一种轴流泵叶轮全工况设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种轴流栗叶轮全工况设计方法，属于水利与动力工程技术领域。
【背景技术】
[0002] 传统的轴流栗设计方法是只按设计工况的单设计方法，即按照使用场合提出某一 组设计流量和设计扬程值，进行整台栗的设计，而所谓的设计工况事实上只是扬程-流量 (H-Q)性能曲线上的一点。用传统的设计工况方法进行的设计，只是在理想流体和理想化的 流动条件下保证设计点的性能，至于非设计工况下的性能，在设计中无法保证，或只能从试 验得出。而多数情况下，应用轴流栗的现场，其使用要求不能固定在设计工况，大部分时间 处于非设计工况下运行。轴流栗的设计要求应该为：尽量高的效率，合适的性能曲线和良好 的空化特性。而传统的轴流栗设计方法片面的追求设计工况下较高的效率要求，忽略了其 他的水力性能要求。因此，传统的这种设计工况设计方法将越来越不能满足日益复杂的生 产需求，这种轴流栗叶轮传统的设计工况设计方法的缺陷主要有以下几个方面：
[0003] 1.方法的理论是欧拉方程，而欧拉方程只是建立了外特性参数与轴流栗叶轮进出 口速度之间的关系，对于叶轮内部流速场和压力场没有分析，尽管有些设计考虑了液体粘 滞性影响，进行了经验公式的修正，但仍然过于粗糙。
[0004] 2.设计过程针对轴流栗叶轮本身，没有考虑导叶、进出水流道等过流部件对轴流 栗内部流动及轴流栗性能的影响。特别是设计工况，只能说基本满足设计工况的要求。
[0005] 3.设计过程过分简化，人为因素较大，误差大。
[0006] 4.非设计工况下轴流栗的性能无法兼顾，设计工况下的效率也只能达到所统计资 料的水平，很难进一步提高。
[0007] 5.设计是依次进行的，没有考虑上下游之间和各种损失之间的相互影响。
[0008] 然而随着数值模拟技术和数值优化技术的发展，以及针对轴流栗叶轮设计理念的 革新，本发明专利提出了一种轴流栗全工况设计方法。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供一种轴流栗叶轮全工况设计方法，运用反问题设计法，考虑 多个工况点多个目标对轴流栗进行全工况优化设计。在优化设计时，对栗装置的水力性能 进行整体计算，根据栗装置计算结果来确定轴流栗叶轮的设计方案。在计算时，通过CFX流 动仿真软件进行数值模拟，计算精度高，优化结果可靠。实例优化设计表明：设计工况点效 率有所提高，但增加幅度不明显，但大流量工况点效率和小流量工况效率提高较为明显，其 中大流量工况点效率提高了约7. 4%，小流量工况点效率提高了约2. 6%，高效区范围明显 变宽，优化设计效果明显。
[0010] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种轴流栗叶轮全工况设计方法，包 括以下步骤：
[0011] (1)轴流栗叶轮参数化建模：
[0012] 选择轴流栗叶轮的k个翼型断面叶栅稠密度和翼型安放角值共计2k个设计参 数；
[0013] (2)全工况优化设计：
[0014] 第一，先确定该叶轮常规设计参数，设计流量Q，设计扬程H，转速n，叶顶单边间 隙，单位为mm ;叶轮叶片数、轴流栗叶轮轮毂比dd ;接着对轴流栗叶轮设计工况进行数值计 算，综合分析栗内各项损失，以总损失最小初步设计出设计工况下水力性能较优的一付轴 流栗叶轮；
[0015] 第二，再针对该叶轮进行导叶、导水锥以及进出水流道的设计，确定导叶体扩散角 度、导叶叶片数、导水锥及进出水流道的尺寸；
[0016] 第三，最后通过Isight数值优化平台集成CFX数值优化软件，将叶轮、导叶、导水 锥及进出水流道整合成栗装置，以栗装置全工况的加权平均效率最优为目标，扬程为约束 条件，选用梯度优化算法的序列二次规划法，不断改变轴流栗叶轮设计参数，对栗装置进行 迭代数值计算，通过迭代，最终找到使栗装置综合效率最高的轴流栗叶轮的设计方案。
[0017] 优选的，所述参数化建模中叶栅稠密度的计算方法：通过改变叶尖叶栅稠密度值ai和叶根叶栅稠密度倍数a 2，改变各断面叶栅稠密度值，叶栅稠密度1/t (i)的计算公式 为：
[0018] 1/t (i) = n+m/r (i)
[0019] m= (B2-I)^a1Z(IZdd-I)
[0020] η = afm
[0021] 其中，B1为叶尖叶栅稠密度值；a 2为叶根叶栅稠密度倍数；dd为轮毂比；n, m为中 间计算量；i = l_k，k为翼型断面总数；r(i)为第i个断面的相对半径值，即各断面半径与 叶轮半径的比值；1/t (i)为第i个断面的叶栅稠密度值。
