CN111911423A - 一种基于piv的离心泵叶轮极限外径测量及优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PIV的离心泵叶轮极限外径测量及优化方法。利用粒子图像测速PIV对叶轮内部流场测试获得各采样点的欧拉扬程值；并处理获得参考叶片欧拉扬程差值；对待处理叶轮，用两个条件判断是否叶轮符合要求，若不符合，则对待处理叶轮中的叶片的实际做功有效半径进行增大改变处理；确定新叶轮的载荷分布，通过新叶轮的载荷分布反求欧拉扬程分布，再不断迭代判断和处理，使得最终叶轮的叶片同时满足两个条件。本发明方法处理获得的叶轮结构紧凑，叶片长度减短，能够明显改善叶轮内部的流动状态，降低离心泵的能量损失，提高离心泵的性能。

Description

一种基于PIV的离心泵叶轮极限外径测量及优化方法
技术领域
本发明属于流体机械工程和动力工程领域的一种叶轮结构处理优化方法，尤其是一种基于PIV的离心泵叶轮极限外径测量及优化方法。
背景技术
作为通用机械，泵已经广泛应用于国民经济的各个领域，尤其是在国防、水利、航天、石油化工等领域发挥着非常重要的作用。然而泵内部的复杂流动是影响泵稳定运行的主要因素，对于离心泵的性能特性研究的精确分析还没有特定的方法。PIV作为一种可视化的，比较先进的流体测速技术，逐渐运用在离心泵内部的流动测试试验中，借助试验技术来反映出泵在运行时真实的内部流动情况。叶轮是离心泵中最主要的过流部件和做功部件，也是产生能量损失的主要部件，其设计优劣直接影响泵的运行效率和运行稳定性，因此对泵叶片的优化设计具有重大的意义。
目前常用能量熵理论，对流道进行熵产分析，确定水力损失情况。但是，该式判断比较繁琐，难度较大。在现有的数值模拟中，该式有一项脉动量无法计算，需要湍动能耗散来代替，准确度无法确定。因此需要简单有效的新判断方法来判断能量损失的多少。
其次，像航空泵这些，要求结构小，功率密度高，重量小，所以往叶轮结构更加紧凑的方向研究有很重要的意义。
因此，现有技术缺少了一种方式能够判断是否叶轮做功充分，并同时避免叶轮结构松散所带来能量损失的不利影响。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提出了一种基于PIV干涉下的叶轮优化方法，同时满足两项性能判断方法，新叶轮结构紧凑，能有效改善内部流场，降低能量损失，提高泵的性能。
为达到以上目的，如图1所示，采用如下技术方案：
1)利用粒子图像测速PIV对所需优化的叶轮的初始模型内部流场在1.0Qd工况下进行拍摄，Qd为800r/min转速下最佳效率所对应的流量点，并从叶片的入口到出口之间设置多个采样点，测试处理获得各采样点的欧拉扬程值变化图，各采样点按照叶片线型排序；采样获得各采样点欧拉扬程值的最大值与叶片出口位置的采样点的欧拉扬程值之间的差作为参考叶片欧拉扬程差值；
所述的粒子图像测速PIV是在离心泵里面加示踪粒子，离心泵是有机玻璃，利用示踪粒子进行检测获得离心泵内部流场状况，进而后处理获得相关数据。
叶片的出口靠近径向外端，叶片的入口靠近径向内端。
2)针对待处理叶轮，叶轮中具有沿圆周间隔均布的多个叶片，每个叶片可以以曲线或者直线大致沿径向方向布置，按照以下两个条件判断是否叶轮符合要求：
I.极限外径值在0.94L-0.97L范围，极限外径值为各采样点欧拉扬程最大所对应的采样点位置到叶片进口的距离占整个叶片的型线长度L之间的比例；其中：L为无量纲化的叶片型线长度，即叶片子午线长度。
II.各采样点欧拉扬程值的最大值与叶片出口位置的采样点的欧拉扬程值之间的差与参考叶片欧拉扬程差值之间的比例K在0.8-0.9范围；
若两个条件均满足，则待处理叶轮做功达到最大化，不对待处理叶轮进行调整；
若两个条件并非同时满足，则待处理叶轮做功不充分，进行下一步对待处理叶轮中的叶片的实际做功有效半径进行增大改变处理，即将叶片的有效长度进行有效减短，所有叶片均统一处理，形成新叶轮；
3)根据新叶轮和离心泵的流量确定新叶轮的载荷分布后，根据以下公式通过新叶轮的载荷分布反求欧拉扬程分布：
Figure BDA0002603186070000021
其中，
Figure BDA0002603186070000022
表示新叶轮的载荷分布，
