CN113553671A - 一种仿生抗空化轴流式叶轮设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿生抗空化轴流式叶轮设计方法，该方法受座头鲸鳍的启发，将近似有规律的、凹凸起伏的波浪状前缘应用在轴流泵叶轮的叶片设计中，将轴流泵叶轮的叶片前缘展向空化发生潜在区域进行波浪状前缘构型，即主要对叶片子午面进行设计，并依赖于局部的展向流动特性进行叶片加厚和三维构型。采用本发明的方法得到的轴流泵叶轮叶片具有优异的抗空化能力，且能在空化不同发展阶段较大程度抑制叶片的展向聚合与成片脱落，提高了叶轮的综合性能。

Description

一种仿生抗空化轴流式叶轮设计方法

技术领域

本发明设计泵叶轮设计，具体涉及一种仿生抗空化轴流式叶轮设计方法。

背景技术

泵常在复杂环境下运行，随着泵能量密度的提高，空化现象不可避免，会导致泵的扬程、效率下降甚至崩溃；即使在扬程等宏观指标未发生明显变化阶段，空化的非定常发展同样会引起结构振动和辐射噪声等危害，因此，泵叶轮的抗空化性能是在设计阶段必须重点考虑的。传统改善泵的空化性能的措施有提高泵进口压力(如诱导轮，进口增压罐，增压射流等)、减低进口流速(单吸结构调整为双吸结构，增大进口过流断面面积等)、优化流场结构(叶片载荷优化，进口管路优化)的方法，这些方法虽能够不同程度的改善泵空化性能，但存在结构复杂、制造成本高、水力效率低等问题。同时，泵在运行过程中常面临非均匀来流的干扰，容易引起叶片附着空化的动态振荡，进而引起剧烈的转子激振力，是泵在设计阶段极力要求避免的。而现有的仿生叶轮的设计方法存在以下两个方面的缺陷：

(1)未面向空化控制。目前在风机和螺旋桨领域存在的仿生叶片设计均是面向气动性能和水力性能的提升，未考虑到对空化性能的控制。

(2)设计方法灵活性不足。因缺乏空化控制效果和仿生凸结关键性几何参数的关联关系，所以在面向空化控制的叶片设计中存在灵活性不足的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种仿生抗空化轴流式叶轮设计方法，该方法面向空化非定常特性控制，能够兼顾抗空化性能和水力效率。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种仿生抗空化轴流式叶轮设计方法，该方法包括如下步骤：

S1：根据轴流泵的流量、扬程和空化要求，初步计算确定叶轮直径、轮毂比、转速、叶片数、各剖面翼型安放角、弦长与厚度；根据各剖面翼型的弦长确定叶片的轴向尺寸，再根据叶轮直径、轮毂比、叶片的轴向尺寸初步确定叶片子午面；

S2：根据叶片设计载荷分布确定空化发展的展向位置与覆盖尺寸；

S3：在叶片空化主要发展区域进行仿生凸结的设计，包括结合叶片展向流动特征确定仿生凸结在展向的特征尺寸比θ分布，以及确定凸结数目N、波长λ、波幅A；

所述仿生凸结具体为将叶片前缘空化发展主要区域设计成近似有规律的、凹凸起伏的波浪状前缘，每一个凸起的部分定义为一个凸结，在二维构型中，定义相邻凸结的波峰之间的距离为波长λ，一个凸结的相邻波峰与波谷间垂直距离的一半为波幅A，其特征尺寸比θ＝A/λ；

S4：根据凸结数目N、波长λ、波幅A，在所述叶片子午面的前缘进行仿生凸结的二维构型；

S5：在凸结的波峰和波谷处设置span面进行翼形剖面厚度控制，单个凸结至少有三个 span面覆盖；

S6：对叶片的所有span面进行加厚，相邻凸结波峰与波谷span面最大厚度与最大厚度位置须结合该剖面弦长协同设计，若出现叶片局部隆起或不光顺，通过微调该剖面凸结构型、叶片安放角和span面的厚度分布进行再次构型，直到满足凸结前缘相邻的波峰和波谷位置叶片平滑，以及整个叶片厚度变化均匀，叶片光顺自然过渡；

