CN107917099B - 一种离心泵叶轮水力变型设计方法 - Google Patents

一种离心泵叶轮水力变型设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种离心泵叶轮水力变型设计方法，在叶轮轴面尺寸不变情况下，既能确保最高效率近似相等，其最高效率点对应扬程误差控制在0～4％范围内，又能确保整体效率向大流量点偏离，其根据未优化前叶轮所有设计几何参数以及其设计额定流量、设计理论扬程和转速，仅改变叶轮设计额定流量和理论扬程来获取优化后的叶轮变型几何参数，本发明通过离心泵叶轮进行变型设计，能够快速响应以满足客户对离心泵水力性能的高效区特定位置的要求，加快产品开发周期，降低成本。

Description

一种离心泵叶轮水力变型设计方法
技术领域
本发明属于离心泵水力性能控制技术领域，具体涉及一种离心泵叶轮水力变型设计方法，主要用于对离心泵叶轮进行变型设计，快速响应以满足客户对离心泵水力性能的高效区特定位置的要求，加快产品开发周期，降低成本。
背景技术
变型设计是企业目前广泛采用的机械设计方法。在对参数化、模块化与系列化产品变型设计之间关系进行分析研究的基础上，结合广义模块化技术，采用基于实例的设计，利用参数化设计的“自上而下”设计模式，形成了参数化、模块化、智能化相结合的系列化产品变型设计方法。在面向大批量定制的产品设计技术中，变型设计是连接企业生产和客户需求的纽带。产品变型设计是指根据客户需求和概念设计，确定定制产品设计参数信息，通过修改产品变型设计主模型的参数值和尺寸关系，生成相似的产品或零部件。变型设计方法能够提高设计效率，降低产品设计成本，保证产品质量，从而以接近大批量生产的效率和成本生产出满足客户个性化需求的产品，是实施大批量定制生产的关键技术之一。但是在泵行业中，这种变型设计方法目前尚未得到广泛应用，主要原因在于泵产品本身的复杂性，其种类丰富，且水力设计大多依靠模型换算法和速度系数法这两种较为传统的方法。传统的方法是通过大量的离心泵实验得出的数据和曲线，用统计方法得出比转速和相关性能参数、几何参数之间的关系曲线和经验或半经验公式，利用这些曲线和经验公式来设计新的离心泵。模型换算法和速度系数法受到现有模型或速度系数的局限，特别在实际应用中，运行工况点往往偏离设计工况点。
申请号为201510593425.2的一种空间导叶离心泵水力设计方法，此发明针对于空间导叶，同样也是应用贝塞尔曲线控制叶片型线的规律的方法，但是它对叶片包角只给出了一个范围，且对进出口安放角的选择依然是基于叶片本身的几何参数，如果额定设计参数变化，必然对这些优化参数进行重新计算，这无疑增加了设计中的工作量。申请号为201610291288.1的一种工作效率高的离心泵叶轮，此发明只给出了优化参数之间的关系，并未对优化参数本身给出直接的说明，虽然一定程度上能够提高叶轮工作效率，但是由于叶轮几何参数对性能影响的干涉，可能会叶轮的汽蚀性能等其他性能有所下降。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种离心泵叶轮水力变型设计方法。本发明中引进的离心泵用变型设计技术，在叶轮轴面尺寸不变情况下，既能确保最高效率近似相等，其最高效率点对应扬程误差控制在0～4％范围内，又能确保整体效率向大流量点偏离，且后期依然可以对叶轮轴面尺寸进行切割等优化，效果显著。在实际应用中，更加符合设计目标，且设计过程操作更加简单，更容易大批量生产。
本发明涉及一种离心泵叶轮水力变型设计方法，所采用的技术方案如下：
