CN113221264A - 海水淡化泵流道式导叶结构设计优化方法 - Google Patents

海水淡化泵流道式导叶结构设计优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于海水淡化泵的流道式导叶设计方法，其特征在于主要包括以下步骤：对海水淡化泵流道式导叶进行分段，对每一段型线分别用贝赛尔曲线进行控制；用贝赛尔曲线对进口安放角和出口安放角进行控制，用样条曲线对流道式导叶进行光顺拟合；对模型进行网格划分并采用CFX对方案进行数值模拟检查效率、扬程和流线，本发明相比于传统海水淡化泵流道式导叶结构设计方法，不仅能更加快速高效地进行结构造型，而且导叶处的流线光顺平滑，大大提高结构造型的效率和流道式导叶在数值模拟和实验中的扬程和效率，使得泵装置的整个水力性能得到了极大地提高。

Description

海水淡化泵流道式导叶结构设计优化方法
技术领域
本发明涉及流体机械技术领域，具体地说是一种海水淡化泵流道式导叶结构 设计优化方法。
背景技术
众所周知，海水淡化泵流道式导叶是连续变化的流道，和径向导叶相比， 有很多优点。在结构上，由于海水淡化泵流道式导叶没有正导叶的扩散部分， 径向尺寸小，在井用泵和小型塑料泵上得到广泛的应用。在水力性能方面，水 力损失较小，对泵效率的提高较大，这种流道式导叶是多级泵中连接两级最常 用的一种导叶形式。其水力设计比径向导叶要复杂得多，在现有的结构设计中 一般根据经验来设计导叶进出口角度、螺旋线角度和线型、导叶喉部面积等参 数，这种设计方法没有科学的理论和数学模型作为支撑，常常需要耗费很大的 精力和很多的实践来设计一款合格的淡化泵流道式导叶。这就要求对海水淡化 泵的流道式导叶设计方法进行优化，能够快速高效的找找出最优参数。
经检索，CN2015105934252公开了一种空间导叶离心泵水力设计方法的发明 专利申请，这种方法主要是利用基于速度系数法和二元理论快速有效的对空间 导叶的基本几何参数进行计算，构建了基本空间导叶的轴面形状；其次采用贝 塞尔曲线算法对叶片轴面形状和叶片型线安放角进行有效控制，这种设计方法 只能对叶轮是轴向入流、轴向出流、且流道式导叶轴向距离大，径向曲度小的 流道式导叶适用，无法对径向进、轴向出且轴向距离小、径向曲度大的极度扭 曲的空间流道式导叶进行设计，因此，目前，对于海水淡化泵这种导叶还是凭 经验来优化设计，导致产品开发周期长、开发成本高。
并且，根据设计经验，较好的流道式导叶流道的过流面积应基本保持不变， 但在实际设计过程中，由于其特殊的形状，使得导叶处断面面积远大于导叶其 他部位断面面积。导致在弯道处，水流过流断面变窄，流速，压力等参数发生 变化，使得流道式导叶的引流能力下降。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术的实质性不足，提供一种设计速度快、开发 周期短、开发成本低、引流能力高、水力性能显著、显著提高扬程的海水淡化 泵流道式导叶结构设计优化方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术手段是：
一种海水淡化泵流道式导叶结构设计优化方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：根据海水淡化泵流道长度与流道面积的关系曲线，对海水淡化泵流 道式导叶的轴面投影图型线采用分段拟合的方法进行结构设计；
步骤二：对海水淡化泵流道式导叶的进口安放角11和出口安放角12进行设 计；
步骤三：根据样条曲线对海水淡化泵流道式导叶的叶片厚度进行样条拟合；
步骤四：用TurboGrid软件选定参数的叶轮进行网格划分，将画好的网格文 件导入到CFX软件并由从单流道旋转成完整叶轮，进行数值模拟；
步骤五：检查数值模拟的效率和扬程数值模拟模拟出来的效率和扬程如果高 于设计要求的标准工况下的扬程和效率，则符合设计要求，若符合设计要求， 则完成海水淡化泵流道式导叶结构设计优化，若不符合要求，则重复步骤一至 步骤四，直到效率和扬程达到设计要求。