S7：将单个叶片阵列，补上轮毂，完成叶轮设计。

进一步地，所述仿生凸结的特征尺寸比θ的取值范围为0.2～0.6，且靠近叶顶区域取较大值，从而提高凸结对流动的控制能力。

进一步地，所述凸结数目N为3～10，波长λ＝L/N，其中L为叶片展向的空化区域的长度。

进一步地，在所述仿生凸结二维构型时将所述仿生凸结近似为正弦曲线。

一种仿生抗空化轴流式叶轮，该叶轮包括轮毂和绕轮毂阵列布置的多个叶片，所述叶片的前缘包括若干个仿生凸结；

所述仿生凸结具体为近似有规律的、凹凸起伏的波浪状前缘，每一个凸起的部分定义为一个凸结。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明将波浪状的仿生前缘应用到轴流泵叶片设计中，设计过程中，通过在叶片子午面上进行二维凸结构型，并详细设计凸结的位置和参数，相对于传统的叶片设计方法以及针对大攻角、二维凸结翼形，本发明的方法实现了仿生抗空化轴流泵较低攻角、三维的叶轮设计；

(2)本发明在设计过程中考虑了设计参数与来流特性，将凸结设计、span面加厚进行协同设计，最终得到的叶轮既能满足空化性能，同时也能兼顾水力性能；

(3)采用本发明的仿生抗空化轴流式叶轮设计方法得到的轴流泵，叶片具有优异的抗空化能力，且能在空化不同发展阶段较大程度抑制叶片的展向聚合与成片脱落，提高了叶轮的综合性能。

附图说明

图1为本发明实施例的轴流泵叶轮的设计流程图。

图2为仿生凸结的示意图；

图3为常规叶轮子午面的示意图；

图4为仿生叶轮子午面的示意图，其中span为各个展向控制剖面。

图5为实施例得到的仿生叶轮的示意图，其中，1为转子，2为仿生凸结，3为轮毂，4为凸结波峰，5为凸结波谷。

图6为常规叶轮σ＝3.1时的空泡形态随时间的变化图。

图7为仿生叶轮σ＝3.1时的空泡形态随时间的变化图。

图8为常规叶轮σ＝2.4时的空泡形态随时间的变化图。

图9为仿生叶轮σ＝2.4时的空泡形态随时间的变化图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的轴流泵水力设计基于圆柱层无关性假设，即各个剖面之间的流动互不干扰，叶片通过不同直径的翼型剖面积叠形成，整个叶轮设计流程如图1所示，该方法首先按照泵设计需求(流量、扬程、空化等)，确定基本运行与结构参数(转速、直径、轮毂比等)，然后依赖于展向载荷分配规律，对各个剖面进行独立设计，最终协调完成整体叶片设计。

其中，仿生叶轮设计主要受座头鲸鳍的形状启发，即表现为近似有规律的、凹凸起伏的波浪状前缘，该构型已被广泛应用在气动领域来抑制大攻角流动分离与失速，主要控制机理是通过使物体表面流动湍流化来提高其抵抗流动分离的能力。本发明所提出的仿生叶轮设计是指在叶片前缘展向空化发生潜在区域进行波浪状前缘构型，即主要对叶片子午面进行设计，并依赖于局部的展向流动特性进行叶片加厚和三维构型，由泵运行参数和来流特性所决定的凸结主要控制参数为波长λ与波幅A、凸结数目N。

如图1所示，仿生叶轮的具体设计方法包括如下步骤：

S1：根据轴流泵的流量、扬程和空化要求，初步计算确定叶轮直径、轮毂比、转速、叶片数、各剖面翼型安放角、弦长与厚度；根据各剖面翼型的弦长确定叶片的轴向尺寸，再根据叶轮直径、轮毂比、叶片的轴向尺寸初步确定叶片子午面；

