叶轮设计方法和装置、存储介质

技术领域

本公开涉及机械设备设计领域，特别涉及一种叶轮设计方法和装置、存储介质。

背景技术

轴流泵以其具有流量大、节能高效、扬程相对较低等特点，广泛应用于市政给排水、农业灌溉、调水工程等领域。轴流泵叶轮是影响轴流泵性能的核心过流部件，轴流泵叶轮的设计直接决定了轴流泵的性能表现。

对于轴流泵叶轮的设计，由于受限于空间弯扭掠叶轮几何表达能力的不足，因此目前主要采用固定的翼型对叶片进行设计。例如在基于儒可夫斯基翼型的轴流泵叶轮设计方法中，通过利用叶栅稠密度、轴面速度及旋转分速度、叶弦安放角、翼型拱度及厚度参数设计轴流泵叶轮。

发明内容

发明人注意到，在相关技术中，采用固定的翼型对叶片进行设计，然后按一定安放角将叶片安放至叶轮流道。这种方式仅对部分设计参数进行量化分析，因此导致叶片几何多样性不足，在进行轴流泵叶轮优化设计时难以获得最优的方案。

据此，本公开提供一种叶轮设计方案，根据叶片形状的控制点直接进行叶片形状设计，从而在进行轴流泵叶轮优化设计时获得最优的方案。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种叶轮设计方法，由叶轮设计装置执行，包括：根据轴流泵设计目标确定所述轴流泵的叶轮流道和与所述叶轮流道相匹配的二维翼型初始参数；利用所述二维翼型初始参数和叶片进出口速度三角形生成二维叶片骨线；在叶片进口边的叶根和所述叶片进口边的叶尖之间增加第一控制点，以确定所述叶片进口边的形状，在叶片出口边的叶根和所述叶片出口边的叶尖之间增加第二控制点，以确定所述叶片出口边的形状；将所述叶片的厚度分布信息叠加到叶片骨线上，以获得所述叶片各截面的二维型线；将所述叶片各截面的二维型线进行坐标转换以得到所述叶片各截面的三维叶片坐标，从而获得所述叶片的三维模型。