本发明所述步骤一中的对海水淡化泵流道式导叶的轴面投影图型线采用分 段拟合的方法进行结构设计具体为：将流道式导叶分成四段分别进行结构造型， 分开的四段具体为A0B0A1B1叶片上盖板2型线段，A1B1A2B2叶片中间型线过渡 段，A2B2A3B3叶片中间型线连接段，A3B3A4B4叶片下盖板3型线段段，采用4 次贝赛尔曲线方程B(t)＝P0(1-t)4+4P1t(1-t)3+4P2t2(1-t)2+4P3t3(1-t)+P4t4对 A0B0A1B1叶片上盖板2型线段进行控制，当第一段导叶叶片形状调到A1B1终止 端后拟合，以A1B1为起始断面采用4次贝赛尔曲线方程 B(t)＝P0(1-t)4+4P1t(1-t)3+4P2t2(1-t)2+4P3t3(1-t)+P4t4对A1B1A2B2叶片中间型线过 渡段的型线进行控制，当第二段导叶叶片形状调整到A2B2终止端后拟合，再以 A2B2为起始断面继续采用4次贝赛尔曲线方程 B(t)＝P0(1-t)4+4P1t(1-t)3+4P2t2(1-t)2+4P3t3(1-t)+P4t4对A2B2A3B3叶片中间型线连 接段的型线进行控制，当第三段导叶叶片形状调整到A3B3终止端后拟合，最后 再以A3B3起始断面继续采用4次贝赛尔曲线方程 B(t)＝P0(1-t)4+4P1t(1-t)3+4P2t2(1-t)2+4P3t3(1-t)+P4t4对A3B3A4B4叶片下盖板3型 线段段的型线进行控制，当第四段导叶叶片形状调整到A4B4终止端拟合后，完 成对海水淡化泵轴面投影图型线分布的结构设计。
本发明所述步骤二中的对海水淡化泵流道式导叶的进口安放角11和出口安 放角12进行设计具体为：叶片进口安装角指的是进口处的叶片翼型骨线的切线 与圆周方向的夹角，
进口安放角11与进口液流角α'3和进口冲角Δ有关，即进口安放角11等于 进口液流角+进口冲角)，进口冲角选取0°～5°，进口液流角α'3与导叶进口计 算点轴面速度vm3和导叶进口计算点圆周分速度vu3有关，具体公式如下：
Figure BDA0003032012920000034
其中导叶进口计算点轴面速度的计算公式如下：
Figure BDA0003032012920000041
式中：Ψ3——叶片进口排挤系数，Q为流量，
F3——过导叶进口边计算点的轴面液流过水断面面积，
F3＝2πRCb，b＝2/3(s+ρ)；
式中：
s为内切圆弦长度，ρ为内切圆半径，
所述出口安放角12选取的范围角度为55°～90°。
本发明所述步骤二中的对海水淡化泵流道式导叶的进口安放角11和出口安 放角12进行设计还可这样计算，具体为：采用4阶贝赛尔曲线方程对流道式导 叶的进口安放角11和出口安放角12分布规律进行控制，Bézier curve(贝塞尔曲 线)是应用于二维图形应用程序的数学曲线，曲线定义：起始点、终止点(也称 锚点)、控制点，通过调整控制点，分别调整控制进口安放角11和出口安放角 12的角度及其位置；
四阶贝赛尔曲线方程表达式：B(t)＝P0(1-t)4+4P1t(1-t)3+4P2t2(1-t)2+4P3t3(1-t)+P4t4式中；B(t)为t时间下点的坐标，
P0为起点，P4为终点，P1、P2、P3为控制点，t为时间。
本发明所述步骤三对海水淡化泵流道式导叶的叶片厚度进行拟合的具体步 骤为：采用样条曲线依次平滑连接A0B0A1B1叶片上盖板2型线段，A1B1A2B2叶片中间型线过渡段，A2B2A3B3叶片中间型线连接段和A3B3A4B4叶片下盖板3 型线段段的厚度。
本发明的有益效果：本发明通过采用分段的方法对这种径向进轴向出且极 度扭曲的空间流道式导叶进行设计，同时应用贝塞尔曲线和样条曲线构造流道 式导叶轴面投影图线型、进口安放角11和出口安放角12以及流道式导叶叶片 厚度，相比于传统海水淡化泵流道式导叶结构设计方法，不仅能更加快速高效 地进行结构造型，而且导叶处的流线光顺平滑，大大提高结构造型的效率和流 道式导叶在数值模拟和实验中的扬程和效率，使得泵装置的整个水力性能得到 了极大地提高。
附图说明
图1为海水淡化泵流道位置与流道面积变化关系图。
图2为海水淡化泵流道式导叶轴面投影图。
图3为安放角Beta贝赛尔控制线图。(图中A点是进口安放角，B点是出口安 放角，P1、P2、P3、P4为贝塞尔曲线控制点)