一种离心泵用变型设计技术，包括以下步骤：根据离心泵未优化前叶轮所有设计几何参数以及离心泵设计额定流量、设计理论扬程和转速，仅改变叶轮设计额定流量和理论扬程来获取优化后的叶轮变型几何参数，所述的叶轮变型几何参数包括叶轮前盖板流线、中间流线和后盖板流线三条流线的进出口安放角、包角及叶片数，并通过三次贝塞尔曲线方程对叶轮叶片型线安放角分布规律进行控制，当比转速120<ns<ns′<180时，其叶轮变型几何参数满足关系如下：
a)叶轮叶片包角Φ′：
Φ——未优化前的叶轮叶片包角，rad；
Φ′——优化后的叶轮叶片包角，rad；
ns——未优化前的比转速；
ns′——优化后的比转速；
Q——未优化前的额定流量，m3/s；
Q′——优化后的额定流量，m3/s；
H——未优化前的理论扬程，m；
H′——优化后的理论扬程，m；
n——叶轮转速，r/min；
b)在叶片数Z′不变的情况下，叶轮前盖板流线、中间流线和后盖板流线三条流线的进口安放角：
K1＝2.125
式三
β1h——未优化前的叶轮中间流线进口安放角，rad；
β1h′——优化后的叶轮中间流线进口安放角，rad；
β1p——未优化前的叶轮后盖板流线进口安放角，rad；
β1p′——优化后的叶轮后盖板流线进口安放角，rad；
β1n——未优化前的叶轮前盖板流线进口安放角，rad；
β1n′——未优化前的叶轮前盖板流线进口安放角，rad；
Q——未优化前的额定流量，m3/s；
Q′——优化后的额定流量，m3/s；
Z′——优化后的叶轮叶片数，个；
K1——进口优化比例系数；
c)在叶片数Z′不变的情况下，叶轮前盖板流线、中间流线和后盖板流线三条流线的出口安放角：
K2＝1.682
式五
β2h——未优化前的叶轮中间流线出口安放角，rad；
β2h′——优化后的叶轮中间流线出口安放角，rad；
β2p——未优化前的叶轮后盖板流线出口安放角，rad；
β2p′——优化后的叶轮后盖板流线出口安放角，rad；
β2n——未优化前的叶轮前盖板流线出口安放角，rad；
β2n′——未优化前的叶轮前盖板流线出口安放角，rad；
ns——未优化前的比转速；
ns′——优化后的比转速；
Z′——优化后的叶轮叶片数，个；
K2——出口优化比例系数；
d)当叶片数小幅度变化的情况下，即Z′＝Z±1，叶片进出口优化比例系数满足如下的关系
S1——叶片进口圆周厚度，mm；
S2——叶片出口圆周厚度，mm；
D1h——中间流线进口直径，mm；
D2h——中间流线出口直径，mm；
Z——未优化前的叶轮叶片数，个；
Z′——优化后的叶轮叶片数，个；
K1——进口优化比例系数；
K2——出口优化比例系数；
所述的叶片型线基于三次贝塞尔曲线控制算法对型线进行控制，具体为叶轮前盖板叶片型线、叶轮中间叶片型线和叶轮后盖板叶片型线；三条叶片安放角控制线采用三次贝塞尔曲线进行控制，三次贝塞尔曲线的函数见公式七：
B(t)＝(1-t)3P0+3t(1-t)2P1+3t2(1-t)P2+t3P3，t∈(0,1) 式七
B(t)——贝塞尔控制曲线方程表示符号；
P1、P2、P3和P0——三次贝塞尔曲线的控制点；
t——贝塞尔曲线控制值；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据未优化前叶轮所有设计几何参数以及其设计额定流量、设计理论扬程和转速，仅改变叶轮设计额定流量和理论扬程来获取优化后的叶轮变型几何参数，所述的叶轮变型几何参数包括叶轮前盖板流线、中间流线和后盖板流线三条流线的进出口安放角、包角及叶片数，并通过三次贝塞尔曲线方程对叶轮叶片型线安放角分布规律进行控制；本发明在叶轮轴面尺寸不变情况下，既能确保最高效率近似相等，其最高效率点对应扬程误差控制在0～4％范围内，又能确保整体效率向大流量点偏离。本发明通过离心泵叶轮进行变型设计，能够快速响应以满足客户对离心泵水力性能的高效区特定位置的要求，加快产品开发周期，降低成本。
附图说明
