CN106567861B - 一种轴流泵导叶水力设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轴流泵导叶水力设计方法及装置，包括：选取设计参数的值；根据选定的设计参数值计算得到相应的载荷；根据所述载荷获取周向平均速度环量参数，通过所述周向平均速度环量计算导叶叶片包角；根据所述导叶叶片包角和给定的轴面流道形状得到导叶水力模型。采用本发明的技术方案可实现在设计阶段对导叶设计结果的有效控制，减少计算量，不依赖于经验；降低导叶的流动损失并提高轴流泵导叶的水力性能。

Description

一种轴流泵导叶水力设计方法及装置

技术领域

本发明涉及水泵导叶设计领域，具体涉及一种轴流泵导叶水力设计方法及装置。

背景技术

轴流泵是靠旋转叶轮的叶片对液体产生的作用力输送液体的泵，有立式、卧式、斜式及贯流式数种。轴流泵装有叶轮，叶轮在泵壳内旋转。有些泵壳上装有固定导叶，用以消除液体的旋转运动，把流体的动能进一步转化为压力能，提升导叶性能对轴流泵水力设计不容忽视。

目前，轴流泵导叶的水力设计主要以叶片的几何参数为设计参数，通过改变几何参数来优化水力性能。但是叶片几何参数对水力性能的影响很难明确表达，需要大量经验，这种以经验为指导的水力设计一定程度上限制了轴流泵水力设计的发展。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种轴流泵导叶水力设计方法及装置，提高导叶水力性能的同时减少了水力设计的计算量，适用于各种轴流泵导叶水力设计场合。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种轴流泵导叶水力设计方法，包括如下步骤：

选取设计参数的值；

根据选定的设计参数值计算得到相应的载荷；

根据所述载荷获取周向平均速度环量参数，通过所述周向平均速度环量计算导叶叶片包角；

根据所述导叶叶片包角和给定的轴面流道形状得到导叶水力模型。

所述设计参数包括：相对轴面流线距离上的前加载点位置NC，直线段斜率slope和后加载点位置ND，

轮毂上的前加载位置1>NC>0.55，后加载点位置1>ND>0.55，直线段斜率slope>0；且NC<ND；

轮缘上的前加载位置1>NC>0，后加载点位置0.75>ND>0.55，直线段斜率slope<0；且NC<ND，NC≠0.5。

所述设计参数通过三段线式分布规律计算得到相应的载荷。

所述载荷通过载荷与相对轴面流线距离的积分获取周向平均速度环量。

利用所述周向平均速度环量求解下列方程组获得导叶叶片包角：

其中，Ψ为流函数，Φ为势函数，Φ_m为Φ的傅里叶变化形式m为整数m＝…-2,-1,0,1,2,…，i为虚数单位，B为叶片数，f为导叶叶片包角，为周向平均速度环量，B_f为叶片排挤系数，为周向平均轴面速度，为周向平均径向速度，和通过求解上述方程组中流函数方程得到；v_zbl表示叶片表面轴向周期速度，v_rbl表示叶片表面径向周期速度，v_θbl表示叶片表面周向周期速度，v_zbl、v_rbl和v_θbl通过求解上述方程组中势函数方程得到，r为径向坐标，z为轴向坐标。

另一方面，本发明提供了一种轴流泵导叶水力设计装置，包括：

构建单元，用于选取设计参数的值；

计算单元，用于根据所述选定设计参数的值计算得到相应的载荷；

获取单元，用于根据所述载荷获取周向平均速度环量参数，通过所述周向平均速度环量计算导叶叶片包角；

输出模型单元，用于根据所述导叶叶片包角和给定的轴面流道形状输出导叶的水力模型。

所述构建单元包括：

存储设计参数为相对轴面流线距离上的前加载点位置NC，直线段斜率slope，后加载点位置ND的模块，

轮毂上的前加载位置1>NC>0.55，后加载点位置1>ND>0.55，直线段斜率slope>0；且NC<ND；

轮缘上的前加载位置1>NC>0，后加载点位置0.75>ND>0.55，直线段斜率slope<0；且NC<ND，NC≠0.5。

所述计算单元包括：

根据所述构建单元选定的设计参数值通过三段线式分布规律计算得到相应的载荷的模块。

所述获取单元包括：

根据所述计算单元得到的载荷及载荷与相对轴面流线距离的积分获取周向平均速度环量参数的模块。

所述获取单元包括：

利用所述获取单元获取的周向平均速度环量求解下列方程组获得导叶叶片包角的模块；

其中，Ψ为流函数，Φ为势函数，Φ_m为Φ的傅里叶变化形式m为整数m＝…-2,-1,0,1,2,…，i为虚数单位，B为叶片数，f为导叶叶片包角，为周向平均速度环量，B_f为叶片排挤系数，为周向平均轴面速度，为周向平均径向速度，和通过求解上述方程组中流函数方程得到；v_zbl表示叶片表面轴向周期速度，v_rbl表示叶片表面径向周期速度，v_θbl表示叶片表面周向周期速度，v_zbl、v_rbl和v_θbl通过求解上述方程组中势函数方程得到，r为径向坐标，z为轴向坐标。