在一些实施例中，利用所述二维翼型初始参数和叶片进出口速度三角形生成二维叶片骨线包括：根据所述二维翼型初始参数确定所述叶片与直径为D

在一些实施例中，所述叶片与直径为D

Pi＝(R

其中，(lx，ly)为初始二维翼型骨线坐标，(x0，y0)为叶片起点坐标，θ

在一些实施例中，所述第一切线的角度为β1i，所述第二切线的角度为β2i；所述第一中间控制点、所述第二中间控制点满足：

在一些实施例中，所述第一控制点矩阵为：

在一些实施例中，在所述第一中间控制点和第二中间控制点之间设置预设数量K个第三中间控制点Pk′(θ′

在一些实施例中，所述第二控制点矩阵为：

在一些实施例中，所述预设曲线为贝塞尔曲线。

在一些实施例中，在叶片进口边的叶根和所述叶片进口边的叶尖之间增加第一控制点，以确定所述叶片进口边的形状包括：根据所述叶片进口边的叶尖控制点(R

在一些实施例中，所述第一控制点的参数θ

在一些实施例中，所述第一抛物线为：

Z＝f1(R)＝a*R

其中，

在一些实施例中，在叶片出口边的叶根和所述叶片出口边的叶尖之间增加第二控制点，以确定所述叶片出口边的形状包括：根据所述叶片出口边的叶尖控制点(R

在一些实施例中，所述第二控制点的参数θ

在一些实施例中，所述第二抛物线为：

Z＝f2(R)＝a*R

其中，

根据本公开实施例的第二方面，提供一种叶轮设计装置，包括：第一处理模块，被配置为根据轴流泵设计目标确定所述轴流泵的叶轮流道和与所述叶轮流道相匹配的二维翼型初始参数；第二处理模块，被配置为利用所述二维翼型初始参数和叶片进出口速度三角形生成二维叶片骨线；第三处理模块，被配置为在叶片进口边的叶根和所述叶片进口边的叶尖之间增加第一控制点，以确定所述叶片进口边的形状，在叶片出口边的叶根和所述叶片出口边的叶尖之间增加第二控制点，以确定所述叶片出口边的形状；第四处理模块，被配置为将所述叶片的厚度分布信息叠加到叶片骨线上，以获得所述叶片各截面的二维型线；第五处理模块，被配置为将所述叶片各截面的二维型线进行坐标转换以得到所述叶片各截面的三维叶片坐标，从而获得所述叶片的三维模型。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种叶轮设计装置，包括：存储器，被配置为存储指令；处理器，耦合到存储器，处理器被配置为基于存储器存储的指令执行实现如上述任一实施例所述的方法。

根据本公开实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其中，计算机可读存储介质存储有计算机指令，指令被处理器执行时实现如上述任一实施例所述的方法。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开一个实施例的叶轮设计方法的流程示意图；

图2为本公开一个实施例的叶片进出口速度三角形的示意图；

图3为本公开一个实施例的二维展开翼型的示意图；

图4为本公开一个实施例的二维骨线切线的示意图；

图5为本公开一个实施例的叶片进口边形状和叶片出口边形状控制示意图；

图6为本公开一个实施例的叶片三维形状示意图；

图7为本公开一个实施例的叶轮设计装置的结构示意图；

图8为本公开另一个实施例的叶轮设计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为本公开一个实施例的叶轮设计方法的流程示意图。在一些实施例中，下列的叶轮设计方法由叶轮设计装置执行。

在步骤101，根据轴流泵设计目标确定轴流泵的叶轮流道和与叶轮流道相匹配的二维翼型初始参数。

在一些实施例中，二维翼型初始参数包括叶片弦长、叶片进出口角和初始二维翼型骨线。

在一些实施例中，根据轴流泵设计目标流量Q(m

(1-1)计算弦长

由轮毂比

由比转速查询统计资料分别确定轮毂与轮缘处叶栅稠密度Itd、ItD，由轮毂至轮缘均匀取n个截面，第i个截面的直径为D

其中，Iti为第i个截面的叶栅稠密度。

(1-2)计算叶片进出口角、安放角

如图2所示，对于叶片进出口的速度三角形，由流量Q、叶轮直径D、轮毂直径dh、容积效率η

ν

由叶片所在截面直径D

ui＝π*D

由扬程H、叶片所在截面直径D

由进出口速度三角形，可得各截面进口角β1i、出口角β2i，如公式(5)所示。

叶片安放角βLi＝(β1i+β2i)/2。

(1-3)二维翼型骨线计算

在获得二维翼型的弦长和叶片进出口角、安放角后，给定翼型的起点即可由弦长获得翼型的末点，在翼型的起点和末点之间给定一条曲线作为二维展开翼型的初始骨线，该二维翼型骨线坐标用(lx，ly)表达，lx、ly为代表二维翼型骨线的二维数组。

在步骤102，利用二维翼型初始参数和叶片进出口速度三角形生成二维叶片骨线。

在一些实施例中，上述步骤102包括以下内容：

1)根据二维翼型初始参数确定叶片与直径为D

如图3所示，左侧图形为三维翼型，右侧图形为二维展开翼型。在叶片叶尖所在截面其直径为D、叶片弦长为L，叶片进口点P1、出口点P2，叶片安放角为βL，展开的二维翼型坐标为(lx，ly)，将该展开的二维翼型绕叶片进口起点P1(x0、y0)旋转βL角使叶片安放至轴流泵三维坐标系相应的位置，旋转βL角后二维翼型上任意一点坐标如公式(6)所示：

/>

其中，x0、y0为叶片进口起点P1位置坐标。

旋转后的二维翼型在叶轮所在三维柱坐标系中存在以下关系：

通过上式可以得到叶片与直径为D的截面交线上任一点在三维圆柱坐标系下转过的角度θ，如公式(8)所示。

θ＝((lx-x0)*cosβL-(ly-y0)*sinβL)/R(8)

