[发明专利]基于叶片欧拉扬程标准函数的叶轮高效低振动优化方法

说明书

本发明公开一种基于叶片欧拉扬程密度函数的叶轮高效低振动优化方法，通过中心试验设计法进行数据采样，得到叶片不同流面的厚度分布最大值和包角值的多组数据；结合叶片泵其他的几何参数和性能参数，创建多个叶片泵几何模型，对每个叶片泵几何模型均进行定常和非定常数值模拟；对多个叶片泵模型进行欧拉扬程图像处理，基于叶轮的欧拉扬程密度函数分布提取欧拉扬程标准函数，分析欧拉扬程标准函数与叶轮轴向力振动力级的关系；利用多目标优化方法对叶轮效率和欧拉扬程标准函数进行优化，以叶轮扬程为约束，得到高效低振动的叶片泵叶轮模型。本发明的方法能够提高叶片泵的叶轮效率和减小叶轮轴向力振动。

技术领域

本发明涉及流体机械叶片优化领域，提出一种基于叶片欧拉扬程标准函数的叶轮高效低振动优化方法。

背景技术

叶片泵指一种在工业生产业和现代制造业中常用的动力设备，叶片泵利用叶轮旋转将电能转化为机械能。常见的类型主要有轴流泵、混流泵和离心泵。不同种类的叶片泵被应用于各种特定场合。在工农业应用方面用于如灌溉、排涝和大型电厂循环水系统等；在新能源利用方面，用于如核泵和海水泵等行业。在实际生产中，根据设计参数所定的比转速的不同来选择不同的泵型。泵的生产效率主要由叶轮的工作性能决定。通过针对叶轮结构的优化设计，可以起到提升叶轮效率的效果。叶片泵在工作时，流道内部产生的非均匀流动结构在破坏流动性能的同时，会导致叶轮流道间的流致激振力增强，叶片表面的轴向力振动加强，进一步造成能量的损失和浪费，影响设备工作的稳定性和安全性。因此，叶片泵的高效运行和轴向力振动抑制对工程应用有着重大意义。

目前常用熵变法、速度滑移系数法和欧拉扬程分析法等研究方法定性描述流体流动时的叶轮流态分布和影响。一般是针对叶片泵中叶轮的出口速度进行大小和方向的分析，进而优化叶轮与导叶或蜗壳之间的动静干涉性能，从而优化泵的工作性能。但现有分析与研究大多仅仅建立于叶片泵的定性分析，现有技术中缺乏仅通过定常数值模拟计算来预测叶片泵的叶轮效率和振动性能的多目标优化分析技术，优化设计手段繁琐，优化分析方法复杂。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提出了一种基于叶片欧拉扬程标准函数的叶轮高效低振动优化方法，根据欧拉扬程密度函数的性能分析，利用欧拉扬程标准函数的特征优化流体机械中叶轮的振动性能，有效地降低不均匀流动结构带来的影响。根据本发明的方法优化后的叶轮的效率和振动性能得到大幅度提升。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于叶片欧拉扬程标准函数的叶轮高效低振动优化方法，包括以下步骤：

步骤一：给定待设计叶轮的叶片不同流面的厚度最大值的范围和包角范围，通过中心试验设计法进行数据采样，得到叶片不同流面的厚度分布最大值和包角值的多组数据；再结合叶片泵其他的几何参数和性能参数，创建多个叶片泵几何模型，对每个叶片泵几何模型均进行定常和非定常数值模拟；

步骤二：(1)对于非定常数值模拟，提取低频段10～430Hz叶轮轴向力的振动信息，并进行快速傅里叶变换，提取振动力级；

(2)对于定常数值模拟，得到每个叶片泵几何模型对应的叶轮效率、叶轮扬程和叶轮欧拉扬程Euler；将得到的多个叶片的欧拉扬程进行数据处理，通过公式(1)计算欧拉扬程密度函数Equal

其中，Euler(j，i)表示第i条欧拉扬程曲线上第j个点的值；m和n分别表示一条欧拉扬程曲线上从叶轮入口至叶轮出口之间的流向方向上的第m和n个数据点；k代表叶轮入口至叶轮出口之间的流向方向上选取的数据点的数量，k＝n-m；x和y分别表示从轮毂面至轮缘面的展向方向上的第x和y条欧拉扬程曲线；l表示从轮毂面至轮缘面的展向方向上选取的欧拉扬程曲线的数量，l＝y-x；a表示流向方向上第a个欧拉扬程密度点，a＝∑j/(k+1)；b表示展向方向上第b个欧拉扬程密度点，b＝∑i/(l+1)。

然后，对于每一个叶轮，通过公式(2)计算对应的欧拉扬程标准函数Dispersion，