图4为海水淡化泵流道式导叶形成的叶轮剖视示意图。
图5为流道式导叶的进口安放角11控制点示意图。
图6为流道式导叶的出口安放角12控制点示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
如附图所示，一种海水淡化泵流道式导叶结构设计优化方法，通过分段造 型和选择贝赛尔曲线和样条曲线进行拟合，高效构造海水淡化泵流道式导叶的 结构设计，其具体步骤为：
步骤一：根据海水淡化泵流道长度与流道面积的关系曲线，对海水淡化泵 流道式导叶1的轴面投影图线性分布进行结构设计；
海水淡化泵流道式导叶1过流断面面积与流道位置的曲线变化趋势如图1 所示，由于现有技术都是根据设计经验，理论上流道式导叶流道的过流面积基 本保持不变，但在实际设计过程中，由于海水淡化泵流道式导叶流道的特殊结 构关系，使得导叶处断面面积远大于导叶其他断面的面积；因此，我们在设计 的时候提出了创新了新的优化轴面投影图的方法，即将流道式导叶1分成四段 分别进行结构造型，如图2所示，分开的四段具体为A0B0A1B1叶片上盖板2 型线段，A1B1A2B2叶片中间型线过渡段，A2B2A3B3叶片中间型线连接段， A3B3A4B4叶片下盖板3型线段；采用4次贝赛尔曲线方程对A0B0A1B1叶片 上盖板2型线段进行控制；调到合适导叶叶片形状后，以A1B1为起始断面对 A1B1A2B2叶片中间型线过渡段，采用4次贝赛尔曲线对该段型线进行拟合； 重复以上操作，完成对海水淡化泵轴面投影图线型分布的结构设计；
步骤二：对海水淡化泵流道式导叶1的进口安放角11和出口安放角12进 行设计；
进口安放角11与进口液流角和进口冲角有关，进口冲角一般按照经验选取 0°～8°。进口液流角与导叶进口计算点轴面速度和导叶进口计算点圆周分速度 有关，在本实施例中，进口安放角11的大小为12度，出口安放角12为90度；
在本发明中采用贝赛尔曲线方程对流道式导叶的进出口安放角12分布规律 进行控制具体为：A点为进口安放角11的角度，B为出口安放角12的角度， 其中P1、P2、P3、为贝塞尔曲线的控制点，P4为终点，曲线代表不同位置叶 片的安放角；
步骤三：根据样条曲线对海水淡化泵流道式导叶的叶片厚度进行拟合，具 体采用样条曲线平滑连接A0B0A1B1叶片上盖板2型线段，A1B1A2B2叶片中 间型线过渡段，A2B2A3B3叶片中间型线连接段和A3B3A4B4叶片下盖板3型 线段的厚度；
步骤四：用TurboGrid软件选定参数的叶轮进行网格划分，将画好的网格 文件导入到CFX软件并由从单流道旋转成完整叶轮，进行数值模拟；
步骤五：检查数值模拟的效率、扬程，从数值模拟的结果里面可以看到效 率为87％，扬程为85m,均大于设计要求的80％效率和75m扬程，符合设计要求， 突出的优化了海水淡化泵流道式导叶结构设计；若不符合要求，则重复步骤一 至步骤四，直到效率和扬程达到设计要求。
本发明的有益效果：本发明通过采用分段的方法对这种径向进轴向出且极 度扭曲的空间流道式导叶进行设计，同时应用贝塞尔曲线和样条曲线构造流道 式导叶轴面投影图线型、进口安放角11和出口安放角12以及流道式导叶叶片 厚度，相比于传统海水淡化泵流道式导叶结构设计方法，不仅能更加快速高效 地进行结构造型，而且导叶处的流线光顺平滑，大大提高结构造型的效率和流 道式导叶在数值模拟和实验中的扬程和效率，使得泵装置的整个水力性能得到 了极大地提高。

Claims (5)

1.一种海水淡化泵流道式导叶结构设计优化方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：根据海水淡化泵流道长度与流道面积的关系曲线，对海水淡化泵流道式导叶的轴面投影图型线采用分段拟合的方法进行结构设计；
步骤二：对海水淡化泵流道式导叶的进口安放角和出口安放角进行设计；
步骤三：根据样条曲线对海水淡化泵流道式导叶的叶片厚度进行样条拟合；
步骤四：用TurboGrid软件选定参数的叶轮进行网格划分，将画好的网格文件导入到CFX软件并由单流道旋转成完整叶轮，进行数值模拟；
