一种低振动低流阻轴流泵导叶优化设计方法

技术领域

本发明涉及流体机械叶片优化设计领域，提出一种低振动低流阻轴流泵导叶优化设计方法。

背景技术

冷却系统自流性能的优劣对舰船、潜艇的安全运行有重要影响。自流冷却系统利用潜艇航行时的速度能，提高进口冷却水的压头，利用潜艇前进形成的负压降低冷却水排水背压。高速航行时，海水以很高的相对速度流入进水管，部分动能在其中转化为正的静压头，使海水能克服管路阻力自行流过。在巡航航速工况下，冷却系统不需要泵动力，让海水自行流过循环泵和冷却设备；在低速、高速和逆航时，利用循环泵供给冷却水。因此，对循环泵的流阻特性和振动噪声均提出了较高要求，低流阻、低振动成为新一代舰船和核动力潜艇循环泵的发展趋势。

由于循环泵的运行工况复杂，给循环泵的流致振动和自流阻力的抑制带来了很大的难题。现有分析与研究大多仅仅建立于额定泵工况或自流工况的单工况分析，目前技术关注点分别集中在额定泵工况的减振降噪和自流工况的自流阻力的粗略预估上，并未同步考虑两种工况的性能需求。随着应用需求及泵技术的迅猛发展，循环泵的低流阻低振动问题逐渐成为制约循环泵技术进一步应用的主要瓶颈。低振动设计原理和低流阻设计原理对动静干涉区角度的需求不一，给泵的减振降阻造成极大困难，低流阻与低振动的同步协调控制成为一大难点。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提出了一种低振动低流阻轴流泵导叶优化设计方法，利用低振动设计原理和低流阻设计原理，对轴流泵导叶中间流面翼型采用拟合曲线点设计方法，针对导叶不同流向位置有针对性地进行振动性能和自流性能的定位控制，有效地降低轴流泵的振动力级和自流阻力系数。根据本发明优化设计的轴流泵的振动性能和自流性能得到有效提升，实现了低振动和低流阻的同步协调控制。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种低振动低流阻轴流泵导叶优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一：选取导叶中间流面叶片翼型的四个均匀分布的设计点，这四个设计点分别位于导叶进口、导叶出口以及导叶进口、导叶出口中间；四个设计点的叶片安装角依次为β

步骤二：考虑泵体低振动性能，根据叶轮出口液流角α

步骤三：将导叶进口安装角β

步骤四：改变β

步骤五：根据所述导叶中间流面叶片翼型的控制线，对叶片翼型进行加厚。在导叶中间流面叶片翼型的进口和出口取厚度最小值，在导叶中间流面叶片翼型长度的40％-50％处取厚度最大值，利用样条曲线控制翼形的厚度分布，从而得到导叶中间流面叶片翼型；根据导叶中间流面叶片翼型得到导叶；

步骤六：利用步骤五得到的导叶进行轴流泵泵体的数值模拟，分析泵体的叶轮轴向力振动性能。对泵工况下的叶轮的轴向力时域脉动数据进行FFT快速傅里叶变换，得到轴向力频域脉动数据，利用下式，提取10～1000的叶轮轴向力F频域脉动数据，得到振动力级L

L

其中，F

若不满足需求，则返回步骤三，重新设计β

C

其中，p

若不满足自流性能需求，则返回步骤四，重新设计β

本发明的有益效果：

本发明基于振动性能和自流性能需求，利用低振动设计原理和低流阻设计原理实现轴流泵导叶叶型的低振动低流阻优化设计。旨在通过轴流泵导叶中间流面翼型优化设计，有针对性地对导叶翼型进行流向位置定位控制，进而实现导叶的低振动和低流阻同步设计，有效地减小轴流泵的振动力级和自流阻力系数。使轴流泵导叶的优化设计目的更明确，优化方法简单高效，优化设计思路清晰可靠。通过本发明优化设计的轴流泵的振动性能和自流性能得到有效提升，实现了低振动和低流阻双工况的同步协调控制。

附图说明

图1为实施例的设计方法的流程示意图。

图2为动静干涉区速度三角形图。

图3为模型1中间流面翼型分布图。

图4为模型2中间流面翼型分布图。

图5为模型3中间流面翼型分布图。

图6为三组模型翼型的角度设计图。

图7为三组模型几何模型图：a)模型1，b)模型2，c)模型3。

图8为模型1叶轮的轴向力脉动频域图。

图9为模型2叶轮的轴向力脉动频域图。

图10为模型3叶轮的轴向力脉动频域图。

图11导叶壁面体积熵产率分布云图：a)模型1，b)模型2，c)模型3。

图12导叶内流道中间流面(0.5叶栅位置)体积熵产率分布云图：a)模型1，b)模型2，c)模型3。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种低振动低流阻轴流泵导叶优化设计方法，包括如下步骤：

步骤一：选取导叶中间流面叶片翼型的四个均匀分布的设计点，这四个设计点分别位于导叶进口、导叶出口以及导叶进口、导叶出口中间；四个设计点的叶片安装角依次为β

步骤二：考虑泵体低振动性能，根据叶轮出口液流角α

步骤三：将导叶进口安装角β

步骤四：改变β

步骤五：根据所述导叶中间流面叶片翼型的控制线，对叶片翼型进行加厚。在导叶中间流面叶片翼型的进口和出口取厚度最小值，在导叶中间流面叶片翼型长度的40％-50％处取厚度最大值，利用样条曲线控制翼形的厚度分布，从而得到导叶中间流面叶片翼型；根据导叶中间流面叶片翼型得到导叶；

