本發(fā)明涉及流體與動力工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種混流泵葉輪的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的混流泵設(shè)計只按單一工況設(shè)計，即按照使用場合提出某一組設(shè)計流量和設(shè)計揚程值對整臺泵進行設(shè)計，而所謂的設(shè)計工況事實上只是揚程-流量(H-Q)性能曲線上的某一點，通過該方法設(shè)計的混流泵只能在理想流體和理想化的流動條件下才能保證設(shè)計性能，無法滿足非設(shè)計工況下的性能，而多數(shù)情況下，混流泵使用要求不能固定在設(shè)計工況，并且運行的大部分時間處于非設(shè)計工況下?；炝鞅玫脑O(shè)計應該滿足較高的效率，適中的性能曲線和良好的空化特性，但傳統(tǒng)的混流泵設(shè)計片面追求設(shè)計工況下的高效率，實際運行工況偏離設(shè)計工況時，因水的粘滯性等因素，在混流泵內(nèi)部及各通流部件中會產(chǎn)生漩渦、回流、失速和脫流等不良流態(tài)，這些不良流態(tài)會隨著偏離設(shè)計工況的程度而逐漸加劇，因此，在設(shè)計混流泵時，不能只著眼于設(shè)計工況的水力性能要求，要考慮并重視非設(shè)計工況點的水力性能要求，另外傳統(tǒng)的設(shè)計方法，因其設(shè)計周期長，已無法適應目前日益增加的生產(chǎn)需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種混流泵葉輪的設(shè)計方法，能夠快速短周期地實現(xiàn)滿足特定需求的混流泵葉輪的設(shè)計。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案得以解決：一種混流泵葉輪的設(shè)計方法，包括以下步驟：(1)將混流泵葉輪從二維木模圖到三維幾何模型的轉(zhuǎn)化：通過把葉輪子午面前蓋板后蓋板型線的的數(shù)據(jù)，工作面壓力面的徑向坐標輸入到txt文件中，在CAD軟件中通過寫好的程序讀入txt文檔中的內(nèi)容，并根據(jù)文檔中的內(nèi)容自動建模；(2)對三維幾何模型進行參數(shù)化轉(zhuǎn)化：a、根據(jù)讀入的葉輪子午面數(shù)據(jù)讀取葉輪設(shè)計參數(shù)，并將其參數(shù)化；b、根據(jù)讀入的葉片型線數(shù)據(jù)，用貝塞爾曲線進行擬合，并通過控制貝塞爾曲線控制點的坐標實現(xiàn)子午面的參數(shù)化；c、通過編程把葉輪葉片分割成n個流面，截取流面上的流線，計算出流線上的中心線，流線上葉片的厚度變化規(guī)律，通過貝塞爾曲線擬合流線，讀取多條貝塞爾曲線上的葉輪參數(shù)；(3)對參數(shù)化的混流泵進行CFD數(shù)值模擬：將進水直管段和壓水室采用ICEM軟件進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，混流泵葉輪在TurboGrid中進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，泵裝置計算域進口為進水管的進口，進口邊界條件設(shè)置為總壓條件，即進口處總壓設(shè)置為一個標準大氣壓，泵裝置計算域出口為壓水室出口，出口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量出口，葉輪設(shè)為旋轉(zhuǎn)域，其余計算域均為靜止域，動靜交界面采用速度平均的stage模型；(4)通過設(shè)計優(yōu)化平臺集成CAD幾何建模模塊，CFD數(shù)值模擬模塊和數(shù)值優(yōu)化軟件，對葉輪進行優(yōu)化：以混流泵在不同工況下的加權(quán)平均效率最優(yōu)為目標，揚程為約束條件，選用遺傳算法或者序列二次規(guī)劃算法，不斷改變混流泵葉輪設(shè)計參數(shù)，對泵裝置進行迭代數(shù)值計算，通過迭代，最終找到使泵加權(quán)平均效率最高的混流泵葉輪的設(shè)計方案，在工況選擇時，選取不同流量為工況點，通過改變混流泵葉片設(shè)計變量的值，使得不同流量工況點泵裝置效率都達到最優(yōu)值，以拓寬混流泵裝置的高效區(qū)范圍，進而確定混流泵葉輪的設(shè)計方案，優(yōu)化模型如下：

目標函數(shù)：maxη(x)＝w₁η₁(x)+w₂η₂(x)+w₃η₃(x) (1)