图1为叶轮轴面图及叶轮前盖板流线、中间流线和后盖板流线三条流线的出口速度三角形示意图。
图中，Vm2h——未优化前的中间流线出口轴面速度，m/s；
Vm2p——未优化前的后盖板流线出口轴面速度，m/s；
Vm2n——未优化前的前盖板流线出口轴面速度，m/s；
Wm2h——未优化前的中间流线出口相对速度，m/s；
Wm2p——未优化前的后盖板流线出口相对速度，m/s；
Wm2n：未优化前的前盖板流线出口相对速度，m/s；
Vm2n——未优化前的前盖板流线出口相对速度，m/s；
V2h——未优化前的中间流线出口绝对速度，m/s；
V2p——未优化前的后盖板流线出口绝对速度，m/s；
V2n——未优化前的前盖板流线出口绝对速度，m/s；
Vm2h′——优化后的中间流线出口轴面速度，m/s；
V2h′——优化后的中间流线出口绝对速度，m/s；
Wm2h′——优化后的中间流线出口相对速度，m/s；
Vm2p′——优化后的后盖板流线出口轴面速度，m/s；
Vm2n′——优化后的前盖板流线出口轴面速度，m/s；
Wm2p′——优化后的后盖板流线出口相对速度，m/s；
Wm2n′——优化后的前盖板流线出口相对速度，m/s；
V2h′——优化后的中间流线出口绝对速度，m/s；
V2p′——优化后的后盖板流线出口绝对速度，m/s；
V2n′——优化后的前盖板流线出口绝对速度，m/s；
β2h——未优化前的叶轮中间流线出口安放角，m/s；
β2h′——优化后的叶轮中间流线出口安放角，°；
β2p——未优化前的叶轮后盖板流线出口安放角，°；
β2p′——优化后的叶轮后盖板流线出口安放角，°；
β2n——未优化前的叶轮前盖板流线出口安放角，°；
β2n′——未优化前的叶轮前盖板流线出口安放角，°；
D1h——中间流线进口直径，mm；
D2h——中间流线出口直径，mm；
图2为叶轮圆周平面投影图；
图中，S1——叶片进口圆周厚度，mm；
S2——叶片出口圆周厚度，mm；
Φ′——优化后的叶轮包角，°；
图3为叶轮前盖板叶片型线、叶轮中间叶片型线和叶轮后盖板叶片型线三条型线及其控制三条型线的三条贝塞尔曲线；
图中，C1p、C2p、C3p、D、B1h、B2h、B3h、A1s、A2s、A3s：三次贝塞尔曲线控制点。
图4为模拟结果验证所得出的实施例一与实施例二的数据对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例一：
本发明结合图1、2和3，通过以下几个公式来调在保持叶轮轴面尺寸不变的情况下，既保证最高效率点的扬程误差不超过一定范围，最高效率值基本接近，又保证性能曲线中扬程线和功率线与未优化前的扬程线和功率线近似平行，且整体效率向大流量点偏离，本实施案例给定的参数如下：
Q＝1200GPM，H＝27.5m，n＝1750r/min，Z＝8，β2p＝44.7°，β2h＝38.6°，β2n＝32.5°，β1h＝45.1°，β1p＝39°，β1n＝33°，Φ＝84°
作为即将优化的方案，叶轮变型几何参数需满足以下关系：
叶轮叶片包角Φ′：
Φ——未优化前的叶轮叶片包角，rad；
Φ′——优化后的叶轮叶片包角，rad；
ns——未优化前的比转速；
ns′——优化后的比转速；
Q——未优化前的额定流量，m3/s；
Q′——优化后的额定流量，m3/s；
H——未优化前的理论扬程，m；
H′——优化后的理论扬程，m；
n——叶轮转速，r/min。
在叶片数Z′不变的情况下，叶轮前盖板流线、中间流线和后盖板流线三条流线的进口安放角满足如下关系：
β1h——未优化前的叶轮中间流线进口安放角，rad；
β1h′——优化后的叶轮中间流线进口安放角，rad；
β1p——未优化前的叶轮后盖板流线进口安放角，rad；
β1p′——优化后的叶轮后盖板流线进口安放角，rad；