叶片进口起点在三维柱坐标系中的角度为θ

由此，叶片与直径为D

Pi＝(R

在三维圆柱坐标系中，叶片与直径为D

Pi＝(R

其中，(lx，ly)为初始二维翼型骨线坐标，(x0，y0)为叶片起点坐标，θ

2)在叶片的入口点生成二维翼型初始参数中包括的初始二维翼型骨线的第一切线，在叶片的出口点生成初始二维翼型骨线的第二切线。

3)在第一切线上选择第一中间控制点P1′(θ′

如图4所示，分别在叶片入口点、出口点做角度为β1i、β2i的直线，作为二维叶片骨线的切线。在叶片进出口切线上分别取第一中间控制点P1′(θ′

4)利用第一中间控制点、第二中间控制点、叶片的第一端点P1(θ

例如，第一控制点矩阵如公式(13)所示：

/>

5)根据二维翼型骨线的第一控制点矩阵，利用预设曲线构造二维叶片骨线。

例如，预设曲线为贝塞尔曲线。

在一些实施例中，在第一中间控制点和第二中间控制点之间设置预设数量K个第三中间控制点Pk′(θ′

接下来，利用第一中间控制点、第二中间控制点、叶片的第一端点和第二端点、预设数量个第三中间控制点构造初始二维翼型骨线的第二控制点矩阵。

在一些实施例中，第二控制点矩阵如公式(14)所示。

接下来，根据二维翼型骨线的第二控制点矩阵，利用预设曲线构造二维叶片骨线。

例如，预设曲线为三阶贝塞尔曲线。

需要说明的是，在利用由贝塞尔曲线构造的二维叶片骨线替代初始给定的叶片骨线的情况下，由于该二维叶片骨线弦长、进出口角、安放角均与理论计算一致，因此冲击损失小，具有较好的液力性能。

在步骤103，在叶片进口边的叶根和叶片进口边的叶尖之间增加第一控制点，以确定叶片进口边的形状，在叶片出口边的叶根和叶片出口边的叶尖之间增加第二控制点，以确定叶片出口边的形状。

在一些实施例中，如图5所示，在叶片进口边，在从叶根到叶尖方向增加一个第一控制点P5(R

在一些实施例中，第一控制点的参数θ

在一些实施例中，第一抛物线为：

Z＝f1(R)＝a*R

其中，

在一些实施例中，如图5所示，在叶片出口边，在从叶根到叶尖方向增加一个第二控制点P6(R

在一些实施例中，第二控制点的参数θ

在一些实施例中，第二抛物线为：

Z＝f2(R)＝a*R

其中，

在步骤104，将叶片的厚度分布信息叠加到叶片骨线上，以获得叶片各截面的二维型线。

在步骤105，将叶片各截面的二维型线进行坐标转换以得到叶片各截面的三维叶片坐标，从而获得叶片的三维模型。

如图6所示，通过上述实施例设计的叶片三维形状可由叶片端点、各截面二维线型控制点以及叶片进出口边形状控制点进行确定，通过调整控制点的角度坐标、位置坐标即可实现对叶片通流面遮盖度、叶片弯曲程度、相对位置等的调整，对于叶片轮廓形状的调整直观、便捷、灵活度高，并能够获得轴流泵叶轮优化设计的最优方案。

图7为本公开一个实施例的叶轮设计装置的结构示意图。如图7所示，叶轮设计装置包括第一处理模块71、第二处理模块72、第三处理模块73、第四处理模块74和第五处理模块75。

第一处理模块71被配置为根据轴流泵设计目标确定轴流泵的叶轮流道和与叶轮流道相匹配的二维翼型初始参数。

在一些实施例中，二维翼型初始参数包括叶片弦长、叶片进出口角和初始二维翼型骨线。

第二处理模块72被配置为利用二维翼型初始参数和叶片进出口速度三角形生成二维叶片骨线。

在一些实施例中，第二处理模块72根据二维翼型初始参数确定叶片与直径为D

例如，叶片与直径为D

接下来，第二处理模块72在叶片的入口点生成二维翼型初始参数中包括的初始二维翼型骨线的第一切线，在叶片的出口点生成初始二维翼型骨线的第二切线。在第一切线上选择第一中间控制点P1′(θ′

