一种新型低振动离心泵叶轮分流叶片的设计方法

1.本发明涉及的是一种离心泵设计方法，具体地说是离心泵叶轮设计方法。


背景技术：

2.离心泵是一种把原动机(比如发电机、电动机等)的机械能转化成介质能量的设备。离心泵通过不断做功的方式将机械能转化成介质的势能、压力能以及动能，从而可以把储水箱内的水输送到所需要的高处或者可以获得所需要的压力等。正是因为具有这样的功能和作用，目前离心泵是一种应用在多个领域的通用机械。除了需要满足其基本的水力性能(比如扬程、效率等)，对其运行时所引起的振动特性也是研究人员关注的重点。离心泵的振动水平如果不能达到所要求的指标，随着工作时间的积累，会影响其运行的可靠性和降低自身使用寿命。除此之外，离心泵的振动问题也会影响周围其他设备的正常运行，进而导致机器设备失效，甚至严重会引发安全事故等。
3.低比速离心泵属于离心泵的范畴，又是其中效率偏低的一类泵产品，因其具有流量小、扬程高的特点，广泛应用于能源、化工等领域。由于低比转速离心泵叶轮流道狭长且窄，出口宽度小，水力损失较大，圆盘摩擦损失较为严重，导致其运行效率偏低。为了改善低比速离心泵性能，国内学者们常采用分流叶片设计法，其主要措施是在两相邻长叶片中间设置分流叶片，并向长叶片背面偏置。分流叶片设计法可以有效地改善叶片进口处的排挤和叶轮出口处“射流—尾迹”结构，同时可以在一定程度上抑制叶轮内的流动分离，改善低比转速离心泵的内部流动不稳定性。目前，对带分流叶片低比转速离心泵的流动机理已有相当程度的探索，对分流叶片的设计方法也取得一定的成果。但是就结构型式而言，传统的分流叶片已出现水动力和噪声性能瓶颈，很难同时满足高性能和低振动等多方面要求。如何进一步提高带分流叶片低比转速离心泵的各项性能，已经成为了一个不可忽视的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供可以改善叶轮内部流场，降低叶轮出口处流动的非均匀度，进而更好地匹配叶轮出口流体与隔舌的冲击，以降低离心泵的振动和噪声的一种新型低振动离心泵叶轮分流叶片的设计方法。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明一种新型低振动离心泵叶轮分流叶片的设计方法，其特征是：
7.(1)采用流场模拟软件ansyscfx对离心泵进行全流场数值模拟，得出有无分流叶片下离心泵的湍动能、叶片载荷及水力损失分布；
8.(2)提出初步的带分流叶片低比速离心叶轮的设计方案，引入周向偏置度、叶片数、进出口安放角、弦长作为设计变量，获取不同参数取值对离心泵水力特性计算的影响程度，并经过极差分析得出各影响因素的主次顺序：
9.(3)在步骤(2)的基础上，选择分流叶片的结构参数作为设计变量，包括周向偏置度、进口直径及出口直径，采用box-behnken试验设计方法，确定试验样本方案，通过对样本
进行多项式拟合，从而构造响应面模型，然后对离心泵水力特性进行优化，获取分流叶片的设计参数的取值原则。
10.本发明还可以包括：
11.1、步骤(1)中，使用cad软件创建离心泵的三维几何模型，并对建立好的流体域模型进行简化，确定计算域，建立网格模型，并进行网格无关性验证，给定流域的进出口边界条件和固体边界条件，初始条件，确定能够描述流体运动规律的控制方程组，选用数值离散方法对流体动力学方程组进行离散，根据需要设置求解过程中的条件，使用ansyscfx的求解器求解navier-stokes方程，计算出离心泵的流场特性；基于求解结果，得出有无分流叶片下离心泵的湍动能、叶片载荷、速度滑移、速度流线、外特性及水力损失分布，分析离心泵叶轮内部流动的机理。
12.2、步骤(2)中，通过控制变量法，其他参数保持不变，只变化一个参数，计算这个参数在7个变化水平范围内对离心泵水力特性的影响，采用极差分析得出各影响因素的主次顺序。
13.3、步骤(3)中，以分流叶片的周向偏置度、进口直径和出口直径三个参数作为设计变量，通过试验设计方法选出设计变量试验方案，对方案中各个设计变量组合条件作为变量输入，在离心泵流场计算中计算水力特性，得到各个试验方案的响应量，从而能够反映离心泵水力特性和设计变量之间的对应规律，为响应面的拟合做铺垫；通过最小二乘法对试验设计中的设计变量和响应量进行多项式拟合，通过方差分析、实验值和预测值对比检验来验证响应面模型的有效性和精度，根据design-expert的响应面优化模块，可以根据绘制响应面图的方法求解出最优的设计变量水平组合。
14.4、使用designexpret10软件，采用box-behnken试验设计方法，进行响应面模型函数构造，具体流程为：
15.a、将分流叶片的周向偏置度、进口直径和出口直径等设计变量输入软件中，需要输入低水平数值和高水平数值；
16.b、生成试验方案，进行17次试验，其中包括5次中心点试验；
