[發明專利]一種基于翼型參數控制的軸流式抗空化葉輪設計方法

有效

• 申請號: 202110460802.0
• 申請日: 2021-04-27
• 公開（公告）號: CN113094840B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 趙國壽;梁寧;王瑩;曹琳琳;吳大轉
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;F04D29/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

本發明公開一種基于翼型參數控制的軸流式抗空化葉輪設計方法，該方法改進傳統的軸流泵設計中的葉片剖面設計，通過試驗設計方法生成翼型最大厚度、最大厚度位置、最大拱度、最大拱度位置的試驗樣本，并調用翼型流場求解器對翼型進行流場求解，得到每種翼型的翼型升力系數與表面壓力分布，再以翼型升力系數、翼型前緣最小壓力系數、翼型中部最小壓力系數、翼型表面壓力方差為目標變量，采用人工神經網絡建立設計變量與目標變量之間的回歸關系；然后以翼型最大厚度和翼型偏轉角為約束條件，采用多目標遺傳算法對設計變量進行尋優；最后將優化翼型進行三維葉片構型。該方法葉片剖面控制靈活、高效，兼顧空化和水力效率，且能夠面向三維葉片設計。

技術領域

本發明涉及流體機械領域，具體涉及一種基于翼型參數控制的軸流式抗空化葉輪設計 方法。

背景技術

泵在運行過程中不可避免的出現空化現象，會導致泵的揚程、效率下降甚至崩潰，空 化的非定常發展更會引起結構振動和輻射噪聲等危害，因此，泵葉輪的抗空化設計已成為 業界在泵水力設計過程中的關注重點。傳統改善泵的空化性能的措施有提高泵進口壓力(如 誘導輪，進口增壓罐，增壓射流等)、減低進口流速(單吸結構調整為雙吸結構，增大進口 過流斷面面積等)、優化流場結構(葉片載荷優化，進口管路優化)的方法，這些方法雖能 夠不同程度的改善泵空化性能，但存在結構復雜、制造成本高、水力效率低等問題，且對于發展嚴重的空化或變工況時無法起到有效控制作用。

傳統的軸流泵的葉輪的設計流程如圖1所示，首先按照泵設計參數(流量、揚程等)，確 定基本結構參數(轉速、直徑等)，然后依賴于展向載荷分配規律，對各個剖面進行獨立設計， 最終協調完成整體葉片設計。該傳統的設計方法屬于半經驗的設計方法，對載荷、葉片骨 線和厚度經驗性設計方法難以充分合理地分配和利用流動能量，也難以對泵內流動形式進 行較為準確的控制，導致了難以找到在給定空間和功率約束條件下兼顧做功效率與抗空化 能力的最佳葉片形式。

目前具有較大發展潛力的泵空化控制方法為基于葉片剖面設計的抗空化方法，該方法 能夠兼顧葉輪水力效率與抗空化性能，并具備結構簡單、制造成本低的優勢，但現有的葉 片剖面優化設計方法仍然存在的如下的缺陷：

(1)設計周期長。目前基于葉片參數化控制的優化方法，其樣本數據庫多來自于數值 模擬結果，針對復雜泵流場通常需要較長的計算周期，同時由于樣本方案計算周期長，使 得樣本訓練參數的變化靈活性不足。

(2)優化參數冗余。現有方法均采用B樣條或Bézier曲線對軸流泵葉片剖面翼型進行 參數化控制，存在控制參數過多且缺少實際幾何意義的問題，同時對于曲線坐標點控制的 方法難以保證優化后的曲線光順，仍需進一步的擬合工作。

(3)難以面向三維葉片設計。為保證泵基本水力性能，優化后葉片剖面翼型須保證流 動偏轉角不變，現有方法未考慮優化后剖面流動偏轉角變化，且不考慮不同展向剖面匹配 與過渡，難以混合形成三維光順葉片。

(4)難以兼顧抗空化性能和水力效率。因現有方法未考慮優化后剖面流動偏轉角變化， 且不考慮展向環量分配形式，導致難以兼顧泵葉輪抗空化性能與水力效率。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提出一種基于翼型參數控制的軸流式抗空化葉輪設計方 法，該方法能夠實現剖面數據的快速求解，縮短設計周期，且剖面設計方法能夠面向三維 葉片，通過該方法設計的葉輪能夠同時兼顧抗空化性能和水力效率。

一種基于翼型參數控制的軸流式抗空化葉輪設計方法，該方法包括如下步驟：

S1：根據軸流泵性能參數確定葉輪設計的基本參數，包括葉輪直徑、輪轂直徑、轉速、 葉片數；然后確定葉輪葉片從葉根到葉頂的各個剖面的環量分布，并由環量分布確定不同 剖面的翼型進口安放角、出口安放角、弦長、最大厚度；