本發(fā)明涉及離心泵葉輪技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于熵產(chǎn)和葉片載荷聯(lián)合約束的離心泵葉輪設(shè)計(jì)方法，以及一種離心泵葉輪。

背景技術(shù)：

離心泵內(nèi)部復(fù)雜的三維非定常湍流，常導(dǎo)致一些影響離心泵運(yùn)行特性的不良現(xiàn)象，如壓力脈動(dòng)、流動(dòng)分離、水力振動(dòng)等，嚴(yán)重影響機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性及工作壽命。

目前，傳統(tǒng)的離心泵設(shè)計(jì)方法在對(duì)離心泵進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，都是定義葉片幾何，然后進(jìn)行CFD仿真，反復(fù)實(shí)驗(yàn)性地修改葉片幾何，且CFD計(jì)算結(jié)果和如何修改葉片幾何無(wú)必然聯(lián)系，其中大部分修改是錯(cuò)誤的或者多余的，主要依賴工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，造成時(shí)間和人力的浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種離心泵葉輪設(shè)計(jì)方法，能夠提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)省設(shè)計(jì)成本，根據(jù)該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的離心泵葉輪，可以在保障揚(yáng)程和效率的同時(shí)，降低離心泵能量損失，以提高離心泵的壽命及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于熵產(chǎn)和葉片載荷聯(lián)合約束的離心泵葉輪設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)在計(jì)算機(jī)的CFD系統(tǒng)中對(duì)原型泵進(jìn)行仿真，根據(jù)計(jì)算公式確定流道葉片載荷分布；

式中：p⁺和p^-分別為葉片壓力面和吸力面壓力，單位Pa；z為葉片數(shù)；W_mbl為葉片流線上的相對(duì)速度，單位m/s；ρ為水的密度；為速度環(huán)量，單位m²/s；m為相對(duì)軸面流線長(zhǎng)度；為葉片載荷；

2)根據(jù)載荷分布情況，在確定兩條葉片載荷曲線后，根據(jù)葉片型線微分方程繪制出葉片幾何模型；

3)對(duì)繪制出的葉片幾何模型進(jìn)行CFD仿真驗(yàn)證是否符合物理要求；

4)若葉片模型不滿足物理要求，則返回步驟1)，調(diào)整葉片載荷分布，重新繪制葉片；

5)若設(shè)計(jì)的葉輪滿足物理要求，則基于能量熵理論，根據(jù)公式計(jì)算出葉片的能量損失分布情況；

S″′_D的值由雷諾平均N-S方程獲得，S″′_D′可由式得出，其中κ和ω分別是SSTκ-ω模型中的湍動(dòng)能和特征頻率,α＝0.09為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，V代表流道體積，T為離心泵內(nèi)部溫度；

6)根據(jù)葉片的能量損失分布情況，在葉片上發(fā)生能量損失的主要位置開(kāi)至少一個(gè)圓形的平衡孔，平衡孔半徑為葉片出口端寬度的1/5～1/6，平衡孔軸向位置位于葉片中截面；

7)對(duì)開(kāi)孔后的葉片模型進(jìn)行CFD仿真驗(yàn)證，若葉片的能量損失仍不滿足要求，則改變?nèi)~片載荷分布，返回步驟2)，直到設(shè)計(jì)出滿足能量損失要求的葉片為止。

作為優(yōu)選，一種離心泵葉輪，其特征在于：包含六個(gè)葉片，每個(gè)葉片上分別開(kāi)有平衡孔，平衡孔半徑為4～5mm，所述平衡孔位于葉片軸向的中截面位置，平衡孔的中心到葉片進(jìn)口的距離為葉片長(zhǎng)度的70％～80％。

作為優(yōu)選，所述葉片厚度為2～3mm，葉片進(jìn)口直徑為300～320mm，葉片出口直徑為600～640mm,葉片出口的寬度為20～25mm,葉片進(jìn)口安放角為29-30度，葉片出口安放角為20～24度。

本發(fā)明的有益效果是：

1)采用能量熵的方法，分析出葉輪能量損失的主要區(qū)域，為載荷分布的調(diào)整提供參考；

2)基于熵產(chǎn)和葉片載荷理論聯(lián)合約束，來(lái)求解離心泵水力設(shè)計(jì)問(wèn)題，提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了離心泵設(shè)計(jì)周期；

3)基于葉片載荷理論的全三維反設(shè)計(jì)方法，通過(guò)調(diào)整葉片載荷分布計(jì)算出滿足最優(yōu)化的流量分布的葉片幾何，大幅提高設(shè)計(jì)速度，節(jié)省大量人力和時(shí)間；

4)不再?gòu)?qiáng)烈依賴于工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，新手也可嘗試進(jìn)行設(shè)計(jì)；

5)通過(guò)本優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的葉輪，能有效的降低離心泵的能量損失，提高泵的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和運(yùn)行壽命。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)流程圖；

圖2是葉輪軸面剖視圖；

圖3是葉輪主視圖；

圖4是葉片載荷曲線；

圖5是葉輪優(yōu)化前后性能曲線對(duì)比圖；

圖6是葉輪優(yōu)化前后能量損失分布對(duì)比圖。

其中：1、葉片；2、平衡孔；3、前蓋板；4、流道；5、后蓋板；6、轉(zhuǎn)軸。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。

