一种三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法及其设计的叶片泵

1.本发明涉及叶片泵的设计制造技术领域，具体而言，涉及一种三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法及其设计的叶片泵。


背景技术：

2.叶片泵是常用的水力机械之一，叶片泵广泛应用于水利灌溉、舰船推进等行业领域。现有技术中的叶片泵存在明显的流动分离的情况，影响叶片泵的运行效率。


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，本发明提出一种三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法，该三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法具有有效的抑制介质在流动时发生分离的范围和程度，进而提高叶片的做功能力和叶片泵的整体运行效率等优点。
4.本发明还提出一种根据所述三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法设计的叶片泵。
5.根据本发明第一方面实施例的三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法，叶片泵的叶轮包括泵壳、轮毂和多个所述叶片，所述轮毂可转动地设于所述泵壳内，多个所述叶片在所述轮毂的周向排布且每个所述叶片沿所述轮毂的轴向螺旋延伸，在所述叶片的延伸方向上，所述叶片的靠近泵壳的进口的一端为第一端，所述叶片的靠近泵壳的出口的一端为第二端，所述叶片设计方法包括：根据叶片载荷cur确定所述叶片的不同位置处的叶片型线在任一点处的安放角β，所述β满足条件tanβ＝cmr/[ur
–cu
r]；其中，所述β为所述叶片型线在任一点处的切线与垂直于所述轮毂的旋转轴的平面之间的夹角，所述cm为所述叶片泵内流体流动的轴面速度，所述r为所述叶片型线上的任一点与所述轮毂的轴线的距离，所述cu为所述叶片泵内流体流动的周向速度，所述u为所述叶片型线上在任一点处的圆周速度。
[0006]
根据本发明实施例的三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法具有有效的抑制介质在流动时发生分离的范围和程度，进而提高叶片的做功能力和叶片泵的整体运行效率等优点。
[0007]
另外，根据本发明上述实施例的三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法还可以具有如下附加的技术特征：
[0008]
根据本发明的一些实施例，所述叶片载荷cur的变化分布规律满足预设五次多项式函数。
[0009]
在一些实施例中，所述预设五次多项式函数为：cur＝(cur)0 δ(cur)
·
f(x)；f(x)＝ax5 bx4 cx3 dx2 ex f；其中，所述(cur)0为所述叶片的第一端的载荷，所述δ(cur)为所述叶片的第一端至第二端的载荷变化的绝对值，所述x为所述叶片型线上的任一点与所述叶片型线的第一端之间沿该叶片型线的长度和该叶片型线的总长度之间的比值且0≤x≤
1，所述a、b、c、d、e、f为根据设计要求确定的系数。
[0010]
在一些实施例中，所述a、b、c、d、e、f根据以下条件进行确定：
[0011]
所述叶片的第一端的载荷变化为0，即f(0)＝0；
[0012]
所述叶片的第二端的载荷变化为1，即f(1)＝1；
[0013]
所述叶片的第一端的载荷变化分布函数的一阶梯度为0，即
[0014]
所述叶片的第二端的载荷变化分布函数的一阶梯度为p，即
[0015]
所述叶片的前控制点的载荷变化为y1，即f(x1)＝y1；
[0016]
所述叶片的后控制点的载荷变化为y2，即f(x2)＝y2。
[0017]
在一些示例中，所述p的取值范围为0～1。
[0018]
在一些示例中，所述x1的取值范围为0.2～0.4。
[0019]
在一些示例中，所述x2的取值范围为0.6～0.8。
[0020]
在一些示例中，所述y1与所述y2满足条件：0《y1《y2《1。
[0021]
根据本发明的一些实施例，所述r和所述x满足预设关系式。
[0022]