Figure BDA0002603186070000023
表示绝对速度的周向分量，Z表示叶片数，g表示重力加速度，ω为叶轮的角速度，HLEH为欧拉扬程，θ表示方位角。
然后根据欧拉扬程分布回到步骤2)进行判断和处理，不断优化使得直到最终叶轮的叶片同时满足两个条件。
所述步骤1)的具体为：
1.1)对已知形状和参数的待处理叶轮，将叶片按自身的型线分为若干等份段，每个等份段处建立一个采样点，并且为从叶轮中心到叶片出口对各个采样点进行顺序编号；
1.2)利用粒子图像测速PIV对待处理叶轮的内部流场进行拍摄，得到每个采样点的欧拉扬程，做出各采样点欧拉扬程值变化图。
所述步骤2)中包括：
2.1)当某采样点的欧拉扬程为所有欧拉扬程值的最大值HLEH-max时，该采样点按照以下公式计算其叶片相对型线长度r作为极限外径：
Figure BDA0002603186070000031
其中，H表示采样点处的欧拉扬程值，Vu表示采样点处的绝对流速的圆周分量，g表示重力加速度，ω为叶轮的角速度；
2.2)然后按照以下公式计算获得各采样点欧拉扬程值的最大值与叶片出口位置的采样点的欧拉扬程值之间的差与参考叶片欧拉扬程差值之间的比例K：
Figure BDA0002603186070000032
其中，HLEH-max为叶片所有欧拉扬程值的最大值，HLEH-out为叶片出口处采样点的欧拉扬程值；[[HLEH-max-HLEH-out]]1.0Qd表示参考叶片欧拉扬程差值。
所述步骤3)中，在叶轮做功不变的前提下，即优化前后叶片载荷分布曲线与横坐标围成的面积相等，通过改变叶片载荷加载方式，结合改变叶片包角和进出口角，将叶片的实际做功有效半径进行增大，使得增大后的叶片的实际做功有效半径为增大前的叶片的实际做功有效半径进行增大110％-115％。
所述步骤3)中，通过改变叶片载荷加载方式，具体是将叶轮的载荷曲线分为前加载区、主加载区和后加载区的三段式，形成近似于梯形曲线，并设置前加载区和主加载区之间拐点的前加载点位置、主加载区斜率和主加载区和后加载区之间拐点的后加载点位置。
并结合实施减小包角和调整叶片进出口角，使增大后的叶片的实际做功有效半径为增大前的叶片的实际做功有效半径进行增大110％-115％。
本发明的有益效果是：
本发明利用PIV针对现有初始模型叶轮进行测量，利用两项性能判断方法，根据叶片实际做功的有效半径从节省材料减小泵结构和使叶轮做功最大化的角度来说，通过增加叶轮的有效做功半径而确保做功不变对叶片长度进行减短。通过不断调整载荷曲线分布，反问题处理建立最优曲线获得叶片型线，进而反求欧拉扬程分布，优化叶轮和叶片结构。
本方法对叶轮结构的叶片进行优化，方法简单明了，且这种方法等同进行流场数值计算，免去了画网格，流动数值模拟等繁琐操作，节省了时间，并且结果准确度相差无几，可有效替代流场数值计算。
本发明方法能有效优化叶轮结构，优化后的新叶轮结构紧凑，实际做功有效半径增大，能够有效地改善叶轮内部流场，降低离心泵内部能量损失，提高离心泵的性能。
附图说明
图1为新叶轮的设计流程图；
图2为待处理叶轮的结构图；
图3为待处理叶轮进口处采样点的局部示意图；
图4为各个工况下各点欧拉扬程值随叶片线型变化图；
图5为待处理叶轮载荷分布曲线图；
图6为新叶轮载荷分布曲线图；
图7为新叶轮的结构图；
图8(a)、图8(b)分别为待处理叶轮和新叶轮性能曲线图；
图9为1.0Qd工况下待处理叶轮和新叶轮性能曲线对比图；
表1为待处理叶轮各工况下各欧拉扬程参量统计表；
表2为新叶轮的几何参数数据图。
(注：以下附图中叶片长度均为叶片子午线展开长度。)
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。设计流程图如图1所示。本发明的保护范围并不限于此。
本发明的实施例及其实施情况如下：
步骤一：判断待处理叶轮是否符合两项性能判断方法
待处理叶轮的设计参数：叶轮进口直径56mm，出口直径142mm，进口安放角28°,出口安放角34°,叶片包角96°,比转速23.8,叶片数为5。待处理叶轮结构图如图2所示。模型泵叶轮由有机玻璃材料加工，叶轮叶片通过粘胶的方式固定在叶轮前后盖板之间。模型泵在800r/min时，最佳效率点对应的流量为Qd是1.7m3/h。
