水泵叶片设计方法及系统与流程

本发明实施例涉及水泵设计领域，更具体地，涉及一种水泵叶片设计方法及系统。

背景技术：

基于三维反问题的叶片水力设计方法成为离心泵叶片设计中的主要方法，与传统一维水力设计方法通过给定叶片几何参数来控制叶片形状不同，反问题设计方法通过给与流场条件直接相关的叶片载荷分布来控制叶片形状。这种设计方法的优势在于将流场控制条件引入设计过程，设计者将流场控制条件与水泵内部流动特性建立某种联系，以设计出符合性能要求的水泵叶片。现有技术中，在使用反问题方法设计叶片的过程中，只指定了前盖板和后盖板的载荷曲线，从而叶片的边界形状得以控制。但是，叶片在前盖板到后盖板之间是如何变化的，并未在设计过程中加以控制，这样的设计方法就导致了叶片表面就极有可能出现扭曲问题，尤其是进口边可能会呈现s型，显然这可能会导致叶轮出口处产生漩涡等二次流问题，不利于叶片的水力性能。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的水泵叶片设计方法及系统。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种水泵叶片设计方法，该方法包括：根据叶片的轴面投影图及载荷分布曲线，计算获得木模图上的前盖板流线及后盖板流线；在木模图中，测量每条轴面截线与前盖板流线的交点对应的第一半径值以及每条轴面截线与后盖板流线的交点对应的第二半径值；在轴面投影图中，根据第一半径值确定轴面截线在前盖板曲线上的第一边界点以及根据第二半径值确定轴面截线在后盖板曲线上的第二边界点；在轴面投影图中，基于设定的轴面截线变化规律，分别连接每个第一边界点及对应的第二边界点，获得光滑的轴面截线。

根据本发明实施例第二方面，提供了一种水泵叶片设计系统，该系统包括：计算模块，用于根据叶片的轴面投影图及载荷分布曲线，计算获得木模图上的前盖板流线及后盖板流线；测量模块，用于在木模图中，测量每条轴面截线与前盖板流线的交点对应的第一半径值以及每条轴面截线与后盖板流线的交点对应的第二半径值；确定模块，用于在轴面投影图中，根据第一半径值确定轴面截线在前盖板曲线上的第一边界点以及根据第二半径值确定轴面截线在后盖板曲线上的第二边界点；连接模块，用于在轴面投影图中，基于设定的轴面截线变化规律，分别连接每个第一边界点及对应的第二边界点，获得光滑的轴面截线。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的水泵叶片设计方法。

根据本发明实施例的第四方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的水泵叶片设计方法。

本发明实施例提供的水泵叶片设计方法及系统，通过在保证前后盖板轴面截线控制点不变的前提下，对轴面截线进行有规律的光顺处理，即通过增加一条轴面截线的几何约束解决了轴面截线上节点之间的计算结果不连续的问题，从而在控制前后盖板流线上载荷分布的基础上还保持了叶片表面的光顺，消除了反问题设计过程中因给定的流场分布不合理造成叶片表面扭曲问题，有利于叶片的水利性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的水泵叶片设计方法的流程示意图；

图2本发明实施例提供的木模图前后流线平面投影图；

图3本发明实施例提供的轴面投影图节点图；

图4为本发明实施例提供的轴面截线图；

图5为本发明实施例提供的木模截线图；

图6为本发明实施例提供的给定的载荷曲线分布图；

图7为本发明实施例提供的调控前设计得到的叶片三维形状图；

图8为本发明实施例提供的轴面截线变化规律图；

图9为本发明实施例提供的调控前后泵的水力效率对比；

图10为本发明实施例提供的调控后叶片的轴面投影图；

图11为本发明实施例提供的调控后叶片三维形状图；

图12为本发明实施例提供的调控后叶片载荷分布图；

图13为本发明实施例提供的水泵叶片设计系统的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

图中，1：后盖板流线；2：前盖板流线；3：轴面截线；4：前盖板曲线；5：后盖板曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。

