CN109344535A - 一种基于流场自适应的轴流泵后导叶体自动优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于流场自适应的轴流泵后导叶体自动优化设计方法，属于水利工程和动力工程技术领域，通过导叶进口角的确定、基于自适应进口角的导叶体自动优化设计方法和导叶体自动优化设计方法，与传统的导叶体设计相比，本发明专利在CFX计算结果的基础上得到导叶体进口断面的流场分布，根据流场分布自适应的调整导叶体各断面翼型进口角度，使水流平顺无冲击的进入导叶体中，避免了导叶体进口的冲击损失。同时在优化设计过程中充分考虑导叶体的作用和效果，提炼导叶体综合设计指标，使得优化设计出来的导叶体最大程度的减小水力损失和最大程度的回收速度环量，提高了水泵机组的整体运行效率，降低了运行能耗。
Description
技术领域
本发明属于水利工程和动力工程技术领域，涉及一种泵导叶体的优化设计方法，具体的说是涉及一种基于流场自适应的轴流泵后导叶体自动优化设计方法。
背景技术
从能量的角度而言，叶轮是最为重要的部件，但是对于大型泵装置，各过流部件对整机的性能特别是能量性能同样有着重要的影响。此外，各过流部件不是相互独立，而是相互影响的，只有将其作为一个整体，才能得到最大化的整机的性能。在大型轴流泵装置中，导叶将叶轮出口的水流按照一定的速度要求引入到出水流道的进口，起到承上启下作用。就导叶的作用而言，叶轮通过旋转为水流提供能量，使其获得一定的扬程，在叶轮出口水流具有较大的圆周速度及速度环量，导叶将叶轮出口的圆周速度所对应的动能转换为压能，从而达到回收环量，减小出水流道水力损失，提高装置效率的目的。从导叶设计角度而言，导叶进口应承接叶轮出口的来流，使得叶轮出口水流能够较为顺利的进入导叶，导叶中段和后段则需要达到调整水流方向的目的，使得水流以无速度环量或较小的速度环量状态进入出水流道中。已有较多参考文献表明，导叶体对水泵性能有着很重要的影响。导叶的设计及优化一直是当前研究的重点。如何优化设计一副较好的轴流泵导叶，使其能够最大化的回收环量提高装置效率的同时尽可能的减小导叶自身的水力损失是主要的研究内容。
发明内容
本发明的目的是为了针对传统导叶设计过程中进口角设计不合理、导叶内脱流、漩涡现象严重、轴流泵后导叶体回收速度不充分以及轴流泵后导叶体无法自动优化等不足，提出一种基于流场自适应的轴流泵后导叶体自动优化设计方法，可解决上述现有技术的不足，可使导叶体最大程度的减小水力损失和最大程度的回收速度环量，提高水泵机组的整体运行效率，降低运行能耗。
本发明的技术方案是：一种基于流场自适应的轴流泵后导叶体自动优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)导叶进口角的确定方法：
后导叶体进口角的设计通过下列公式进行：
α3＝α'3+Δα(1)
式中，α3为导叶进口角；Δα为导叶进口冲角，取0°～5°；α3'为导叶进口液流角；
流场自适应的导叶体进口角确定步骤如下：
(1-1)在导叶体设计之前，将导叶体从轮毂到轮缘均分成10个翼型断面，分析每个翼型断面导叶体进口速度三角形；
(1-2)通过CFX流体计算软件计算轴流泵叶轮内部流场速度分布，得到轴流泵叶轮出口轴面速度(Vm2)和叶轮出口速度的圆周分量(Vu2)；
(1-3)叶轮出口断面和导叶进口断面无损失过渡，因此，可得Vm3＝Vm2，Vu3＝Vu2；
(1-4)根据计算得到的导叶体进口流场速度条件，考虑导叶叶片的排挤系数，计算得到导叶体适应流场的进口角，计算公式如下：
式中，νm3为导叶进口的轴面速度；νu3为导叶进口速度的圆周分量；ψ3为导叶叶片进口排挤系数；Su3为导叶进口圆周方向的厚度；t为栅距；S3为导叶进口流面的厚度，等于导叶叶片实际厚度；z为导叶叶片数；
(1-5)重复步骤(1-2)～(1-4)分别计算得到从轮毂到轮缘共计10个断面的导叶叶片进口角，使得轴流泵叶轮从轮毂到轮缘各断面水流均能沿导叶叶片的方向平顺进入导叶体，减少了导叶体进口冲击损失，提高了导叶叶片的工作效率；
(2)基于自适应进口角的导叶体自动优化设计方法：
在确定导叶体自适应流场进口角度后，还需根据导叶体的作用和地位确定导叶体其他关键设计参数，建立导叶的自动优化设计平台；
所示关键设计参数的确定方法如下：
(2-1)确定导叶体各断面翼型叶栅稠密度值：
