一种启动瞬态性能优化的叶片设计方法及其设计的叶片泵

1.本发明涉及叶片泵设计技术领域，具体而言，涉及一种启动瞬态性能优化的叶片设计方法及其设计的叶片泵。


背景技术：

2.目前，叶片泵广泛应用于水利、电力、舰船水力推进等行业领域，其中，在叶片泵的设计过程中，若叶片进口冲角大小不合理，将导致泵内会出现流动分离、旋转失速等效应，造成流态恶化和性能下降，因而关于冲角的设计存在研究价值。


技术实现要素：

3.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启动瞬态性能优化的叶片设计方法，所述设计方法设计的叶片可以有效减小叶片进口损失，抑制流动分离并提高启动瞬态性能。
4.本发明还提出一种叶片泵。
5.根据本发明实施例的启动瞬态性能优化的叶片设计方法，所述叶片具有叶片进口边和叶片出口边，所述叶片被构造为在所述叶片进口边上任意一点的冲角的大小不相同。
6.根据本发明实施例的启动瞬态性能优化的叶片设计方法，通过对叶片进口边上冲角的设计，可以有效减小叶片进口损失，优化叶片进口边的压力分布，从而抑制流动分离，增大启动结束时的稳定流量，提高启动瞬态性能。
7.根据本发明实施例的启动瞬态性能优化的叶片设计方法，所述叶片进口边上任意一点的所述叶片的冲角大小，与该点距离所述叶片进口边的端部的长度和所述叶片进口边的长度之比满足三次函数的分布规律。
8.根据本发明实施例的叶片泵，所述叶片进口边上任意一点的冲角大小满足：
[0009][0010]
其中，δβ(x)为所述叶片进口边上任意一点的冲角大小，l为所述叶片进口边的长度，x为所述叶片进口边上任意一点到所述叶片进口边的第一端的长度，所述第一端为所述叶片进口边与轮毂的连接端。
[0011]
根据本发明实施例的启动瞬态性能优化的叶片设计方法，在轴面坐标系z-r中，z轴为旋转轴所在的轴线，z为所述叶片进口边上任意一点在z轴上的坐标，r为所述叶片进口边上任意一点到所述旋转轴的垂直距离，叶片进口边的长度和叶片进口边上任意一点到所述叶片进口边的第一端的长度满足：
[0012][0013]
其中，r0为所述第一端到所述旋转轴的垂直距离，r1为所述叶片进口边的第二端到所述旋转轴的垂直距离，z0为所述第一端在z轴上的坐标，z1为所述第二端在z轴上的坐标。
[0014]
根据本发明实施例的启动瞬态性能优化的叶片设计方法，所述叶片设于轮毂和轮缘之间，所述叶片与所述轮毂连接，所述叶片与所述轮缘之间具有间隙以相对于所述轮缘转动，所述叶片进口边与所述轮毂的连接端为第一端，所述叶片进口边邻近所述轮缘的一端为第二端，所述冲角的大小从所述第一端向所述第二端逐渐增大。
[0015]
根据本发明实施例的启动瞬态性能优化的叶片设计方法，所述冲角在所述叶片进口边与所述轮毂的连接端的值小于零，所述冲角在所述叶片进口边邻近所述轮缘的一端的值为零。
[0016]
根据本发明实施例的启动瞬态性能优化的叶片设计方法，所述叶片设于轮毂和轮缘之间，流体适于在所述轮毂和所述轮缘形成的流道内流动，在所述叶片投射在过所述叶片的旋转轴的平面上，位于流体流动方向上游且从所述轮毂到所述轮缘的叶片轮廓线为所述叶片进口边；位于流体流动方向下游且从所述轮毂到所述轮缘的叶片轮廓线为所述叶片出口边。
[0017]
根据本发明实施例的启动瞬态性能优化的叶片设计方法，所述叶片具有叶片型线，在垂直于所述叶片的旋转轴的平面上，所述叶片型线其上任意一点处的切线方向与圆周方向形成的夹角为叶片安放角，其中，位于所述叶片进口边上的所述叶片型线端点处的切线方向与圆周方向形成的夹角为进口安放角，所述进口安放角与所述叶片进口边处流体流动的相对液流角的差值为所述冲角。
[0018]
根据本发明实施例的启动瞬态性能优化的叶片设计方法，所述叶片的进口边与所述出口边之间，从所述轮毂到所述轮缘，可等距离划分出多个点；用曲线沿流体流动方向连接所述叶片进、出口边上相对应的点可形成多条所述叶片型线。
[0019]
根据本发明实施例的叶片泵，包括：轮毂、轮缘和根据本发明实施例所述的启动瞬态性能优化的叶片设计方法设计的叶片，所述叶片位于所述轮毂的外周面和所述轮缘的内周面之间，所述叶片与所述轮毂连接，所述叶片与所述轮缘之间具有间隙以相对于所述轮缘转动，流体适于在所述轮毂和所述轮缘形成的流道内流动。
[0020]
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
[0021]
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：
[0022]
图1是根据本发明一个实施例的叶片泵的轴面示意图；
[0023]
图2是根据本发明一个实施例的叶片泵沿旋转轴的正视图；
[0024]
图3是根据本发明一个实施例的叶片泵启动过程瞬态流量的变化对比图。
[0025]