設(shè)計變量范圍：

約束條件：

設(shè)計變量：x＝[a_l，a₂，…a_n]^T

其中η1、η2和η3分別是不同流量工況的效率；w₁、w₂和w₃分別為對應的權(quán)重值，權(quán)重值根據(jù)多個實際運行時間確定；H₁、H₂和H₃分別為不同流量工況的揚程，選取其中一個工況下設(shè)計的葉輪為初始方案，對應葉輪的初始設(shè)計變量為a₁、a₂…a_n。

上述方案中，優(yōu)選的，所述H₁和H₃的范圍取值為-6～6m，所述H₂的范圍取值-5～5m。

上述方案中，優(yōu)選的，所述葉輪設(shè)計參數(shù)包括葉輪進口直徑、葉輪出口直徑、葉輪出口寬度。

上述方案中，優(yōu)選的，所述葉片型線數(shù)據(jù)包括葉片進口型線，葉片前蓋板型線，葉片后蓋板型線。

上述方案中，優(yōu)選的，所述葉輪參數(shù)包括葉輪進口安放角、葉輪出口安放角，葉輪包角。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：本方法通過設(shè)計圖紙建立三維幾何模型，三維模型的參數(shù)化，對模型進行多工況數(shù)值分析判斷是否符合需求，如果不符合需求則更改設(shè)計，重新修改三維幾何模型，直至模型的分析結(jié)果符合需求為止，其中，建立參數(shù)化模型，模型分析，更改設(shè)計每個環(huán)節(jié)的人工投入都難免引入附加的時間成本，因此，當由圖紙自動建立三維幾何模型，然后通過優(yōu)化方法指導模型分析與修正并最終獲得符合需求的設(shè)計，這樣的完整的自動化流程有助于節(jié)約設(shè)計時間，縮短開發(fā)周期，以及提高競爭力，這樣的流程只需要在初始時選擇一個葉輪設(shè)計圖紙作為藍本，設(shè)置設(shè)計需要到達的技術(shù)要求，其它過程不需要人工參與，同時優(yōu)化方法會自動指導模型的修正，避免人工上的重復勞動，隨著數(shù)值模擬技術(shù)和優(yōu)化算法理論的發(fā)展，以及針對混流泵葉輪設(shè)計理念的革新，并且采用該方法獲得的軸流泵揚程和效率曲線都在原來基礎(chǔ)上有所提高，各工況點揚程提高了5m以上，效率提高在2％左右；優(yōu)化后效率曲線整體抬高，高效區(qū)范圍變寬，提高了泵站運行穩(wěn)定性，降低了泵站運行成本，泵裝置優(yōu)化效果十分明顯，本方法具有較好的市場前景。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