根据公式(1)中确定的导叶体进口角，根据下面公式求得导叶体各断面翼型叶栅稠密度：
式中，ε为相邻导叶间的扩散角度；
(2-2)确定导叶体叶片数：
考虑到整体水泵机组的结构参数，为避免剧组共振，导叶体叶片数与水泵叶片数应互为质数；
(2-3)确定导叶体出口角：
为了使得叶轮出口水流经过导叶体后尽可能回收水流的速度环量，将动能转化为压能，期望水流在导叶体出口与水平方向成90°出流，考虑导叶体水流出流角与导叶叶片出口角存在偏差，滞后角约5～9°，因此导叶出口角可选择85～95°，各断面翼型出口角可取相等值；
(2-4)根据导叶体自适应进口角和导叶出口角，通过下面公式计算得到叶片安放角；
(3)导叶体自动优化设计方法：
在piano优化设计软件平台集成CFX数值计算软件，针对导叶体个断面叶栅稠密度值、导叶出口角和导叶安放角进行导叶的自动优化设计，自动优化设计具体步骤如下：
(3-1)确定导叶的优化设计目标：
导叶体的优化设计一方面需要关注导叶体自身的水力损失，还需要关注导叶的回收叶轮出口水流速度环量的效果，优化目标可定量的归为3个，即导叶体的水力损失hg、动能回收系数ζ和导叶体出口断面静态畸变系数pc；
导叶体的水力损失hg：评价导叶体自身设计优劣的目标参数，在导叶设计过程中首先要考虑使得导叶体自身损失最小，从而达到机组整体效率较高的目的；
动能回收系数ζ：根据导叶体的作用评价导体体回收叶轮出口水流速度环量的能力，导叶体回收速度环量越大，说明导叶体能尽可能的将水流的动能转化为压力，提高导叶体转化效率；
导叶体出口断面静态畸变系数pc：评价水流经过导叶体后整流状态，断面畸变系数越小，说明出口水流越均匀，水流在导叶体后半段水力损失较小，可进一步提高装置整体效率；
计算公式如下：
式中，E3、E4分别为导叶进、出口断面的总能量；ν3、ν4分别为导叶进、出口断面的速度，为导叶出口断面最大总压值；为导叶出口断面最小总压值；为导叶出口断面平均总压；
(3-2)在piano优化软件中搭建导叶体自动优化设计平台，通过piano调用cfx软件进行数值模拟计算，调用MATLAB软件进行结果后处理；
(3-3)采用归一法将目标函数进行处理，通过权重值将多目标问题转化为单目标问题，本专利三个目标参数权重值均取1/3；
(3-4)给定初始设计参数值，对导叶体进行数值模拟计算，根据计算结果以及算法要求修改设计参数值，直至目标函数收敛。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种基于流场自适应的轴流泵后导叶体自动优化设计方法，设计方法科学，叶轮通过旋转为水流提供能量，使其获得一定的扬程，在叶轮出口水流具有较大的圆周速度及速度环量，导叶将叶轮出口的圆周速度所对应的动能转换为压能，从而达到回收环量，减小出水流道水力损失，提高了装置效率；导叶进口应承接叶轮出口的来流，使得叶轮出口水流能够较为顺利的进入导叶，导叶中段和后段则需要达到调整水流方向的目的，使得水流以无速度环量或较小的速度环量状态进入出水流道中。优化设计的轴流泵导叶体能够最大化的回收环量，提高装置效率的同时尽可能的减小导叶自身的水力损失。与传统的导叶体设计相比，本发明专利在CFX计算结果的基础上得到导叶体进口断面的流场分布，根据流场分布自适应的调整导叶体各断面翼型进口角度，使水流平顺无冲击的进入导叶体中，避免了导叶体进口的冲击损失。同时在优化设计过程中充分考虑导叶体的作用和效果，提炼导叶体综合设计指标，使得优化设计出来的导叶体最大程度的减小水力损失和最大程度的回收速度环量，提高了水泵机组的整体运行效率，降低了运行能耗。
附图说明
图1为本发明中导叶体进口速度三角形。
图2为本发明中导叶体翼型平面展开图。
图3为本发明中导叶体自动优化流程图。
图4为本发明基于流场自适应的导叶体自动优化方法流程图。
图5为本发明中导叶叶片安放角坐标图。
图6为本发明中导叶出口角坐标图。
图7为本发明中导叶进口角坐标图。
图8为本发明中导叶叶栅稠密度坐标图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
(1)基于流场自适应的导叶进口角的确定方法
传统轴流泵后导叶体进口角的设计通过下列公式进行：
α3＝α'3+Δα (1)
式中，α3为导叶进口角；Δα为导叶进口冲角，一般取0°～5°；α'3为导叶进口液流角。
