CN106650105B - 一种混流泵叶轮的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混流泵叶轮的设计方法，包括以下步骤：（1）将混流泵叶轮从二维木模图到三维几何模型的转化；（2）对三维几何模型进行参数化转化；（3）对参数化的混流泵进行CFD数值模拟；（4）通过设计优化平台集成CAD几何建模模块，CFD数值模拟模块和数值优化软件，对叶轮进行优化，该方法可避免人工重复劳动，采用该方法获得的轴流泵扬程和效率曲线都在原来基础上有所提高，各工况点扬程提高了5m以上，效率提高在2%左右；优化后效率曲线整体抬高，高效区范围变宽，提高了泵站运行稳定性，降低了泵站运行成本，泵装置优化效果十分明显，本方法具有较好的市场前景。

Description

一种混流泵叶轮的设计方法
技术领域
本发明涉及流体与动力工程技术领域，尤其涉及一种混流泵叶轮的设计方法。
背景技术
传统的混流泵设计只按单一工况设计，即按照使用场合提出某一组设计流量和设计扬程值对整台泵进行设计，而所谓的设计工况事实上只是扬程-流量(H-Q)性能曲线上的某一点，通过该方法设计的混流泵只能在理想流体和理想化的流动条件下才能保证设计性能，无法满足非设计工况下的性能，而多数情况下，混流泵使用要求不能固定在设计工况，并且运行的大部分时间处于非设计工况下。混流泵的设计应该满足较高的效率，适中的性能曲线和良好的空化特性，但传统的混流泵设计片面追求设计工况下的高效率，实际运行工况偏离设计工况时，因水的粘滞性等因素，在混流泵内部及各通流部件中会产生漩涡、回流、失速和脱流等不良流态，这些不良流态会随着偏离设计工况的程度而逐渐加剧，因此，在设计混流泵时，不能只着眼于设计工况的水力性能要求，要考虑并重视非设计工况点的水力性能要求，另外传统的设计方法，因其设计周期长，已无法适应目前日益增加的生产需求。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供一种混流泵叶轮的设计方法，能够快速短周期地实现满足特定需求的混流泵叶轮的设计。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种混流泵叶轮的设计方法，包括以下步骤：(1)将混流泵叶轮从二维木模图到三维几何模型的转化：通过把叶轮子午面前盖板后盖板型线的的数据，工作面压力面的径向坐标输入到txt文件中，在CAD软件中通过写好的程序读入txt文档中的内容，并根据文档中的内容自动建模；(2)对三维几何模型进行参数化转化：a、根据读入的叶轮子午面数据读取叶轮设计参数，并将其参数化；b、根据读入的叶片型线数据，用贝塞尔曲线进行拟合，并通过控制贝塞尔曲线控制点的坐标实现子午面的参数化；c、通过编程把叶轮叶片分割成n个流面，截取流面上的流线，计算出流线上的中心线，流线上叶片的厚度变化规律，通过贝塞尔曲线拟合流线，读取多条贝塞尔曲线上的叶轮参数；(3)对参数化的混流泵进行CFD数值模拟：将进水直管段和压水室采用ICEM软件进行结构化网格划分，混流泵叶轮在TurboGrid中进行结构化网格划分，泵装置计算域进口为进水管的进口，进口边界条件设置为总压条件，即进口处总压设置为一个标准大气压，泵装置计算域出口为压水室出口，出口边界设置为质量流量出口，叶轮设为旋转域，其余计算域均为静止域，动静交界面采用速度平均的stage模型；(4)通过设计优化平台集成CAD几何建模模块，CFD数值模拟模块和数值优化软件，对叶轮进行优化：以混流泵在不同工况下的加权平均效率最优为目标，扬程为约束条件，选用遗传算法或者序列二次规划算法，不断改变混流泵叶轮设计参数，对泵装置进行迭代数值计算，通过迭代，最终找到使泵加权平均效率最高的混流泵叶轮的设计方案，在工况选择时，选取不同流量为工况点，通过改变混流泵叶片设计变量的值，使得不同流量工况点泵装置效率都达到最优值，以拓宽混流泵装置的高效区范围，进而确定混流泵叶轮的设计方案，优化模型如下：
目标函数：maxη(x)＝w1η1(x)+w2η2(x)+w3η3(x) (1)
设计变量范围：
Figure BDA0001191199730000021
约束条件：
Figure BDA0001191199730000022
设计变量：x＝[al，a2，…an]T
其中η1、η2和η3分别是不同流量工况的效率；w1、w2和w3分别为对应的权重值，权重值根据多个实际运行时间确定；H1、H2和H3分别为不同流量工况的扬程，选取其中一个工况下设计的叶轮为初始方案，对应叶轮的初始设计变量为a1、a2…an。
上述方案中，优选的，所述H1和H3的范围取值为-6～6m，所述H2的范围取值-5～5m。
