一種多級離心泵流道式導(dǎo)葉多工況水力優(yōu)化方法
【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)葉多工況水力 優(yōu)化方法。
【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。這就要求對多級離心栗流道式導(dǎo)葉進行多工況水力優(yōu)化設(shè)計。
[0003] 迄今為止，尚未見多級離心栗流道式導(dǎo)葉多工況水力優(yōu)化方法的公開報道。

【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)葉多工況水力優(yōu)化方法，通過采用 外特性實驗、迭代算法和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佳值。
[0005] 為達到以上目的，采用如下技術(shù)方案：
[0006] 采用迭代算法對流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角a i的迭代數(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a i的一組解集，再采用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a i的最佳值。 [0007] 其具體步驟如下：
[0008] (1)搭建多級離心栗外特性實驗臺，測量設(shè)計工況下多級離心栗的流量、揚程、功 率和效率。
[0009] 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；測量單工況設(shè)計的多級離心栗設(shè)計工況下的流量、揚程、功 率和效率。
[0010] 所述單工況設(shè)計的多級離心栗設(shè)計工況下的流量Qd由栗出口管路系統(tǒng)上的流量 計測量得到，其揚程Hd由栗進、出口的壓力傳感器測量得到，其功率P d由電測法測量得到， 其效率nd由公式n d= PgQdHdAVi+算得到，其中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。
[0011] (2)采用迭代算法對流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角a i的迭代數(shù)學(xué)模型進行求解，解 出流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角α :的解集組，解集組是一組范圍而不是某一個具體數(shù)值。
[0012] 根據(jù)多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口排擠系數(shù)Ψ^Ρ流道式導(dǎo)葉葉片進口過水?dāng)?面面積F1建立設(shè)計工況下多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口軸面速度v "1;
[0013] (1):
[0014]
[0015] (3)
[0016] 其中z為流道式導(dǎo)葉的葉片數(shù)，S1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?dāng)嗝娴陌霃?，b為流道式導(dǎo)葉葉片進口寬度。
[0017] 根據(jù)速度矩定理，建立設(shè)計工況下多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口圓周分速度
Vul ；
[0018] (4)
[0019] 其中η為多級離心栗的轉(zhuǎn)速，R1為流道式導(dǎo)葉進口半徑。
[0020] 建立設(shè)計工況下多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角a 迭代數(shù)學(xué)模型：
[0021]
(5)
[0022] 其中A a i為設(shè)計工況下流道式導(dǎo)葉葉片進口沖角，Δ α 1= 〇~8°。
[0023] 以多級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角a i為迭代變量，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a i的設(shè)計值為初始值，采用迭代算法對流道式導(dǎo)葉葉 片進口安放角a i的迭代數(shù)學(xué)模型進行求解，若前后兩次求得的解小于收斂精度δ，則滿足 收斂精度要求；否則重新迭代計算。經(jīng)過反復(fù)迭代，可求出滿足收斂精度的流道式導(dǎo)葉葉片 進口安放角。
[0024] 所述收斂精度δ = 3°。
[0025] (3)采用CFD技術(shù)分別對多個工況下多級離心栗內(nèi)部流場進行全流場數(shù)值計算， 得到多個工況下加權(quán)平均效率最高或加權(quán)平均功率最低的流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角a i 的最佳值。
[0026] 首先，將步驟（2)得到的解集組，根據(jù)設(shè)計工況下多級離心栗揚程、功率和效率的 實驗值，找出多級離心栗數(shù)值計算中與實驗值誤差最小的湍流模型；
[0027] 然后分別對迭代優(yōu)化得到的解集組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，計算出多個工況下多級離心栗的效率值、功率值。
[0028] 最后計算迭代優(yōu)化得到的解集組各個方案下多個工況的加權(quán)平均效率值和加權(quán) 平均功率值，找出多個工況下加權(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a i，其中各個工況下的權(quán)重因子由超傳遞近似法來確定。
[0029] 所述迭代算法為牛頓迭代算法，最小二乘法，模擬退火法，或遺傳算法。
[0030] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0031] (1)得到了多個工況下加權(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佳值，比單工況設(shè)計的的流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角更為 準(zhǔn)確。
[0032] (2)將外特性實驗與迭代算法、CFD技術(shù)相結(jié)合，建立了一種多級離心栗流道式導(dǎo) 葉多工況水力優(yōu)化方法，提高了多級離心栗多個工況的加權(quán)平均效率（或降低了多級離心 栗多個工況的加權(quán)平均功率），節(jié)約了經(jīng)濟成本。
[0033] (3)為多級離心栗葉輪和流道式導(dǎo)葉的其他幾何參數(shù)的多工況優(yōu)化提供了借鑒。
【附圖說明】
[0034] 圖1 一種多級離心栗流道式導(dǎo)葉多工況水力優(yōu)化方法的流程圖；
[0035] 圖2實施例中三級離心栗首級葉輪的水體三維造型；
[0036] 圖3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] (I)搭建該三級離心栗外特性實驗臺，測量設(shè)計工況下三級離心栗的流量、揚程、 功率和效率。
[0041] 采用單工況（即設(shè)計工況）設(shè)計方法對該三級離心栗進行設(shè)計。加工三級離心栗， 并搭建三級離心栗外特性試驗臺。測量設(shè)計工況下三級離心栗的流量、揚程、功率和效率。 設(shè)計工況下三級離心栗的流量％由栗出口管路系統(tǒng)上的渦輪流量計測量得到，其揚程1由 栗進、出口的壓力傳感器測量得到，其功率Pd由電測法測量得到，其效率n d由公式n d= p gQdHd/Pi+算得到，其中P為水的密度；g為重力加速度，g = 9· 8。
[0042] 設(shè)計工況Qd= 850m3/h下，三級離心栗外特性試驗結(jié)果為：揚程Hd= 138. 7m，功率 Pd= 461kW，效率 n d= 69. 5%。
[0043] (2)采用牛頓迭代法對流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角a i的迭代數(shù)學(xué)模型進行求解， 解出流道式導(dǎo)葉葉片進口安放角Ct1的一組解集。
[0044] 根據(jù)三級離心栗流道式導(dǎo)葉葉片進口排擠系數(shù) 和流道式導(dǎo)葉 葉片進口過水?dāng)嗝婷娣eF1= 2π Reb，建