传统的后导叶体设计通过进口液流角和进口冲角相加而得。该方法由于冲角无法确定，进口液流角通过理论公式进行计算，准确度不高，导叶体进口角依赖于人工凭经验的方式获得。该方法可以针对轴流泵水力模型的任意工况进行，而传统的导叶体设计根据公式计算只能是针对叶轮的设计工况而言。导叶体进口速度三角形如图1所示。
流场自适应的导叶体进口角确定步骤：
(1-1)在导叶体设计之前，将导叶体从轮毂到轮缘均分成10个翼型断面，分析每个翼型断面导叶体进口速度三角形。
(1-2)通过CFX流体计算软件计算轴流泵叶轮内部流场速度分布，得到轴流泵叶轮出口轴面速度(Vm2)和叶轮出口速度的圆周分量(Vu2)；
(1-3)叶轮出口断面和导叶进口断面无损失过渡，因此，可得Vm3＝Vm2，Vu3＝Vu2；
(1-4)根据计算得到的导叶体进口流场速度条件，考虑导叶叶片的排挤系数，计算得到导叶体适应流场的进口角。计算公式如下：
式中，νm3为导叶进口的轴面速度；νu3为导叶进口速度的圆周分量；ψ3为导叶叶片进口排挤系数；Su3为导叶进口圆周方向的厚度；t为栅距；S3为导叶进口流面的厚度，等于导叶叶片实际厚度；z为导叶叶片数。
(1-5)重复步骤(1-2)～(1-4)分别计算得到从轮毂到轮缘共计10个断面的导叶叶片进口角，使得轴流泵叶轮从轮毂到轮缘各断面水流均能沿导叶叶片的方向平顺进入导叶体，减少了导叶体进口冲击损失，提高了导叶叶片的工作效率。
(2)基于自适应进口角的导叶体自动优化设计方法
在确定导叶体自适应流场进口角度后，还需根据导叶体的作用和地位确定导叶体其他关键设计参数，建立导叶的自动优化设计平台。导叶体个断面翼型展开图如图2所示。图2中l为翼型弦长，t为栅距，H为导叶翼型高度，α4为导叶出口角
关键参数的确定：
(2-1)确定导叶体各断面翼型叶栅稠密度值：
根据公式(1)中确定的导叶体进口角，根据下面公式求得导叶体各断面翼型叶栅稠密度：
式中，ε为相邻导叶间的扩散角度。
(2-2)确定导叶体叶片数：
考虑到整体水泵机组的结构参数，为避免剧组共振，导叶体叶片数与水泵叶片数应互为质数。
(2-3)确定导叶体出口角：
为了使得叶轮出口水流经过导叶体后尽可能回收水流的速度环量，将动能转化为压能，期望水流在导叶体出口与水平方向成90°出流。考虑导叶体水流出流角与导叶叶片出口角存在偏差，滞后角约5～9°，因此导叶出口角可选择85～95°。各断面翼型出口角可取相等值。
(2-4)根据导叶体自适应进口角和导叶出口角，通过下面公式计算得到叶片安放角。
(3)导叶体自动优化设计方法：
在piano优化设计软件平台集成CFX数值计算软件，针对导叶体个断面叶栅稠密度值、导叶出口角和导叶安放角进行导叶的自动优化设计，自动优化设计步骤如下：
(3-1)确定导叶的优化设计目标：
导叶体的优化设计一方面需要关注导叶体自身的水力损失，还需要关注导叶的回收叶轮出口水流速度环量的效果。优化目标可定量的归为3个，即导叶体的水力损失hg、动能回收系数ζ和导叶体出口断面静态畸变系数pc。
导叶体的水力损失hg：评价导叶体自身设计优劣的目标参数，在导叶设计过程中首先要考虑使得导叶体自身损失最小，从而达到机组整体效率较高的目的。
动能回收系数ζ：根据导叶体的作用评价导体体回收叶轮出口水流速度环量的能力，导叶体回收速度环量越大，说明导叶体能尽可能的将水流的动能转化为压力，提高导叶体转化效率。
导叶体出口断面静态畸变系数pc：评价水流经过导叶体后整流状态，断面畸变系数越小，说明出口水流越均匀，水流在导叶体后半段水力损失较小，可进一步提高装置整体效率。
计算公式如下：
式中，E3、E4分别为导叶进、出口断面的总能量。ν3、ν4分别为导叶进、出口断面的速度，为导叶出口断面最大总压值；为导叶出口断面最小总压值；为导叶出口断面平均总压。
(3-2)在piano优化软件中搭建导叶体自动优化设计平台，通过piano调用cfx软件进行数值模拟计算，调用MATLAB软件进行结果后处理。
(3-3)采用归一法将目标函数进行处理，通过权重值将多目标问题转化为单目标问题，本专利三个目标参数权重值均取1/3。
(3-4)给定初始设计参数值，对导叶体进行数值模拟计算。根据计算结果以及算法要求修改设计参数值，直至目标函数收敛。具体优化流程如图3所示。
根据技术方案(1)可计算得到导叶体各断面的流场自适应进口角，如表1所示。
表1自适应流场进口角确定