β1n——未优化前的叶轮前盖板流线进口安放角，rad；
β1n′——未优化前的叶轮前盖板流线进口安放角，rad；
Q——未优化前的额定流量，m3/s；
Q′——优化后的额定流量，m3/s；
Z′——优化后的叶轮叶片数，个；
K1——进口优化比例系数。
K1＝2.125
式三
在叶片数Z′不变的情况下，叶轮前盖板流线、中间流线和后盖板流线三条流线的出口安放角满足如下关系：
K2＝1.682
式五
当叶片数小幅度变化的情况下，即Z′＝Z±1，叶片进出口优化比例系数满足如下的关系：
β2h——未优化前的叶轮中间流线出口安放角，rad；
β2h′——优化后的叶轮中间流线出口安放角，rad；
β2p——未优化前的叶轮后盖板流线出口安放角，rad；
β2p′——优化后的叶轮后盖板流线出口安放角，rad；
β2n——未优化前的叶轮前盖板流线出口安放角，rad；
β2n′——未优化前的叶轮前盖板流线出口安放角，rad；
ns——未优化前的比转速；
ns′——优化后的比转速；
Z′——优化后的叶轮叶片数，个；
K2——出口优化比例系数。
当叶片数小幅度变化的情况下，即Z′＝Z±1，叶片进出口优化比例系数满足如下的关系：
S1——叶片进口圆周厚度，mm；
S2——叶片出口圆周厚度，mm；
D1h——中间流线进口直径，mm；
D2h——中间流线出口直径，mm；
Z——未优化前的叶轮叶片数，个；
Z′——优化后的叶轮叶片数，个；
K1——进口优化比例系数；
K2——出口优化比例系数。
所述的叶片型线基于三次贝塞尔曲线控制算法对型线进行控制，具体为叶轮前盖板叶片型线、叶轮中间叶片型线和叶轮后盖板叶片型线；三条叶片安放角控制线采用三次贝塞尔曲线进行控制，三次贝塞尔曲线的函数见公式七，其中D点为叶轮前盖板叶片型线、叶轮中间叶片型线和叶轮后盖板叶片型线三条型线的出口汇集点，叶轮前盖板叶片型线的叶片安放角控制线的贝塞尔曲线由给定点C1p、C2p、C3p和D加以控制，叶轮中间叶片型线的叶片安放角控制线的贝塞尔曲线由给定点B1h、B2h、B3h和D加以控制，叶轮后盖板叶片型线的叶片安放角控制线的贝塞尔曲线由给定点A1s、A2s、A3s和D加以控制，其中A1s、B1h、C1p和D点由叶轮轴面尺寸确定，A2s、B2h和C2p在A1s、B1h、C1p及叶轮前盖板流线、叶轮中间流线和叶轮后盖板流线进口安放角确定的切线上，A3s、B3h和C3p在D点及叶轮前盖板流线、叶轮中间流线和叶轮后盖板流线出口安放角确定的切线上，最终点A2s、B2h、C2p和A3s、B3h、C3p根据叶片中间型线安放角的分布规律确定：
B(t)＝(1-t)3P0+3t(1-t)2P1+3t2(1-t)P2+t3P3，t∈(0,1) 公式七
其中，B(t)为贝塞尔控制曲线方程表示符号；
P1、P2、P3和P0为三次贝塞尔曲线的控制点；
t为贝塞尔曲线控制值。
实施例二：
本实施例与实施例一不同在于：
当Q＝1400GPM，H＝27.5m，n＝1750r/min，Z＝8时，
β2p＝48.1°，β2h＝41.4°，β2n＝34.7°，β1h＝48.8°，β1p＝42.6°，β1n＝36.5°，Φ＝75.1°
如图4所示，实施例二与实施例一在叶轮轴面尺寸不变情况下，改变实施例一中的理论流量为1400GPM，根据模拟结果，高效点在1400GPM左右，且扬程为27.24m，与原理论扬程27.5m相差不超过4％，实施例一中在仅对叶轮作CFD模拟中效率值为96.73％，实施例二的效率值为96.5％，效率值保持近似相等，显然变型设计后的叶轮最优效率已经向大流量偏离，计算结果达到了符合预期目标。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种离心泵叶轮水力变型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：根据离心泵未优化前叶轮所有设计几何参数以及离心泵设计额定流量、设计理论扬程和转速，仅改变叶轮设计额定流量和理论扬程来获取优化后的叶轮变型几何参数，所述的叶轮变型几何参数包括叶轮前盖板流线、中间流线和后盖板流线三条流线的进出口安放角、包角及叶片数，并通过三次贝塞尔曲线方程对叶轮叶片型线安放角分布规律进行控制，当比转速120<ns<ns′<180时，叶轮变型几何参数中的叶轮叶片包角Φ′满足如下关系：
