CN110608191B - 一种基于奥森涡的叶片设计方法及其设计的叶片泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于奥森涡的叶片设计方法及其设计的叶片泵，叶片泵的每一级由叶轮及与之配合的导叶组成，叶片泵叶轮的叶片包括：进口角、型线和出口角，其中，叶片在延伸方向上具有第一端和第二端，第一端连接进口角，第二端连接出口角；叶片的进口角由基于奥森涡的设计方法进行确定；叶片的型线和出口角由正反问题迭代方法进行确定。基于奥森涡的叶片设计方法利用奥森涡模型确定上级导叶的下游流场，通过叶片进口的速度三角形确定位于上级导叶下游流场的叶片进口角。根据本发明实施例的叶片泵，可以有效减小叶轮进口的冲击损失，提高多级叶片泵的扬程和效率。

Description

一种基于奥森涡的叶片设计方法及其设计的叶片泵

技术领域

本发明涉及叶片泵技术领域，特别涉及一种基于奥森涡的叶片设计方法及其设计的叶片泵。

背景技术

近年来，流体机械正朝着高水头高效率的方向不断发展。采用多个叶片泵连续串联形成多级结构是有效提高泵系统总扬程的有效手段。目前，在多级叶片泵系统中，每一级均采用完全相同的叶片泵是最为常见的方式。实验观测和数值模拟的结果表明，当各级采用完全相同的叶片时，由于每一级叶片进口处入流条件的不同，会导致后级流道中发生明显的流动分离现象，严重影响多级系统的运行效率和安全稳定。

在多级叶片泵系统中，目前主要通过各类优化算法实现对多级叶片泵性能的提升。一方面，采用优化算法提升多级叶片泵的性能时，一般需要大量的算例作为样本，资源耗费较大；另一方面，利用优化算法得到的结果很难在理论上做出解释，往往难以进行推广。

本发明实施例提出的基于奥森涡的叶片设计方法，是从理论层面推导得到的多级叶片泵设计方法，是快速有效提升其性能的重要途径。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种叶片泵的叶片设计方法，该方法可以快速对多级叶片泵进行设计，有效提升多级叶片泵系统的扬程和效率。

本发明的另一个目的在于提出一种叶片泵的叶片。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种叶片泵的叶片，包括：进口角和出口角，叶片在延伸方向上具有第一端和第二端，所述第一端连接所述进口角，所述第二端连接所述出口角，所述第一端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成的所述进口角由基于奥森涡的设计方法进行确定，所述第二端的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂轴线的平面之间形成的出口角由正反问题迭代方法进行确定；和，型线，所述叶片的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂轴线的平面之间形成的安放角沿相对轴面流线的分布规律由正反问题迭代方法进行确定。

本发明实施例的叶片泵的叶片，利用奥森涡模型确定上级导叶的下游流场，通过叶片进口的速度三角形确定位于上级导叶下游流场的叶片进口角，从而可以快速完成多级叶片泵的设计，有效提升多级叶片泵系统的扬程和效率，有效减小叶轮进口的冲击损失，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的叶片泵的叶片还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述奥森涡模型确定的上级导叶的下游流场中流动速度沿圆周方向分量的分布规律为：

其中，ν为多级叶片泵中输运的流体的运动粘度，r_s为所述上级导叶在轮缘处的半径，r_h为所述上级导叶在轮毂处的半径，Γ_D为所述上级导叶在导叶叶片出口处的速度环量，L为对应于所述上级导叶下游的轴面流线上预定位置与上级导叶叶片出口之间的距离，c_m4为所述上级导叶下游的流动速度沿轴面流线方向的分量，r为所述上级导叶下游流场中预定位置处的半径，t₀为根据上级导叶结构确定的参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过叶片进口的速度三角形确定所述进口角，公式为：

其中，c_m5为所述叶片在进口处的流动速度沿轴面流线方向的分量，u₅为所述叶片在进口处的圆周速度，c_u5为所述的利用奥森涡模型确定的位于上级导叶下游流场的叶片进口处流动速度沿圆周方向的分量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，叶片进口角的分布规律为：

进一步地，在本发明的一个实施例中，每一级对应位置的所述叶片进口角与级数呈反比。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种叶片泵的叶片设计方法，叶片为上述实施例所述的叶片泵的叶片，其中，所述方法包括以下步骤：确定在延伸方向上的所述第一端和所述第二端；基于奥森涡的设计方法进行确定所述第一端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成的所述进口角，并由正反问题迭代方法进行确定所述第二端的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂轴线的平面之间形成的出口角；基于正反问题迭代方法进行确定所述叶片的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂轴线的平面之间形成的安放角沿相对轴面流线的分布规律。

本发明实施例的叶片泵的叶片设计方法，利用奥森涡模型确定上级导叶的下游流场，通过叶片进口的速度三角形确定位于上级导叶下游流场的叶片进口角，从而可以快速完成多级叶片泵的设计，有效提升多级叶片泵系统的扬程和效率，有效减小叶轮进口的冲击损失，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的叶片泵的叶片设计方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述奥森涡模型确定的上级导叶的下游流场中流动速度沿圆周方向分量的分布规律为：

