[发明专利]离心鼓风机叶轮的全三维气动优化设计方法

说明书

离心鼓风机叶轮的全三维气动优化设计方法，属于离心叶轮设计技术领域。本发明是为了解决传统风机叶轮的设计依赖设计人员的工作经验，研制效率低并且不利于提高产品性能的问题。它包括：将叶轮的初始设计数据参数化，获得叶轮的初始控制点坐标值；用三次样条函数表达叶轮结构；基于用户给定的叶型中弧线、进口及出口几何角的控制点参数变化范围，改变三次样条函数的控制点参数，获得不同的叶轮叶型；以离心鼓风机叶轮绝热效率为目标函数，基于流量与压比约束条件，利用遗传算法对叶型中弧线、进口及出口几何角的控制点参数进行全局寻优，获得离心鼓风机叶轮最优设计控制点参数，进而获得最优叶轮结构特性曲线。本发明用于叶轮的优化设计。

技术领域

本发明涉及离心鼓风机叶轮的全三维气动优化设计方法，属于离心叶轮设计技术领域。

背景技术

风机是一种能够将原动机的机械能转换成被输送气体动能与压力势能的流体机械，属于通用机械的范畴。在能源动力、石油化工、航空航天工业以及一般工业部门厂房、车间的空调以及原子防护设备的通风等国民经济各个领域中应用十分广泛。它具有重量轻、功率跨度大、可调节流量范围宽、能量密度高等优点以及广阔的军、民应用前景。据统计，在全国总用电量中，风机的耗电量已达10％以上。因此，通过采用先进的现代设计方法与设计技术提高风机产品的气动性能、降低通流部件的流阻损失与能耗、拓展目前风机产品的性能边界对于加快国民经济的发展、节能减排具有重要的学术价值与工业应用前景。

众所周知，叶轮作为离心风机实现能量转换的最为关键气动部件，其通流部分的设计水平在很大程度上决定了离心风机的总体性能。因此，基于叶轮机械气体动力学原理，研发先进的离心风机叶轮全三维气动优化设计技术，对于提高风机气动效率、降低能耗具有十分重要的意义。传统风机叶轮主要采用一维、二维的近似的、半经验的分析方法，然后辅以实验修正来完成工程设计，是一种“试错”的设计方法。不仅研制效率低，不能获知叶轮内部的详细流动细节以进一步提高产品性能，而且强烈依赖于设计人员的实际工程经验。

发明内容

本发明目的是为了解决传统风机叶轮的设计依赖设计人员的工作经验，研制效率低并且不利于提高产品性能的问题，提供了一种离心鼓风机叶轮的全三维气动优化设计方法。

本发明所述离心鼓风机叶轮的全三维气动优化设计方法，它包括以下步骤：

步骤一：将叶轮的初始设计数据参数化，获得叶轮的初始控制点坐标值；

步骤二：基于叶轮的初始控制点坐标值，用三次样条函数表达叶轮结构；

步骤三：基于用户给定的叶型中弧线、进口及出口几何角的控制点参数变化范围，改变三次样条函数的控制点参数，获得不同的叶轮叶型；

步骤四：以离心鼓风机叶轮绝热效率为目标函数，基于流量与压比约束条件，利用遗传算法对叶型中弧线、进口及出口几何角的控制点参数进行全局寻优，获得离心鼓风机叶轮最优设计控制点参数，进而获得最优叶轮结构特性曲线。

本发明的优点：本发明采用全三维气动优化设计技术从叶轮内部三维粘性流动的物理本质出发，充分定量地考量粘性流体的全三维流动诱导气动损失特征。对于叶轮几何通道提出修改的方向与依据，使叶轮设计从传统的“试错”设计走向现代的“预测”设计，从根本上消除了对于设计人员经验的依赖性。

本发明依托遗传算法开发一种基于叶型中弧线、进/出口几何角自动修改的全三维气动优化设计方法，实现叶轮气动与几何的合理流动匹配以提高离心鼓风机叶轮的气动效率，拓展了目前离心鼓风机所存在的气动性能提高潜力。本发明能够极大地缩短了离心鼓风机的设计周期，并节约研制成本。

附图说明

图1是本发明所述离心鼓风机叶轮的全三维气动优化设计方法的设计流程图；

图2是叶轮的控制截面及控制点示意图；