一种多级离心泵流道式导叶多工况水力优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于流体机械设计领域，特指涉及一种多级离心栗流道式导叶多工况水力 优化方法。
【背景技术】
[0002] 多级离心栗两级叶轮之间通过导叶相连，在对导叶叶片进行水力设计时，尤其是 在后期绘制外壁的流线图时，往往会出现突变抑或是角度变化不均匀，这时就必须通过修 改导叶叶片进口安放角、导叶叶片出口安放角、包角来达到角度平缓变化的要求。对于流道 式导叶来说，合理的导叶叶片进口安放角能使导叶与上一级叶轮完全匹配，进而使得流体 在叶轮与流道式导叶的过渡中水力损失减到最小。目前对流道式导叶叶片进口安放角的设 计往往是根据叶轮出口确定液流角，再根据经验选取冲角，从而计算流道式导叶叶片进口 安放角。这种设计方法是以经验为主的单工况设计方法，经验因素偏多，且没有科学的理论 与数学模型作为支撑。这就要求对多级离心栗流道式导叶进行多工况水力优化设计。
[0003] 迄今为止，尚未见多级离心栗流道式导叶多工况水力优化方法的公开报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种多级离心栗流道式导叶多工况水力优化方法，通过采用 外特性实验、迭代算法和CFD技术得到多个工况下加权平均效率最高（或加权平均功率最 低）的多级离心栗流道式导叶叶片进口安放角的最佳值。
[0005] 为达到以上目的，采用如下技术方案：
[0006] 采用迭代算法对流道式导叶叶片进口安放角a i的迭代数学模型进行求解，解出 的流道式导叶叶片进口安放角a i的一组解集，再采用CFD技术得到多个工况下加权平均 效率最高或加权平均功率最低的多级离心栗流道式导叶叶片进口安放角a i的最佳值。 [0007] 其具体步骤如下：
[0008] (1)搭建多级离心栗外特性实验台，测量设计工况下多级离心栗的流量、扬程、功 率和效率。
[0009] 采用单工况（即设计工况）设计方法对多级离心栗进行设计；加工多级离心栗，并 搭建多级离心栗外特性试验台；测量单工况设计的多级离心栗设计工况下的流量、扬程、功 率和效率。
[0010] 所述单工况设计的多级离心栗设计工况下的流量Qd由栗出口管路系统上的流量 计测量得到，其扬程Hd由栗进、出口的压力传感器测量得到，其功率P d由电测法测量得到， 其效率nd由公式n d= PgQdHdAVi+算得到，其中P为多级离心栗输送介质的密度，g为 重力加速度，g = 9. 8。
[0011] (2)采用迭代算法对流道式导叶叶片进口安放角a i的迭代数学模型进行求解，解 出流道式导叶叶片进口安放角α :的解集组，解集组是一组范围而不是某一个具体数值。
[0012] 根据多级离心栗流道式导叶叶片进口排挤系数Ψ^Ρ流道式导叶叶片进口过水断 面面积F1建立设计工况下多级离心栗流道式导叶叶片进口轴面速度v "1;
[0013] (1):
[0014]
[0015] (3)
[0016] 其中z为流道式导叶的叶片数，S1为流道式导叶叶片进口实际厚度，D为流道式 导叶进口直径，R。为流道式导叶进口处过水断面的半径，b为流道式导叶叶片进口宽度。
[0017] 根据速度矩定理，建立设计工况下多级离心栗流道式导叶叶片进口圆周分速度
Vul ；
[0018] (4)
[0019] 其中η为多级离心栗的转速，R1为流道式导叶进口半径。
[0020] 建立设计工况下多级离心栗流道式导叶叶片进口安放角a 迭代数学模型：
[0021]
(5)
[0022] 其中A a i为设计工况下流道式导叶叶片进口冲角，Δ α 1= 〇~8°。
[0023] 以多级离心栗流道式导叶叶片进口安放角a i为迭代变量，以单工况设计的多级 离心栗流道式导叶叶片进口安放角a i的设计值为初始值，采用迭代算法对流道式导叶叶 片进口安放角a i的迭代数学模型进行求解，若前后两次求得的解小于收敛精度δ，则满足 收敛精度要求；否则重新迭代计算。经过反复迭代，可求出满足收敛精度的流道式导叶叶片 进口安放角。
[0024] 所述收敛精度δ = 3°。
[0025] (3)采用CFD技术分别对多个工况下多级离心栗内部流场进行全流场数值计算， 得到多个工况下加权平均效率最高或加权平均功率最低的流道式导叶叶片进口安放角a i 的最佳值。
[0026] 首先，将步骤（2)得到的解集组，根据设计工况下多级离心栗扬程、功率和效率的 实验值，找出多级离心栗数值计算中与实验值误差最小的湍流模型；
[0027] 然后分别对迭代优化得到的解集组的各个方案下多级离心栗内部流场进行全流 场数值计算，计算出多个工况下多级离心栗的效率值、功率值。
[0028] 最后计算迭代优化得到的解集组各个方案下多个工况的加权平均效率值和加权 平均功率值，找出多个工况下加权平均效率最高（或加权平均功率最低）的多级离心栗流 道式导叶叶片进口安放角a i，其中各个工况下的权重因子由超传递近似法来确定。
[0029] 所述迭代算法为牛顿迭代算法，最小二乘法，模拟退火法，或遗传算法。
[0030] 本发明的优点在于：
[0031] (1)得到了多个工况下加权平均效率最高（或加权平均功率最低）的多级离心栗 流道式导叶叶片进口安放角的最佳值，比单工况设计的的流道式导叶叶片进口安放角更为 准确。
[0032] (2)将外特性实验与迭代算法、CFD技术相结合，建立了一种多级离心栗流道式导 叶多工况水力优化方法，提高了多级离心栗多个工况的加权平均效率（或降低了多级离心 栗多个工况的加权平均功率），节约了经济成本。
[0033] (3)为多级离心栗叶轮和流道式导叶的其他几何参数的多工况优化提供了借鉴。
【附图说明】
[0034] 图1 一种多级离心栗流道式导叶多工况水力优化方法的流程图；
[0035] 图2实施例中三级离心栗首级叶轮的水体三维造型；
[0036] 图3实施例中三级离心栗首级流道式导叶的水体三维造型。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并 不限于此。
[0038] 实施例：
[0039] -比转数为154的三级离心栗，其设计流量为％= 850m3/h，Hd= 131m，n = 1475r/ min〇
[0040] (I)搭建该三级离心栗外特性实验台，测量设计工况下三级离心栗的流量、扬程、 功率和效率。
[0041] 采用单工况（即设计工况）设计方法对该三级离心栗进行设计。加工三级离心栗， 并搭建三级离心栗外特性试验台。测量设计工况下三级离心栗的流量、扬程、功率和效率。 设计工况下三级离心栗的流量％由栗出口管路系统上的涡轮流量计测量得到，其扬程1由 栗进、出口的压力传感器测量得到，其功率Pd由电测法测量得到，其效率n d由公式n d= p gQdHd/Pi+算得到，其中P为水的密度；g为重力加速度，g = 9· 8。
[0042] 设计工况Qd= 850m3/h下，三级离心栗外特性试验结果为：扬程Hd= 138. 7m，功率 Pd= 461kW，效率 n d= 69. 5%。
[0043] (2)采用牛顿迭代法对流道式导叶叶片进口安放角a i的迭代数学模型进行求解， 解出流道式导叶叶片进口安放角Ct1的一组解集。
[0044] 根据三级离心栗流道式导叶叶片进口排挤系数 和流道式导叶 叶片进口过水断面面积F1= 2π Reb，建