一种低比转速离心泵叶轮叶片设计方法、装置及介质

1.本发明涉及一种低比转速离心泵叶轮叶片设计方法、装置及介质，属于离心泵技术领域。


背景技术：

2.离心泵的比转速范围通常为：30～300，当30《ns《80时就成为低比转速离心泵。低比转速离心泵具有流量小扬程高的特点，广泛应用灌溉、城市供水、化工、国防等许多经济领域。叶轮是低比转速离心泵重要的过流部件，叶轮的设计优劣对泵的性能有很大影响。低比转速离心泵叶轮多采用圆柱形叶片，叶片的表面是单向弯曲的，叶片出口宽度小，叶轮外径大，轴面流道窄而长。圆柱叶片造型简单，成本低，铸造缺陷少。叶片的设计方法主要有一元设计,二元设计和三元设计这三种,然而上述的设计方法都没有考虑到叶片厚度的设计，然而很多文献表明叶片厚度的设计基本依据经验设计为主,一直缺少一种相对合理的计算方法,所以发明一种科学的设计方法是很有必要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种低比转速离心泵叶轮叶片设计方法、装置及介质，依据叶片厚度与轴面速度的关系，采用曲线拟合及函数拟合方法进行设计，方法简单且合理，设计前后叶轮效率提高显著。
4.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
5.第一方面，本发明提供了一种低比转速离心泵叶轮叶片设计方法，包括：
6.根据设计参数，计算得到叶轮的几何参数；
7.根据几何参数进行三维建模，得到叶轮的三维模型；
8.a步骤，包括：将叶轮的三维模型划分流体域网格，利用cfd进行定常计算，获得定常计算的结果；
9.b步骤，包括：将定常计算的结果与预先输入的背面型线坐标点相结合，得到型线上的相对速度与绝对速度；
10.c步骤，包括：根据相对速度与结对速度得到轴面速度，由轴面速度与叶片厚度之间的关系得到厚度s1；
11.重新计算厚度，并对叶轮重新进行三维建模，重复a、b、c步骤，得到各坐标点的厚度s2；
12.判断s1和s2的厚度差是否在设定范围以内，若是，则设计符合要求。
13.进一步的，所述背面型线坐标点通过等角螺旋线方法确定。
14.进一步的，所述根据几何参数进行三维建模，得到叶轮的三维模型，包括：
15.利用三维建模软件对叶轮进行建模，叶片模型通过背面型线等厚度得到工作面型线，直接拉伸得到一个等厚度的叶片模型；
16.通过三维建模软件从等厚度的叶片模型中抽取出流道部分，并设计得到相适应压
水室及进口段的三维模型，形成离心泵cfd计算的流体域。
17.进一步的，所述步骤b包括：
18.将定常计算的结果与预先输入的背面型线坐标点相结合，得到
[0019][0020][0021]
其中，w为相对速度，v为相对速度，wu、wv、ww、vu、vv以及vw是w和v在x、y、z坐标上的分量。
[0022]
进一步的，所述步骤c中，根据相对速度与结对速度得到轴面速度，包括：
[0023]
在二维平面上，x，y合成得到半径值r，根据公式：
[0024][0025]
求得此点的圆周速度u，n为转速，再根据公式求出绝对液流角，最后根据公式求出各坐标点对应的轴面速度。
[0026]
进一步的，所述步骤c中，由轴面速度与叶片厚度之间的关系得到厚度s1，包括：
[0027]
根据轴面速度vm与厚度的关系：
[0028][0029]
a＝2πrbψ
[0030][0031]
其中，q为流量，a为叶轮截面面积，b为叶片宽度，ψ为叶轮出口排挤系数，z为叶片数，可以得到相对厚度s与相对坐标x之间的拟合曲线，拟合得到多项式函数，为
[0032]
s＝45.095x
3-99.477x2+69.495x-5.3886
[0033]
再将相对坐标点带入拟合函数得到相对厚度s1。
[0034]
进一步的，判断s1和s2的厚度差是否在设定范围时，若同一点厚度相差在5％以且满足此要求的点数目占总点数目的80％，则设计符合要求。
[0035]
第二方面，本发明提供一种低比转速离心泵叶轮叶片设计装置，包括：
[0036]
几何参数计算模块，用于根据设计参数，计算得到叶轮的几何参数；
[0037]
模型建立模块，用于根据几何参数进行三维建模，得到叶轮的三维模型；
[0038]
定常计算模块，用于将叶轮的三维模型划分流体域网格，利用cfd进行定常计算，获得定常计算的结果；
[0039]
相对速度与绝对速度计算模块，用于将定常计算的结果与预先输入的背面型线坐标点相结合，得到型线上的相对速度与绝对速度；
[0040]
第一厚度计算模块，用于根据相对速度与结对速度得到轴面速度，由轴面速度与叶片厚度之间的关系得到厚度s1；
[0041]