针对现有技术中存在的叶片表面扭曲的问题，本发明实施例提供一种水泵叶片设计方法。可以利用该方法进行水泵叶片的设计，或者对现有的叶片进行调控。参见图1，该方法包括：

101、根据叶片的轴面投影图及载荷分布曲线，计算获得木模图上的前盖板流线及后盖板流线。

其中，在步骤101前可根据传统设计方法确定叶轮轴面的形状，并确定进口边。基于叶轮轴面的形状可确定叶片的轴面投影图，应当说明的是，此时的轴面投影图中没有轴面截线，只有前盖板曲线和后盖板曲线。另外，还可获得载荷分布曲线，载荷分布曲线(或载荷特性曲线)即表示叶轮需要承受的载荷的情况。本发明实施例对获取载荷分布曲线的方式不作限定。在步骤101中，可基于轴面投影图及载荷分布曲线获得前盖板流线及后盖板流线的形状。参见图2，木模图中的前盖板流线1位于后盖板流线2的上方。

102、在木模图中，测量每条轴面截线与前盖板流线的交点对应的第一半径值以及每条轴面截线与后盖板流线的交点对应的第二半径值。

具体地，参见图2，前盖板流线1和后盖板流线2分别与每条轴面截线都相交。因此，每条轴面截线都有两个交点，一个交点是与前盖板流线的交点，另一个交点是与后盖板流线的交点。可以依次测量每个交点与木模图中的原点之间的距离，即为半径值。其中，与前盖板流线的交点对应的半径值为第一半径值，与后盖板流线的交点对应的半径值为第二半径值。例如图2所示，r1为第ⅷ号轴面截线的第二半径值。

103、在轴面投影图中，根据第一半径值确定轴面截线在前盖板曲线上的第一边界点以及根据第二半径值确定轴面截线在后盖板曲线上的第二边界点。

具体地，参见图3，轴面投影图包含有前盖板曲线4及后盖板曲线5。对于每条轴面截线3，可以找到后盖板曲线5上距离基线第二半径值的点，该点即为该轴面截线3的第二边界点，例如图2中的r1；同样可以找到前盖板曲线4上距离基线第一半径值的点，该点即为该轴面截线3的第一边界点。基于上述方式，可依次获得每条轴面截线的第一边界点和第二边界点。

104、在轴面投影图中，基于设定的轴面截线变化规律，分别连接每个第一边界点及对应的第二边界点，获得光滑的轴面截线。

具体地，在获得了每一轴面截线的第一边界点和第二边界点后，将第一边界点及第二边界点连接，即可获得该轴面截线，从而完成轴面投影图，如图4所示。连接的方式具体可按照一定的轴面截线变化规律，并可采用插值的方式。

本发明实施例提供的方法，通过在保证前后盖板轴面截线控制点不变的前提下，对轴面截线进行有规律的光顺处理，即通过增加一条轴面截线的几何约束解决了轴面截线上节点之间的计算结果不连续的问题，从而在控制前后盖板流线上载荷分布的基础上还保持了叶片表面的光顺，消除了反问题设计过程中因给定的流场分布不合理造成叶片表面扭曲问题，有利于叶片的水利性能。

基于上述实施例的内容，获得光滑的轴面截线之后，作为一种可选实施例，还包括：根据轴面投影图中的轴面截线在木模图中绘制相应的木模截线。具体地，参见图5，在轴面投影图上绘制完成，获得轴面截线后，可根据轴面投影图上的轴面截线，在木模图上绘制相应的木模曲线。进一步可根据木模图进行叶轮的三维造型，并通过数值方法预测泵的水力性能，根据流场结果和能量特性对载荷曲线的特征参数进行微调，确定方案后可进行试验台实验测试。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，轴面截线变化规律为：轴面截线为圆弧，圆弧的特征尺寸沿进口边到出口边的方向呈下凸型增加。具体地，轴面截线的形状可为多种形状，本发明实施例选择圆弧形作为轴面截线的形状。特征尺寸是用来描述圆弧形状的一种尺寸参数。下凸型增加的方式可参见图8。本发明实施例通过采用下凸型变化规律的轴面截线，能够获得比较理想的流态及良好的水力性能。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，特征尺寸为圆弧半径与叶轮出口半径的比值。具体地，参见图3，