附图标记：
[0026]
叶片泵100，
[0027]
轮毂10，
[0028]
轮缘20，
[0029]
叶片30，叶片进口边31，叶片出口边32，叶片型线33，叶片进口边的第一端34，叶片进口边的第二端35，叶片进口边上任意一点36，叶片进口边的第一端到旋转轴的垂直距离
37，进口安放角38，
[0030]
流体流动方向40。
具体实施方式
[0031]
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。
[0032]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0033]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0034]
下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的启动瞬态性能优化的叶片设计方法。
[0035]
叶片30具有叶片进口边31和叶片出口边32，其中，现有技术中，在叶片进口边31上叶片30的冲角通常是相同的，即叶片进口边31的第一端34的冲角与第二端35的冲角是相同的，第一端34和第二端35之间的任意一点的冲角与第一端34的冲角也是相同的，现有技术中并未发现和提出对叶片进口边31上各个位置点的冲角大小进行设计的构思，而申请人发现，通过改变叶片30的冲角在叶片进口边31上不同位置处的大小，可以改进启动瞬态性能。
[0036]
为此，在本发明中，申请人提出一种启动瞬态性能优化的叶片设计方法，设计的叶片30在叶片进口边31上任意一点36的冲角的大小不相同，由此以减小叶片30进口损失，优化叶片进口边31从轮毂10到轮缘20的压力分布，抑制流动分离，增大启动结束时的稳定流量，提高启动瞬态性能。
[0037]
根据本发明实施例的启动瞬态性能优化的叶片设计方法，通过对叶片进口边31上冲角的设计，能够有效减小叶片30进口损失，抑制流动分离并提高启动瞬态性能，改善了流动分离、旋转失速等效应，避免了流态恶化和性能下降等问题。
[0038]
进一步地，申请人通过实验分析得到，不同位置的冲角的大小δβ与该位置距离叶片进口边31的端部的长度x和叶片进口边31的长度l之比x/l相关，具体而言，冲角大小δβ与x/l满足三次函数的分布规律，通过设置三次函数的分布规律，可以减小叶片30进口损失，增大启动结束时的稳定流量，优化叶片进口边31从轮毂10到轮缘20的压力分布，抑制流动分离，提高启动瞬态性能。
[0039]
根据本发明的一些具体的实施例，叶片进口边31上任意一点36的冲角大小满足：
[0040][0041]
其中，δβ(x)为叶片进口边31上任意一点36的冲角大小，l为叶片进口边31的长度，即叶片进口边31的第一端34与叶片进口边31的第二端35之间的距离；x为叶片进口边31上任意一点36到叶片进口边31第一端34的长度，第一端34为叶片进口边31与轮毂10的连接端，第二端35为叶片进口边31邻近轮缘20的一端。
[0042]
通过使叶片进口边31上的冲角满足上述关系式，可以有效减小叶片30进口损失，优化叶片进口边31从轮毂10到轮缘20的压力分布，从而抑制流动分离，增大流量增长速率，增大启动结束时的稳定流量，提高启动瞬态性能，实现对启动瞬态性能的优化。
[0043]
如图1-图3所示，根据本发明一个实施例的叶片泵100包括：轮毂10、轮缘20和叶片30，轮缘20位于轮毂10外侧，流体适于在轮毂10和轮缘20形成的流道内流动，轮毂10、轮缘20为流体流道的内、外边界，叶片30位于轮毂10的外周面和轮缘20的内周面之间，叶片30与轮毂10的外周面连接，这里的连接可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接，叶片30与轮缘20的内周面之间具有间隙，叶片30可相对于轮缘20转动，叶片30围绕其旋转轴旋转对流体进行做功。其中叶片30是由上述启动瞬态性能优化的叶片设计方法设计而成的。
[0044]
如图1和图2所示，轮毂10和轮缘20投射在过叶片泵100旋转轴的平面上，形成轴面流道，叶片30在轴面流道的中间流线上，沿流体流动方向延伸。
[0045]
如图1和图2所示，叶片30具有叶片型线33，在垂直于叶片30的旋转轴的平面上，叶片型线33其上任意一点36处的切线方向与圆周方向形成的夹角为叶片安放角，即叶片型线切线和圆周速度间的夹角，这里的夹角为锐角，位于叶片进口边31上的叶片型线33端点处的切线方向与圆周方向形成的夹角为进口安放角38，其中，进口安放角38与叶片进口处流体流动的相对液流角的差值为冲角。
[0046]
如图1所示，从轮毂10到轮缘20，在叶片进口边31与叶片出口边32上可等距离划分出多个点；用曲线沿流体流动方向40连接叶片进口边31和叶片出口边32上相对应的点可形成多条叶片型线33。
