[发明专利]一种轴流泵叶轮全工况设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种轴流泵叶轮全工况设计方法，属于水利与动力工程技术领域。

背景技术

传统的轴流泵设计方法是只按设计工况的单设计方法，即按照使用场合提出某一组设计流量和设计扬程值，进行整台泵的设计，而所谓的设计工况事实上只是扬程-流量(H-Q)性能曲线上的一点。用传统的设计工况方法进行的设计，只是在理想流体和理想化的流动条件下保证设计点的性能，至于非设计工况下的性能，在设计中无法保证，或只能从试验得出。而多数情况下，应用轴流泵的现场，其使用要求不能固定在设计工况，大部分时间处于非设计工况下运行。轴流泵的设计要求应该为：尽量高的效率，合适的性能曲线和良好的空化特性。而传统的轴流泵设计方法片面的追求设计工况下较高的效率要求，忽略了其他的水力性能要求。因此，传统的这种设计工况设计方法将越来越不能满足日益复杂的生产需求，这种轴流泵叶轮传统的设计工况设计方法的缺陷主要有以下几个方面：

1.方法的理论是欧拉方程，而欧拉方程只是建立了外特性参数与轴流泵叶轮进出口速度之间的关系，对于叶轮内部流速场和压力场没有分析，尽管有些设计考虑了液体粘滞性影响，进行了经验公式的修正，但仍然过于粗糙。

2.设计过程针对轴流泵叶轮本身，没有考虑导叶、进出水流道等过流部件对轴流泵内部流动及轴流泵性能的影响。特别是设计工况，只能说基本满足设计工况的要求。

3.设计过程过分简化，人为因素较大，误差大。

4.非设计工况下轴流泵的性能无法兼顾，设计工况下的效率也只能达到所统计资料的水平，很难进一步提高。

5.设计是依次进行的，没有考虑上下游之间和各种损失之间的相互影响。

然而随着数值模拟技术和数值优化技术的发展，以及针对轴流泵叶轮设计理念的革新，本发明专利提出了一种轴流泵全工况设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴流泵叶轮全工况设计方法，运用反问题设计法，考虑多个工况点多个目标对轴流泵进行全工况优化设计。在优化设计时，对泵装置的水力性能进行整体计算，根据泵装置计算结果来确定轴流泵叶轮的设计方案。在计算时，通过CFX流动仿真软件进行数值模拟，计算精度高，优化结果可靠。实例优化设计表明：设计工况点效率有所提高，但增加幅度不明显，但大流量工况点效率和小流量工况效率提高较为明显，其中大流量工况点效率提高了约7.4％，小流量工况点效率提高了约2.6％，高效区范围明显变宽，优化设计效果明显。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种轴流泵叶轮全工况设计方法，包括以下步骤：

(1)轴流泵叶轮参数化建模:

选择轴流泵叶轮的k个翼型断面叶栅稠密度和翼型安放角值共计2k个设计参数；

(2)全工况优化设计:

第一，先确定该叶轮常规设计参数,设计流量Q，设计扬程H，转速n，叶顶单边间隙，单位为mm；叶轮叶片数、轴流泵叶轮轮毂比dd；接着对轴流泵叶轮设计工况进行数值计算，综合分析泵内各项损失，以总损失最小初步设计出设计工况下水力性能较优的一付轴流泵叶轮；

第二，再针对该叶轮进行导叶、导水锥以及进出水流道的设计，确定导叶体扩散角度、导叶叶片数、导水锥及进出水流道的尺寸；

第三，最后通过Isight数值优化平台集成CFX数值优化软件，将叶轮、导叶、导水锥及进出水流道整合成泵装置，以泵装置全工况的加权平均效率最优为目标，扬程为约束条件，选用梯度优化算法的序列二次规划法，不断改变轴流泵叶轮设计参数，对泵装置进行迭代数值计算，通过迭代，最终找到使泵装置综合效率最高的轴流泵叶轮的设计方案。

优选的，所述参数化建模中叶栅稠密度的计算方法：通过改变叶尖叶栅稠密度值a₁和叶根叶栅稠密度倍数a₂,改变各断面叶栅稠密度值，叶栅稠密度l/t(i)的计算公式为：

l/t(i)＝n+m/r(i)

m＝(a₂-1)*a₁/(1/dd-1)

n＝a₁-m

其中，a₁为叶尖叶栅稠密度值；a₂为叶根叶栅稠密度倍数；dd为轮毂比；n,m为中间计算量；i＝1-k，k为翼型断面总数；r(i)为第i个断面的相对半径值，即各断面半径与叶轮半径的比值；l/t(i)为第i个断面的叶栅稠密度值。