一種多級離心泵流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于流體機械設(shè)計領(lǐng)域，特指涉及一種多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安 放角設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多級離心栗兩級葉輪之間通過導(dǎo)葉相連，在對導(dǎo)葉葉片進行水力設(shè)計時，尤其是 在后期繪制外壁的流線圖時，往往會出現(xiàn)突變抑或是角度變化不均勻，這時就必須通過修 改導(dǎo)葉葉片進口安放角、導(dǎo)葉葉片出口安放角、包角來達到角度平緩變化的要求。對于流道 式導(dǎo)葉來說，合理的導(dǎo)葉葉片進口安放角能使導(dǎo)葉與上一級葉輪完全匹配，進而使得流體 在葉輪與流道式導(dǎo)葉的過渡中水力損失減到最小。目前對流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角的設(shè) 計往往是根據(jù)葉輪出口確定液流角，再根據(jù)經(jīng)驗選取沖角，從而計算流道式導(dǎo)葉葉片進口 安放角。這種設(shè)計方法是以經(jīng)驗為主的單工況設(shè)計方法，經(jīng)驗因素偏多，且沒有科學(xué)的理論 與數(shù)學(xué)模型作為支撐。
[0003] 迄今為止，尚未見基于多工況優(yōu)化的多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角設(shè)計 方法的公開報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角設(shè)計方法，通過 采用外特性實驗、全局優(yōu)化算法和CFD技術(shù)得到多個工況下加權(quán)平均效率最高（或加權(quán)平 均功率最低）的多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角的最優(yōu)解。
[0005] 為達到以上目的，采用如下技術(shù)方案：
[0006] 采用全局優(yōu)化算法對流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角ai的數(shù)學(xué)模型進行求解，解出 的流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角aPareto解。
[0007] 其具體步驟如下：
[0008] (1)采用單工況（即設(shè)計工況）設(shè)計方法對多級離心栗進行設(shè)計。加工多級離心 栗，并搭建多級離心栗外特性試驗臺，測量各個工況下多級離心栗的流量、揚程、功率和效 率。
[0009] 各個工況下栗的流量Qi由栗出口管路系統(tǒng)上的流量計測量得到，其揚程Hi由栗 進、出口的壓力傳感器測量得到，其功率？,由電測法測量得到，其效率n,由公式n,= pgQA/^計算得到，其中i為各個工況點，p為多級離心栗輸送介質(zhì)的密度，g為重力加 速度，g= 9. 8。
[0010] (2)根據(jù)多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口排擠系數(shù)和流道式導(dǎo)葉葉片進口過 水斷面面積h，建立各個工況下多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口軸面速度Vnilil;
[0011]
(1_>
[0012]Fi= 2JrRcb(2)
[0013]
(3)
[0014] 其中z為流道式導(dǎo)葉的葉片數(shù)，Si為流道式導(dǎo)葉葉片進口實際厚度，D:為流道式 導(dǎo)葉進口直徑，R。為流道式導(dǎo)葉進口處過水斷面的半徑，b為流道式導(dǎo)葉葉片進口寬度。
[0015] 根據(jù)速度矩定理，建立各個工況下多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口圓周分速度
Vul,!；
[0016] (4)
[0017]其中n為多級離心栗的轉(zhuǎn)速，&為流道式導(dǎo)葉進口半徑。
[0018]建立各個工況下多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角ai的數(shù)學(xué)模型：
[0019]
:5)
[0020] 其中Aa丨為流道式導(dǎo)葉葉片進口沖角，Aa〇~8°。
[0021] 以多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角ai為設(shè)計變量，以單工況設(shè)計的多級 離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角ai值為初始值，采用全局優(yōu)化算法對各個工況下多級 離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角ai的數(shù)學(xué)模型進行求解，解出各個工況下流道式導(dǎo)葉 葉片進口安放角a丨的Pareto解。