S2：根据叶片设计载荷分布确定空化发展的展向位置与覆盖尺寸；

S3：在叶片空化主要发展区域进行仿生凸结的设计，包括结合叶片展向流动特征确定仿生凸结在展向的特征尺寸比θ分布，以及确定凸结数目N、波长λ、波幅A；

如图2所示，所述仿生凸结具体为将叶片前缘空化发展主要区域设计成近似有规律的、凹凸起伏的波浪状前缘，每一个凸起的部分定义为一个凸结，在二维构型中，定义相邻凸结的波峰之间的距离为波长λ，一个凸结的相邻波峰与波谷间垂直距离的一半为波幅A，其特征尺寸比θ＝A/λ。这里的仿生凸结可采用波浪状曲线控制，如多项式曲线、正弦曲线、组合曲线等，构型须突出波峰与波谷。

其中，首先根据经验确定凸结数据N的初值，仿生叶轮凸结个数过少，会造成波幅过大，叶型改变明显；而仿生凸结个数过多，会导致仿生凸结处的曲率大，增大加工难度。因此N的优选取值范围为3～10。根据确定的凸结数目N以及叶片展向的空化区域的长度L，根据λ≈L/N得到波长λ，根据确定的θ＝A/λ，得到凸结波幅A。

θ值可根据局部流动速度取变化值，如在靠近叶顶区域取较大值以提高凸结对流动的控制能力。综合考虑以上两点，泵叶片凸结的A/λ优选取值范围为0.2～0.6。

S4：根据凸结数目N、波长λ、波幅A，在所述叶片子午面的前缘进行仿真凸结的二维构型。如图4所示。为了作为对比，图3给出了常规叶轮的子午面示意图。

S5：在凸结的波峰和波谷处设置span面进行翼形剖面厚度控制，单个凸结至少有三个 span面覆盖；

S6：对叶片的所有span面进行加厚，相邻凸结波峰与波谷span面最大厚度与最大厚度位置须结合该剖面弦长协同设计，若出现叶片局部隆起或不光顺，通过微调该剖面凸结构型、叶片安放角和span面的厚度分布进行再次构型，直到满足凸结前缘相邻的波峰和波谷位置叶片平滑，以及整个叶片厚度变化均匀，叶片光顺自然过渡；

S7：将单个叶片阵列，加上轮毂，完成叶轮设计。

实施例一

为了对比仿生叶轮抗空化的效果，同步设计与本实施例具有相同水动力性能的常规叶轮的轴流泵叶轮，并进行了试验结果的对比。

在该实施例中，根据泵的设计流量、扬程和空化要求，计算得到的叶轮直径、轮毂直径、转速、叶片数、各剖面翼型安放角、弦长与厚度分布。

为了避免凸结在未发生空化区域诱发起新的空化，将仿生凸结布置在常规叶轮的空化发展区域，即叶轮中上部。

依赖于泵来流特征，并考虑到仿生凸结对空化的控制作用以及实物加工难度，叶片子午面仿生构型整体展向采用恒定特征尺寸比θ＝0.4。

根据所给凸节数目N的优选取值范围为3～10，该实施例中将仿生凸结个数N设定为3 个。在典型工况下，叶片空化覆盖长度约为18mm，根据λ≈L/N得到波长λ约为6mm，根据确定的θ＝A/λ，得到凸结波幅A为2.4mm。

该实施例得到的叶轮子午面如图4所示。

然后在ANSYS旋转机械设计平台Bladegen中完成仿生叶轮子午面仿生构型设计与叶片整体加厚，得到最终的仿生叶轮如图5所示。该仿生抗空化轴流式叶轮包括轮毂3和绕轮毂3阵列布置的多个叶片1，叶片1的前缘包括若干个仿生凸结2。仿生凸结2具体为近似有规律的、凹凸起伏的波浪状前缘，每一个凸起的部分定义为一个凸结。两个相邻的凸结之间的凹陷位置的最低点为波谷5，凸结的凸起的顶点为波峰4。