第二厚度计算模块，用于重新计算厚度，并对叶轮重新进行三维建模，重复a、b、c步骤，得到各坐标点的厚度s2；
[0042]
判断模块，用于判断s1和s2的厚度差是否在设定范围以内，若是，则设计符合要
求。
[0043]
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括处理器及存储介质；
[0044]
所述存储介质用于存储指令；
[0045]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据前述任一项所述方法的步骤。
[0046]
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述任一项所述方法的步骤。
[0047]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0048]
本发明提供一种低比转速离心泵叶轮叶片设计方法、装置及介质，依据叶片厚度与轴面速度的关系，采用曲线拟合及函数拟合方法进行设计，方法简单且合理，初始叶轮模型与蜗壳模型用icem软件进行非结构网格划分,该方法涵盖了几何创建、几何清理、非结构网格及分块六面体网格生成、网格编辑等功能,提供高效可靠的分析模型,配套采用cfx软件进行一个内部流动分析的数值模拟,计算输出得到背面型线的绝对速度与相对速度.最终计算得到各点轴面速度与叶片厚度,设计前后叶轮效率提高显著，替代了长期使用的以经验判别的方法,可作为低比转速叶片厚度设计工程化设计参考流程。
附图说明
[0049]
图1是本发明实施例提供的一种低比转速离心泵叶轮叶片设计方法的流程图；
[0050]
图2是本发明实施例提供的拟合的相对坐标与相对厚度曲线示意图；
[0051]
图3是本发明实施例提供的设计前叶轮叶片对比示意图；
[0052]
图4是本发明实施例提供的设计后叶轮叶片对比示意图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0054]
实施例1
[0055]
本实施例介绍一种低比转速离心泵叶轮叶片设计方法，包括：
[0056]
根据设计参数，计算得到叶轮的几何参数；
[0057]
根据几何参数进行三维建模，得到叶轮的三维模型；
[0058]
a步骤，包括：将叶轮的三维模型划分流体域网格，利用cfd进行定常计算，获得定常计算的结果；
[0059]
b步骤，包括：将定常计算的结果与预先输入的背面型线坐标点相结合，得到型线上的相对速度与绝对速度；
[0060]
c步骤，包括：根据相对速度与结对速度得到轴面速度，由轴面速度与叶片厚度之间的关系得到厚度s1；
[0061]
重新计算厚度，并对叶轮重新进行三维建模，重复a、b、c步骤，得到各坐标点的厚度s2；
[0062]
判断s1和s2的厚度差是否在设定范围以内，若是，则设计符合要求。
[0063]
如图1所示，本实施例提供的低比转速离心泵叶轮叶片设计方法，其应用过程具体涉及如下步骤：
[0064]
步骤一：根据设计参数，计算得到叶轮、蜗壳的几何参数。
[0065]
步骤二：通过传统的等角螺旋线方法确定叶片背面的型线，并得到一系列的坐标点。
[0066]
步骤三：利用三维建模软件对叶轮进行建模，叶片模型通过背面型线等厚度得到工作面型线，直接拉伸得到一个等厚度的叶片模型。
[0067]
步骤四：通过三维建模软件将建好的叶片三维结构模型抽取出流道部分，并设计得到相适应压水室及进口段的三维模型，形成离心泵cfd计算的流体域。
[0068]
步骤五：分别对进口段，叶轮，压水室进行网格划分以及边界条件设置，然后进行cfd计算，并将计算的结果导入至cfd-post。
[0069]
步骤六：在cfd-post中对数值模拟的结果进行分析，插入polyline命令将背面型线的坐标输入。并将各坐标点的相对速度与绝对速度分量输出。
[0070]
步骤七：根据相对速度与绝对速度求出各点的轴面速度，将坐标点转换成相对坐标，并根据轴面速度与叶片厚度的关系，拟合出叶片厚度曲线与厚度函数。
[0071]
步骤八：通过拟合的函数再次计算得到各点对应的厚度，保持叶片背面型线不变，根据计算得到数值重新进行叶片加厚。
[0072]
步骤九：重新设计叶轮水体图，重复步骤五，步骤六。
[0073]
步骤十：将重新计算得各点的厚度，若满足设计前后同一点的厚度差在5％以内的点数占总点数的80％，则设计符合要求。
[0074]
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及到的内容进行说明。
[0075]
