CN111832132A - 一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法，通过采用传统设计法进行初次设计，得到原始设计参数；进行几何建模和型线参数化；对原始设计参数采用加大流量法进行设计；将原始设计参数中的流量设计点前移；确定设计点前移量，放大原始设计参数中的设计扬程；通过参数化建模和仿真模拟确定偏离原工况的设计点流量、放大的设计扬程、流量放大系数、比转速放大系数和叶片出口安放角；对偏离原工况的设计点流量、放大的设计扬程、流量放大系数、比转速放大系数和叶片出口安放角分别进行单因素变化模拟其对外特性的影响和各因素对泵在工作流量区域效率的敏感性分析。如此，满足了工作流量范围内整体高效要求。

Description

一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法

技术领域

本发明涉及流体机械设计技术领域，特别涉及一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法。

背景技术

航空机载冷却泵具有流量小、扬程高、转速高的特点，是典型的低比转速离心泵，它是飞机液体冷却泵循环系统的关键部件。由于机载设备众多、功率不一，冷却水泵往往在一定流量范围内频繁变化，因此，提高水泵在变流量工况下的整体效率是这类泵水力设计必须要考虑的问题。

但是，受现有公式模型和经验系数的限制，基于常规泵的相似换算法和速度系数法并不适用于高速离心泵的设计，常规设计的高速泵在小流量易产生流动不稳定现象、效率过低，大流量工况的效率更低。设计能经受高空飞行条件下稳定、安全、高效运行的冷却泵直接决定了机载航电设备的运行性能，对我国国防安全具有重要的影响。

公开号为CN103291653B的专利文件公开了一种低比转数叶轮及其叶片设计方法，采用加大流量法设计低比转速离心泵，能够显著提高泵的效率，但是，加大流量法使泵偏离设计点工况，在小流量工况运行时效率快速下降，更易出现流动不稳定现象。

公开号为CN111271317A的专利文件公开了一种基于叶片载荷分布的离心泵复合叶轮设计方法，采用长短闭式复合叶轮，可取得小流量下运行稳定性，但这样会使叶轮流道变窄，堵塞流道，进而影响效率。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法，当设计流量点前移时，采用加大流量设计法，可以满足工作流量范围内整体高效要求。

一方面，本发明提供了一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法，包括：

采用传统设计法进行初次设计，得到原始设计参数；

进行几何建模和型线参数化；

对原始设计参数采用加大流量法进行设计；

将原始设计参数中的流量设计点前移；

确定设计点前移量，放大原始设计参数中的设计扬程；通过参数化建模和仿真模拟确定偏离原工况的设计点流量、放大的设计扬程、流量放大系数、比转速放大系数和叶片出口安放角；

对偏离原工况的设计点流量、放大的设计扬程、流量放大系数、比转速放大系数和叶片出口安放角分别进行单因素变化模拟其对外特性的影响和各因素对泵在工作流量区域效率的敏感性分析。

可选的，偏离原工况的设计点流量Q₀’的取值范围包括0.8Q₀≤Q₀’≤0.9Q₀，其中，Q₀为原始设计参数中的流量设计点。

可选的，放大的设计扬程H₀’的取值范围包括1.17H₀≤H₀’，其中，H₀为原始设计参数中的设计扬程。

可选的，流量放大系数大于等于1.1且小于等于1.4。

可选的，叶片出口安放角大于等于30度且小于等于40度。

本发明提供的一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法具有以下有益效果：

通过采用传统设计法进行初次设计，得到原始设计参数；进行几何建模和型线参数化；对原始设计参数采用加大流量法进行设计；将原始设计参数中的流量设计点前移；确定设计点前移量，放大原始设计参数中的设计扬程；通过参数化建模和仿真模拟确定偏离原工况的设计点流量、放大的设计扬程、流量放大系数、比转速放大系数和叶片出口安放角；对偏离原工况的设计点流量、放大的设计扬程、流量放大系数、比转速放大系数和叶片出口安放角分别进行单因素变化模拟其对外特性的影响和各因素对泵在工作流量区域效率的敏感性分析。如此，前移设计流量点后，整个效率曲线向前平移，满足要求，并且在小流量区间内，效率变化平缓，保持很高的水平，满足了工作流量范围内整体高效要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅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它附图。

图1是本发明实施例提供的一种离心泵叶轮的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种采用传统方法和加大流量法分别设计的泵的扬程对比曲线示意图；

图3是本发明实施例提供的一种采用传统方法和加大流量法分别设计的泵的效率对比曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的一种加大流量法与传统设计法性能对比曲线；