上述方案中，优选的，所述叶轮设计参数包括叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮出口宽度。
上述方案中，优选的，所述叶片型线数据包括叶片进口型线，叶片前盖板型线，叶片后盖板型线。
上述方案中，优选的，所述叶轮参数包括叶轮进口安放角、叶轮出口安放角，叶轮包角。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本方法通过设计图纸建立三维几何模型，三维模型的参数化，对模型进行多工况数值分析判断是否符合需求，如果不符合需求则更改设计，重新修改三维几何模型，直至模型的分析结果符合需求为止，其中，建立参数化模型，模型分析，更改设计每个环节的人工投入都难免引入附加的时间成本，因此，当由图纸自动建立三维几何模型，然后通过优化方法指导模型分析与修正并最终获得符合需求的设计，这样的完整的自动化流程有助于节约设计时间，缩短开发周期，以及提高竞争力，这样的流程只需要在初始时选择一个叶轮设计图纸作为蓝本，设置设计需要到达的技术要求，其它过程不需要人工参与，同时优化方法会自动指导模型的修正，避免人工上的重复劳动，随着数值模拟技术和优化算法理论的发展，以及针对混流泵叶轮设计理念的革新，并且采用该方法获得的轴流泵扬程和效率曲线都在原来基础上有所提高，各工况点扬程提高了5m以上，效率提高在2％左右；优化后效率曲线整体抬高，高效区范围变宽，提高了泵站运行稳定性，降低了泵站运行成本，泵装置优化效果十分明显，本方法具有较好的市场前景。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
一种混流泵叶轮的设计方法，针对某一名义比转速为400的混流泵叶轮进行多工况多目标优化设计，设计参数包括：设计流量Q＝2000m3/h，设计扬程H＝45m，转速n＝2500r/min，叶轮叶片数5片，进水直管段和压水室采用CAD软件建模，叶轮根据二维木模图，采用CAD软件建模，包括以下步骤：(1)将混流泵叶轮从二维木模图到三维几何模型的转化：通过把叶轮子午面前盖板后盖板型线的的数据，工作面压力面的径向坐标输入到txt文件中，在CAD软件中通过写好的程序读入txt文档中的内容，并根据文档中的内容自动建模；(2)对三维几何模型进行参数化转化：a、根据读入的叶轮子午面数据读取叶轮设计参数，包括叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮出口宽度，并将其参数化，通过控制5片叶轮叶片设计参数，能够方便改变混流泵叶片性状；b、根据读入的叶片型线数据，包括叶片进口型线，叶片前盖板型线，叶片后盖板型线，用贝塞尔曲线进行拟合，并通过控制贝塞尔曲线控制点的坐标实现子午面的参数化；c、通过编程把叶轮叶片分割成n个流面，截取流面上的流线，计算出流线上的中心线，流线上叶片的厚度变化规律，通过贝塞尔曲线拟合流线，读取多条贝塞尔曲线上的叶轮参数，包括叶轮进口安放角、叶轮出口安放角，叶轮包角；(3)对参数化的混流泵进行CFD数值模拟：将进水直管段和压水室采用ICEM软件进行结构化网格划分，网格质量在0.4以上，混流泵叶轮在TurboGrid中进行结构化网格划分，混流泵叶轮网格数为684290，压水室网格数为1005438，整个计算域网格数为2215245，在计算迭代时，叶轮网格数保持相当，其他部件网格数保持不变，然后对边界条件设置，泵装置计算域进口为进水管的进口，进口边界条件设置为总压条件，即进口处总压设置为一个标准大气压，泵装置计算域出口为压水室出口，出口边界设置为质量流量出口，叶轮设为旋转域，其余计算域均为静止域，动静交界面采用速度平均的stage模型；(4)通过设计优化平台集成CAD几何建模模块，CFD数值模拟模块和数值优化软件，对叶轮进行优化：以混流泵在多个工况下的加权平均效率最优为目标，扬程为约束条件，选用遗传算法或者序列二次规划算法，不断改变混流泵叶轮设计参数，对泵装置进行迭代数值计算，通过迭代，最终找到使泵加权平均效率最高的混流泵叶轮的设计方案，在工况选择时，选取多个流量为工况点，如：选取大流量、小流量和设计流量三个不同工况点进行优化设计，根据设计工况Q＝555.56L/s，选定设计流量的0.8倍左右和1.2倍左右作为小流量工况和大流量工况，为研究方便，取整数，即小流量工况取Q＝444.44L/s，大流量工况取Q＝666.67L/s，通过改变混流泵叶片设计变量的值，使得多个流量工况点泵装置效率都达到最优值，以拓宽混流泵装置的高效区范围，进而确定混流泵叶轮的设计方案，优化模型如下：
目标函数：maxη(x)＝w1η1(x)+w2η2(x)+w3η3(x) (1)
设计变量范围：
Figure BDA0001191199730000041
约束条件：
Figure BDA0001191199730000042