根据本发明的第二方面实施例提出一种根据所述三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法设计的叶片泵，所述叶片泵包括：叶轮，所述叶轮包括泵壳、轮毂和多个所述叶片，所述轮毂可转动地设于所述泵壳内，多个所述叶片在所述轮毂的周向排布且每个所述叶片沿所述轮毂的轴向螺旋延伸，在所述叶片的延伸方向上，所述叶片的靠近泵壳的进口的一端为第一端，所述叶片的靠近泵壳的出口的一端为第二端，所述叶片根据本发明的第一方面的实施例所述的三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法得到。
[0023]
根据本发明实施例的根据所述三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法设计的叶片泵，具有有效的抑制介质在流动时发生分离的范围和程度，进而提高叶片的做功能力和叶片泵的整体运行效率等优点。
[0024]
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
[0025]
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：
[0026]
图1是根据本发明实施例的叶片泵的部分结构示意图。
[0027]
图2是根据本发明实施例的叶片泵的叶片载荷的函数图。
[0028]
附图标记：泵壳100、轮缘110、轮毂200、叶片300、叶片型线301、第一端310、第二端320。
具体实施方式
[0029]
下面详细描述本发明的实施例，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。
[0030]
下面参考附图描述根据本发明实施例的三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法。
[0031]
如图1-图2所示，根据本发明实施例的叶片泵的叶轮包括泵壳100、轮毂200和多个叶片300，轮毂200可转动地设于泵壳100内，多个叶片300在轮毂200的周向排布且每个叶片300沿轮毂200的轴向螺旋延伸，在叶片300的延伸方向上，叶片300的靠近泵壳100的进口的一端为第一端310，叶片300的靠近泵壳100的出口的一端为第二端320，当轮毂200转动时，轮毂200能够带动多个叶片300沿轮毂200的转动中心开始转动，进而驱动介质从相邻的两个叶片300之间空隙沿叶片300的第一端310流至叶片300的第二端320，进而驱动介质流至指定区域。
[0032]
根据本发明实施例的三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法包括根据叶片300的载荷cur确定叶片300的不同位置处的叶片型线301在任一点处的安放角β，β满足条件tanβ＝cmr/[ur
–cu
r]。
[0033]
其中，β为叶片型线301在任一点处的切线与垂直于轮毂200的旋转轴的平面之间的夹角，cm为叶片泵内流体流动的轴面速度，r为叶片型线301上的任一点与轮毂200的轴线的距离，cu为叶片泵内流体流动的周向速度，u为叶片型线301上在任一点处的圆周速度。
[0034]
具体而言，在设置叶片型线301时，可根据设计需求确定叶片泵内流体流动的轴面速度cm，确定叶片型线301上在任一点处的圆周速度u，而叶片型线301上不同位置处的载荷是不同的，叶片型线301上载荷的变化趋势与安装角β之间的关系满足公式tanβ＝cmr/[ur
–cu
r]，以通过确定叶片型线301上载荷的变化确定叶片型线301上不同位处的切线与垂直于轮毂200的旋转轴的平面之间的夹角β，进而通过安装角β确定叶片型线301的走向，确定叶片型线301的具体形状。
[0035]
通过这种设计方法对叶片300的叶片型线301进行调整，进而对叶片300的形状进行调整，以提高叶片300的做功能力和叶片泵的整体运行效率。
[0036]
根据本发明实施例的三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法，根据叶片300的载荷cur确定叶片300的不同位置处的叶片型线301在任一点处的安放角β，便于提高叶片300对介质的载荷能力，以有效的抑制介质在流动时发生分离的范围和程度，进而提高叶片300的做功能力和叶片泵的整体运行效率。
[0037]
因此，根据本发明实施例的三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法具有有效的抑制介质在流动时发生分离的范围和程度，进而提高叶片300的做功能力和叶片泵的整体运行效率等优点。