步骤六：利用步骤五得到的导叶进行轴流泵泵体的数值模拟，分析泵体的叶轮轴向力振动性能。对泵工况下的叶轮的轴向力时域脉动数据进行FFT快速傅里叶变换，得到轴向力频域脉动数据，利用下式，提取10～1000的叶轮轴向力F频域脉动数据，得到振动力级L

L

其中，F

若不满足需求，则返回步骤三，重新设计β

C

其中，p

若不满足自流性能需求，则返回步骤四，重新设计β

以某轴流泵模型设计与优化为例，参照图2～图12，具体实施过程如下：

针对水力部件的定常数值模拟计算，利用ANSYS BladeGen进行叶片轮毂面、中间流面和轮缘面的翼型设计，利用ANSYS TurboGrid绘制叶片网格，ICEM绘制其余流道网格，整体网格数量约为493万。采用ANSYS CFX软件进行数值模拟计算。定常数值模拟计算中叶轮部分为旋转区域，其他部分为静止区域，各个区域通过interface面相互连接。

轴流泵设计几何参数如表1所示。

表1轴流泵几何参数

步骤一：一般设计导叶模型(即模型1)的中间流面翼型如图3所示，选取导叶中间流面叶片翼型的四个均匀分布的设计点，这四个设计点分别位于导叶进口、导叶出口以及导叶进口、导叶出口中间；四个设计点的叶片安装角依次为β

步骤二：考虑泵体低振动性能，对导叶进行低振动性能设计。叶轮的出口安装角β

步骤三：导叶的叶片翼型由线性拟合控制，利用控制叶片翼型角度的β

y＝-0.3925x+138.12

其中，x表示流向位置，y表示拟合安装角。

步骤四：采用S型叶片翼型设计方法，对导叶中间流面叶片翼型进行优化设计。导叶入口安装角β

步骤五：根据导叶中间流面叶片翼型的控制线，对叶片翼型进行加厚。在导叶中间流面叶片翼型的进口和出口取厚度最小值，在导叶中间流面叶片翼型长度的40％-50％处取厚度最大值，利用样条曲线控制翼形的厚度分布，从而得到导叶中间流面叶片翼型；根据导叶中间流面叶片翼型得到导叶。三组模型导叶中间流面翼型的角度设计对比如图6所示，几何模型对比如图7所示。

步骤六：对轴流泵进行振动性能和自流性能的校验。对泵工况下的轴向力时域脉动数据进行FFT快速傅里叶变换，得到轴向力频域脉动数据，轴频为50，一倍叶频为250。图8为模型1叶轮的轴向力振动频谱图，其中以二倍叶频振幅为主，一倍叶频和四倍叶频较大，表明动静干涉效应严重，叶间低速涡对振动性能影响剧烈。图9为模型2叶轮的轴向力振动频谱图，其中以一倍叶频振幅为主，接近二倍叶频的振幅较大，相较模型1有了大幅改善，说明叶间仅存在部分影响振动性能的低速涡，动静干涉区的流动性能得到优化。图10所示为优化模型3的叶轮的轴向力振动频谱图，一倍叶频的振幅得到优化，但接近二倍叶频的振动幅值较模型2小幅增加。利用振动力级L

设定10～1000的轴向力振动力级的阈值为120dB，优化模型的振动力级小于振动力级的阈值，满足优化条件，则进一步对泵体进行额定流量下的自流性能校验。

利用体积熵产率定位描述自流阻力的分布情况，三组模型的导叶壁面熵产对比云图如图11所示。中间流面翼型的优化设计使高熵产区域的演化在中部流面出现截断效应，妨碍了高熵产区域的进一步发展，阻止了轮毂面和轮缘面的两个熵产峰值区域的融合与叠加，削弱了导叶叶片壁面的能量耗散，有效地减小了导叶壁面的流动损失。三组模型的内流道流动熵产如图12所示，优化导叶入口安装角，导叶头部后方的低速涡尺度减小，导叶头部衍生高能量损失的高熵产区域减弱。在导叶尾部出现的分离流动也随着导叶入口安装角的优化得以削弱，尾迹的分离涡导致的导叶尾部的流动损失减小。

根据自流阻力系数计算公式可以得到模型1自流阻力为1.76m，自流阻力系数为8.26。模型2自流阻力为1.34m，自流阻力系数为6.28。优化模型3的自流阻力为0.93m，自流阻力系数为4.38。设定自流阻力系数阈值为5，优化模型的自流阻力系数小于设定阈值，满足优化条件，即所得模型3为优化模型。

三组模型的计算结果如表2所示。优化模型3在保证扬程和效率的基本性能下，满足振动力级阈值和自流阻力系数阈值的条件，与模型1相比，振动力级优化了9.59dB，自流阻力系数优化了3.88；与模型2相比，振动力级优化了1.09dB，自流阻力系数优化了1.91，优化效果显著，因此优化模型3选定为低振动低流阻导叶模型。

表2计算结果对比

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本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。