设计变量：x＝[al，a2，…an]T
其中η1、η2和η3分别是3个不同流量工况的效率；w1、w2和w3分别为对应的权重值，权重值根据多个实际运行时间确定；H1、H2和H3分别为3个不同流量工况的扬程，选取其中一个工况下设计的叶轮为初始方案，对应叶轮的初始设计变量为a1、a2…an，所述H1和H3的范围取值为-6～6m，所述H2的范围取值-5～5m。
本发明的设计方法考虑了多个工况点多个目标，然后对混流泵进行多工况优化设计，在优化设计时，对混流泵的水力性能进行全流道计算，根据全流道多工况的计算结果来确定混流泵叶轮的设计方案，通过CFX流体仿真软件进行数值模拟，计算精度高，优化结果可靠，通过该设计方法，吸入口直径减小，出口直径增加，提高了叶轮的扬程；同时子午面转弯半径的增大，减小了水流从轴向变为径向中的水力损失，改善了流动条件，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8％，小流量工况点效率提高了3％，优化效果明显；将其余各工况点泵装置水力性能通过数值模拟计算并与优化前混流泵装置水力性能对比，采用该方法获得的轴流泵扬程和效率曲线都在原来基础上有所提高，各工况点扬程提高了5m以上，效率提高在2％左右；优化后效率曲线整体抬高，高效区范围变宽，提高了泵站运行稳定性，降低了泵站运行成本，泵装置优化效果十分明显。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种混流泵叶轮的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将混流泵叶轮从二维木模图到三维几何模型的转化：通过把叶轮子午面前盖板后盖板型线的数据，工作面压力面的径向坐标输入到txt文件中，在CAD软件中通过写好的程序读入txt文档中的内容，并根据文档中的内容自动建模；(2)对三维几何模型进行参数化转化：a、根据读入的叶轮子午面数据读取叶轮设计参数，并将其参数化；b、根据读入的叶片型线数据，用贝塞尔曲线进行拟合，并通过控制贝塞尔曲线控制点的坐标实现子午面的参数化；c、通过编程把叶轮叶片分割成n个流面，截取流面上的流线，计算出流线上的中心线，流线上叶片的厚度变化规律，通过贝塞尔曲线拟合流线，读取多条贝塞尔曲线上的叶轮参数；(3)对参数化的混流泵进行CFD数值模拟：将进水直管段和压水室采用ICEM软件进行结构化网格划分，混流泵叶轮在TurboGrid中进行结构化网格划分，泵装置计算域进口为进水管的进口，进口边界条件设置为总压条件，即进口处总压设置为一个标准大气压，泵装置计算域出口为压水室出口，出口边界设置为质量流量出口，叶轮设为旋转域，其余计算域均为静止域，动静交界面采用速度平均的stage模型；(4)通过设计优化平台集成CAD几何建模模块，CFD数值模拟模块和数值优化软件，对叶轮进行优化：以混流泵在多个工况下的加权平均效率最优为目标，扬程为约束条件，选用遗传算法或者序列二次规划算法，不断改变混流泵叶轮设计参数，对泵装置进行迭代数值计算，通过迭代，最终找到使泵加权平均效率最高的混流泵叶轮的设计方案，在工况选择时，选取不同流量为工况点，通过改变混流泵叶片设计变量的值，使得不同流量工况点泵装置效率都达到最优值，以拓宽混流泵装置的高效区范围，进而确定混流泵叶轮的设计方案，优化模型如下：
目标函数：maxη(x)＝w1η1(x)+w2η2(x)+w3η3(x) (1)
设计变量范围：
Figure FDA0001191199720000011
约束条件：
Figure FDA0001191199720000012
设计变量：x＝[al，a2，…an]T
其中η1、η2和η3分别是不同流量工况的效率；w1、w2和w3分别为对应的权重值，权重值根据多个实际运行时间确定；H1、H2和H3分别为不同流量工况的扬程，选取其中一个工况下设计的叶轮为初始方案，对应叶轮的初始设计变量为a1、a2…an。
2.根据权利要求1所述的一种混流泵叶轮的设计方法，其特征在于，所述H1和H3的范围取值为-6～6m，所述H2的范围取值-5～5m。
3.根据权利要求1所述的一种混流泵叶轮的设计方法，其特征在于，所述叶轮设计参数包括叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮出口宽度。
4.根据权利要求1所述的一种混流泵叶轮的设计方法，其特征在于，所述叶片型线数据包括叶片进口型线，叶片前盖板型线，叶片后盖板型线。
5.根据权利要求1所述的一种混流泵叶轮的设计方法，其特征在于，所述叶轮参数包括叶轮进口安放角、叶轮出口安放角，叶轮包角。
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