本發(fā)明涉及離心泵葉輪技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于熵產(chǎn)和葉片載荷聯(lián)合約束的離心泵葉輪設(shè)計方法，以及一種離心泵葉輪。

背景技術(shù)：

離心泵內(nèi)部復(fù)雜的三維非定常湍流，常導(dǎo)致一些影響離心泵運行特性的不良現(xiàn)象，如壓力脈動、流動分離、水力振動等，嚴(yán)重影響機組的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性及工作壽命。

目前，傳統(tǒng)的離心泵設(shè)計方法在對離心泵進行設(shè)計時，都是定義葉片幾何，然后進行CFD仿真，反復(fù)實驗性地修改葉片幾何，且CFD計算結(jié)果和如何修改葉片幾何無必然聯(lián)系，其中大部分修改是錯誤的或者多余的，主要依賴工程師的設(shè)計經(jīng)驗，造成時間和人力的浪費。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種離心泵葉輪設(shè)計方法，能夠提高設(shè)計效率，節(jié)省設(shè)計成本，根據(jù)該設(shè)計方法設(shè)計的離心泵葉輪，可以在保障揚程和效率的同時，降低離心泵能量損失，以提高離心泵的壽命及運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于熵產(chǎn)和葉片載荷聯(lián)合約束的離心泵葉輪設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)在計算機的CFD系統(tǒng)中對原型泵進行仿真，根據(jù)計算公式確定流道葉片載荷分布；

式中：p⁺和p^-分別為葉片壓力面和吸力面壓力，單位Pa；z為葉片數(shù)；W_mbl為葉片流線上的相對速度，單位m/s；ρ為水的密度；為速度環(huán)量，單位m²/s；m為相對軸面流線長度；為葉片載荷；

2)根據(jù)載荷分布情況，在確定兩條葉片載荷曲線后，根據(jù)葉片型線微分方程繪制出葉片幾何模型；

3)對繪制出的葉片幾何模型進行CFD仿真驗證是否符合物理要求；

4)若葉片模型不滿足物理要求，則返回步驟1)，調(diào)整葉片載荷分布，重新繪制葉片；

5)若設(shè)計的葉輪滿足物理要求，則基于能量熵理論，根據(jù)公式計算出葉片的能量損失分布情況；

S″′_D的值由雷諾平均N-S方程獲得，S″′_D′可由式得出，其中κ和ω分別是SSTκ-ω模型中的湍動能和特征頻率,α＝0.09為經(jīng)驗常數(shù)，V代表流道體積，T為離心泵內(nèi)部溫度；

6)根據(jù)葉片的能量損失分布情況，在葉片上發(fā)生能量損失的主要位置開至少一個圓形的平衡孔，平衡孔半徑為葉片出口端寬度的1/5～1/6，平衡孔軸向位置位于葉片中截面；

7)對開孔后的葉片模型進行CFD仿真驗證，若葉片的能量損失仍不滿足要求，則改變?nèi)~片載荷分布，返回步驟2)，直到設(shè)計出滿足能量損失要求的葉片為止。

作為優(yōu)選，一種離心泵葉輪，其特征在于：包含六個葉片，每個葉片上分別開有平衡孔，平衡孔半徑為4～5mm，所述平衡孔位于葉片軸向的中截面位置，平衡孔的中心到葉片進口的距離為葉片長度的70％～80％。

作為優(yōu)選，所述葉片厚度為2～3mm，葉片進口直徑為300～320mm，葉片出口直徑為600～640mm,葉片出口的寬度為20～25mm,葉片進口安放角為29-30度，葉片出口安放角為20～24度。

本發(fā)明的有益效果是：

1)采用能量熵的方法，分析出葉輪能量損失的主要區(qū)域，為載荷分布的調(diào)整提供參考；

2)基于熵產(chǎn)和葉片載荷理論聯(lián)合約束，來求解離心泵水力設(shè)計問題，提高了設(shè)計效率，縮短了離心泵設(shè)計周期；

3)基于葉片載荷理論的全三維反設(shè)計方法，通過調(diào)整葉片載荷分布計算出滿足最優(yōu)化的流量分布的葉片幾何，大幅提高設(shè)計速度，節(jié)省大量人力和時間；

4)不再強烈依賴于工程師的設(shè)計經(jīng)驗，新手也可嘗試進行設(shè)計；

5)通過本優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計的葉輪，能有效的降低離心泵的能量損失，提高泵的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和運行壽命。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述設(shè)計方法的設(shè)計流程圖；

圖2是葉輪軸面剖視圖；

圖3是葉輪主視圖；

圖4是葉片載荷曲線；

圖5是葉輪優(yōu)化前后性能曲線對比圖；

圖6是葉輪優(yōu)化前后能量損失分布對比圖。

其中：1、葉片；2、平衡孔；3、前蓋板；4、流道；5、后蓋板；6、轉(zhuǎn)軸。

具體實施方式

下面對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。

參見圖1到圖6，本發(fā)明提供的一種基于熵產(chǎn)和葉片載荷聯(lián)合約束的離心泵葉輪設(shè)計方法，其原型泵設(shè)計流量為Q_d＝0.008m³/s,H_d＝0.1m,n＝40r/min。

