[0001] 本发明涉及一种离心栗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。

　　[0002] 在全国每年数百万台栗类产品中，离心栗产量占有大部分份额。低比转速离心栗 高扬程、低流量的外特性决定了这类栗在国民经济各部门有不可替代的作用，这类栗构成 了离心栗产品中的一个特殊类别，其产量产值占有栗类产品中不可低估的比例。

　　[0003] 离心栗通过其叶轮对水流做功，增加过流的机械能，实现栗的基本功能，叶轮性能 是决定栗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 进优化离心栗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。

　　[0004] 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，栗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。

　　[0005] 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、RB的同心圆之间，这里R2、RB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 Rb，同时在曲线与大小圆交点处，曲线的切线与圆周的切线指前期计算确定的叶片出口安放角，但β ie(t)不是B点处叶 片安放角β1Β，而是这一角度在轴垂面上的投影值，一般有β1Βα) β1Β，平面投影曲线] 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。

　　[0007] 从上述圆柱形叶片传统设计原则可以看出，为形成轴垂面上的叶片投影，必需事 先计算叶片轴面投影图中叶片进口边与后流线中B点的叶片安放角β 1B，并进 一步计算这一角度在轴垂面上投影值β 1B(t)，因而最终成形的叶片在B点处的进口角度能 满足合理的要求值，但是，叶片进口边与前流线)的叶片安放角则是自然形 成的，在设计过程中，甚至根本不计算这处的叶片角度。结果成形后的叶片在设计流量下工 作时，叶片进口边上A点及沿叶片进口边各处的叶片角度都不能与来流方向相适应，叶片 安放角与进口相对液流角之差，即冲角往往过大，形成叶片入口显著的冲击损失。这种现象 在扭曲三维叶片进口不存在，这正是圆柱形叶片效率相对较低的主要原因。同时，由于A处 叶片入口背面是一汽蚀汽泡易于初生的低压区，过大的冲击损失进一步降低了这一处的水 流压力能，增大了汽蚀发生的概率。叶轮的比转速越高，轴面图上叶轮流道就越宽敞，这种 大冲角效应就越明显，这也限制了工艺性能良好的圆柱形叶片的使用范围，长期以来，很少 将这种叶片用于比转速超过80的中、高比转速叶轮。

　　【发明内容】[0008] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可控进口安放角圆柱形叶片的 设计方法，以该方法形成的叶片沿其进口边叶片安放角有可控的合理分布，由此有利于提 高叶片的效率指标和抗汽蚀能力，也扩大了这种工艺性能良好的叶片的应用范围。

　　[0009] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：可控进口安放角圆柱形叶片的设计 方法，包括以下步骤：

　　[0010] ⑴根据前期计算中获得的叶片主要几何参数，包括叶轮半径R2、叶轮出口宽度 b2、叶轮入口半径R。，经反复修改，校核后获得叶片轴面投影图，按一定原则在叶片轴面投影 图上画出叶片进口边，并量出进口边与前盖板流线交点A、后盖板流线交点B到叶轮轴心线 距离 Ra、Rb，有 Ra Rb;

　　[0011] (2)给定A、B两点处叶片冲角Δ β Α、Δ β 据给定栗在设计点的流量和转速， 按逐次逼近方法计算这两点的叶片安放角βΑ、βΒ，当产品在设计点工作时，叶片进口边Α、 B两点处叶片安放角与相对液流角之差等于给定的冲角Λ βΑ、Δ βΒ，Δ 0,取6°~7°、 A βΒ取 0。~2。；

　　[0012] (3)量出轴面图上过A、B两点处的水平线与前、后盖板流线切线的夹角λΑ、λ Β， 确定β Α、β Β在轴垂面上的投影角度β A(t)和β B(t)，β A(t)和β B(t)都小于原角度；

　　[0015] (4)在绘形叶片在轴垂面上的投影时，绘形叶片压力面这一二维曲面的平面投影， 设想过A点作一平行于叶轮轴心线的直线，它代表了一个半径为心且与叶轮同心的柱面， 这一圆柱面把叶片压力面分成两个二维曲面，这两个曲面在轴垂面上的投影曲线分别与它 们和后盖板内表面相交所得的两条三维曲线的平面投影相重合，在轴垂面上作三个半径分 别为R2、RA、RB的同心圆，这里R2 RA RB，在Ra圆与Rb圆两圆之间及RgR2圆两圆之间 分别绘形叶片压力面两个部分的平面投影，整体叶片的光滑性和连续性决定两条投影曲线 在交点处的光滑性和连续性；

　　[0016] (5)在轴垂面上绘形Ra圆和Rb圆之间的投影曲线，这一曲线代表叶片压力面下 部二维曲面，也是压力面下部二维曲面与后盖板内表面相交所得三维曲线在轴垂面上的投 影，这一曲线满足如下边界条件：曲线的两端点半径分别为^、Rb，在两个端点处曲线的切 线与圆切线夹角分别应为βΑα)、βΒα)，这一平面曲线应使用等变角螺旋线，其极坐标方 程为：

　　[0018] 式（2)中麫为平面曲线] 在已知^(〇、^(〇為、馬的条件下，首先以式（3)计算曲线，给定一系列Θ值，以式（3)计算对应的r值，在极坐标下根据若干对 (r、Θ)值描点后即可绘出通过所有离散点的曲线] 等变角螺旋线有一突出优点，曲线上各点的安放角β能随极角Θ从〇°增加到 φ:，按线性规律从βΒα)变化到βΑα);对此证明如下：由微分几何，一平面曲线上一点处 dr 的β角与这点的半径r及其导数&有关系：

　　[0030] 式（5)表明：当Θ从0°增加到（J)1时，β角将从β B(t)按线性规律增加到 βΑα)，在考虑到投影关系后，实际的叶片进口安放角也将从后盖板处的βΒ连续单调变化 到前盖板处的βΑ，这种变化规律正是期望的一种较理想的角度分布；标准圆柱蜗杆传动套筒夹头组合机构直径系数离心应力浴盆曲线间歇运动机构叶片进口半径扭转应力反转法