參見(jiàn)圖1到圖6，本發(fā)明提供的一種基于熵產(chǎn)和葉片載荷聯(lián)合約束的離心泵葉輪設(shè)計(jì)方法，其原型泵設(shè)計(jì)流量為Q_d＝0.008m³/s,H_d＝0.1m,n＝40r/min。

該設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：

1)對(duì)現(xiàn)有的原型泵，在計(jì)算機(jī)的CFD系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)值模擬(仿真),由根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算出原型泵葉輪流道4靠近前蓋板3、后蓋板5位置的葉片載荷分布，從而根據(jù)葉片載荷分布情況確定靠近前蓋板的葉片載荷曲線以及靠近后蓋板的葉片載荷曲線，其前后蓋板載荷分布為：前加載點(diǎn)m1＝0.38，后加載點(diǎn)m2＝0.82，中間主加載區(qū)斜率k＝0.8；式中：p⁺和p^-分別為葉片壓力面和吸力面壓力，單位Pa；z為葉片數(shù)；W_mbl為葉片流線上的相對(duì)速度，單位m/s；ρ為水的密度；為速度環(huán)量，單位m²/s；m為相對(duì)軸面流線長(zhǎng)度；為葉片載荷；

2)根據(jù)前后蓋板的兩條葉片載荷曲線(前蓋板、后蓋板各一條葉片載荷曲線)分布情況，由葉片型線微分方程繪制出葉片幾何模型；式中：v_m是軸面流速，f為葉片包角，ω為葉片旋轉(zhuǎn)角速度，r為葉片上節(jié)點(diǎn)的半徑，V_θ為節(jié)點(diǎn)的圓周分速度，s為軸面流線長(zhǎng)度，

3)對(duì)繪制出的葉片模型進(jìn)行CFD仿真驗(yàn)證，其符合物理要求；

4)由CFD系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，由以下公式計(jì)算離心泵內(nèi)部能量損失S”'分布情況：

${\stackrel{\·}{S}}^{\′\′\′}={\stackrel{\·}{S}}_D^{\′\′\′}+{\stackrel{\·}{S}}_{D^{\′}}^{\′\′\′}$

${\stackrel{\·}{S}}_D^{\′\′\′}=\frac{\mathrm{\μ}}{T}(2\[{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{u}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{v}}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{w}}{\∂z}\right)}^2\]+{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{u}}{\∂y}+\frac{\∂\stackrel{\‾}{v}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{u}}{\∂z}+\frac{\∂\stackrel{\‾}{v}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{v}}{\∂z}+\frac{\∂\stackrel{\‾}{w}}{\∂y}\right)}^2)$

${\stackrel{\·}{S}}_{D^{\′}}^{\′\′\′}=\frac{\mathrm{\μ}}{T}(2\[{\left(\frac{\∂u^{\′}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v^{\′}}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂w^{\′}}{\∂z}\right)}^2\]+{\left(\frac{\∂u^{\′}}{\∂y}+\frac{\∂v^{\′}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂u^{\′}}{\∂z}+\frac{\∂v^{\′}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v^{\′}}{\∂z}+\frac{\∂w^{\′}}{\∂y}\right)}^2)$

總熵產(chǎn)生率為

式中：u代表沿x軸的速度分量，v代表沿y軸的速度分量，w代表沿z軸的速度分量，μ是動(dòng)力粘度。

式中，S″′_D的值由雷諾平均N-S方程獲得，S″′_D′可由式得出，其中κ和ω分別是SSTκ-ω模型中的湍動(dòng)能和特征頻率,α＝0.09為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，V代表流道體積，T為離心泵內(nèi)部溫度(離心泵內(nèi)部為等溫流動(dòng)，T指的也是這個(gè)恒定的溫度)；

通過(guò)分析計(jì)算，可得出總能量損失分布情況；

5)在軸向的葉片中截面(幾何上的葉片軸向中間的位置)，徑向相對(duì)葉片流線的75％長(zhǎng)度位置處開(kāi)半徑為5mm的平衡孔2(即沿著葉片流線，平衡孔與葉片入口的距離為葉片流線總長(zhǎng)度的75％位置)，通過(guò)平衡孔，沖散此區(qū)域不穩(wěn)定流動(dòng)渦，以降低能量損失；

6)調(diào)整載荷曲線分布，對(duì)葉輪進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)前加載點(diǎn)m1＝0.4,后加載點(diǎn)m2＝0.78,主加載區(qū)斜率k＝-4時(shí)，能量損失最小，同時(shí)可得出其能量損失分布情況；通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的葉輪其揚(yáng)程和效率不降低的情況下，能量損失明顯降低(降低10％到20％的能量損失)。

本發(fā)明還提供一種根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的離心泵葉輪，包含轉(zhuǎn)軸6以及六個(gè)葉片1，每個(gè)葉片上分別開(kāi)有平衡孔2，平衡孔半徑為4～5mm，所述平衡孔位于葉片軸向的中截面位置；沿著葉片流線，平衡孔的中心到葉片進(jìn)口的距離為葉片長(zhǎng)度的70～80％。

所述葉片厚度為2～3mm，葉片進(jìn)口直徑為300～320mm，葉片出口直徑為600～640mm,葉片出口的寬度為20～25mm,葉片進(jìn)口安放角為29-30度，葉片出口安放角為20～24度。

最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有很多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容中直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。