17.c、进行17次离心泵流场计算，提取每次计算得到的离心泵水力特性作为响应量；
18.d、对试验数据进行拟合求解处理，得到响应面函数。
19.本发明的优势在于：
20.1、常规分流叶片出口直径与长叶片一致，并没有考虑到分流叶片出口形状对离心泵水力性能的影响。本发明提出的外径切削式分流叶片，能够在对流体起到辅助做工和导向作用的同时，使得叶轮出口的流动状态更加平稳；
21.2、本发明的新型低振动离心泵叶轮分流叶片能够改善叶轮流道内的二次流现象，并且显著抑制叶轮出口处射流-尾迹的产生，进而降低离心泵流场内部的压力脉动，达到减小泵噪声的目的。
附图说明
22.图1为本发明低振动离心泵叶轮分流叶片示意图；
23.图2为叶轮内漩涡对比图。
具体实施方式
24.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
25.结合图1-2，本发明包括如下具体步骤：
26.步骤一：采用流场模拟软件ansyscfx对离心泵进行全流场数值模拟，得出有无分流叶片下离心泵的湍动能、叶片载荷及水力损失分布：
27.使用cad软件创建离心泵的三维几何模型，并对建立好的流体域模型进行合理的简化，确定计算域。建立网格模型，并进行网格无关性验证。给定流域的进出口边界条件和固体边界条件，初始条件。确定能够描述流体运动规律的控制方程组。选用合适的数值离散方法对流体动力学方程组进行离散，根据需要设置求解过程中的一些条件。使用ansyscfx的求解器求解navier-stokes方程，计算出离心泵的流场特性。基于求解结果，得出有无分流叶片下离心泵的湍动能、叶片载荷、速度滑移、速度流线、外特性及水力损失分布，分析离心泵叶轮内部流动的机理，为后期数值模拟分析分流叶片对离心叶轮的内流影响规律奠定理论基础。
28.步骤二：提出初步的带分流叶片离心叶轮的设计方案，引入周向偏置度、叶片数、进出口安放角、弦长作为设计变量，探索不同参数取值对离心泵水力特性计算的影响程度，并经过极差分析得出各影响因素的主次顺序：
29.由于结构参数非常多，不可能将所有参数都作为设计变量，为了能够使响应面模型有较高的计算精度和计算效率，需要对这些结构参数进行灵敏度分析，从中选取对离心泵水力特性影响比较大的参数作为设计变量，参与响应面函数的构造。灵敏度分析的过程为：通过控制变量法，其他参数保持不变，只变化一个参数，计算这个参数在7个变化水平范围内对离心泵水力特性的影响，并采用极差分析得出各影响因素的主次顺序。
30.步骤三：在步骤二的基础上，选择灵敏度较大的分流叶片的结构参数(周向偏置度、进口直径及出口直径)作为设计变量，采用box-behnken试验设计方法，确定合适的试验样本方案，通过对样本进行多项式拟合，从而构造响应面模型，然后对离心泵水力特性进行优化，探索分流叶片的主要设计参数的取值原则：
31.以分流叶片的周向偏置度、进口直径和出口直径三个参数作为设计变量，通过合理的试验设计方法选出合适的设计变量试验方案，对方案中各个设计变量组合条件作为变量输入，在离心泵流场计算中计算水力特性，得到各个试验方案的响应量，从而能够反映离心泵水力特性和设计变量之间的对应规律，为响应面的拟合做铺垫。通过最小二乘法对试验设计中的设计变量和响应量进行多项式拟合。通过方差分析、实验值和预测值对比检验来验证响应面模型的有效性和精度。根据design-expert的响应面优化模块，可以根据绘制响应面图的方法求解出最优的设计变量水平组合。本设计使用designexpret10软件，采用box-behnken试验设计方法，进行响应面模型函数构造，具体流程为：
32.(1)将分流叶片的周向偏置度、进口直径和出口直径等设计变量输入软件中，需要输入低水平数值和高水平数值。
33.(2)软件自动生成试验方案，总共需进行17次试验，其中包括5次中心点试验。
34.(3)进行17次离心泵流场计算，提取每次计算得到的离心泵水力特性作为响应量，并填写于试验设计方案表中。
35.(4)软件对试验数据进行拟合求解处理，得到响应面函数。
36.总结归纳新型低振动离心泵叶轮分流叶片的设计方法：
37.分流叶片入口直径的增大会使离心泵的扬程与效率降低。入口直径的改变对压力脉动影响较小，但对叶轮受力影响较大。随着入口直径的增大，叶轮受力整体呈递增趋势。分流叶片适当的向吸力面偏置能提高离心泵的扬程与效率，改善压力脉动，降低径向力。适当的分流叶片出口直径减小对离心泵内部流场具有优化作用，可改善叶轮受力与压力脉动，增大水力效率，但过小会对离心泵扬程造成较大的损失。修改分流叶片参数时，叶轮受力强度变化更为明显，有些方案虽然可以优化压力脉动，却会提升叶轮受力强度。需要综合考虑二者。分流叶片入口直径合理范围在0.45d2到0.6d2之间，偏置度取在0.45θ左右为佳，出口直径合理范围在0.95d2到0.975d2之间。

