[发明专利]一种基于翼型参数控制的轴流式抗空化叶轮设计方法

说明书

本发明公开一种基于翼型参数控制的轴流式抗空化叶轮设计方法，该方法改进传统的轴流泵设计中的叶片剖面设计，通过试验设计方法生成翼型最大厚度、最大厚度位置、最大拱度、最大拱度位置的试验样本，并调用翼型流场求解器对翼型进行流场求解，得到每种翼型的翼型升力系数与表面压力分布，再以翼型升力系数、翼型前缘最小压力系数、翼型中部最小压力系数、翼型表面压力方差为目标变量，采用人工神经网络建立设计变量与目标变量之间的回归关系；然后以翼型最大厚度和翼型偏转角为约束条件，采用多目标遗传算法对设计变量进行寻优；最后将优化翼型进行三维叶片构型。该方法叶片剖面控制灵活、高效，兼顾空化和水力效率，且能够面向三维叶片设计。

技术领域

本发明涉及流体机械领域，具体涉及一种基于翼型参数控制的轴流式抗空化叶轮设计 方法。

背景技术

泵在运行过程中不可避免的出现空化现象，会导致泵的扬程、效率下降甚至崩溃，空 化的非定常发展更会引起结构振动和辐射噪声等危害，因此，泵叶轮的抗空化设计已成为 业界在泵水力设计过程中的关注重点。传统改善泵的空化性能的措施有提高泵进口压力(如 诱导轮，进口增压罐，增压射流等)、减低进口流速(单吸结构调整为双吸结构，增大进口 过流断面面积等)、优化流场结构(叶片载荷优化，进口管路优化)的方法，这些方法虽能 够不同程度的改善泵空化性能，但存在结构复杂、制造成本高、水力效率低等问题，且对于发展严重的空化或变工况时无法起到有效控制作用。

传统的轴流泵的叶轮的设计流程如图1所示，首先按照泵设计参数(流量、扬程等)，确 定基本结构参数(转速、直径等)，然后依赖于展向载荷分配规律，对各个剖面进行独立设计， 最终协调完成整体叶片设计。该传统的设计方法属于半经验的设计方法，对载荷、叶片骨 线和厚度经验性设计方法难以充分合理地分配和利用流动能量，也难以对泵内流动形式进 行较为准确的控制，导致了难以找到在给定空间和功率约束条件下兼顾做功效率与抗空化 能力的最佳叶片形式。

目前具有较大发展潜力的泵空化控制方法为基于叶片剖面设计的抗空化方法，该方法 能够兼顾叶轮水力效率与抗空化性能，并具备结构简单、制造成本低的优势，但现有的叶 片剖面优化设计方法仍然存在的如下的缺陷：

(1)设计周期长。目前基于叶片参数化控制的优化方法，其样本数据库多来自于数值 模拟结果，针对复杂泵流场通常需要较长的计算周期，同时由于样本方案计算周期长，使 得样本训练参数的变化灵活性不足。

(2)优化参数冗余。现有方法均采用B样条或Bézier曲线对轴流泵叶片剖面翼型进行 参数化控制，存在控制参数过多且缺少实际几何意义的问题，同时对于曲线坐标点控制的 方法难以保证优化后的曲线光顺，仍需进一步的拟合工作。

(3)难以面向三维叶片设计。为保证泵基本水力性能，优化后叶片剖面翼型须保证流 动偏转角不变，现有方法未考虑优化后剖面流动偏转角变化，且不考虑不同展向剖面匹配 与过渡，难以混合形成三维光顺叶片。

(4)难以兼顾抗空化性能和水力效率。因现有方法未考虑优化后剖面流动偏转角变化， 且不考虑展向环量分配形式，导致难以兼顾泵叶轮抗空化性能与水力效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于翼型参数控制的轴流式抗空化叶轮设计方 法，该方法能够实现剖面数据的快速求解，缩短设计周期，且剖面设计方法能够面向三维 叶片，通过该方法设计的叶轮能够同时兼顾抗空化性能和水力效率。

一种基于翼型参数控制的轴流式抗空化叶轮设计方法，该方法包括如下步骤：

S1：根据轴流泵性能参数确定叶轮设计的基本参数，包括叶轮直径、轮毂直径、转速、 叶片数；然后确定叶轮叶片从叶根到叶顶的各个剖面的环量分布，并由环量分布确定不同 剖面的翼型进口安放角、出口安放角、弦长、最大厚度；