[0022] 根據(jù)各個工況下的權(quán)重因子，計算出多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角的加 權(quán)平均值，其中各個工況下的權(quán)重因子由超傳遞近似法來確定。
[0023] (3)根據(jù)各個工況下多級離心栗揚程私、功率Pi和效率n,的實驗值，找出各個工 況下多級離心栗數(shù)值計算中與實驗值誤差最小的湍流模型；
[0024] 然后分別對全局優(yōu)化得到的各個方案下多級離心栗內(nèi)部流場進行全流場數(shù)值計 算，計算出各個工況下多級離心栗的效率值、功率值；
[0025] 最后計算出多個工況下多級離心栗的加權(quán)平均效率值（或加權(quán)平均功率值），其 中各個工況下的權(quán)重因子由超傳遞近似法來確定。
[0026] (4)若計算的多個工況下加權(quán)平均值滿足要求，則得到的多級離心栗流道式導(dǎo)葉 葉片進口安放角的加權(quán)平均值為最優(yōu)解。
[0027] 若計算的多個工況下加權(quán)平均值不滿足要求，則重復(fù)全局優(yōu)化，直至滿足要求為 止。
[0028] 所述全局優(yōu)化算法為模擬退火算法、遺傳算法、粒子群算法或進化算法。
[0029] 所述加權(quán)平均值為加權(quán)平均效率值或加權(quán)平均功率值。
[0030] 所述計算的多個工況下加權(quán)平均值滿足要求是指：多個工況下加權(quán)平均效率值高 于優(yōu)化前的加權(quán)平均效率值，或加權(quán)平均功率值低于優(yōu)化前的加權(quán)平均功率值。
[0031] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0032] (1)建立的多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角的數(shù)學(xué)模型，適用于所有流量 范圍內(nèi)的流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角的精確計算；
[0033] (2)不僅能較為準確地計算各個工況下多級離心栗流道式導(dǎo)葉的葉片進口安放 角，還可以在此基礎(chǔ)上對已有的多級離心栗進行多工況優(yōu)化或節(jié)能改造。
【附圖說明】
[0034] 圖1為一種多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角設(shè)計方法的流程圖
[0035] 圖2為實施例中三級離心栗首級葉輪的水體三維造型
[0036] 圖3為實施例中三級離心栗首級流道式導(dǎo)葉的水體三維造型
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍并 不限于此。
[0038] 實施例：
[0039] -比轉(zhuǎn)數(shù)為154的三級離心栗，其設(shè)計流量為(^= 850m3/h，Hd= 131m，n= 1475r/ min〇
[0040] (1)采用單工況（即設(shè)計工況）設(shè)計方法對多級離心栗進行設(shè)計。加工多級離心 栗，并搭建多級離心栗外特性試驗臺。
[0041] 測量三個工況下多級離心栗的揚程、功率和效率。0. 6Qd、Qd、l. 2Qd=個工況下多級 離心栗的流量仏由栗出口管路系統(tǒng)上的渦輪流量計測量得到，其揚程Hi由栗進、出口的壓 力傳感器測量得到，其功率？,由電測法測量得到，其效率n,由公式n,= 0891111/?1計算 得到，其中i為三個工況點，i= 1、2、3 ;p為水的密度；g為重力加速度，g= 9.8。
[0042] 0? 6Qd、Qd、l. 2Qd三個工況下三級離心栗外特性試驗結(jié)果為：Hi=165.lm，P1 = 412. 2kff,n!= 55. 6%；H2= 138. 7m,P2= 461kff,n2= 69. 5%；H3= 118. 3m,P3= 468. 9kff, q3= 70. 04%〇
[0043](2)根據(jù)多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口排擠系
?和流道式導(dǎo) 葉葉片進口過水斷面面積F1= 2JIReb，建立三個工況下多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口軸 面速度v#的計算公式其中z為流道式導(dǎo)葉的葉片數(shù)，Si為流道式導(dǎo)葉葉片 進口實際厚度，Di為流道式導(dǎo)葉進口直徑，R。為流道式導(dǎo)葉進口處過水斷面的半徑，b為流 道式導(dǎo)葉葉片進口寬度。
[0044] 根據(jù)速度矩定理，建立三個工況下多級離心栗流道式