該設(shè)計方法包括以下步驟：

1)對現(xiàn)有的原型泵，在計算機的CFD系統(tǒng)中進行數(shù)值模擬(仿真),由根據(jù)計算公式計算出原型泵葉輪流道4靠近前蓋板3、后蓋板5位置的葉片載荷分布，從而根據(jù)葉片載荷分布情況確定靠近前蓋板的葉片載荷曲線以及靠近后蓋板的葉片載荷曲線，其前后蓋板載荷分布為：前加載點m1＝0.38，后加載點m2＝0.82，中間主加載區(qū)斜率k＝0.8；式中：p⁺和p^-分別為葉片壓力面和吸力面壓力，單位Pa；z為葉片數(shù)；W_mbl為葉片流線上的相對速度，單位m/s；ρ為水的密度；為速度環(huán)量，單位m²/s；m為相對軸面流線長度；為葉片載荷；

2)根據(jù)前后蓋板的兩條葉片載荷曲線(前蓋板、后蓋板各一條葉片載荷曲線)分布情況，由葉片型線微分方程繪制出葉片幾何模型；式中：v_m是軸面流速，f為葉片包角，ω為葉片旋轉(zhuǎn)角速度，r為葉片上節(jié)點的半徑，V_θ為節(jié)點的圓周分速度，s為軸面流線長度，

3)對繪制出的葉片模型進行CFD仿真驗證，其符合物理要求；

4)由CFD系統(tǒng)計算結(jié)果，由以下公式計算離心泵內(nèi)部能量損失S”'分布情況：

${\stackrel{\·}{S}}^{\′\′\′}={\stackrel{\·}{S}}_D^{\′\′\′}+{\stackrel{\·}{S}}_{D^{\′}}^{\′\′\′}$

${\stackrel{\·}{S}}_D^{\′\′\′}=\frac{\mathrm{\μ}}{T}(2\[{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{u}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{v}}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{w}}{\∂z}\right)}^2\]+{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{u}}{\∂y}+\frac{\∂\stackrel{\‾}{v}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{u}}{\∂z}+\frac{\∂\stackrel{\‾}{v}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\stackrel{\‾}{v}}{\∂z}+\frac{\∂\stackrel{\‾}{w}}{\∂y}\right)}^2)$

${\stackrel{\·}{S}}_{D^{\′}}^{\′\′\′}=\frac{\mathrm{\μ}}{T}(2\[{\left(\frac{\∂u^{\′}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v^{\′}}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂w^{\′}}{\∂z}\right)}^2\]+{\left(\frac{\∂u^{\′}}{\∂y}+\frac{\∂v^{\′}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂u^{\′}}{\∂z}+\frac{\∂v^{\′}}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v^{\′}}{\∂z}+\frac{\∂w^{\′}}{\∂y}\right)}^2)$

總熵產(chǎn)生率為

式中：u代表沿x軸的速度分量，v代表沿y軸的速度分量，w代表沿z軸的速度分量，μ是動力粘度。

式中，S″′_D的值由雷諾平均N-S方程獲得，S″′_D′可由式得出，其中κ和ω分別是SSTκ-ω模型中的湍動能和特征頻率,α＝0.09為經(jīng)驗常數(shù)，V代表流道體積，T為離心泵內(nèi)部溫度(離心泵內(nèi)部為等溫流動，T指的也是這個恒定的溫度)；

通過分析計算，可得出總能量損失分布情況；

5)在軸向的葉片中截面(幾何上的葉片軸向中間的位置)，徑向相對葉片流線的75％長度位置處開半徑為5mm的平衡孔2(即沿著葉片流線，平衡孔與葉片入口的距離為葉片流線總長度的75％位置)，通過平衡孔，沖散此區(qū)域不穩(wěn)定流動渦，以降低能量損失；

6)調(diào)整載荷曲線分布，對葉輪進行優(yōu)化，當(dāng)前加載點m1＝0.4,后加載點m2＝0.78,主加載區(qū)斜率k＝-4時，能量損失最小，同時可得出其能量損失分布情況；通過優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出的葉輪其揚程和效率不降低的情況下，能量損失明顯降低(降低10％到20％的能量損失)。

本發(fā)明還提供一種根據(jù)上述設(shè)計方法設(shè)計的離心泵葉輪，包含轉(zhuǎn)軸6以及六個葉片1，每個葉片上分別開有平衡孔2，平衡孔半徑為4～5mm，所述平衡孔位于葉片軸向的中截面位置；沿著葉片流線，平衡孔的中心到葉片進口的距離為葉片長度的70～80％。

所述葉片厚度為2～3mm，葉片進口直徑為300～320mm，葉片出口直徑為600～640mm,葉片出口的寬度為20～25mm,葉片進口安放角為29-30度，葉片出口安放角為20～24度。

最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有很多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容中直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認為是本發(fā)明的保護范圍。