对待处理叶轮，将叶片型线均分为44部分，得到45个欧拉扬程采样点。叶轮进口处采样点的局部示意图如图3所示。利用粒子图像测速PIV对所需优化的叶轮的初始模型内部流场进行拍摄，通过后处理得到各采样点的欧拉扬程这一物理量。图4所示为各个工况下进口沿着流道子午线到出口的各点欧拉扬程随叶片线型变化图。纵坐标为欧拉扬程值，横坐标为叶片型线上任意一点在叶轮叶片进口与叶片出口之间的径向相对位置。当r/rm＝0时，即为叶轮叶片进口位置，当r/rm＝1时，即为叶轮叶片出口位置。
结合PIV后处理所得的相对速度分布图，得出在1.0Qd工况时各个流道流动稳定。随着流量的继续降低，各个流道逐渐出现流动分离现象，在分离涡的作用下，低速区慢慢充满流道，流动状态变得紊乱；同时欧拉扬程的最大值越大，出口欧拉扬程值越大，最大欧拉扬程值与出口欧拉扬程值的差与原叶轮相应值之间的比例呈递增趋势，最大值点离出口的距离越远。
通过数据整理，各数据如表1所列举。
表1待处理叶轮各工况下各欧拉扬程参量统计表
Figure BDA0002603186070000051
注：HLEH-max为最大欧拉扬程值HLEH-out为出口欧拉扬程值r为极限外径
新设计的叶轮选在1.0Qd工况下比较，更有利于分析。由待处理叶轮欧拉扬程变化趋势图，得出初始极限外径范围在0.88L-0.90L间，L为叶片型线长度，K为1.0-1.8。根据本发明提出的两项性能判断方法：I.极限外径值在0.94L-0.97L范围，极限外径值为各采样点欧拉扬程最大所对应的采样点位置到叶片出口的距离占整个叶片的型线长度L之间的比例；[其中：L为无量纲化的叶片型线长度，即叶片子午线长度。]II.各采样点欧拉扬程值的最大值与叶片出口位置的采样点的欧拉扬程值之间的差与参考叶片欧拉扬程差值之间的比例K在0.8-0.9范围。
根据本发明提出的两项性能判断方法判断待处理叶轮是否满足。经判定，待处理叶轮没有满足要求，则通过减短叶片长度，增加有效做功半径(叶片实际做功有效半径)来改善叶轮内部性能。
步骤二：新叶片造型
由以下公式计算得到待处理叶轮的载荷特性曲线。
Figure BDA0002603186070000061
待处理叶轮载荷曲线如图5所示，在保证叶轮做功不变的前提下，即前后叶片载荷分布曲线与横坐标围成的面积相等，通过改变叶片载荷加载方式，最终载荷曲线采用三段式，前加载点为0.35，后加载点为0.71，主加载区斜率k＝0.4。结合通过减小包角，包角由96°减小到86°，同时改变叶片进出口角。最终新叶片的长度为77mm，而待处理叶轮叶片长度为87mm，新叶片长度较待处理叶轮叶片长度减小12％。新叶轮的载荷分布曲线如图6所示。将确定好的新叶轮载荷分布曲线作为设计的输入条件进行叶轮的优化设计。确定叶片载荷后，根据叶片型线微分方程得到该叶轮的几何参数，几何参数数据如表2所列举。
表2新叶轮的几何参数数据图
Figure BDA0002603186070000062
该叶轮的几何参数为：所述新叶轮叶片数为5片，叶片厚度为3-5mm，叶片进口宽度为11-15mm，叶片出口宽度为6-9mm，叶片进口半径为20-26mm，出口半径为66-72mm，进口安放角为30-34度，出口安放角为31-35度，包角为84-88度。新叶轮的结构图如图7所示。
步骤三:判断新叶片是否满足设计要求
对新设计的叶片，通过载荷分布反求欧拉扬程分布，依据公式为
Figure BDA0002603186070000071
图8(a)、图8(b)分别为待处理叶轮和优化叶轮性能曲线图。由于是求积分得到的新叶轮欧拉扬程分布值，所以得到的是新叶轮欧拉扬程的型线图。型线与实际值曲线只需要上下平移就能重合。因此将新叶轮的欧拉扬程型线与待处理叶轮型线进行对比，如图9所示。从图中可以看出K值为0.81，符合0.8-0.9范围内；且从图中可以看出待处理叶轮叶片长度为87mm，极限外径为0.906L(L为叶片长度)；新叶轮叶片长度为77mm，极限外径为0.951L，因此得出欧拉扬程最大值点的位置离出口距离占整个子午线长比减小，并符合0.94L-0.97L范围。最终，新叶轮同时满足两项性能判断方法，设计合理。新叶轮结构紧凑，叶片长度有效减短，实际做功有效半径增大，内部能量损失减小，性能有效提高。