技术特征：
1.一种新型低振动离心泵叶轮分流叶片的设计方法，其特征是：(1)采用流场模拟软件ansyscfx对离心泵进行全流场数值模拟，得出有无分流叶片下离心泵的湍动能、叶片载荷及水力损失分布；(2)提出初步的带分流叶片低比速离心叶轮的设计方案，引入周向偏置度、叶片数、进出口安放角、弦长作为设计变量，获取不同参数取值对离心泵水力特性计算的影响程度，并经过极差分析得出各影响因素的主次顺序：(3)在步骤(2)的基础上，选择分流叶片的结构参数作为设计变量，包括周向偏置度、进口直径及出口直径，采用box-behnken试验设计方法，确定试验样本方案，通过对样本进行多项式拟合，从而构造响应面模型，然后对离心泵水力特性进行优化，获取分流叶片的设计参数的取值原则。2.根据权利要求1所述的一种新型低振动离心泵叶轮分流叶片的设计方法，其特征是：步骤(1)中，使用cad软件创建离心泵的三维几何模型，并对建立好的流体域模型进行简化，确定计算域，建立网格模型，并进行网格无关性验证，给定流域的进出口边界条件和固体边界条件，初始条件，确定能够描述流体运动规律的控制方程组，选用数值离散方法对流体动力学方程组进行离散，根据需要设置求解过程中的条件，使用ansyscfx的求解器求解navier-stokes方程，计算出离心泵的流场特性；基于求解结果，得出有无分流叶片下离心泵的湍动能、叶片载荷、速度滑移、速度流线、外特性及水力损失分布，分析离心泵叶轮内部流动的机理。3.根据权利要求1所述的一种新型低振动离心泵叶轮分流叶片的设计方法，其特征是：步骤(2)中，通过控制变量法，其他参数保持不变，只变化一个参数，计算这个参数在7个变化水平范围内对离心泵水力特性的影响，采用极差分析得出各影响因素的主次顺序。4.根据权利要求1所述的一种新型低振动离心泵叶轮分流叶片的设计方法，其特征是：步骤(3)中，以分流叶片的周向偏置度、进口直径和出口直径三个参数作为设计变量，通过试验设计方法选出设计变量试验方案，对方案中各个设计变量组合条件作为变量输入，在离心泵流场计算中计算水力特性，得到各个试验方案的响应量，从而能够反映离心泵水力特性和设计变量之间的对应规律，为响应面的拟合做铺垫；通过最小二乘法对试验设计中的设计变量和响应量进行多项式拟合，通过方差分析、实验值和预测值对比检验来验证响应面模型的有效性和精度，根据design-expert的响应面优化模块，可以根据绘制响应面图的方法求解出最优的设计变量水平组合。5.根据权利要求4所述的一种新型低振动离心泵叶轮分流叶片的设计方法，其特征是：使用designexpret10软件，采用box-behnken试验设计方法，进行响应面模型函数构造，具体流程为：a、将分流叶片的周向偏置度、进口直径和出口直径等设计变量输入软件中，需要输入低水平数值和高水平数值；b、生成试验方案，进行17次试验，其中包括5次中心点试验；c、进行17次离心泵流场计算，提取每次计算得到的离心泵水力特性作为响应量；d、对试验数据进行拟合求解处理，得到响应面函数。

技术总结
本发明的目的在于提供一种新型低振动离心泵叶轮分流叶片的设计方法，包括如下步骤：对离心泵进行全流场数值模拟，得出有无分流叶片下离心泵的湍动能、叶片载荷及水力损失分布；获取不同参数取值对离心泵水力特性计算的影响程度，并经过极差分析得出各影响因素的主次顺序：确定试验样本方案，通过对样本进行多项式拟合，从而构造响应面模型，然后对离心泵水力特性进行优化，获取分流叶片的设计参数的取值原则。本发明提出的外径切削式分流叶片，能够在对流体起到辅助做工和导向作用的同时，使得叶轮出口的流动状态更加平稳；本发明能够改善叶轮流道内的二次流现象，并且显著抑制叶轮出口处射流-尾迹的产生，进而降低离心泵流场内部的压力脉动，达到减小泵噪声的目的。达到减小泵噪声的目的。达到减小泵噪声的目的。


技术研发人员：李玩幽 于涛 刘宇辰 王曦 何家璇 简洁 率志君 郭宜斌 王东华
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/9/14