本发明的目的在于提供一种低比转数离心泵叶轮的叶片厚度设计方法。以低比转速离心泵叶轮圆柱形叶片为例。具体步骤如下：
[0076]
根据离心泵的设计工况q＝50m3/s，h＝53.2m，转速为2900r/min；
[0077]
根据宇航出版社《现代泵技术手册》对低比转速离心泵进行了设计，得到叶轮初始几何参数，叶轮进口直径dj＝86mm，轮毂直径dn＝23.5mm，叶轮外径d2＝260mm，叶片出口宽度b2＝10mm。采用等角螺旋线得到叶片背面的关键点的坐标点见表1。
[0078]
表1设计过程几何参数值
[0079]
[0080][0081]
续表
[0082]
[0083]
[0084][0085]
通过计算和三维建模得到蜗壳与进水段的三维模型，主要参数有，基圆直径d3＝216mm，蜗室进口宽度b3＝10mm。进口段圆管的直径d为23.5mm。
[0086]
采用pro/e将点坐标输入，得到叶片背面型线。采用等厚度进行拉伸，得到叶片三维模型见附图3，做出叶轮流道图，蜗壳，进口段水力图。
[0087]
划分流体域网格，采用非结构网格，得到叶轮网格数为98559。在cfx中进行定常计算，进口采用了速度进口和自由压力出口，迭代次数为1500次。
[0088]
将输出的结果在cfd-post中呈现。用polyline命令将背面的坐标点导入生成背面型线，输出u，v，w方向的绝对速度和相对速度，得到
[0089][0090][0091]
其中，w为相对速度，v为相对速度，wu、wv、ww、vu、vv以及vw是w和v在x、y、z坐标上的分量；
[0092]
在二维平面上，x，y合成得到半径值r，根据公式，
[0093][0094]
可求得此点的圆周速度u，n为转速，再根据公式求出绝对液流角，最后根据公式求出各坐标点对应的轴面速度。将整体背面型线等价成0～1范围，得到相对坐标点的值。具体见附图2。
[0095]
根据轴面速度vm与厚度的关系
[0096][0097]
a＝2πrbψ
[0098][0099]
其中，q为流量，a为叶轮截面面积，b为叶片宽度，ψ为叶轮出口排挤系数，z为叶片数，可以得到相对厚度s与相对坐标x之间的拟合曲线，拟合得到多项式函数，为
[0100]
s＝45.095x
3-99.477x2+69.495x-5.3886
[0101]
再将相对坐标点带入拟合函数得到相对厚度。
[0102]
最后将重新得到的数据重新进行建模，叶片背面型线不变，向工作面加厚。放得到新的叶轮，将新得到的叶轮模型划分网格，保持边界条件不变在cfx计算，并重新输出背面型线上的绝度速度与相对速度，求得轴面速度得到叶片厚度，对比改进前的叶片各点的厚度，若同一点厚度相差在5％以且满足此要求的点数目占总点数目的80％，则设计符合要求。最终按照本设计方法获得的叶片如图4所示。
[0103]
将最终得到的叶片进行建模，划分网格并保证网格数量，蜗壳与进口段不作改动，在cfx中采用相同的边界条件得到计算结果，得到新的扬程与效率。最后结果发现效率提高显著，说明新的设计方法符合要求。
[0104]
实施例2
[0105]
本实施例提供一种低比转速离心泵叶轮叶片设计装置，包括：
[0106]
几何参数计算模块，用于根据设计参数，计算得到叶轮的几何参数；
[0107]
模型建立模块，用于根据几何参数进行三维建模，得到叶轮的三维模型；
[0108]
定常计算模块，用于将叶轮的三维模型划分流体域网格，利用cfd进行定常计算，获得定常计算的结果；
[0109]
相对速度与绝对速度计算模块，用于将定常计算的结果与预先输入的背面型线坐标点相结合，得到型线上的相对速度与绝对速度；
[0110]
第一厚度计算模块，用于根据相对速度与结对速度得到轴面速度，由轴面速度与叶片厚度之间的关系得到厚度s1；
[0111]
第二厚度计算模块，用于重新计算厚度，并对叶轮重新进行三维建模，重复a、b、c步骤，得到各坐标点的厚度s2；
[0112]
判断模块，用于判断s1和s2的厚度差是否在设定范围以内，若是，则设计符合要求。
[0113]
实施例3
[0114]
本实施例提供一种电子设备，包括处理器及存储介质；
[0115]
所述存储介质用于存储指令；
[0116]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述方法的步骤。
[0117]
实施例4
[0118]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1中任一项所述方法的步骤。