[0038]
下面参考附图描述根据本发明具体实施例的三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法。
[0039]
在本发明的一些实施例中，如图1所示，泵壳100朝向叶片200的一侧具有轮缘110，也就是说，轮缘110位于叶片300远离轮毂200的一侧，其中，泵壳100为轮缘110绕轮毂200的旋转轴旋转一周形成的有一定厚度的壁。
[0040]
其中，叶片300靠近轮缘110的一端与轮缘110之间具有间隙，以保证叶片300可顺利的在泵壳100内进行转动，进而能够驱动介质能够沿叶片300的第一端310流至叶片300的第二端320，以驱动介质流至指定区域。
[0041]
如图1所示，在本发明的一些实施例中，叶片300上具有多个叶片型线301，根据上
述设计方法可确定叶片300上距离轮毂200轴线不同高度处的叶片型线301走向和具体形状，以通过多个叶片型线301确定叶片300的走向，进而确定叶片300的具体形状。
[0042]
在本发明的一些实施例中，叶片300的载荷cur的变化分布规律满足预设五次多项式函数，以确定在距离轮毂200的轴线的不同高度处叶片300的载荷cur的大小，进而通过tanβ＝cmr/[ur
–cu
r]确定在距离轮毂200的轴线的不同高度处安放角β，然后确定叶片型线301的走向和具体形状。
[0043]
在本发明的一些可选实施例中，叶片300的载荷cur的变化分布规律满足的预设五次多项式函数为：
[0044]cu
r＝(cur)0 δ(cur)
·
f(x)；
[0045]
f(x)＝ax5 bx4 cx3 dx2 ex f；
[0046]
其中，(cur)0为叶片300的第一端310的载荷，δ(cur)为叶片300的第一端310至第二端320的载荷变化的绝对值，x为叶片型线301上的任一点与叶片型线301的第一端310之间沿该叶片型线301的长度和该叶片型线301的总长度之间的比值，且0≤x≤1，a、b、c、d、e、f为根据设计要求确定的系数。
[0047]
其中，可根据叶片泵的设计需求，例如根据叶片300需要载荷的大小确定叶片300第一端310的载荷范围，确定叶片300第二端320的载荷范围，进而确定叶片300的第一端310的载荷(cur)0的载荷大小，确定叶片300的第一端310至第二端320的载荷变化的绝对值δ(cur)。
[0048]
此时能够确定叶片300的载荷cur关于f(x)的函数，也就是叶片300的载荷cur关于x变化的函数，进而根据对x的取值确定在距离轮毂200的轴线的不同高度处叶片300的载荷cur的大小，进而确定在距离轮毂200的轴线的不同高度处安放角β，然后确定叶片型线301的走向和具体形状。
[0049]
在一些实施例中，叶片300的第一端310的载荷(cur)0等于0，因此叶片300的第一端310至第二端320的载荷变化的绝对值δ(cur)等于叶片300的第二端320的载荷大小。
[0050]
在本发明的一些具体实施例中，a、b、c、d、e、f根据以下条件进行确定：
[0051]
(1)叶片300的第一端310的载荷变化为0，即f(0)＝0；
[0052]
(2)叶片300的第二端320的载荷变化为1，即f(1)＝1；
[0053]
(3)叶片300的第一端310的载荷变化分布函数的一阶梯度为0，即
[0054]
(4)叶片300的第二端320的载荷变化分布函数的一阶梯度为p，即
[0055]
(5)叶片300的前控制点的载荷变化为y1，即f(x1)＝y1；
[0056]
(6)叶片300的后控制点的载荷变化为y2，即f(x2)＝y2。
[0057]
具体而言，由于x为叶片型线301上的任一点与叶片型线301的第一端310之间沿该叶片型线301的长度和该叶片型线301的总长度之间的比值，因此叶片300第一端310处的x＝0，叶片300第二端320处的x＝1。
[0058]
将叶片300的第一端310的载荷变化为0，即f(0)＝0带入f(x)＝ax5 bx4 cx3 dx2 ex f可得：
[0059]
当x＝0时，f(x)＝0；
[0060]
可求得f＝0。
[0061]
此时f(x)＝ax5 bx4 cx3 dx2 ex；
[0062]
通过对f(x)求导可得，f
′
(x)＝5ax4 4bx3 3cx2 2dx e；
[0063]
将叶片300的第一端310的载荷变化分布函数的一阶梯度为0，即带入f
