一种基于数学模型的离心泵蜗壳设计方法
【专利摘要】一种基于数学模型的离心泵蜗壳设计方法，包括：第一，基于速度系数法对蜗壳基本几何参数进行求解，并采用速度矩法对蜗壳喉部面积进行计算；第二，利用面积控制系数和断面面积计算方程对蜗壳不同断面面积进行控制和计算，通过改变控制系数得到了不同断面面积分布的蜗壳水力模型；第三，初始化蜗壳几何控制变量，并采用椭圆、圆、直线等数学模型对蜗壳不同断面的控制点进行建模，并以三维坐标法对不同的控制点进行表示；第四，采用蜗壳断面面积逐次逼近迭代算法，精确的对不同蜗壳断面面积和蜗壳断面控制点坐标进行快速求解；第五，基于三维设计软件对不同控制点表示的蜗壳进行三维曲面造型。
【专利说明】一种基于数学模型的离心泵蜗壳设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于离心泵水力设计领域，具体涉及一种基于数学模型的离心泵蜗壳设计 方法，主要用于快速准确的对蜗壳水力模型进行计算和建模，以降低离心泵蜗壳设计的难 度，缩短离心泵蜗壳设计开发周期，并进一步降低设计上的误差所引起的水力损失。
【背景技术】
[0002] 目前，传统蜗壳设计方法采用图解积分法或按比例在方格纸上进行绘制，其断面 形状和几何尺寸并不精确。对于蜗壳设计方面，其成果主要集中在采用图解积分法对蜗壳 断面面积进行计算，并利用二维坐标对不同蜗壳断面几何形状进行绘制，该设计方法要求 设计人员具有较为丰富的设计经验，其设计开发周期长，无法自动的对蜗壳进行等分和控 制不同断面的面积。
[0003] 在离心泵蜗壳设计过程中，如能对蜗壳几何形状采用三维坐标点来表示，将使得 蜗壳设计更加直观化，更方便初学者对蜗壳进行水力设计。同时如能够对蜗壳不同断面的 控制点进行参数化控制，则可以方便的对蜗壳形状进行修改和调整，便于对蜗壳进行优化 设计。因此，采用数学模型对蜗壳几何形状的控制点进行表达，实现了蜗壳水力设计的自动 化和精确化，最终实现了蜗壳从"设计一计算一修改"过程的自动化，具有重要的学术和工 程应用价值。
[0004] 经检索，至今尚未见关于基于数学模型的离心泵蜗壳设计方法的文献和申报专 利，仅有一些学者采用传统的图解积分法对蜗壳进行设计开发。
[0005] 已有离心泵蜗壳设计方法是采用速度系数法对蜗壳第8断面面积进行求解，并基 于图解积分法对蜗壳断面面积进行计算。同时采用方格纸对蜗壳不同断面的几何形状进行 绘制。该方法存在设计精度低，设计周期长等不足之处。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决已有技术的上述不足，提供一种基于数学模型的离心泵蜗壳设计方 法，通过采用经验系数法、速度矩法、三维坐标控制点法、图形几何控制方程法和逐次面积 逼近算法来计算蜗壳不同断面上的控制点坐标，并基于三维软件对输入的蜗壳控制点坐 标进行自动几何造型。
[0007] 为达到以上目的，本发明采用如下技术方案，方案大体分为7大步骤进行实施：
[0008] 采用速度系数法计算蜗壳基本几何参数，利用速度矩法求解喉部面积；在此基础 上，通过三维坐标控制点法和图形几何控制方程对蜗壳断面几何形状进行建模，同时利用 逐次面积逼近算法对蜗壳断面上的控制点坐标和断面面积进行精确求解；最后将控制点坐 标输入三维软件进行自动化造型。具体实施过程如下：
[0009] 步骤一：基于蜗壳速度系数法求解蜗壳基本几何参数；
[0010] 蜗壳主要几何参数有：（1)蜗壳基圆直径D3 ; (2)蜗壳进口宽度b3 ; (3)隔舌安放角 Θ ^ ;⑷隔舌螺旋角％; (5)喉部面积，At ; (6)蜗壳出口直径D。；（7)隔舌半径Rt ; (8)蜗壳 出口到中心的距离L。蜗壳几何参数如图2所示。
[0011] 对于已知叶轮的几何参数，其中：（1)叶轮外径仏大体确定了隔舌的直径D3;(2) 叶片出口宽度b2及前、后盖板厚度大致可以确定蜗壳的进口宽度b3 ; (3)比转速ns大致可 以确定了隔舌安放角％;(4)叶片出口液流角β2Ρ大体确定了隔舌的螺旋角c^;(5)根据 速度矩相等原则可以大体确定蜗壳喉部断面面积A t。
[0012] 基于传统设计经验，D3、b3的选取可根据以下经验公式确定：
[0013] D3 = (1. 05 ?1. 2)D2 (1)
[0014] b3=(1.6?2)b2 (2)
[0015] 隔舌安放角Θ。与比转速\有关，通常比转速ns越高，隔舌安放角Θ。越大。根据 传统设计经验，比转速\ = 40?60之间，推荐的隔舌安放角Θ ^ = 〇°?15° ;比转速ns =60?130之间，推荐的隔舌安放角0。= 15°?25° ;比转速ns= 130?220之间，推 荐的隔舌安放角θ〇 = 25°?38° ;比转速ns = 220?360之间，推荐的隔舌安放角0。= 38°?45°。隔舌螺旋角为隔舌螺旋线的切线与基圆切线间的夹角，为了符合流动规律，减 小液流对隔舌的冲击损失，通常隔舌螺旋角设计成等于叶轮出口稍后处的液流角。
[0016] 步骤二：根据速度矩法计算蜗壳喉部面积；
[0017] 根据蜗壳喉部断面速度与蜗壳喉部断面半径之积与叶轮出口绝对速度圆周分速 度与叶轮出口半径之积相等原则确定蜗壳喉部断面面积，即V tu · Rt = v2u · R2 = constant。 具体计算过程如下：
[0018]
【权利要求】
【文档编号】F04D29/42GK104251235SQ201410331312
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】吴登昊, 任芸, 杨友东, 蒋兰芳, 刘健 申请人:浙江工业大学之江学院