线：rii(θ)＝r2ii*exp(pi()/180*dcii*tan(β1ii))

叶片与截面2交线:riii(θ)＝r2iii*exp(pi()/180*dciii*tan(β1iii))

b2＝365mm

dci＝(1-t)*ds+t*phyi(度)

dcii＝(1-t)*ds+t*phyii(度)

dciii＝(1-t)*ds+t*phyiii(度)

ds＝0(度)

phyi＝β2-β1i+θd(度)

phyii＝β2-β1ii+θd(度)

phyiii＝β2-β1iii+θd(度)

r0＝1110mm

r2i＝r0/(z1i*z2i/z3)

r2ii＝r0/(z1ii*z2ii/z3)

r2iii＝r0/(z1iii*z2iii/z3)

t＝1

xti＝ari*cos(dci)+r0*cos(θd)-r2i*z1i*cos(phyi)

xtii＝arii*cos(dcii)+r0*cos(θd)-r2ii*z1ii*cos(phyii)

xtiii＝ariii*cos(dciii)+r0*cos(θd)-r2iii*z1iii*cos(phyiii)

yti＝-ari*sin(dci)

ytii＝-arii*sin(dcii)

ytiii＝-ariii*sin(dciii)

z1i＝exp(pi()/180*(phyi)*tan(β1i))

z1ii＝exp(pi()/180*(phyii)*tan(β1ii))

z1iii＝exp(pi()/180*(phyiii)*tan(β1iii))

z2i＝sin(phyi-180°)

z2ii＝sin(phyii-180°)

z2iii＝sin(phyiii-180°)

z3＝sin(θd-180°)

zti＝0

ztii＝-b2/4

ztiii＝b2/4

β1i＝22.5(度)

β1ii＝23(度)

β1iii＝22(度)

β2＝22.5(度)

θd＝195(度)

其中，r0为叶片叶稍处直径的一半，θd为叶片包角，b2为叶片出口宽度，β1i、β1ii、β1iii分别为三条型线的进口角，β2为叶片出口角，r2i、r2ii、r2iii分别为三条型线叶片叶根处极径，xti、xtii、xtiii分别为三条型线任意一点的x方向坐标，yti、ytii、ytiii分别为三条型线任意一点的y方向坐标，zti、ztii、ztiii分别为三条型线任意一点的z方向坐标，(xti，yti，zti)，(xtii，ytii，ztii)，(xtiii，ytiii，ztiii)即为三条叶片型线任意一点的空间坐标。

如图3所示，本发明实施例叶轮叶片三维图，应用三维绘图软件将生成的若干条叶片型线，通过曲面网格生成面，再从叶片进口到出口均匀加厚，最终完成本发明。叶片的所有几何参数在三维绘图软件中都以表达式的形式存在，在叶片设计和优化时，只需要改变三维绘图软件中的表达式即可自动生成新的叶片三维模型。以往需要两周以上的时间，对大约两百个离散点坐标进行计算，再将离散点经过反复调整连接成样条曲线，最终才能形成新的叶片型线，即使如此，形成的新的叶片型线与理论设计仍存在偏差。采用本发明中的参数化方程形成的新的叶片型线与理论设计完全吻合，而且叶片型线当天就能完成。

以上为本发明的具体说明，但本发明并不限于上述实施例，也包含其他实施例或变形例。