[发明专利]一种基于阿基米德曲线的仿生叶片的设计方法

说明书

本发明公开了一种基于阿基米德曲线的仿生叶片的设计方法，是通过三维软件中方程式曲线来构造阿基米德曲线，通过放样曲面的方式，来构成的初始叶片域。采用圆柱切割的方式来获取一段满足叶片出口直径的曲面，通过角度θ更为直观便捷的去调控叶片倾角，同时利用底面作为基准面切除叶片底部，用包角来去衡量叶片进出口位置及叶片弯曲程度，从而保证叶片的设计精度。通过泵的流量Q和转速n计算出叶轮出口宽度b₂，利用前后盖板型线和叶轮出口宽度构成切割面，对之前所获曲面进一步切割，同时可以通过对切割面的上下移动来调节叶片的包角。用叶片入口线对叶片进行第四次切割，而叶片入口线能够调节叶片入水角度，满足液流入水需求。

技术领域

本发明为一种离心泵叶片的设计方法，结合了大自然中最为常见的生物曲线——阿基米德曲线。相比于其他叶片的设计方法而言，此方法能提高叶片的设计精度，同时使叶片具有更好的流动曲线，对于流体的输送更加高效有利。

背景技术

离心泵在工农业各个部门中有着广泛运用，在国民经济建设部门中都是必不可少的动力设备，其每年的耗电量占整个工作设备总消耗的25％以上，因而高效的离心泵能够降低大量的能源消耗。但离心泵在国内的发展与发达国家相比还存在很大的差距，其主要原因在于泵的元件设计上缺乏突破，缺乏创新。在离心泵的结构中，叶轮是其最重要的工作元件，也是过流部件的心脏，在叶轮中叶片设计的好坏对于泵的效率、功耗等起着及其重要的作用。目前，国内外对于泵叶片的设计方法主要有相似换算法和参数拟合法，两种方法的实质都是针对叶轮叶片的进口直径D₁、出口直径D₂和进出口安装角β_1、2等参数进行叶片的粗略构造，对于叶片的弯曲程度，很多工程设计者采用光滑过度即可，然后根据经验来去进行优化调整，这使得叶片在设计精度上没有得到保证，这也导致离心泵在效率、节能性、使用寿命上没有得到进一步的提升。事实上，叶片的弯曲程度对于液流的流动效果有着重要的影响，因此，优质的叶片弯曲程度成为了提高叶轮效率的重要突破口。

科学研究结果表明：大自然在传递流体或者穿过流体的物质时，采用的路径并不是直线，而是一种与浴缸下水时的涡流同样的螺旋形，这样的方式不仅快而且效率高。水流如果能够在叶轮中的流动顺应这种螺旋线流动，将会在泵的效率和节能上有很大的提升。因此，在设计叶片上，寻找这种近似的螺旋线成为了一种新的突破。事实上，大自然界中最为常见的曲线就是阿基米德曲线，很多动植物的形状都按此曲线生长，这符合大自然的生存需求，本发明就基于阿基米德曲线对其进行切割提取构成的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于阿基米德曲线的仿生叶片的设计方法，以此来减少设计者通过经验参数来构建叶片，提高叶片的设计精度。相对于传统方法的经验参考模式而言，此方法更为简便快捷，能够有效地改善叶轮内部流动状况，使水的流动贴近自然条件下水流轨迹，从而提高泵的效率，起到节能的作用。

本发明是通过三维软件solidworks中方程式曲线来构造阿基米德曲线，通过放样曲面的方式，来构成的初始叶片域。采用圆柱切割的方式来获取一段满足叶片出口直径的曲面，其中圆柱的选择是根据不同型号的离心泵的流量Q和转速n的要求来计算获得。曲面的倾斜率是通过旋轴长度L、曲线端点到旋轴初始点的距离d构成夹角θ来调控，θ越大，曲面的斜率越大，反之越小，这样就不再是传统方式中设计者根据经验来去调控叶片弯曲程度，而是通过角度θ更为直观便捷的去调控叶片倾角，同时利用底面作为基准面切除叶片底部，用包角来去衡量叶片进出口位置及叶片弯曲程度，从而保证叶片的精度。然后，通过泵的流量Q和转速n计算出叶轮出口宽度b₂，利用前后盖板型线和叶轮出口宽度构成切割面，对之前所获曲面进一步切割，同时可以通过对切割面的上下移动来调节叶片的包角。用叶片入口线对叶片进行第四次切割，而叶片入口线能够调节叶片入水角度，满足液流入水需求。

本发明的有益效果：