[0119]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种低比转速离心泵叶轮叶片设计方法，其特征在于，包括：根据设计参数，计算得到叶轮的几何参数；根据几何参数进行三维建模，得到叶轮的三维模型；a步骤，包括：将叶轮的三维模型划分流体域网格，利用cfd进行定常计算，获得定常计算的结果；b步骤，包括：将定常计算的结果与预先输入的背面型线坐标点相结合，得到型线上的相对速度与绝对速度；c步骤，包括：根据相对速度与结对速度得到轴面速度，由轴面速度与叶片厚度之间的关系得到厚度s1；重新计算厚度，并对叶轮重新进行三维建模，重复a、b、c步骤，得到各坐标点的厚度s2；判断s1和s2的厚度差是否在设定范围以内，若是，则设计符合要求。2.根据权利要求1所述的低比转速离心泵叶轮叶片设计方法，其特征在于，所述背面型线坐标点通过等角螺旋线方法确定。3.根据权利要求1所述的低比转速离心泵叶轮叶片设计方法，其特征在于，所述根据几何参数进行三维建模，得到叶轮的三维模型，包括：利用三维建模软件对叶轮进行建模，叶片模型通过背面型线等厚度得到工作面型线，直接拉伸得到一个等厚度的叶片模型；通过三维建模软件从等厚度的叶片模型中抽取出流道部分，并设计得到相适应压水室及进口段的三维模型，形成离心泵cfd计算的流体域。4.根据权利要求1所述的低比转速离心泵叶轮叶片设计方法，其特征在于，所述步骤b包括：将定常计算的结果与预先输入的背面型线坐标点相结合，得到得到其中，w为相对速度，v为相对速度，wu、wv、ww、vu、vv以及vw是w和v在x、y、z坐标上的分量。5.根据权利要求1所述的低比转速离心泵叶轮叶片设计方法，其特征在于，所述步骤c中，根据相对速度与结对速度得到轴面速度，包括：在二维平面上，x，y合成得到半径值r，根据公式：求得此点的圆周速度u，n为转速，再根据公式求出绝对液流角，最后根据公式求出各坐标点对应的轴面速度。6.根据权利要求1所述的低比转速离心泵叶轮叶片设计方法，其特征在于，所述步骤c中，由轴面速度与叶片厚度之间的关系得到厚度s1，包括：根据轴面速度vm与厚度的关系：
a＝2πrbψ其中，q为流量，a为叶轮截面面积，b为叶片宽度，ψ为叶轮出口排挤系数，z为叶片数，可以得到相对厚度s与相对坐标x之间的拟合曲线，拟合得到多项式函数，为s＝45.095x
3-99.477x2+69.495x-5.3886再将相对坐标点带入拟合函数得到相对厚度s1。7.根据权利要求1所述的低比转速离心泵叶轮叶片设计方法，其特征在于，判断s1和s2的厚度差是否在设定范围时，若同一点厚度相差在5％以且满足此要求的点数目占总点数目的80％，则设计符合要求。8.一种低比转速离心泵叶轮叶片设计装置，其特征在于，包括：几何参数计算模块，用于根据设计参数，计算得到叶轮的几何参数；模型建立模块，用于根据几何参数进行三维建模，得到叶轮的三维模型；定常计算模块，用于将叶轮的三维模型划分流体域网格，利用cfd进行定常计算，获得定常计算的结果；相对速度与绝对速度计算模块，用于将定常计算的结果与预先输入的背面型线坐标点相结合，得到型线上的相对速度与绝对速度；第一厚度计算模块，用于根据相对速度与结对速度得到轴面速度，由轴面速度与叶片厚度之间的关系得到厚度s1；第二厚度计算模块，用于重新计算厚度，并对叶轮重新进行三维建模，重复a、b、c步骤，得到各坐标点的厚度s2；判断模块，用于判断s1和s2的厚度差是否在设定范围以内，若是，则设计符合要求。9.一种电子设备，其特征在于：包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～7任一项所述方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种低比转速离心泵叶轮叶片设计方法、装置及介质，所述方法包括根据设计参数，得到叶轮的几何参数；根据几何参数进行三维建模，将叶轮的三维模型划分网格，利用CFD进行定常计算，将计算的结果与预先输入的背面型线坐标点相结合，得到型线上的相对速度与绝对速度；并得到轴面速度，由轴面速度与叶片厚度之间的关系得到厚度S1；重新计算厚度，对叶轮重新进行三维建模，得到各坐标点的厚度S2；判断S1和S2的厚度差是否在设定范围以内，若是，则设计符合要求。本发明依据叶片厚度与轴面速度的关系，采用曲线拟合及函数拟合方法进行设计，方法简单且合理，设计前后叶轮效率提高显著，可作为低比转速叶片厚度设计工程化设计参考流程。设计参考流程。设计参考流程。


技术研发人员：叶长亮 燕虹夜雨 罗依竟 郑磊 辛亮 任一凡 李胜波
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/9/12