其中，ν为多级叶片泵中输运的流体的运动粘度，r_s为所述上级导叶在轮缘处的半径，r_h为所述上级导叶在轮毂处的半径，Γ_D为所述上级导叶在导叶叶片出口处的速度环量，L为对应于所述上级导叶下游的轴面流线上预定位置与上级导叶叶片出口之间的距离，c_m4为所述上级导叶下游的流动速度沿轴面流线方向的分量，r为所述上级导叶下游流场中预定位置处的半径，t₀为根据上级导叶结构确定的参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过叶片进口的速度三角形确定所述进口角，公式为：

其中，c_m5为所述叶片在进口处的流动速度沿轴面流线方向的分量，u₅为所述叶片在进口处的圆周速度，c_u5为所述的利用奥森涡模型确定的位于上级导叶下游流场的叶片进口处流动速度沿圆周方向的分量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，叶片进口角的分布规律为：

进一步地，在本发明的一个实施例中，每一级对应位置的所述叶片进口角与级数呈反比。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的叶片泵的立体示意图；

图2为根据本发明实施例的叶片泵的叶片进口角沿半径方向的分布规律示意图；

图3为根据本发明实施例的叶片泵的叶片设计方法的流程图。

附图标记说明：

第一级叶轮11，第一级导叶12，第二级叶轮21，第二级导叶22，第三级叶轮31，轮毂侧23，叶片24，轮缘侧25，第一端26，型线27，第二端28，进口角β₅，出口角β₆。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，根据本发明实施例的多级叶片泵，该多级叶片泵包括第一级叶轮11、第一级导叶12、第二级叶轮21、第二级导叶22、第三级叶轮31。其中，叶轮包括轮毂侧23、叶片24和轮缘侧25，叶片包括第一端26、型线27、第二端28。

根据本发明实施例的多级叶片泵，通过设置叶片24第一端26的进口角β₅、型线27和第二端的出口角β₆，且叶片第一端26的进口角分布符合

这种叶片可以有效提升多级叶片泵系统的扬程和效率。

具体而言，叶片24在延伸方向上具有第一端26和第二端28，第一端26连接进口角β₅，第二端28连接出口角β₆，叶片24的第一端26的轴面流线的切线与垂直于轮毂23轴线的平面之间形成的进口角由基于奥森涡的设计方法进行确定。叶片24的轴面流线的切线与垂直于轮毂23轴线的平面之间形成的安放角沿相对轴面流线的分布规律由正反问题迭代方法进行确定。叶片24的第二端28的轴面流线的切线与垂直于轮毂23轴线的平面之间形成的出口角由正反问题迭代方法进行确定。

此外，利用奥森涡模型确定的上级导叶12的下游流场中流动速度沿圆周方向分量的分布规律为

其中，ν为多级叶片泵中输运的流体的运动粘度，r_s为上级导叶12在轮缘处的半径，r_h为上级导叶12在轮毂处的半径，Γ_D为上级导叶12在导叶叶片出口处的速度环量，L为对应于上级导叶12下游的轴面流线上预定位置与上级导叶12叶片出口之间的距离，c_m4为上级导叶12下游的流动速度沿轴面流线方向的分量，r为上级导叶12下游流场中预定位置处的半径，t₀为根据上级导叶12结构确定的参数。

通过叶片24进口的速度三角形确定叶片24的进口角

其中，c_m5为叶片24在进口处的流动速度沿轴面流线方向的分量，u₅为叶片24在进口处的圆周速度，c_u5为利用奥森涡模型确定的位于上级导叶12下游流场的叶片24进口处流动速度沿圆周方向的分量。

一些实施例中，利用奥森涡模型确定上级导叶12的下游流场，通过叶片24进口的速度三角形确定位于上级导叶12下游流场的叶片24进口角。叶片24进口角的分布规律为：

根据上级导叶12结构确定t₀。

如图2所示，随着级数的增加，每一级对应位置的叶片进口角逐渐减小。

相比于传统多级叶片泵，具有应用本设计方法设计的叶片的多级叶片泵水力性能得到提升。与原有的多级叶片泵相比，扬程和效率分别平均提高0.29％和0.19％，以上可以证明基于奥森涡的叶片设计方法的可行性及优越性。

综上，本发明实施例提出的叶片泵的叶片，利用奥森涡模型确定上级导叶的下游流场，通过叶片进口的速度三角形确定位于上级导叶下游流场的叶片进口角，从而可以快速完成多级叶片泵的设计，有效提升多级叶片泵系统的扬程和效率，有效减小叶轮进口的冲击损失，简单易实现。

本发明还提出一种多级叶片泵，该多级叶片泵包括上述实施例的基于奥森涡的叶片设计方法设计的叶片。基于类似的结构，本发明实施例的多级叶片泵的有益效果为：可以快速完成多级叶片泵的设计，有效提升多级叶片泵系统的扬程和效率。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的叶片泵的叶片设计方法。