由此可见，通过基于PIV的离心泵叶轮极限外径测量及优化方法有效，新叶轮结构紧凑，实际做功有效半径增大，能够有效的改善叶轮内部流场，降低离心泵内部能量损失，提高离心泵的性能。

Claims (5)

1.一种基于PIV的离心泵叶轮极限外径测量及优化方法，其特征在于：方法包括：
1)利用粒子图像测速PIV对所需优化的叶轮的初始模型内部流场在1.0Qd工况下进行拍摄，Qd为800r/min转速下最佳效率所对应的流量点，并从叶片的入口到出口之间设置多个采样点，测试处理获得各采样点的欧拉扬程值变化图，各采样点按照叶片线型排序；采样获得各采样点欧拉扬程值的最大值与叶片出口位置的采样点的欧拉扬程值之间的差作为参考叶片欧拉扬程差值；
2)针对待处理叶轮，按照以下两个条件判断是否叶轮符合要求：
I.极限外径值在0.94L-0.97L范围，极限外径值为各采样点欧拉扬程最大所对应的采样点位置到叶片进口的距离占整个叶片的型线长度L之间的比例；
II.各采样点欧拉扬程值的最大值与叶片出口位置的采样点的欧拉扬程值之间的差与参考叶片欧拉扬程差值之间的比例K在0.8-0.9范围；
若两个条件均满足，则待处理叶轮做功达到最大化，不对待处理叶轮进行调整；
若两个条件并非同时满足，则待处理叶轮做功不充分，进行下一步对待处理叶轮中的叶片的实际做功有效半径进行增大改变处理，形成新叶轮；
3)根据新叶轮和离心泵的流量确定新叶轮的载荷分布后，根据以下公式通过新叶轮的载荷分布反求欧拉扬程分布：
Figure FDA0002603186060000011
其中，
Figure FDA0002603186060000012
表示新叶轮的载荷分布，
Figure FDA0002603186060000013
表示绝对速度的周向分量，Z表示叶片数，g表示重力加速度，ω为叶轮的角速度，HLEH为欧拉扬程，θ表示方位角。
然后根据欧拉扬程分布回到步骤2)进行判断和处理，不断优化使得直到最终叶轮的叶片同时满足两个条件。
2.根据权利要求1所述的一种基于PIV的离心泵叶轮极限外径测量及优化方法，其特征在于：所述步骤1)的具体为：
1.1)对已知形状和参数的待处理叶轮，将叶片按自身的型线分为若干等份段，每个等份段处建立一个采样点，并且为从叶轮中心到叶片出口对各个采样点进行顺序编号；
1.2)利用粒子图像测速PIV对待处理叶轮的内部流场进行拍摄，得到每个采样点的欧拉扬程，做出各采样点欧拉扬程值变化图。
3.根据权利要求1所述的一种基于PIV的离心泵叶轮极限外径测量及优化方法，其特征在于：所述步骤2)中包括：
2.1)当某采样点的欧拉扬程为所有欧拉扬程值的最大值HLEH-max时，该采样点按照以下公式计算其叶片相对型线长度r作为极限外径：
Figure FDA0002603186060000021
其中，H表示采样点处的欧拉扬程值，Vu表示采样点处的绝对流速的圆周分量，g表示重力加速度，ω为叶轮的角速度；
2.2)然后按照以下公式计算获得各采样点欧拉扬程值的最大值与叶片出口位置的采样点的欧拉扬程值之间的差与参考叶片欧拉扬程差值之间的比例K：
Figure FDA0002603186060000022
其中，HLEH-max为叶片所有欧拉扬程值的最大值，HLEH-out为叶片出口处采样点的欧拉扬程值；[[HLEH-max-HLEH-out]]1.0Qd表示参考叶片欧拉扬程差值。
4.根据权利要求1所述的一种基于PIV的离心泵叶轮极限外径测量及优化方法，其特征在于：所述步骤3)中，在叶轮做功不变的前提下，即优化前后叶片载荷分布曲线与横坐标围成的面积相等，通过改变叶片载荷加载方式，结合改变叶片包角和进出口角，将叶片的实际做功有效半径进行增大，使得增大后的叶片的实际做功有效半径为增大前的叶片的实际做功有效半径进行增大110％-115％。
5.根据权利要求4所述的一种基于PIV的离心泵叶轮极限外径测量及优化方法，其特征在于：所述步骤3)中，通过改变叶片载荷加载方式，具体是将叶轮的载荷曲线分为前加载区、主加载区和后加载区的三段式，并设置前加载点位置、主加载区斜率和后加载点位置；并结合实施减小包角和调整叶片进出口角，使增大后的叶片的实际做功有效半径为增大前的叶片的实际做功有效半径进行增大110％-115％。
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