由上述技术方案可知，通过选取设计参数的值，计算得到相应的载荷并根据载荷获取周向平均速度环量参数，通过周向平均速度环量计算导叶叶片包角，根据导叶叶片包角结合给定轴面流道形状得到导叶的水力模型；不仅显著减小了计算的代价，而且还能够提高设计的效果。适用于各种轴流泵导叶水力设计场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的流程图；

图2是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的载荷三段线分布的示意图；

图3是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的水流速度三角形的示意图；

图4是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的绝对速度在圆周方向分量的速度拟合示意图；

图5是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的轴面速度的速度拟合示意图；

图6是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的原型泵与设计泵的扬程对比示意图；

图7是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的原型泵与设计泵的轴功率对比示意图；

图8是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的原型泵与设计泵的效率对比示意图；

图9是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的原型泵导叶矢量示意图；

图10是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的设计泵导叶矢量示意图；

图11是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的原型泵导叶流线示意图；

图12是本发明第一个实施例提供的轴流泵导叶水力设计方法的设计泵导叶流线设计图；

图13是本发明第二个实施例提供的轴流泵导叶水力设计装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

轴流泵导叶的水力设计主要以叶片的几何参数为设计参数，通过改变几何参数来优化水力性能。但是叶片几何参数对水力性能的影响很难明确表达，需要大量经验，这种以经验为指导的水力设计一定程度上限制了轴流泵水力设计的发展。为了解决该问题，本发明下述实施例提供了一种轴流泵导叶水力设计方法及装置。

如图1所示，本发明第一个实施例提供一种轴流泵导叶水力设计方法，包括如下步骤：

S101：选取设计参数的值；

在本步骤中，所述设计参数为相对轴面流线距离上的前加载点位置NC，直线段斜率slope，后加载点位置ND，

轮毂上的前加载位置1>NC>0.55，后加载点位置1>ND>0.55，直线段斜率slope>0；且NC<ND；

轮缘上的前加载位置1>NC>0，后加载点位置0.75>ND>0.55，直线段斜率slope<0；且NC<ND，NC≠0.5。

S102：根据选定设计参数的值计算得到相应的载荷；

在本步骤中，所述设计参数通过三段线式分布规律计算得到相应的载荷。

如图2所示，三段线式分布规律的曲线形式：从叶片进口边m＝0到轴面流线某一位置m＝NC(前加载点位置)采用多项式线分布；从m＝NC到轴面流线另一位置m＝ND(后加载点位置)采用直线分布，直线的斜率为slope；从m＝ND到叶片出口边m＝1采用多项式分布。

通常给定叶片载荷沿轮毂和轮缘处的分布规律，其它轴面流线通过插值计算得到。

载荷分布的具体形式根据以下方法确定：

在0≤m≤NC轴面流线区域，周向平均速度环量可表示为

其中，a₁，b₁，c₁和d₁为待定系数，该区域应满足：

m＝0时，

m＝NC时，

根据满足以上条件确定系数a₁，b₁，c₁和d₁，得到的具体表达式。

在NC≤m≤ND轴面流线区域，周向平均速度环量可表示为

其中a₂，b₂为待定系数，该区域应满足：

m＝NC时，

m＝ND时，

根据满足以上条件确定系数a₂，b₂，得到的具体表达式。

在ND≤m≤1轴轴面流线区域，周向平均速度环量可表示为

其中a₃，b₃，c₃，d₃为待定系数，该区域应满足：

m＝ND时，

m＝1时，

根据满足以上条件确定系数a₃，b₃，c₃，d₃，得到的具体表达式。

所述载荷通过上述求得的表达式直接对m求导获得。

S103：根据所述载荷获取周向平均速度环量参数，通过所述周向平均速度环量计算导叶叶片包角；

在本步骤中，所述载荷通过载荷与相对轴面流线距离的积分获取周向平均速度环量。

载荷为表达式直接对m求导获得，即其中为周向平均速度环量，m为相对轴面流线距离，B为叶片数，r为径向坐标，θ为周向坐标。Z为轴面坐标。V_θ为绝对速度V在圆周方向的分量，为周向平均速度值。最终通过求解下列方程组得到叶片包角f，