式中，γ为特征尺寸，r为圆弧半径，r2为叶轮出口半径。

基于上述实施例的内容，在根据叶片的轴面投影图及载荷分布曲线，计算获得木模图上的前盖板流线及后盖板流线之前，作为一种可选实施例，还包括：通过速度系数法或相似换算获得轴面投影图。具体地，轴面投影图的设计可以根据传统设计方法，如速度系数法或相似换算法等，计算叶片的进出口尺寸和叶片出口宽度以及进口边形状等。

基于上述实施例的内容，在根据叶片的轴面投影图及载荷分布曲线，计算获得木模图上的前盖板流线及后盖板流线之前，作为一种可选实施例，还包括：通过反问题设计法构建前盖板和后盖板的载荷分布曲线。具体地，根据泵的设计目标和性能特点，基于反问题设计方法，构建前盖板和后盖板的载荷曲线。若设计方式为改型设计(即在原叶片的基础上，对原叶片的形状进行调控)，则需通过数值方法预测原方案叶轮的载荷曲线，对改型后的载荷曲线进行调整。

为了对上述本发明实施例提供的方法以及应用该方法设计出的水泵叶片的效果进行进一步阐述，以下以某双吸离心泵为例进行说明：

该双吸离心泵设计参数为：比转速160，流量800m³/h，扬程23.4m，转速747r/min，叶片数为7个，该泵采用反问题设计方法设计，如图6所示为给定的载荷曲线，其中横坐标为相对流向长度，即流线节点至流线起点的长度与流线总长度的比值，用m表示；纵坐标为载荷，用ld(loadingdistribution)表示。

如图7所示为调控前设计得到的叶片三维图，可以看到，叶片的表面有扭曲和不光顺的现象，叶片的进口边呈s型，并影响了进口边的后部，导致该处凹凸不平。

轴面截线变化规律多样，本发明实施例的轴面截线的特征尺寸沿轴截面从进口至出口的变化规律为：轴面截线为圆弧型，从进口边至出口边，圆弧半径的特征尺寸呈下凸型曲线增加，特征尺寸变化规律如图8所示。

采用cfd方法对双吸离心泵进行能量特性和流场特性的数值预测，如图9所示，为调控前后水泵的水力效率对比图。可以看出，在设计工况下，该泵效率由83.5％提高至84.9％；由于最优点向小流量有所偏移，调控后双吸离心泵的最优点效率为85.7％，较原方案的最优点效率提高了2.4个百分点。

如图10所示为采用调控方法后的叶片的轴面投影图，如图11所示，为采用调控方法后的叶片三维形状图。可以看出，叶片表面均比较光顺，进口边扭曲现象明显得到了改善，且进口边则从进口至出口光滑过度，表面光顺。

为了评价叶片形状调控方法对双吸离心泵泵载荷的影响，采用数值方法其在设计工况下叶片表面前后盖板流线的载荷进行计算分析，如图12所示，为调控后叶片载荷分布图，与图6所示的给定的载荷分布曲线相比，该方案整体上均保持了原方案给定的载荷分布趋势。并且，调控后，改善了出口尾迹射流，因此下游流态得到改善，压水室截面上漩涡数量减少。

本发明实施例提供的水泵叶片调控方法，在保证前后盖板轴面截线控制点不变的前提下，对轴面截线进行有规律的光顺处理，可以消除反问题设计过程中因给定的流场分布不合理造成叶片表面扭曲问题。同时，采用下凸型变化规律的轴面截线，能够获得比较理想的流态及良好的水力性能。