一種混流泵葉輪的設(shè)計方法，針對某一名義比轉(zhuǎn)速為400的混流泵葉輪進行多工況多目標優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計參數(shù)包括：設(shè)計流量Q＝2000m³/h，設(shè)計揚程H＝45m，轉(zhuǎn)速n＝2500r/min，葉輪葉片數(shù)5片，進水直管段和壓水室采用CAD軟件建模，葉輪根據(jù)二維木模圖，采用CAD軟件建模，包括以下步驟：(1)將混流泵葉輪從二維木模圖到三維幾何模型的轉(zhuǎn)化：通過把葉輪子午面前蓋板后蓋板型線的的數(shù)據(jù)，工作面壓力面的徑向坐標輸入到txt文件中，在CAD軟件中通過寫好的程序讀入txt文檔中的內(nèi)容，并根據(jù)文檔中的內(nèi)容自動建模；(2)對三維幾何模型進行參數(shù)化轉(zhuǎn)化：a、根據(jù)讀入的葉輪子午面數(shù)據(jù)讀取葉輪設(shè)計參數(shù)，包括葉輪進口直徑、葉輪出口直徑、葉輪出口寬度，并將其參數(shù)化，通過控制5片葉輪葉片設(shè)計參數(shù)，能夠方便改變混流泵葉片性狀；b、根據(jù)讀入的葉片型線數(shù)據(jù)，包括葉片進口型線，葉片前蓋板型線，葉片后蓋板型線，用貝塞爾曲線進行擬合，并通過控制貝塞爾曲線控制點的坐標實現(xiàn)子午面的參數(shù)化；c、通過編程把葉輪葉片分割成n個流面，截取流面上的流線，計算出流線上的中心線，流線上葉片的厚度變化規(guī)律，通過貝塞爾曲線擬合流線，讀取多條貝塞爾曲線上的葉輪參數(shù)，包括葉輪進口安放角、葉輪出口安放角，葉輪包角；(3)對參數(shù)化的混流泵進行CFD數(shù)值模擬：將進水直管段和壓水室采用ICEM軟件進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量在0.4以上，混流泵葉輪在TurboGrid中進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，混流泵葉輪網(wǎng)格數(shù)為684290，壓水室網(wǎng)格數(shù)為1005438，整個計算域網(wǎng)格數(shù)為2215245，在計算迭代時，葉輪網(wǎng)格數(shù)保持相當，其他部件網(wǎng)格數(shù)保持不變，然后對邊界條件設(shè)置，泵裝置計算域進口為進水管的進口，進口邊界條件設(shè)置為總壓條件，即進口處總壓設(shè)置為一個標準大氣壓，泵裝置計算域出口為壓水室出口，出口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量出口，葉輪設(shè)為旋轉(zhuǎn)域，其余計算域均為靜止域，動靜交界面采用速度平均的stage模型；(4)通過設(shè)計優(yōu)化平臺集成CAD幾何建模模塊，CFD數(shù)值模擬模塊和數(shù)值優(yōu)化軟件，對葉輪進行優(yōu)化：以混流泵在多個工況下的加權(quán)平均效率最優(yōu)為目標，揚程為約束條件，選用遺傳算法或者序列二次規(guī)劃算法，不斷改變混流泵葉輪設(shè)計參數(shù)，對泵裝置進行迭代數(shù)值計算，通過迭代，最終找到使泵加權(quán)平均效率最高的混流泵葉輪的設(shè)計方案，在工況選擇時，選取多個流量為工況點，如：選取大流量、小流量和設(shè)計流量三個不同工況點進行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)設(shè)計工況Q＝555.56L/s，選定設(shè)計流量的0.8倍左右和1.2倍左右作為小流量工況和大流量工況，為研究方便，取整數(shù)，即小流量工況取Q＝444.44L/s，大流量工況取Q＝666.67L/s，通過改變混流泵葉片設(shè)計變量的值，使得多個流量工況點泵裝置效率都達到最優(yōu)值，以拓寬混流泵裝置的高效區(qū)范圍，進而確定混流泵葉輪的設(shè)計方案，優(yōu)化模型如下：

目標函數(shù)：maxη(x)＝w₁η₁(x)+w₂η₂(x)+w₃η₃(x) (1)

設(shè)計變量范圍：

約束條件：

設(shè)計變量：x＝[a_l，a₂，…a_n]^T

其中η1、η2和η3分別是3個不同流量工況的效率；w₁、w₂和w₃分別為對應的權(quán)重值，權(quán)重值根據(jù)多個實際運行時間確定；H₁、H₂和H₃分別為3個不同流量工況的揚程，選取其中一個工況下設(shè)計的葉輪為初始方案，對應葉輪的初始設(shè)計變量為a₁、a₂…a_n，所述H₁和H₃的范圍取值為-6～6m，所述H₂的范圍取值-5～5m。

本發(fā)明的設(shè)計方法考慮了多個工況點多個目標，然后對混流泵進行多工況優(yōu)化設(shè)計，在優(yōu)化設(shè)計時，對混流泵的水力性能進行全流道計算，根據(jù)全流道多工況的計算結(jié)果來確定混流泵葉輪的設(shè)計方案，通過CFX流體仿真軟件進行數(shù)值模擬，計算精度高，優(yōu)化結(jié)果可靠，通過該設(shè)計方法，吸入口直徑減小，出口直徑增加，提高了葉輪的揚程；同時子午面轉(zhuǎn)彎半徑的增大，減小了水流從軸向變?yōu)閺较蛑械乃p失，改善了流動條件，大流量工況點效率和小流量工況效率提高較為明顯，其中大流量工況點效率提高了8％，小流量工況點效率提高了3％，優(yōu)化效果明顯；將其余各工況點泵裝置水力性能通過數(shù)值模擬計算并與優(yōu)化前混流泵裝置水力性能對比，采用該方法獲得的軸流泵揚程和效率曲線都在原來基礎(chǔ)上有所提高，各工況點揚程提高了5m以上，效率提高在2％左右；優(yōu)化后效率曲線整體抬高，高效區(qū)范圍變寬，提高了泵站運行穩(wěn)定性，降低了泵站運行成本，泵裝置優(yōu)化效果十分明顯。

本發(fā)明的保護范圍包括但不限于以上實施方式，本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書為準，任何對本技術(shù)做出的本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到的替換、變形、改進均落入本發(fā)明的保護范圍。