其中，Ψ为流函数，Φ为势函数，Φ_m为Φ的傅里叶变化形式m为整数m＝…-2,-1,0,1,2,…，i为虚数单位，B为叶片数，f为导叶叶片包角，为周向平均速度环量，B_f为叶片排挤系数，为周向平均轴面速度，为周向平均径向速度，和通过求解上述方程组中流函数方程得到；v_zbl表示叶片表面轴向周期速度，v_rbl表示叶片表面径向周期速度，v_θbl表示叶片表面周向周期速度，v_zbl、v_rbl和v_θbl通过求解上述方程组中势函数方程得到，r为径向坐标，z为轴向坐标。

如图3所示的水流速度三角形，其中，V为绝对速度、W为相对速度、U为圆周速度、V_m为轴面速度、V_θ为绝对速度在圆周方向分量。

S104：根据所述导叶叶片包角和给定的轴面流道形状得到导叶水力模型。

本发明提供的轴流泵导叶水力设计方法，通过导叶设计参数值计算得到相应的载荷；根据载荷获取周向平均速度环量参数，由周向平均速度环量计算导叶叶片包角，根据所述导叶叶片包角结合给定的轴面流道形状设计得到导叶的水力模型。减少了设计导叶过程中的计算量，不依赖于经验；降低导叶的流动损失并提高轴流泵的水力性能。

进一步详细说明本方法，本发明提供一种轴流泵导叶水力设计方法，具体为一种基于载荷分布的轴流泵导叶水力设计方法。利用载荷分布控制叶片型线，通过积分叶片型线微分方程式求解轴流泵导叶的水力设计问题。

载荷定义为其中为周向平均速度环量，m为相对轴面流道距离，B为叶片数，r为径向坐标，θ为周向坐标。Z为轴面坐标。V_θ为绝对速度V在圆周方向的分量，为周向平均值。

最终通过求解下列方程组得到叶片包角f

其中，Ψ为流函数，Φ为势函数，Φ_m为Φ的傅里叶变化形式m为整数m＝…-2,-1,0,1,2,…，i为虚数单位，B为叶片数，f为导叶叶片包角，为周向平均速度环量，B_f为叶片排挤系数，为周向平均轴面速度，为周向平均径向速度，和通过求解上述方程组中流函数方程得到；v_zbl表示叶片表面轴向周期速度，v_rbl表示叶片表面径向周期速度，v_θbl表示叶片表面周向周期速度，v_zbl、v_rbl和v_θbl通过求解上述方程组中势函数方程得到，r为径向坐标，z为轴向坐标。

具体设计技术方案和步骤如下：

1、以叶轮出口条件为导叶入口条件：

情况一：依据已有叶轮出口条件设计导叶

分别提取叶轮出口处轮毂轮缘条件：周向平均环量周向平均轴面速度

由于靠近壁面的速度受壁面影响，不能表征整体趋势，轮毂轮缘的速度不能直接选取。采取方案：提取叶轮出口多个半径的周向平均和周向平均舍弃靠近轮毂轮缘突变较大的速度，线性拟合表征整体趋势，在拟合直线上提取轮毂轮缘需要的速度和

情况二：同时设计叶轮和导叶——叶轮出口和导叶入口同时给定相同周向平均环量条件

周向平均环量条件利用叶轮出口欧拉公式：

重力加速度g＝9.81，H为扬程，U₂为叶轮出口圆周速度，W为角速度，n为转速，η_h为水力效率。得到叶轮出口处轮毂、轮缘作为设计导叶的边界条件。

其中Q为流量，A为叶轮出口截面面积；查阅设计手册得到叶轮出口处轮毂、轮缘作为设计导叶边界条件。

2、采用载荷分布控制轮毂、轮缘加载形式，得到导叶叶片形状。

叶片载荷分布采用“三段线”的曲线形式，如图2所示，从叶片进口边m＝0到轴面流线某一位置m＝NC(前加载点位置)采用多项式线分布；从m＝NC到轴面流线另一位置m＝ND(后加载点位置)采用直线分布，直线的斜率为slope；从m＝ND到叶片出口边m＝1采用多项式分布。