图5是本发明实施例提供的一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法的流程示意图；

图6是本发明实施例提供的一种设计点前移法和加大流量法分别设计的泵的扬程对比曲线示意图；

图7是本发明实施例提供的一种设计点前移法和加大流量法分别设计的泵的效率对比曲线示意图；

图8是本发明实施例提供的一种本发明最终设计点前移法和加大流量法分别设计的泵的扬程对比曲线示意图；

图9是本发明实施例提供的一种本发明最终设计点前移法和加大流量法分别设计的泵的效率对比曲线示意图；

图10是本发明实施例提供的一种叶轮网格分布图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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的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。

实施例：

请参阅图1-图4，图1是本发明实施例提供的一种离心泵叶轮的结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种采用传统方法和加大流量法分别设计的泵的扬程对比曲线示意图，图3是本发明实施例提供的一种采用传统方法和加大流量法分别设计的泵的效率对比曲线示意图，图4是本发明实施例提供的一种加大流量法与传统设计法性能对比曲线；由图2和图3可知，在1.2Q₀(Q₀为设计流量)时(横轴)，采用加大流量法的叶轮的扬程为129m、效率为0.89，而采用传统方法设计的扬程为123m、效率为0.86；采用加大流量法设计的叶轮高效区更宽，在大流量时加大流量法能获得更高的效率，但是在偏小流量时效率快速下降，无法满足工作流量范围内整体高效要求。

而根据低比转速高速离心泵实际工况需求，泵的工作范围会在0.7Q₀～1.0Q₀，此时传统设计方法设计的泵效率偏低；且采用加大流量法设计的泵在流量小于1.0Q₀后效率快速下降，甚至低于传统设计方法的效率。例如，如图3所示，在0.8Q₀时，传统设计的叶轮效率为0.81，而加大流量法设计的叶轮仅为0.78。

本发明实施例中，针对传统设计方法和加大流量设计法存在的缺点，提出了一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法，请参阅图5，图5是本发明实施例提供的一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法的流程示意图，包括：

S501：采用传统设计法进行初次设计，得到原始设计参数；

S503：进行几何建模和型线参数化；

S505：对原始设计参数采用加大流量法进行设计；

S507：将原始设计参数中的流量设计点前移；

S509：确定设计点前移量，放大原始设计参数中的设计扬程；

S511：通过参数化建模和仿真模拟确定偏离原工况的设计点流量、放大的设计扬程、流量放大系数、比转速放大系数和叶片出口安放角；

S513：对偏离原工况的设计点流量、放大的设计扬程、流量放大系数、比转速放大系数和叶片出口安放角分别进行单因素变化模拟其对外特性的影响和各因素对泵在工作流量区域效率的敏感性分析。

本发明实施例中，通过上述步骤S501-S513，将其设计流量点适当减小，并同时采用加大流量法设计。通过大量仿真模拟可得，当设计流量点前移时，采用加大流量设计法，结果表明：前移设计流量点后，整个效率曲线向前平移，满足要求，并且在小流量区间内，效率变化平缓，保持很高的水平。

可选的，偏离原工况的设计点流量Q₀’的取值范围包括0.8Q₀≤Q₀’≤0.9Q₀，其中，Q₀为原始设计参数中的流量设计点。

可选的，放大的设计扬程H₀’的取值范围包括1.17H₀≤H₀’，其中，H₀为原始设计参数中的设计扬程。

可选的，流量放大系数大于等于1.1且小于等于1.4。

可选的，叶片出口安放角大于等于30度且小于等于40度。

本发明实施例中，如图6和图7所示，首先将其设计点前移，整个效率曲线向前平移，满足要求；但是，此时扬程在1.0Q₀时不满足要求(因为此时此处已不是设计点)；因此，为了增加其在设计点的扬程，有两种方法：1、增加其出口角；2、增大其在0.85Q₀的设计扬程(此时1.0Q₀相当于大流量工况)。上述第一种方法中，当其出口角过大时，在相同流量下叶轮出口速度增加，压水室的水力损失增加，并且在小流量下冲击损失增加，容易使特性曲线出现驼峰。当出口角过大时叶片间相对流动扩散严重，扩散损失也越严重，故放弃第一种方法，选用第二种方法。

因此，如图8和图9所示，在其设计点前移的基础上，将其设计扬程增大，发现其设计点扬程满足要求，且工作区间内，效率保持在较高的水平。

如下表1所示，表1是本发明实施例提供的一种本发明设计方法与传统设计方法在不同流量下的效率对比，由表1可以看出，相对于传统设计方法，本发明实施例提供的设计方法设计的水力模型，最高效率可达86％，最高效率点流量大致为0.9Q₀；当流量在0.7Q₀～1.0Q₀之间时，水力效率均可以保持在80％以上；而采用传统设计方法的水力模型高效区较窄，并且在小流量时效率变化比较显著，这也是传统方法设计高速泵时的弊端。