在实际的设计过程中，也可以将每次设计完成的叶轮导入Turbogrid进行网格划分，借助CFX Solver进行流场求解初步验证其性能。

对设计完成的仿生叶轮和作为对比的常规叶轮均进行水力实验。本发明在同等工况(流量、空化数)下对仿生叶轮和常规叶轮的叶片空化形态均进行了拍摄。从图6～9所示。从图 6中可以看出，当空化数为3.1时，常规叶轮空化主要在叶片前缘重载区域发展，形态上主要呈现为片状附着空化。如图7所示，在空化数为3.1时，仿生叶轮在凸结波谷内均存在小片空化，且能稳定附着。如图8所示，随着空化数降低至σ＝2.4，常规叶轮叶片空化进一步发展，形态上仍为片状附着空化，在厚度和长度进一步增加，发展空泡大面积覆盖了叶片主要负载区域，空泡在展向上相互聚合并存在大片脱落。如图9所示，同等空化数σ＝2.4下，仿生叶轮凸结内空化仍能稳定附着在凸结波谷内，并能抑制空泡的成片聚合与脱落。从试验结果可以看出，采用本发明所涉及仿生叶轮设计方法设计的轴流泵叶片具备优异的抗空化能力，能在空化不同发展阶段较大程度抑制叶片的展向聚合与成片脱落，验证了本发明的方法在空化抑制方面的有效性。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种仿生抗空化轴流式叶轮设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1：根据轴流泵的流量、扬程和空化要求，初步计算确定叶轮直径、轮毂比、转速、叶片数、各剖面翼型安放角、弦长与厚度；根据各剖面翼型的弦长确定叶片的轴向尺寸，再根据叶轮直径、轮毂比、叶片的轴向尺寸初步确定叶片子午面；

S2：根据叶片设计载荷分布确定空化发展的展向位置与覆盖尺寸；

S3：在叶片空化主要发展区域进行仿生凸结的设计，包括结合叶片展向流动特征确定仿生凸结在展向的特征尺寸比θ分布，以及确定凸结数目N、波长λ、波幅A；

所述仿生凸结具体为将叶片前缘空化发展主要区域设计成近似有规律的、凹凸起伏的波浪状前缘，每一个凸起的部分定义为一个凸结，在二维构型中，定义相邻凸结的波峰之间的距离为波长λ，一个凸结的相邻波峰与波谷间垂直距离的一半为波幅A，其特征尺寸比θ＝A/λ；

S4：根据凸结数目N、波长λ、波幅A，在所述叶片子午面的前缘进行仿生凸结的二维构型；

S5：在凸结的波峰和波谷处设置span面进行翼形剖面厚度控制，单个凸结至少有三个span面覆盖；

S6：对叶片的所有span面进行加厚，相邻凸结波峰与波谷span面最大厚度与最大厚度位置须结合该剖面弦长协同设计，若出现叶片局部隆起或不光顺，通过微调该剖面凸结构型、叶片安放角和span面的厚度分布进行再次构型，直到满足凸结前缘相邻的波峰和波谷位置叶片平滑，以及整个叶片厚度变化均匀，叶片光顺自然过渡；

S7：将单个叶片阵列，补上轮毂，完成叶轮设计。

2.根据权利要求1所述的仿生抗空化轴流式叶轮设计方法，其特征在于，所述仿生凸结的特征尺寸比θ的取值范围为0.2～0.6，且靠近叶顶区域取较大值，从而提高凸结对流动的控制能力。

3.根据权利要求1所述的仿生抗空化轴流式叶轮设计方法，其特征在于，所述凸结数目N为3～10，波长λ＝L/N，其中L为叶片空化区域的展向长度。

4.根据权利要求1所述的仿生抗空化轴流式叶轮设计方法，其特征在于，在所述仿生凸结二维构型时将所述仿生凸结近似为正弦曲线。

5.一种仿生抗空化轴流式叶轮，其特征在于，该叶轮包括轮毂和绕轮毂阵列布置的多个叶片，所述叶片的前缘包括若干个仿生凸结；

所述仿生凸结具体为近似有规律的、凹凸起伏的波浪状前缘，每一个凸起的部分定义为一个凸结。

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