′
(x)＝5ax4 4bx3 3cx2 2dx e得：
[0064]f′
(0)＝0；
[0065]
既e＝0；
[0066]
此时可求得e＝0，f＝0。
[0067]
因此，f(x)＝ax5 bx4 cx3 dx2；
[0068]f′
(x)＝5ax4 4bx3 3cx2 2dx
[0069]
将叶片300的第二端320的载荷变化为1，即f(1)＝1带入f(x)＝ax5 bx4 cx3 dx2得：
[0070]
a b c d＝1；
[0071]
将叶片300的第一端310的载荷变化分布函数的一阶梯度为p，即带入f
′
(x)＝5ax4 4bx3 3cx2 2dx得：
[0072]
5a 4b 3c 2d＝p；
[0073]
将叶片300的前控制点的载荷变化为y1，即f(x1)＝y1带入f(x)＝ax5 bx4 cx3 dx2得：
[0074]
ax
15
bx
14
cx
13
dx
12
＝y1；
[0075]
将叶片300的后控制点的载荷变化为y2，即f(x2)＝y2带入f(x)＝ax5 bx4 cx3 dx2得：
[0076]
ax
25
bx
24
cx
23
dx
22
＝y2；
[0077]
联立这四个方程组a b c d＝1；5a 4b 3c 2d＝p；ax
15
bx
14
cx
13
dx
12
＝y1；ax
25
bx
24
cx
23
dx
22
＝y2求解可得：
[0078][0079]
其中，可根据对叶片300的设计需求确定x1，x2，y1，y2和p的值，进而确定a，b，c，d的值，确定f(x)关于x的五次多项函数，进而确定叶片300的载荷cur关于x的方程，再根据tanβ＝cmr/[ur
–cu
r]确定叶片300的不同位置处的叶片型线301在任一点处的安放角β的大小，确定叶片型线301上不同位处的切线与垂直于轮毂200的旋转轴的平面之间的夹角β，进而确定叶片型线301的走向，确定叶片型线301的具体形状。
[0080]
这样设置便于通过叶片300的载荷对叶片300的叶片型线301进行调整，进而对叶片300的形状进行调整，以提高叶片300的做功能力和叶片泵的整体运行效率。
[0081]
根据对x1，x2，y1，y2和p进行取值，能够确定cur关于x的函数图，进而确定在叶片型线301上不同位置处的载荷cur大小，利用tanβ＝cmr/[ur
–cu
r]确定安装角β的大小，进而确定叶片型线301的走向和具体形状。
[0082]
如图2所示，在本实施例中，函数图a为x1＝1/3，y1＝0.2，x2＝2/3，y2＝0.8时cur关于x的函数图，函数图b为x1＝2/7，y1＝0.2，x2＝5/7，y2＝0.8时cur关于x的函数图，函数图c为x1＝1/3，y1＝0.3，x2＝2/3，y2＝0.7时cur关于x的函数图，函数图d为x1＝2/7，y1＝0.3，x2＝5/7，y2＝0.7时cur关于x的函数图。
[0083]
在本发明的一些具体实施例中，p的取值范围为0～1，以使叶片300上叶片300的第二端320处载荷的变化较为平稳，进而便于引导介质在叶片泵内顺利的流至指定区域，这样设置便于抑制流动分离发生的程度和范围，提高叶片300做功能力和叶片泵的整体运行效率。
[0084]
在本发明的一些具体实施例中，x1的取值范围为0.2～0.4，以确定叶片型线301上这个范围内中一点处的载荷变化，以确定叶片型线301距离第一端310较近范围内处一点的载荷变化。
[0085]
在本发明的一些具体实施例中，x2的取值范围为0.6～0.8，以确定叶片型线301上这个范围内中一点处的载荷变化，以确定叶片型线301距离第二端320较近范围内处一点的载荷变化。
[0086]
在本发明的一些具体实施例中，y1与y2满足条件0《y1《y2《1，以在设计叶片型线301时，使叶片300上第一端310到第二端320的载荷变化的趋势为逐渐变大的趋势，以便于根据叶片泵的实际需求对叶片300的形状进行调整，进而改变叶片300的做功能力和叶片泵整体的运行效率。
[0087]
在本发明的一些可选实施例中，r和x满足预设关系式，以根据r的值确定x的值或根据x的值确定r的值，以通过tanβ＝cmr/[ur
–cu
r]确定叶片型线301在任一点时安放角β的大小。
[0088]
具体而言，由于叶片300的载荷cur是关于x的方程，因此在确定x的取值后，将x的值带入cur关于x的方程式后能够确定在型线上这一点处cur的大小，确定叶片300的载荷cur的大小后，可根据x确定r的值，进而通过确定cur/r确定叶片泵内流体流动的周向速度cu的大小，进而通过tanβ＝cmr/[ur