Φ——未优化前的叶轮叶片包角，rad；
Φ′——优化后的叶轮叶片包角，rad；
ns——未优化前的比转速；
ns′——优化后的比转速；
Q——未优化前的额定流量，m3/s；
Q′——优化后的额定流量，m3/s；
H——未优化前的理论扬程，m；
H′——优化后的理论扬程，m；
n——叶轮转速，r/min。
2.根据要求1所述的离心泵叶轮水力变型设计方法，其特征在于，在叶片数Z′不变的情况下，叶轮前盖板流线、中间流线和后盖板流线三条流线的进口安放角满足如下关系：
β1h——未优化前的叶轮中间流线进口安放角，rad；
β1h′——优化后的叶轮中间流线进口安放角，rad；
β1p——未优化前的叶轮后盖板流线进口安放角，rad；
β1p′——优化后的叶轮后盖板流线进口安放角，rad；
β1n——未优化前的叶轮前盖板流线进口安放角，rad；
β1n′——未优化前的叶轮前盖板流线进口安放角，rad；
Q——未优化前的额定流量，m3/s；
Q′——优化后的额定流量，m3/s；
Z′——优化后的叶轮叶片数，个；
K1——进口优化比例系数。
3.根据要求2所述的离心泵叶轮水力变型设计方法，其特征在于，
K1＝2.125 公式三。
4.根据要求3所述的离心泵叶轮水力变型设计方法，其特征在于，在叶片数Z′不变的情况下，叶轮前盖板流线、中间流线和后盖板流线三条流线的出口安放角满足如下关系：
β2h——未优化前的叶轮中间流线出口安放角，rad；
β2h′——优化后的叶轮中间流线出口安放角，rad；
β2p——未优化前的叶轮后盖板流线出口安放角，rad；
β2p′——优化后的叶轮后盖板流线出口安放角，rad；
β2n——未优化前的叶轮前盖板流线出口安放角，rad；
β2n′——未优化前的叶轮前盖板流线出口安放角，rad；
ns——未优化前的比转速；
ns′——优化后的比转速；
Z′——优化后的叶轮叶片数，个；
K2——出口优化比例系数。
5.根据要求4所述的离心泵叶轮水力变型设计方法，其特征在于，
K2＝1.682 公式五。
6.根据要求5所述的离心泵叶轮水力变型设计方法，其特征在于，当叶片数小幅度变化的情况下，即Z′＝Z±1，叶片进出口优化比例系数满足如下的关系：
S1——叶片进口圆周厚度，mm；
S2——叶片出口圆周厚度，mm；
D1h——中间流线进口直径，mm；
D2h——中间流线出口直径，mm；
Z——未优化前的叶轮叶片数，个；
Z′——优化后的叶轮叶片数，个；
K1——进口优化比例系数；
K2——出口优化比例系数。
7.如权利要求6所述的一种离心泵叶轮水力变型设计方法，其特征在于，所述叶片型线基于三次贝塞尔曲线方程对型线进行控制，所述叶片型线包括叶轮前盖板叶片型线、叶轮中间叶片型线和叶轮后盖板叶片型线；三条叶片安放角控制线采用三次贝塞尔曲线进行控制，三次贝塞尔曲线的函数见公式七：
B(t)＝(1-t)3P0+3t(1-t)2P1+3t2(1-t)P2+t3P3，t∈(0,1) 公式七
其中，B(t)为贝塞尔控制曲线方程表示符号；
P1、P2、P3和P0为三次贝塞尔曲线的控制点；
t为贝塞尔曲线控制值。
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