[0022] 优选的，所述参数化建模中翼型安放角的计算方法为：根据初始设计工况的叶轮 k个断面的翼型安放角值，通过用二次多项式对这十个翼型安放角进行拟合，拟合得到翼型 安放角β与相对半径值r之间的关系：
[0023] β = a3-a4*r+a5*r2
[0024] 定义此二次多项式三个系数为a3, a4, ％为优化设计的设计变量，通过控制这三个 系数a3, a4, a5值的改变来控制各断面翼型安放角的变化，实现叶轮叶片的参数化造型。
[0025] 优选的，所述全工况优化设计在工况选择时，选取三个流量工况点，分别选择设计 流量工况点、小流量工况点和大流量工况点：设计流量工况点为Q。，则小流量工况点Q,」、= (0· 7-0. 9) *Q。，大流量工况点 Q大=(I. 1-1. 3) *Q。；
[0026] 三个流量工况下，扬程小范围的变化，不断的改变轴流栗叶片设计变量的值，使得 三个流量工况点栗装置的效率都达到最优值，以拓宽轴流栗装置的高效区范围，进而确定 轴流栗叶轮的设计方案；
[0027] 优化模型如下：
[0028] 目标函数：max n (X) = W1 η 丨（X) +w2 η 2 (X) +w3 η 3 (X) (1)
[0029] CN 105179303 A 说明书 3/9 页
[0031] 设计变量：x = [a" a2, a3, a4, a5]T
[0032] 其中n i、n2和n 3分别是小流量工况、设计工况和大流量工况的效率；W^，和W3分别为对应的权重值，权重值根据栗站小流量工况、设计工况和大流量工况的实际运行时 间确定；氏、氏和H 3分别为小流量工况、设计工况和大流量工况的扬程，单位m ;针对设计工 况设计的叶轮为初始方案，对应叶轮的初始设计变量值为A2、A3、A4、A 5。
[0033] 优选的，所述H2变化范围取值0-0· 2m ;H p H3变化范围取值0-lm。
[0034] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0035] 第一，采用CFD数值计算，设计精度高，优化结果可靠。通过计算栗装置水力性能 确定轴流栗叶轮的最终设计方案，充分考虑栗装置各通流部件以及各种水力损失的相互影 响，提高了栗装置各工况点的效率，获得的高效区更宽的栗装置效率曲线，得到了更加合适 的水栗性能曲线。
[0036] 第二，随着跨流域调水工程的建设、国家大型和中小型栗站技术改造的实施，共计 成千上万座栗站需要进行新建和更新改造，而且对水栗性能要求越来越高，因此本专利的 应用和实施，将会取得较大的经济效益和社会效益。
【附图说明】
[0037] 图1为轴流栗装置优化设计流程图。
[0038] 图2为栗装置数值计算模型。
[0039] 图3为优化前后栗装置性能曲线。
[0040] 其中图2中1.进水管2.叶轮3.导叶体4.出水管。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图对该轴流式叶轮作进一步说明。
[0042] 1、本发明要解决的技术问题
[0043] 1)采用CFD数值计算作为学科分析方式，设计精度高，避免人工凭经验的设计方 式。
[0044] 2)优化设计采用全工况优化设计方法，兼顾非设计工况下的水力性能，尽可能拓 宽高效区范围，得到更为合适的性能曲线。
[0045] 3)优化设计采用多目标优化设计方法，尽可能的提高各流量工况点的效率，还应 该具有良好的汽蚀性能。
[0046] 4)优化设计根据数值计算的栗装置的水力性能最优来确定轴流栗叶轮的最终设 计方案，与传统依次设计不同，充分考虑栗装置各通流部件以及各种损失之间的相互影响。
[0047] 2、本发明的技术方案
[0048] 1)轴流栗叶轮参数化建模
[0049] -般轴流栗叶轮设计时，将轴流栗叶片均分成11个二维的翼型断面进行设计。再 将设计好的各断面翼型光滑组合成轴流栗叶轮。轴流栗叶片设计参数很多，通过改变轴流 栗各断面叶栅稠密度和翼型安放角可以很方便的改变轴流栗叶片的形状。
[0050] 本发明专利中，叶栅稠密度（Ι/t)是轴流栗叶片设计的一个重要参数，1 :是指翼 型断面弦长；t = 2 π r/z，其中z是叶片数，r是该翼型断面所在的半径值。叶尖叶栅稠密 度是指叶片最外缘的翼型断面的叶栅稠密度值，叶根叶栅稠密度就是轮毂处的翼型断面的 叶栅稠密度值。叶根叶栅稠密度倍数是指叶