它们的取值范围如下：

轮毂上的前加载位置1>NC>0.55，后加载点位置1>ND>0.55，直线段斜率slope>0；且NC<ND；

轮缘上的前加载位置1>NC>0，后加载点位置0.75>ND>0.55，直线段斜率slope<0；且NC<ND，NC≠0.5。

通常给定叶片载荷沿轮毂和轮缘处的分布规律，其它轴面流线通过插值计算得到。

载荷分布的具体形式根据以下方法确定：

在0≤m≤NC轴面流线区域，周向平均速度环量可表示为

其中a₁，b₁，c₁和d₁为待定系数，该区域应满足：

m＝0时，

m＝NC时，

根据满足以上条件确定系数a₁，b₁，c₁和d₁，得到的具体表达式。

在NC≤m≤ND轴面流线区域，周向平均速度环量可表示为

其中a₂，b₂为待定系数，该区域应满足：

m＝NC时，

m＝ND时，

根据满足以上条件确定系数a₂，b₂，得到的具体表达式。

在ND≤m≤1轴轴面流线区域，周向平均速度环量可表示为

其中a₃，b₃，c₃，d₃为待定系数，该区域应满足：

m＝ND时，

m＝1时，

根据满足以上条件确定系数a₃，b₃，c₃，d₃，得到的具体表达式。

叶片载荷通过上述求得的表达式直接对m求导获得。

3、比转速1250轴流泵导叶重新设计

(1)轴流泵原型泵基本参数：

流量Q：18036m³/h

扬程H：3.27m

转速N：370r/min

(2)UG造型得到原型泵。

(3)导叶设计

使用原导叶轴面流道形状。

根据如下公式计算得到参考半径R_ref＝432.239mm；参考速度U_ref＝16.748m/s。

其中R_{Hub outlet}和R_{Shround Outlet}分别为叶轮出口轮毂、轮缘半径，N为转速(单位r/min)。

提取叶轮出口多个半径的周向平均和周向平均线性拟合分别得到轮毂、轮缘的对应速度为导叶入口条件，如图4和图5所示。

将轮毂轮缘环量利用R_ref和U_ref标量化得到轮毂为0.18，轮缘为0.17。

选取轮毂：NC＝0.58，ND＝0.65，slope＝0.3；轮缘NC＝0.2，ND＝0.78，slope＝-0.3。

利用上述参数设计得到新的轴流泵导叶。

(4)、数值模拟

对比分析原型泵与设计泵内外特性。

1)外特性分析：扬程、轴功率、效率对比图，如图6-8所示。

原模型特性参数

设计泵特性参数

损失分析：从损失分析表分析得到导叶损失大幅度降低，叶轮损失也有所减少。

损失分析表

2)内特性分析：

如图9-12所示，导叶矢量和流线对比图；可以看到，设计后的导叶流态更好。

本发明提供的轴流泵导叶水力设计方法，主要用于指导轴流泵的水力设计和性能改善，提升轴流泵的内外特性。并且减少了设计导叶过程中的计算量，不依赖于经验；降低导叶的流动损失并提高轴流泵的水力性能。

如图13所示，本发明第二个实施例提供一种轴流泵导叶水力设计装置，包括：

构建单元，用于选取设计参数的值；

计算单元，用于根据所述选定设计参数的值计算得到相应的载荷；

获取单元，用于根据所述载荷获取周向平均速度环量参数，通过所述周向平均速度环量计算导叶叶片包角；

输出模型单元，用于根据所述导叶叶片包角和给定的轴面流道形状输出导叶的水力模型。

所述构建单元包括：

存储设计参数为相对轴面流线距离上的前加载点位置NC，直线段斜率slope，后加载点位置ND的模块，

轮毂上的前加载位置1>NC>0.55，后加载点位置1>ND>0.55，直线段斜率slope>0；且NC<ND；

轮缘上的前加载位置1>NC>0，后加载点位置0.75>ND>0.55，直线段斜率slope<0；且NC<ND，NC≠0.5。

所述计算单元包括：

根据所述构建单元选定的设计参数值通过三段线式分布规律计算得到相应的载荷的模块。

所述获取单元包括：

根据所述计算单元得到的载荷及载荷与相对轴面流线距离的积分获取周向平均速度环量参数的模块。

所述获取单元包括：

利用所述获取单元获取的周向平均速度环量求解下列方程组获得导叶叶片包角的模块；

其中，Ψ为流函数，Φ为势函数，Φ_m为Φ的傅里叶变化形式m为整数m＝…-2,-1,0,1,2,…，i为虚数单位，B为叶片数，f为导叶叶片包角，为周向平均速度环量，B_f为叶片排挤系数，为周向平均轴面速度，为周向平均径向速度，和通过求解上述方程组中流函数方程得到；v_zbl表示叶片表面轴向周期速度，v_rbl表示叶片表面径向周期速度，v_θbl表示叶片表面周向周期速度，v_zbl、v_rbl和v_θbl通过求解上述方程组中势函数方程得到，r为径向坐标，z为轴向坐标。