步骤五：检查数值模拟的效率和扬程数值模拟模拟出来的效率和扬程，如果高于设计要求的标准工况下的扬程和效率，则符合设计要求，若符合设计要求，则完成海水淡化泵流道式导叶结构设计优化；若不符合要求，则重复步骤一至步骤四，直到效率和扬程达到设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种海水淡化泵流道式导叶结构设计优化方法，其特征在于所述步骤一中的对海水淡化泵流道式导叶的轴面投影图型线采用分段拟合的方法进行结构设计具体为：将流道式导叶分成四段分别进行结构造型，分开的四段具体为A0B0A1B1叶片上盖板2型线段，A1B1A2B2叶片中间型线过渡段，A2B2A3B3叶片中间型线连接段，A3B3A4B4叶片下盖板3型线段段，采用4次贝赛尔曲线方程B(t)＝P0(1-t)4+4P1t(1-t)3+4P2t2(1-t)2+4P3t3(1-t)+P4t4对A0B0A1B1叶片上盖板2型线段进行控制，当第一段导叶叶片形状调到A1B1终止端后拟合，以A1B1为起始断面采用4次贝赛尔曲线方程B(t)＝P0(1-t)4+4P1t(1-t)3+4P2t2(1-t)2+4P3t3(1-t)+P4t4对A1B1A2B2叶片中间型线过渡段的型线进行控制，当第二段导叶叶片形状调整到A2B2终止端后拟合，再以A2B2为起始断面继续采用4次贝赛尔曲线方程B(t)＝P0(1-t)4+4P1t(1-t)3+4P2t2(1-t)2+4P3t3(1-t)+P4t4对A2B2A3B3叶片中间型线连接段的型线进行控制，当第三段导叶叶片形状调整到A3B3终止端后拟合，最后再以A3B3起始断面继续采用4次贝赛尔曲线方程B(t)＝P0(1-t)4+4P1t(1-t)3+4P2t2(1-t)2+4P3t3(1-t)+P4t4对A3B3A4B4叶片下盖板3型线段段的型线进行控制，当第四段导叶叶片形状调整到A4B4终止端拟合后，完成对海水淡化泵轴面投影图型线分布的结构设计。
3.根据权利要求2所述的一种海水淡化泵流道式导叶结构设计优化方法，其特征在于所述步骤二中的对海水淡化泵流道式导叶的进口安放角和出口安放角进行设计具体为：叶片进口安装角指的是进口处的叶片翼型骨线的切线与圆周方向的夹角，
进口安放角与进口液流角α'3和进口冲角Δ有关，即进口安放角等于进口液流角+进口冲角)，进口冲角选取0°～5°，进口液流角α'3与导叶进口计算点轴面速度vm3和导叶进口计算点圆周分速度vu3有关，具体公式如下：
Figure FDA0003032012910000023
其中导叶进口计算点轴面速度的计算公式如下：
Figure FDA0003032012910000024
式中：Ψ3——叶片进口排挤系数，Q为流量，
F3——过导叶进口边计算点的轴面液流过水断面面积，
F3＝2πRCb，b＝2/3(s+ρ)；
式中：
s为内切圆弦长度，ρ为内切圆半径，
所述出口安放角选取的范围角度为55°～90°。
4.根据权利要求2所述的一种海水淡化泵流道式导叶结构设计优化方法，其特征在于所述步骤二中的对海水淡化泵流道式导叶的进口安放角和出口安放角进行设计还这样计算，具体为：采用4阶贝赛尔曲线方程对流道式导叶的进口安放角和出口安放角分布规律进行控制，Bézier curve(贝塞尔曲线)是应用于二维图形应用程序的数学曲线，曲线定义：起始点、终止点(也称锚点)、控制点，通过调整控制点，分别调整控制进口安放角和出口安放角的角度及其位置；
四阶贝赛尔曲线方程表达式：B(t)＝P0(1-t)4+4P1t(1-t)3+4P2t2(1-t)2+4P3t3(1-t)+P4t4式中；B(t)为t时间下点的坐标，
P0为起点，P4为终点，P1、P2、P3为控制点，t为时间。
5.根据权利要求3或4所述的一种海水淡化泵流道式导叶结构设计优化方法，其特征在于本发明所述步骤三对海水淡化泵流道式导叶的叶片厚度进行拟合的具体步骤为：采用样条曲线依次平滑连接A0B0A1B1叶片上盖板型线段，A1B1A2B2叶片中间型线过渡段，A2B2A3B3叶片中间型线连接段和A3B3A4B4叶片下盖板型线段段的厚度。
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