图3是本发明一个实施例的叶片泵的叶片设计方法的流程图。

如图3所示，该叶片泵的叶片设计方法，叶片为上述实施例的叶片泵的叶片，其中，方法包括以下步骤：

在步骤S301中，确定在延伸方向上的第一端和第二端；

在步骤S302中，基于奥森涡的设计方法进行确定第一端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成的进口角，并由正反问题迭代方法进行确定第二端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成的出口角；

在步骤S303中，基于正反问题迭代方法进行确定叶片的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成的安放角沿相对轴面流线的分布规律。

进一步地，在本发明的一个实施例中，奥森涡模型确定的上级导叶的下游流场中流动速度沿圆周方向分量的分布规律为：

其中，ν为多级叶片泵中输运的流体的运动粘度，r_s为上级导叶在轮缘处的半径，r_h为上级导叶在轮毂处的半径，Γ_D为上级导叶在导叶叶片出口处的速度环量，L为对应于上级导叶下游的轴面流线上预定位置与上级导叶叶片出口之间的距离，c_m4为上级导叶下游的流动速度沿轴面流线方向的分量，r为上级导叶下游流场中预定位置处的半径，t₀为根据上级导叶结构确定的参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过叶片进口的速度三角形确定进口角，公式为：

其中，c_m5为叶片在进口处的流动速度沿轴面流线方向的分量，u₅为叶片在进口处的圆周速度，c_u5为的利用奥森涡模型确定的位于上级导叶下游流场的叶片进口处流动速度沿圆周方向的分量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，叶片进口角的分布规律为：

进一步地，在本发明的一个实施例中，每一级对应位置的叶片进口角与级数呈反比。

需要说明的是，前述对叶片泵的叶片实施例的解释说明也适用于该实施例的叶片泵的叶片设计方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的叶片泵的叶片设计方法，利用奥森涡模型确定上级导叶的下游流场，通过叶片进口的速度三角形确定位于上级导叶下游流场的叶片进口角，从而可以快速完成多级叶片泵的设计，有效提升多级叶片泵系统的扬程和效率，有效减小叶轮进口的冲击损失，简单易实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种叶片泵的叶片，其特征在于，包括：

进口角和出口角，叶片在延伸方向上具有第一端和第二端，所述第一端连接所述进口角，所述第二端连接所述出口角，所述第一端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成的所述进口角由基于奥森涡的设计方法进行确定，所述第二端的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂轴线的平面之间形成的出口角由正反问题迭代方法进行确定；和

型线，所述叶片的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂轴线的平面之间形成的安放角沿相对轴面流线的分布规律由正反问题迭代方法进行确定；

所述奥森涡模型确定的上级导叶的下游流场中流动速度沿圆周方向分量的分布规律为：

其中，ν为多级叶片泵中输运的流体的运动粘度，r_s为所述上级导叶在轮缘处的半径，r_h为所述上级导叶在轮毂处的半径，Γ_D为所述上级导叶在导叶叶片出口处的速度环量，L为对应于所述上级导叶下游的轴面流线上预定位置与上级导叶叶片出口之间的距离，c_m4为所述上级导叶下游的流动速度沿轴面流线方向的分量，r为所述上级导叶下游流场中预定位置处的半径，t₀为根据上级导叶结构确定的参数；

通过叶片进口的速度三角形确定所述进口角，公式为：

其中，c_m5为所述叶片在进口处的流动速度沿轴面流线方向的分量，u₅为所述叶片在进口处的圆周速度，c_u5为所述的利用奥森涡模型确定的位于上级导叶下游流场的叶片进口处流动速度沿圆周方向的分量；

叶片进口角的分布规律为：

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，每一级对应位置的所述叶片进口角与级数呈反比。

3.一种叶片泵的叶片设计方法，其特征在于，叶片为权利要求1-2任一项所述的叶片泵的叶片，其中，所述方法包括以下步骤：

确定在延伸方向上的所述第一端和所述第二端；

基于奥森涡的设计方法进行确定所述第一端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成的所述进口角，并由正反问题迭代方法进行确定所述第二端的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂轴线的平面之间形成的出口角；

基于正反问题迭代方法进行确定所述叶片的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂轴线的平面之间形成的安放角沿相对轴面流线的分布规律；

所述奥森涡模型确定的上级导叶的下游流场中流动速度沿圆周方向分量的分布规律为：

其中，ν为多级叶片泵中输运的流体的运动粘度，r_s为所述上级导叶在轮缘处的半径，r_h为所述上级导叶在轮毂处的半径，Γ_D为所述上级导叶在导叶叶片出口处的速度环量，L为对应于所述上级导叶下游的轴面流线上预定位置与上级导叶叶片出口之间的距离，c_m4为所述上级导叶下游的流动速度沿轴面流线方向的分量，r为所述上级导叶下游流场中预定位置处的半径，t₀为根据上级导叶结构确定的参数；

通过叶片进口的速度三角形确定所述进口角，公式为：

其中，c_m5为所述叶片在进口处的流动速度沿轴面流线方向的分量，u₅为所述叶片在进口处的圆周速度，c_u5为所述的利用奥森涡模型确定的位于上级导叶下游流场的叶片进口处流动速度沿圆周方向的分量；

叶片进口角的分布规律为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每一级对应位置的所述叶片进口角与级数呈反比。

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