	0.6Q<sub>0</sub>	0.7Q<sub>0</sub>	0.8Q<sub>0</sub>	0.9Q<sub>0</sub>	1.0Q<sub>0</sub>
						本发明设计方法	71.28％	80％	85.15％	85.4％	85.8％
传统设计方法	67.759％	76％	82.54％	83％	84.3％

本发明实施例中，描述了四个参数对外特性的影响，并对四个参数进行了敏感性分析。

本发明实施例提供的低比转速高速离心泵水力模型设计方法，首先对原始设计参数采用传统设计法进行初次设计；进行几何建模和型线参数化；再对设计参数采用加大流量法进行设计；加大流量法的指导思想是：对给定的设计流量和比转速进行放大，用放大了的流量和比转速来设计；再将其设计点前移，并采用加大流量法进行设计；最后确定设计点前移量，适当放大设计扬程，并采用加大流量设计法进行设计；通过参数化建模和仿真模拟确定了对泵外特性影响显著的四个设计参数，即偏离原工况的设计点流量、放大的设计扬程、流量放大系数K₁和比转速放大系数K₂；对四个参数分别进行了单因素变化模拟其对外特性的影响，进行了各因素对泵在工作流量区域效率的敏感性分析，并最终确定了设计方案。

具体的，本发明实施例的计算过程如下：

首先，采用传统设计方法对原始设计参数进行设计；根据公式(1)计算比转速：

可得比转速n_s＝62.2；

其次，采用速度系数法计算叶轮主要尺寸；根据公式(2)计算叶轮进口直径D_J：

其中，D₀表示叶轮当量直径；K₀表示速度系数，根据统计资料选取；

其次，根据公式(3)计算叶轮出口直径D₂：

其中，叶片出口宽度

其次，采用加大流量法设计：在大量试验的基础上，根据公式(4)对现有有关设计系数进行修正，使之适合于低比转速的加大流量设计：

Q′＝K₁Q

n_s′＝K₂n_s (4)

其中，Q表示设计流量；n_s表示比转速；Q′表示放大的流量；n_s′表示放大的比转速；K₁表示流量放大系数；K₂表示比转速放大系数；

其次，叶轮外径根据袁寿其《低比速离心泵理论与设计》由以下公式(5)确定：

其中，n表示水泵转速；V_m2表示出口速度的轴面分量；g表示重力加速度；H_t∞表示无限叶片数时的理论扬程；u₁表示叶轮进口圆周速度；V_u1表示进口绝对速度的圆周分量；

其次，将其设计比转速和流量放大之后采用速度系数法进行设计；

其次，将其设计点前移，设计扬程增大；

其次，根据公式(6)确定叶片数：一般来说，叶片数与其比速，叶片负荷和扬程有关；

其中，Z表示叶片数；D₁,D₂分别表示叶轮进、出口直径；β₁,β₂分别表示叶片进、出口安放角；

其次，叶片出口角的选择：根据实际情况综合选取，一般为30至40度。

综上，可以得到各设计参数如下表2所示：

流量，L/min	转速，r/min	扬程，m	比转速
				220	11000	132	62

本发明实施例中，将模型进行结构化网格划分；在各流体的壁面对网格进行了加密处理，确保整个计算域的y+值保持在合理的范围，并进行网格无关性验证，得到网格节点总数量为1065375，网格分布如图10(最终设计方法情况)所示，边界条件如表3：

直到计算得到的扬程和效率达到设计要求，否则进行网格的修改。

网格符合要求之后，进行外特性计算，得到泵的外特性曲线。进行下一步的研究。

综上，本发明实施例提供的一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法，使模型在小流量工况内具有很高的效率，内流更加稳定，对特定的工程实际提供了参考。

以上所揭露的仅为本发明的几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种低比转速高速离心泵水力模型设计方法，其特征在于，包括：

采用传统设计法进行初次设计，得到原始设计参数；

进行几何建模和型线参数化；

对所述原始设计参数采用加大流量法进行设计；

将所述原始设计参数中的流量设计点前移；

确定设计点前移量，放大所述原始设计参数中的设计扬程；通过参数化建模和仿真模拟确定偏离原工况的设计点流量、放大的设计扬程、流量放大系数、比转速放大系数和叶片出口安放角；

对所述偏离原工况的设计点流量、所述放大的设计扬程、所述流量放大系数、所述比转速放大系数和所述叶片出口安放角分别进行单因素变化模拟其对外特性的影响和各因素对泵在工作流量区域效率的敏感性分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏离原工况的设计点流量Q₀’的取值范围包括0.8Q₀≤Q₀’≤0.9Q₀，其中，Q₀为所述原始设计参数中的流量设计点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放大的设计扬程H₀’的取值范围包括1.17H₀≤H₀’，其中，H₀为所述原始设计参数中的设计扬程。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流量放大系数大于等于1.1且小于等于1.4。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片出口安放角大于等于30度且小于等于40度。

Images