| 翼型断面d/D | 0.4 | 0.4667 | 0.5333 | 0.6 | 0.667 | 0.7333 | 0.8 | 0.8667 | 0.9333 | 1.0 |
| 进口角α<sub>3</sub>/° | 31.3 | 35.6 | 39.5 | 42.3 | 44.1 | 44.9 | 43.2 | 40.6 | 38.3 | 33.2 |
根据技术方案(2)可得到导叶体自动优化设计结果，如图5、6、7、8所示。图中四个点的为贝塞尔控制点的拟合线。
目标函数优化前后对比如表2所示。
表2优化前后目标函数对比
| 目标函数 | 优化前 | 优化后 |
| 导叶体水力损失△h | 0.5869 | 0.1831 |
| 动能回收系数ζ | 0.4154 | 0.8574 |
| 静态畸变指数P<sub>c</sub> | 0.4549 | 0.203 |
导叶的水力损失从58.69cm降低到18.31cm，优化后导叶水力损失减小40cm，可以大幅度提高装置效率；同时动能回收系数从41.54％提升到85.74％，说明了优化后的导叶不仅水力损失有较大幅度的减少，同时能够回收更多的速度环量。导叶出口断面的速度分布均匀度由原先的45.49％降低到20.3％，降幅明显，可以减小出水流道的部分水力损失。导叶体自动优化设计结果较初始值提高幅度较大，优化效果十分明显。
Claims (1)
1.一种基于流场自适应的轴流泵后导叶体自动优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)导叶进口角的确定方法：
后导叶体进口角的设计通过下列公式进行：
α3＝α'3+Δα (1)
式中，α3为导叶进口角；Δα为导叶进口冲角，取0°～5°；α'3为导叶进口液流角；
流场自适应的导叶体进口角确定步骤如下：
(1-1)在导叶体设计之前，将导叶体从轮毂到轮缘均分成10个翼型断面，分析每个翼型断面导叶体进口速度三角形；
(1-2)通过CFX流体计算软件计算轴流泵叶轮内部流场速度分布，得到轴流泵叶轮出口轴面速度(Vm2)和叶轮出口速度的圆周分量(Vu2)；
(1-3)叶轮出口断面和导叶进口断面无损失过渡，因此，可得Vm3＝Vm2，Vu3＝Vu2；
(1-4)根据计算得到的导叶体进口流场速度条件，考虑导叶叶片的排挤系数，计算得到导叶体适应流场的进口角，计算公式如下：
式中，νm3为导叶进口的轴面速度；νu3为导叶进口速度的圆周分量；ψ3为导叶叶片进口排挤系数；Su3为导叶进口圆周方向的厚度；t为栅距；S3为导叶进口流面的厚度，等于导叶叶片实际厚度；z为导叶叶片数；
(1-5)重复步骤(1-2)～(1-4)分别计算得到从轮毂到轮缘共计10个断面的导叶叶片进口角，使得轴流泵叶轮从轮毂到轮缘各断面水流均能沿导叶叶片的方向平顺进入导叶体，减少了导叶体进口冲击损失，提高了导叶叶片的工作效率；
(2)基于自适应进口角的导叶体自动优化设计方法：
在确定导叶体自适应流场进口角度后，还需根据导叶体的作用和地位确定导叶体其他关键设计参数，建立导叶的自动优化设计平台；
所示关键设计参数的确定方法如下：
(2-1)确定导叶体各断面翼型叶栅稠密度值：
根据公式(1)中确定的导叶体进口角，根据下面公式求得导叶体各断面翼型叶栅稠密度：
式中，ε为相邻导叶间的扩散角度；
(2-2)确定导叶体叶片数：
考虑到整体水泵机组的结构参数，为避免剧组共振，导叶体叶片数与水泵叶片数应互为质数；
(2-3)确定导叶体出口角：
为了使得叶轮出口水流经过导叶体后尽可能回收水流的速度环量，将动能转化为压能，期望水流在导叶体出口与水平方向成90°出流，考虑导叶体水流出流角与导叶叶片出口角存在偏差，滞后角约5～9°，因此导叶出口角可选择85～95°，各断面翼型出口角可取相等值；
(2-4)根据导叶体自适应进口角和导叶出口角，通过下面公式计算得到叶片安放角；
(3)导叶体自动优化设计方法：
在piano优化设计软件平台集成CFX数值计算软件，针对导叶体个断面叶栅稠密度值、导叶出口角和导叶安放角进行导叶的自动优化设计，自动优化设计具体步骤如下：
(3-1)确定导叶的优化设计目标：
导叶体的优化设计一方面需要关注导叶体自身的水力损失，还需要关注导叶的回收叶轮出口水流速度环量的效果，优化目标可定量的归为3个，即导叶体的水力损失hg、动能回收系数ζ和导叶体出口断面静态畸变系数pc；