[0047]
如图1和图2所示，在叶片进口边31的第一端34，即靠近轮毂10处，叶片型线33的切线方向与圆周方向形成的夹角即为第一端34处的进口安放角38，其它各处叶片型线乃至叶片进口边31上任意一点36的进口安放角38均可依此进行定义，根据流体机械流动原理，进口安放角38减去流体流动的相对液流角，即为冲角。
[0048]
如图1所示，在叶片30投射在过叶片30的旋转轴的平面上，位于流体流动方向40上游的，从轮毂10到轮缘20的叶片30轮廓线为叶片进口边31；位于流体流动方向40下游的，从轮毂10到轮缘20的叶片30轮廓线为叶片出口边32。
[0049]
如图2所示，叶片泵100具有多个叶片30，多个叶片30沿轮毂10的周向交错布置，即在叶片泵100沿旋转轴的正视图上，如图2所示，相邻两个叶片30的一部分在垂直于旋转轴的平面上的投影重合。
[0050]
当然，相邻两个叶片30在垂直于旋转轴的平面上的投影不重合，多个叶片30完全间隔开布置。
[0051]
如图3所示，图中公开了优化设计前后的叶片泵100启动过程瞬态流量变化的对比，其中原型泵为进口边叠加10
°
正冲角的叶片泵，优化泵为本发明实施例的叶片泵，从图3
中可以看出，在启动初期，原型泵和优化泵均在0.2秒内将转速逐渐提升至1000rpm，之后维持1000rpm的转速，在0.5秒时优化泵的流量可以明显超过原型泵的流量，在1.2秒时优化泵的流量已经提升至40kg/s，流量上升速率快，且流量可维持稳定，明显超过原型泵的流量稳定值，在启动结束后优化泵的稳定流量大于原型泵的稳定流量，显然，根据本发明的叶片泵100可以增大启动结束时的稳定流量，减少了流动损失，提高了启动瞬态性能，满足预期效果。
[0052]
可以理解的是，在确定好叶片泵100的流道形状，叶片进口边31位置、叶片出口边32位置和叶片30倾斜角度，以及额定流量、额定扬程、额定转速等设计参数后，可根据流体机械流动原理及设计理论，计算叶片泵100的进出口相对液流角，并依据δβ(x)的分布给定叶片30实际的进口安放角38，采用常用的叶片进出口环量变化规律即可获得设定冲角下的叶片造型。
[0053]
在不同的坐标系中，x、l可转化为不同的表达式，在一些示例中，在轴面坐标系z-r中，z轴为旋转轴所在的轴线，z轴正方向为叶片泵100旋转方向的相反方向，z为所述叶片进口边上任意一点36在z轴上的坐标，r为所述叶片进口边上任意一点36到旋转轴的垂直距离，叶片进口边31的长度l和叶片进口边31上任意一点36到叶片进口边31第一端34的长度x满足：
[0054][0055]
其中，r0为第一端34到旋转轴的垂直距离37，r1为叶片进口边31的第二端35到旋转轴的垂直距离，z0为第一端34在z轴上的坐标，z1为所述第二端35在z轴上的坐标。
[0056]
根据本发明的一些实施例，叶片进口边31与轮毂10的连接端为第一端34，叶片进口边31邻近轮缘20的一端为第二端35，冲角的大小从第一端34向第二端35逐渐增大，其中，进口安放角38与叶片30进口处流体流动的相对液流角的差值为负值，在靠近第一端34的位置处，进口安放角38的相对液流角的差值大，在靠近第二端35的位置处，进口安放角38的相对液流角的差值小。
[0057]
如图1所示，根据本发明的一些实施例，冲角在叶片进口边31与轮毂10的连接端的值小于零，即在叶片进口边31的第一端34，进口安放角38小于叶片30进口处流体流动的相对液流角，以减小第一端34处叶片进口损失。
[0058]
根据本发明的一些实施例，冲角在叶片进口边31邻近轮缘20的一端的值为零，即在叶片进口边31的第二端35，进口安放角38等于叶片30进口处流体流动的相对液流角，由此可减小第二端35处叶片进口损失。
[0059]
当然，冲角在叶片进口边31邻近轮缘20的一端的值也可以略大于零，即在叶片进口边31的第二端35，进口安放角38略大于叶片进口边处流体流动的相对液流角。
[0060]
根据本发明实施例的叶片泵100的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。其中，上下方向、左右方向和前后方向以图示的上下方向、左右方向和前后方向为准。
[0061]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括
第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
[0062]
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。
[0063]
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。