一种基于阿基米德曲线的仿生叶片的设计方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于阿基米德曲线的仿生叶片的设计方法
本专利技术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。
技术介绍
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β1、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，本专利技术就基于阿基米德曲线对其进行切割提取构成的。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术是通过三维软件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。本专利技术的有益效果：不用设计者通过经验参数来构建叶片，提高了叶片的设计精度。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，设计的叶片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。附图说明图1为本专利技术进行第一次切割的原理示意图。图2为本专利技术进行第二次切割的原理示意图。图3为本专利技术进行第三次切割的原理示意图。图4为本专利技术进行第四次切割的原理示意图。图5为使用本专利技术制得的叶片示意图。具体实施方式一种基于阿基米德曲线的仿生叶片的设计方法，该方法包括以下步骤：步骤一：首先利用三维软件solidworks中方程式曲线构成阿基米德曲线，通过放样曲面生成阿基米德曲面，其中曲面的斜率通过旋轴长度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；a为无量纲常系数，其值满足公式a＝D2+c，D2为叶轮出口直径，c为无量纲常数，c取值范围为50～100；t为无量纲，取值范围为0～1；π为圆周率；常系数a决定了阿基米德曲线向外扩展的范围，以保证了足够的叶片区域。b为无量纲常系数，根据a的取值范围，利用公式求得b的取值范围，常系数b决定了单圈螺距的大小。步骤二：然后根据离心泵型号的参数流量Q、扬程H、转速n要求，利用公式计算出叶轮出口直径D2，然后以此直径构造圆柱体对曲面进行第一次切割，如图1所示，圆柱的高要求把叶片完全切除，得到满足叶轮出口直径D2的曲面，并使之包裹在圆柱内部；其中：ns为比转速，kD2为速度系数。步骤三：利用一基准面，要求平行于圆柱底面即可，对所获叶片底面进行第二次切割，如图2所示，通过基准面的上下移动来调整叶片的包角，即旋转轴到叶片入口点距离C1与旋转轴到叶片出口点距离C2的夹角β；步骤四：再根据公式计算出叶轮出口宽度b2；利用在满足流量Q、扬程H和转速n要求下的前后盖板型线和叶轮出口宽度b2所构成的切割面，对所获曲面第三次切割，如图3所示，得到流线型叶片；其中ns为比转速，kb2为速度系数；步骤五：最后根据叶片入口线与旋转轴的夹角α调节叶片所需入水角，再进行第四次切割，如图4所示，获得完整叶片1，如图5所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于阿基米德曲线的仿生叶片的设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一：首先利用三维软件solidworks中方程式曲线

【技术特征摘要】
1.一种基于阿基米德曲线的仿生叶片的设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一：首先利用三维软件solidworks中方程式曲线构成阿基米德曲线，通过放样曲面生成阿基米德曲面，其中曲面的斜率通过旋轴长度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；其中：a为无量纲常系数，其值满足公式a＝D2+c，D2为叶轮出口直径，c为无量纲常数，c取值范围为50～100；t为无量纲，取值范围为0～1；π为圆周率；常系数a决定了阿基米德曲线向外扩展的范围，以保证了足够的叶片区域；b为无量纲常系数，根据a的取值范围，利用公式求得b的取值范围，常系数b决定了单圈螺距的大小；步骤二：然后根据离心泵型号的参数流量Q、扬程H、转速n要求，利用公...

【专利技术属性】
技术研发人员：田丽梅，温周，张吉祥，商延赓，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22