–cu
r]＝cm/[u
–cu
]确定tanβ的值，以确定β的大小，确定叶片型线301上不同位处的切线与垂直于轮毂200的旋转轴的平面之间的夹角β，进而确定叶片型线301的走向，确定叶片型线301的具体形状。
[0089]
下面描述根据本发明实施例的根据根据所述三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法设计的叶片泵。
[0090]
根据本发明实施例的叶片泵包括叶轮，叶轮包括泵壳100、轮毂200和多个叶片300，轮毂200可转动地设于泵壳100内，多个叶片300在轮毂200的周向排布，每个叶片300沿轮毂200的轴向螺旋延伸，在叶片300的延伸方向上，叶片300的靠近泵壳100的进口的一端为第一端310，叶片300的靠近泵壳100的出口的一端为第二端320，当轮毂200转动时，轮毂200能够带动多个叶片300沿轮毂200的转动中心开始转动，当轮毂200带动多个叶片300进
行转动时，能够驱动介质从相邻的两个叶片300之间沿叶片300的第一端310流至叶片300的第二端320，进而驱动介质流至指定区域。
[0091]
在一些实施例中，如图1所示，泵壳100朝向叶片200的一侧具有轮缘110，也就是说，轮缘110位于叶片300远离轮毂200的一侧，其中，泵壳100为轮缘110绕轮毂200的旋转轴旋转一周形成的有一定厚度的壁。
[0092]
其中，叶片300靠近轮缘110的一端与轮缘110之间具有间隙，以保证叶片300可顺利的在泵壳100内进行转动，进而能够驱动介质能够沿叶片300的第一端310流至叶片300的第二端320，以驱动介质流至指定区域。
[0093]
其中，叶片300为根据本发明上述实施例的三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法得到。这样便于有效的抑制介质在流动时发生分离的范围和程度，进而提高叶片300的做功能力和叶片泵的整体运行效率等优点。
[0094]
具体地，可以根据叶片300的载荷cur确定叶片300的不同位置处的叶片型线301在任一点处的安放角β，β满足条件tanβ＝cmr/[ur
–cu
r]。其中，β为叶片型线301在任一点处的切线与垂直于轮毂200的旋转轴的平面之间的夹角，cm为叶片泵内流体流动的轴面速度，r为叶片型线301上的任一点与轮毂200的轴线的距离，cu为叶片泵内流体流动的周向速度，u为叶片型线301上在任一点处的圆周速度。
[0095]
在设置叶片型线301时，可根据设计需求确定叶片泵内流体流动的轴面速度cm，确定叶片型线301上在任一点处的圆周速度u，而叶片型线301上不同位置处的载荷是不同的，叶片型线301上载荷的变化趋势与安装角β之间的关系满足公式tanβ＝cmr/[ur
–cu
r]，以通过确定叶片型线301上载荷的变化确定叶片型线301上不同位处的切线与垂直于轮毂200的旋转轴的平面之间的夹角β，进而通过安装角β确定叶片型线301的走向，确定叶片型线301的具体形状。
[0096]
根据本发明实施例的叶片泵为根据本发明上述实施例的三段五次函数型载荷分布控制的叶片设计方法设计的，具有有效的抑制介质在流动时发生分离的范围和程度，进而提高叶片300的做功能力和叶片泵的整体运行效率等优点。
[0097]
根据本发明实施例的叶片泵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。
[0098]
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。在本发明的描述中，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。
[0099]
在本发明的描述中，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。
[0100]
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。
[0101]
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。
[0102]
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。