本发明提供的轴流泵导叶水力设计装置，可以改善轴流泵导叶水力优化设计和性能，减少了设计导叶过程中的计算量，不依赖于经验；降低导叶的流动损失并提高轴流泵的水力性能。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种轴流泵导叶水力设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

选取设计参数的值；

根据选定的设计参数值计算得到相应的载荷；

根据所述载荷获取周向平均速度环量参数，通过所述周向平均速度环量计算导叶叶片包角；

根据所述导叶叶片包角和给定的轴面流道形状得到导叶水力模型；

所述设计参数包括：相对轴面流线距离上的前加载点位置NC，直线段斜率slope和后加载点位置ND，

轮毂上的前加载位置1>NC>0.55，后加载点位置1>ND>0.55，直线段斜率slope>0；且NC<ND；

轮缘上的前加载位置1>NC>0，后加载点位置0.75>ND>0.55，直线段斜率slope<0；且NC<ND，NC≠0.5。

2.根据权利要求1所述的轴流泵导叶水力设计方法，其特征在于，所述设计参数通过三段线式分布规律计算得到相应的载荷。

3.根据权利要求2所述的轴流泵导叶水力设计方法，其特征在于，所述载荷通过载荷与相对轴面流线距离的积分获取周向平均速度环量。

4.根据权利要求3所述的轴流泵导叶水力设计方法，其特征在于，利用所述周向平均速度环量求解下列方程组获得导叶叶片包角：

其中，Ψ为流函数，Φ为势函数，Φ_m为Φ的傅里叶变化形式m为整数m＝…-2,-1,0,1,2,…，i为虚数单位，B为叶片数，f为导叶叶片包角，为周向平均速度环量，B_f为叶片排挤系数，为周向平均轴面速度，为周向平均径向速度，和通过求解上述方程组中流函数方程得到；v_zbl表示叶片表面轴向周期速度，v_rbl表示叶片表面径向周期速度，v_θbl表示叶片表面周向周期速度，v_zbl、v_rbl和v_θbl通过求解上述方程组中势函数方程得到，r为径向坐标，z为轴向坐标。

5.一种轴流泵导叶水力设计装置，其特征在于，所述装置包括：

构建单元，用于选取设计参数的值；

计算单元，用于根据选定设计参数的值计算得到相应的载荷；

获取单元，用于根据所述载荷获取周向平均速度环量参数，通过所述周向平均速度环量计算导叶叶片包角；

输出模型单元，用于根据所述导叶叶片包角和给定的轴面流道形状输出导叶的水力模型；

所述构建单元包括：

存储设计参数为相对轴面流线距离上的前加载点位置NC，直线段斜率slope，后加载点位置ND的模块，

轮毂上的前加载位置1>NC>0.55，后加载点位置1>ND>0.55，直线段斜率slope>0；且NC<ND；

轮缘上的前加载位置1>NC>0，后加载点位置0.75>ND>0.55，直线段斜率slope<0；且NC<ND，NC≠0.5。

6.根据权利要求5所述的轴流泵导叶水力设计装置，其特征在于，所述计算单元包括：

根据所述构建单元选定的设计参数值通过三段线式分布规律计算得到相应的载荷的模块。

7.根据权利要求6所述的轴流泵导叶水力设计装置，其特征在于，所述获取单元包括：

根据所述计算单元得到的载荷及载荷与相对轴面流线距离的积分获取周向平均速度环量参数的模块。

8.根据权利要求7所述的轴流泵导叶水力设计装置，其特征在于，所述获取单元包括：

利用所述获取单元获取的周向平均速度环量求解下列方程组获得导叶叶片包角的模块；

其中，Ψ为流函数，Φ为势函数，Φ_m为Φ的傅里叶变化形式m为整数m＝…-2,-1,0,1,2,…，i为虚数单位，B为叶片数，f为导叶叶片包角，为周向平均速度环量，B_f为叶片排挤系数，为周向平均轴面速度，为周向平均径向速度，和通过求解上述方程组中流函数方程得到；v_zbl表示叶片表面轴向周期速度，v_rbl表示叶片表面径向周期速度，v_θbl表示叶片表面周向周期速度，v_zbl、v_rbl和v_θbl通过求解上述方程组中势函数方程得到，r为径向坐标，z为轴向坐标。