导叶体的水力损失hg：评价导叶体自身设计优劣的目标参数，在导叶设计过程中首先要考虑使得导叶体自身损失最小，从而达到机组整体效率较高的目的；
动能回收系数ζ：根据导叶体的作用评价导体体回收叶轮出口水流速度环量的能力，导叶体回收速度环量越大，说明导叶体能尽可能的将水流的动能转化为压力，提高导叶体转化效率；
导叶体出口断面静态畸变系数pc：评价水流经过导叶体后整流状态，断面畸变系数越小，说明出口水流越均匀，水流在导叶体后半段水力损失较小，可进一步提高装置整体效率；
计算公式如下：
式中，E3、E4分别为导叶进、出口断面的总能量；ν3、ν4分别为导叶进、出口断面的速度，为导叶出口断面最大总压值；为导叶出口断面最小总压值；为导叶出口断面平均总压；
(3-2)在piano优化软件中搭建导叶体自动优化设计平台，通过piano调用cfx软件进行数值模拟计算，调用MATLAB软件进行结果后处理；
(3-3)采用归一法将目标函数进行处理，通过权重值将多目标问题转化为单目标问题，本专利三个目标参数权重值均取1/3；
(3-4)给定初始设计参数值，对导叶体进行数值模拟计算，根据计算结果以及算法要求修改设计参数值，直至目标函数收敛。
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| CN201811263220.8A Pending CN109344535A (zh) | 2018-10-28 | 2018-10-28 | 一种基于流场自适应的轴流泵后导叶体自动优化设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109344535A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112182978A (zh) * | 2020-10-13 | 2021-01-05 | 桂林电子科技大学 | 基于自适应角度约束进化算法的多目标水泵调度方法 |
| CN112901502A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-04 | 兰州理工大学 | 一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105179303A (zh) * | 2015-10-24 | 2015-12-23 | 扬州大学 | 一种轴流泵叶轮全工况设计方法 |
| CN106194819A (zh) * | 2016-09-26 | 2016-12-07 | 扬州大学 | 一种基于斜v对称翼型的双向轴流泵叶轮及其设计方法 |
-
2018
- 2018-10-28 CN CN201811263220.8A patent/CN109344535A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105179303A (zh) * | 2015-10-24 | 2015-12-23 | 扬州大学 | 一种轴流泵叶轮全工况设计方法 |
| CN106194819A (zh) * | 2016-09-26 | 2016-12-07 | 扬州大学 | 一种基于斜v对称翼型的双向轴流泵叶轮及其设计方法 |
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| Title |
|---|
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| 石丽建: "轴流泵水力模型优化设计方法及关键技术研究", 《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112901502A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-04 | 兰州理工大学 | 一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法 |
| CN112901502B (zh) * | 2021-03-16 | 2021-11-26 | 兰州理工大学 | 一种轴流泵空间导叶入口安放角设置方法 |
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