例如，第一切线的角度为β1i，第二切线的角度为β2i。第一中间控制点、第二中间控制点满足上述公式(12)。

接下来，第二处理模块72利用第一中间控制点、第二中间控制点、叶片的第一端点P1(θ

例如，第一控制点矩阵如上述公式(13)所示。

例如，预设曲线为贝塞尔曲线。

在一些实施例中，第二处理模块72在第一中间控制点和第二中间控制点之间设置预设数量K个第三中间控制点Pk′(θ′

第二处理模块72利用第一中间控制点、第二中间控制点、叶片的第一端点和第二端点、预设数量个第三中间控制点构造初始二维翼型骨线的第二控制点矩阵，并根据二维翼型骨线的第二控制点矩阵，利用预设曲线构造二维叶片骨线。

例如，第二控制点矩阵如上述公式(14)所示。

例如，预设曲线为三阶贝塞尔曲线。

第三处理模块73被配置为在叶片进口边的叶根和叶片进口边的叶尖之间增加第一控制点，以确定叶片进口边的形状，在叶片出口边的叶根和叶片出口边的叶尖之间增加第二控制点，以确定叶片出口边的形状。

在一些实施例中，第三处理模块73根据叶片进口边的叶尖控制点(R

例如，第一控制点的参数θ

例如，第一抛物线如上述公式(16)所示。

在一些实施例中，第三处理模块73根据叶片出口边的叶尖控制点(R

例如，第二控制点的参数θ

例如，第二抛物线如上述公式(21)所示。

第四处理模块74被配置为将叶片的厚度分布信息叠加到叶片骨线上，以获得叶片各截面的二维型线。

第五处理模块75被配置为将叶片各截面的二维型线进行坐标转换以得到叶片各截面的三维叶片坐标，从而获得叶片的三维模型。

图8为本公开另一个实施例的叶轮设计装置的结构示意图。如图8所示，叶轮设计装置包括存储器81和处理器82。

存储器81用于存储指令，处理器82耦合到存储器81，处理器82被配置为基于存储器存储的指令执行实现如图1中任一实施例涉及的方法。

如图8所示，该叶轮设计装置还包括通信接口83，用于与其它设备进行信息交互。同时，该叶轮设计装置还包括总线84，处理器82、通信接口83、以及存储器81通过总线34完成相互间的通信。

存储器81可以包含高速RAM存储器，也可还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器81也可以是存储器阵列。存储器81还可能被分块，并且块可按一定的规则组合成虚拟卷。

此外，处理器82可以是一个中央处理器CPU，或者可以是专用集成电路ASIC，或是被配置成实施本公开实施例的一个或多个集成电路。

本公开同时还涉及一种计算机可读存储介质，其中计算机可读存储介质存储有计算机指令，指令被处理器执行时实现如图1中任一实施例涉及的方法。

通过实施本公开的上述实施例，能够得到以下有益效果：

1)本公开利用速度三角形分析确定冲击损失最小时的叶片进出口角，通过叶片的直接数学建模搭建了叶片几何与叶片特征参数之间的关系，能够获得性能较优的基型。

2)在本公开中，叶片形状直接由端点、二维型线控制点及进出口边形状控制点进行控制，调整直观、便捷、灵活度高，设计的几何丰富，便于进行优化设计。叶片进出口边的形状设计可实现对叶片前后掠翼的调整，达到叶片修型的目的，实现对高速旋转叶轮叶尖处汽蚀损害的改善。

在一些实施例中，在上面所描述的功能单元可以实现为用于执行本公开所描述功能的通用处理器、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称：PLC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，简称：ASIC)、现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGate Array，简称：FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意适当组合。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。