基于上述实施例的内容，本发明实施例提供了一种水泵叶片设计系统，该水泵叶片设计系统用于执行上述方法实施例中的水泵叶片设计方法。参见图13，该系统包括：计算模块301、测量模块302、确定模块303和连接模块304；其中，计算模块301，用于根据叶片的轴面投影图及载荷分布曲线，计算获得木模图上的前盖板流线及后盖板流线；测量模块302，用于在木模图中，测量每条轴面截线与前盖板流线的交点对应的第一半径值以及每条轴面截线与后盖板流线的交点对应的第二半径值；确定模块303，用于在轴面投影图中，根据第一半径值确定轴面截线在前盖板曲线上的第一边界点以及根据第二半径值确定轴面截线在后盖板曲线上的第二边界点；连接模块304，用于在轴面投影图中，基于设定的轴面截线变化规律，分别连接每个第一边界点及对应的第二边界点，获得光滑的轴面截线。

具体地，计算模块301可基于轴面投影图及载荷分布曲线获得前盖板流线及后盖板流线的形状。参见图2，木模图中的前盖板流线1位于后盖板流线2的上方。测量模块302可以依次测量每个交点与木模图中的原点之间的距离，即为半径值。其中，与前盖板流线的交点对应的半径值为第一半径值，与后盖板流线的交点对应的半径值为第二半径值。参见图3，轴面投影图包含有前盖板曲线4及后盖板曲线5。对于每条轴面截线3，可以找到后盖板曲线5上距离基线第二半径值的点，该点即为该轴面截线3的第二边界点。基于上述方式，确定模块303可依次获得每条轴面截线的第一边界点和第二边界点。连接模块304将第一边界点及第二边界点连接，即可获得该轴面截线，从而完成轴面投影图，如图4所示。连接的方式具体可按照一定的轴面截线变化规律，并可采用插值的方式。

本发明实施例提供的系统，通过在保证前后盖板轴面截线控制点不变的前提下，对轴面截线进行有规律的光顺处理，即通过增加一条轴面截线的几何约束解决了轴面截线上节点之间的计算结果不连续的问题，从而在控制前后盖板流线上载荷分布的基础上还保持了叶片表面的光顺，消除了反问题设计过程中因给定的流场分布不合理造成叶片表面扭曲问题，有利于叶片的水利性能。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，该系统还包括：绘制模块，用于根据轴面投影图中的轴面截线在木模图中绘制相应的木模截线。

本发明实施例提供了一种电子设备，如图14所示，该设备包括：处理器(processor)401、通信接口(communicationsinterface)402、存储器(memory)403和通信总线404，其中，处理器401，通信接口402，存储器403通过通信总线404完成相互间的通信。处理器401可以调用存储器403上并可在处理器401上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的水泵叶片设计方法，例如包括：根据叶片的轴面投影图及载荷分布曲线，计算获得木模图上的前盖板流线及后盖板流线；在木模图中，测量每条轴面截线与前盖板流线的交点对应的第一半径值以及每条轴面截线与后盖板流线的交点对应的第二半径值；在轴面投影图中，根据第一半径值确定轴面截线在前盖板曲线上的第一边界点以及根据第二半径值确定轴面截线在后盖板曲线上的第二边界点；在轴面投影图中，基于设定的轴面截线变化规律，分别连接每个第一边界点及对应的第二边界点，获得光滑的轴面截线。

此外，上述的存储器403中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的水泵叶片设计方法，例如包括：根据叶片的轴面投影图及载荷分布曲线，计算获得木模图上的前盖板流线及后盖板流线；在木模图中，测量每条轴面截线与前盖板流线的交点对应的第一半径值以及每条轴面截线与后盖板流线的交点对应的第二半径值；在轴面投影图中，根据第一半径值确定轴面截线在前盖板曲线上的第一边界点以及根据第二半径值确定轴面截线在后盖板曲线上的第二边界点；在轴面投影图中，基于设定的轴面截线变化规律，分别连接每个第一边界点及对应的第二边界点，获得光滑的轴面截线。。

以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。