[发明专利]一种水泵全运行工况叶片轴位置优化方法

权利要求书

1.一种水泵全运行工况叶片轴位置优化方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

A.水泵全运行工况范围内计算工况确定；

B.水泵流场计算区域三维建模与网格划分；

C.水泵流场数值模拟与叶片水力矩计算确定；

D.水泵叶片水压力合力作用线位置与全运行工况最优叶片轴位置所在范围确定；

E.水泵全运行工况最优叶片轴位置所在区间确定；

F.水泵全运行工况最优叶片轴位置确定；

G.水泵叶片轴位置优化前后水力矩对比；

步骤A中所述的工况确定方法如下：在水泵运行扬程范围内，选定等间距的m个扬程，m＝5～10，其中包括最小运行扬程H_min和最大运行扬程H_max，扬程间隔为即m个运行扬程为：H₁＝H_min，H₂＝H_min+ΔH，…，H_m-1＝H_max-ΔH，H_m＝H_max；对m个扬程的每个扬程，在水泵运行叶片角度范围内，将叶片角按一定间隔选定n个角度，n＝5～10，其中包括最小运行叶片角α_min和最大运行叶片角α_max，即α₁＝α_min,α₂,…，α_n-1，α_n＝α_max，因此，确定m×n个计算工况；

步骤B中所述的水泵流场计算区域包括：长度为叶轮直径1倍左右的叶轮前直段、叶轮段、导叶体段、长度为叶轮直径1～2倍的导叶体出口直段；分别对α₁,α₂,…，α_n-1，α_n共n个叶轮叶片角的水泵流场计算区域进行三维建模与网格划分；

步骤C中所述水泵流场数值模拟与叶片水力矩计算确定方法如下：采用水体连续方程和动量方程、k-ε湍流模型，水泵流场计算区域采用压力进口边界条件、质量流量出口边界条件，运用CFX流体计算软件对所述m×n个计算工况的水泵流场进行数值模拟，得到不同扬程下不同叶片角度的叶片水力矩，列入表中；

步骤D中所述的水泵叶片水压力合力作用线位置与全运行工况最优叶片轴位置所在范围确定，是根据步骤A～C计算得到的水泵m×n个工况叶片水力矩及水压力合力大小，在叶片从轮毂到轮缘之间的中计算截面上，所述水泵m×n个工况叶片水压力合力作用线到现叶片轴的距离为

式中：L—叶片水压力合力作用线到现叶片轴的距离；M—叶片水力矩；F_w—叶片水压力合力大小，则最优叶片轴位置位于所有工况中两相距最远的叶片水压力合力作用线之间；

步骤E中所述的水泵全运行工况最优叶片轴位置所在区间确定，是在叶片中计算截面上，两相距最远的叶片水压力合力作用线之间的区域宽为s，将该区域宽s划分为k等份，从所述两相距最远的叶片水压力合力作用线中距现叶片轴较近的一条作用线开始，每等份处分别设定叶片轴1、2、…，k-1，k，设定的k个叶片轴距所述开始的合力作用线的距离分别为s/k、2s/k、……(k-1)s/k、s；建立坐标系，横坐标代表设定的叶片轴与现叶片轴的距离，纵坐标代表叶片水力矩；分别计算出叶片轴位于设定的k个不同叶片轴位置时所述水泵m×n个工况的叶片水力矩，确定叶片轴在每个设定的叶片轴位置时的水泵m×n个工况中的绝对值最大的叶片水力矩，找出叶片最大水力矩在其中正负转换的设定的两相邻叶片轴O₁-O₁、O₂-O₂位置，则最优叶片轴位置位于O₁-O₁轴与O₂-O₂轴之间，进一步减小了最优叶片轴位置所在范围；

步骤F中所述的水泵全运行工况最优叶片轴位置确定，是在叶片中计算截面上，对设定的使水泵全运行工况叶片最大水力矩正负转换的两相邻叶片轴O₁-O₁、O₂-O₂区间，采用0.618黄金分割法，加快精细逼近最优叶片轴位置，使水泵全运行工况下叶片最大水力矩最小；设对于叶片轴O₁-O₁的全运行工况最大水力矩为正，对于叶片轴O₂-O₂的全运行工况最大水力矩为负，则，自O₁-O₁轴向O₂-O₂轴取距离0.618s/k处，设定叶片轴O₃-O₃，计算确定对于叶片轴O₃-O₃的水泵全运行工况叶片最大水力矩；若对于叶片轴O₃-O₃的水泵全运行工况叶片最大水力矩为正，说明最优叶片轴位于O₃-O₃轴和O₂-O₂轴之间，则继续从O₃-O₃轴向O₂-O₂轴取0.618×(1-0.618)s/k的距离，在此处设定叶片轴O₄-O₄，计算确定对于叶片轴O₄-O₄的水泵全运行工况下叶片最大水力矩；若对于叶片轴O₃-O₃的水泵全运行工况叶片最大水力矩为负，则继续从O₁-O₁轴向O₃-O₃轴取距离0.618×0.618s/k，在此处设定叶片轴O₄-O₄，计算确定对于叶片轴O₄-O₄的水泵全运行工况下叶片最大水力矩，……，如此下去，直至最后逼近的两相邻叶片轴之间的距离Δs足够小，满足式(2)为止，

Δs≤0.001m (2)

此位置的叶片轴即为最优叶片轴，能够保证水泵全运行工况叶片最大水力矩最小；

步骤G中所述的水泵叶片轴位置优化前后水力矩对比，是指计算叶片轴位置优化后的水力矩，并列入表中；以叶片角度为横坐标、叶片水力矩为纵坐标作图，将叶片轴位置优化前和优化后的水泵m×n个工况叶片水力矩描点在图上，将同一扬程不同角度的叶片水力矩点连线，比较叶片轴位置优化前和优化后水力矩的大小情况；结果表明，水泵叶片轴位置优化后，全运行工况最大叶片水力矩减小1/2左右，叶片平均水力矩减小3/4左右。