[发明专利]可控进口安放角圆柱形叶片的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种离心泵叶轮叶片的设计方法，特别是涉及一种可控进口安放角圆柱形叶片的设计方法。

背景技术

在全国每年数百万台泵类产品中，离心泵产量占有大部分份额。低比转速离心泵高扬程、低流量的外特性决定了这类泵在国民经济各部门有不可替代的作用，这类泵构成了离心泵产品中的一个特殊类别，其产量产值占有泵类产品中不可低估的比例。

离心泵通过其叶轮对水流做功，增加过流的机械能，实现泵的基本功能，叶轮性能是决定泵经济技术指标的关键因素。创新设计理念与方法是形成先进产品的基础，不断改进优化离心泵叶轮的设计原理与方法是提高产品运行性能、形成节能产品的长期任务。

圆柱形叶片是低比转速叶轮的基本叶片形式。二维的圆柱形叶片具有结构简单、制作方便、在加工过程中废品率较低等的突出优点，但是众多的实验表明，在叶轮、蜗壳等几何条件一定时，泵在设计转速和设计流量下运行中，圆柱形叶片的效率要比三维的扭曲叶片低1-2％，这种差异来源于圆柱形叶片长时期使用的设计原理与方法，如果不创新这种叶片的设计原则，事实上将难以从根本上改变叶片的效率指标。

国内外一直遵循如下原则设计圆柱形叶片：圆柱形叶片的几何形态是由其轴面投影图和叶片在一与叶轮轴心线垂直的平面(简称“轴垂面”)上的正投影决定的，圆柱形叶片设计的最终结果也以这两个视图表达。这两个视图是叶片制造的依据，它们不仅决定了叶片的几何形态，也基本决定了叶片的水力性能。叶片的这一传统设计绘形过程如下：根据前期计算得到的叶轮叶片主要几何参数，经反复修正后，首先绘制完成包括叶片进口边的叶片轴面投影图，如图1。叶片的压力面，叶轮后盖板内表面是两张空间曲面，它们的交线是一条空间曲线。在传统的圆柱形叶片设计过程中，为在轴垂面上产生叶片投影，应绘形这一空间曲线在轴垂面上的投影。圆柱形叶片工作面是一二维曲面，这一曲面在轴垂面的投影将与空间曲线在轴垂面上的投影重合。在轴垂面上加厚这一平面曲线，得到一条与之大体“平行”的平面曲线，代表了叶片吸力面与后盖板内表面相交所得空间曲线，也是叶片的二维吸力面本身在轴垂面上的投影，由此完成叶片在轴垂面上的视图，如图2。显然，对叶片几何形态和水力特性有决定影响的是叶片工作面与后盖板内表面相交所得空间曲线的平面投影的几何特性。这一平面投影曲线应满足如下边界条件：平面曲线位于轴垂面上两个半径分别为R₂、R_B的同心圆之间，这里R₂、R_B分别为叶轮半径和轴面图上叶片进口边与后盖板交点B处的半径，显然R₂＞R_B，同时在曲线与大小圆交点处，曲线的切线与圆周的切线夹角分别为β₂和β_1B(t)，β₂指前期计算确定的叶片出口安放角，但β_1B(t)不是B点处叶片安放角β_1B，而是这一角度在轴垂面上的投影值，一般有β_1B(t)＜β_1B，平面投影曲线见图2。

应该说明，在轴垂面上满足上述边界条件的平面曲线不是唯一的。多年里，国内外关于圆柱形叶片研究的进展主要集中于完善和创建新的曲线类型，包括导出新的曲线方程，分析论证曲线的几何特性。除早期普遍使用的单圆弧外，后来又发展了二次曲线，以及本专利发明人发表的等变角螺旋线、渐开线、艾尔米特插值曲线等等。这些新型平面曲线或者改善了曲线的曲率半径、曲线安放角度的变化规律以防止水流从叶片表面脱流，或者通过控制叶片包角以调节叶片间流道的扩散程度，这些成果对改进叶片水力性能、降低叶轮内的水力损失都有一定的意义，但是并未消除圆柱形叶片水力效率相对较低的根本原因。