多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法

本发明涉及井用提水泵叶轮设计，特别涉及一种多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法。

背景技术：

1、作为抽取地下水的核心装备，多级井用提水泵因体积小，扬程高，重量轻，价格合理等优点，在地热、农业灌溉等领域均有较广泛的使用。

2、多级井用提水泵通常包含一个第一叶轮和至少一个第二叶轮，第一叶轮设于进水口，其进口无预旋，而第二叶轮进口均存在预旋，为了削弱预旋带来的影响，设计制造中一般会增加第二叶轮的进口安放角，尽量使流体按设计的流线流动以保障流动的高效与稳定，由于第二叶轮进口安放角的增加有太多的不确定性，且对水力效率及转子轴向力产生较大影响，优化设计方法亟待改变。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法，通过改进第二叶轮叶片的进出口安放角及叶片包角，使得第二叶轮更好地适应运行需要，解决多级泵转子轴向力平衡，效率不高的问题，设计出优秀的多级井用提水泵第二叶轮的型线，进而提升整机的性能水平。

2、本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

3、本发明公开了一种多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法，所述多级井用提水泵包括一组第一叶轮和至少一组第二叶轮，其中所述第一叶轮靠近所述多级井用提水泵的进水口；所述第二叶轮在所述第一叶轮和所述多级井用提水泵的出水口间依次排列；所述多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法的步骤如下：

4、s1：基于多级井用提水泵的设计流量qm3/s、单级扬程hm、转速nr/min，计算得到的比转速推导出叶片进口角β1、叶片出口角β2、叶片包角φ关于比转速ns的控制方程：

5、s2：以步骤s1得到的控制方程为依据，对叶片进口安放角、叶片出口安放角、叶片包角进行采样；

6、s3：通过流体力学数值模拟获取步骤s2中采集的样本在额定流量工况下对应的轴向力和效率；

7、s4：采用bbd设计法和响应面分析法获取步骤s3中所得轴向力、效率和叶片进口安放角、叶片出口安放角、叶片包角各自之间的响应关系；

8、s5：采用nsga-ii遗传算法对轴向力和效率进行优化，得出轴向力和效率的最佳值，基于步骤s4中得到的响应关系反推出进口安放角β1、出口安放角β2和叶轮叶片包角φ的最优设计值。

9、进一步的，在所述步骤s2中具体操作步骤如下：

10、设计三个叶片进口安放角：0.5β1、β1、1.5β1，三个叶片出口安放角：0.75β2、β2、1.25β2，三个叶片包角：0.9φ、φ、1.1φ；基于bbd箱线式的试验设计方法，该方法通过增加中心点，在避免低效采样点的基础上，通过较少工况数得到设计变量的数据采样，具体来说，通过该设计方法共得到17组多级井用提水泵叶轮型线样本。

11、进一步的，在所述步骤s4中具体操作步骤如下：

12、采用bbd设计法和响应面分析法获取所述叶片进口安放角、叶片出口安放角和叶片包角各自之间的响应关系，

13、efficiency＝a1φ+a2β1-a3β2+b1φβ1-b2φβ2+b3β1β2-c1φ2-c2β12+c3β22+d1；

14、force＝-a4φ-a5β1+a6β2-b4φβ1-b5φβ2-b6β1β2+c4φ2+c5β12-c6β22+d2；

15、其中，响应关系式中的efficiency为效率；force为轴向力；a1、a2、a3、a4、a5、a6、b1、b2、b3、b4、b5、b6、c1、c2、c3、c4、c5、c6、d1、d2均为常数。

16、进一步的，在所述步骤s5中具体操作步骤如下：

17、利用第二代遗传算法nsga-ii对步骤s4中得到的响应关系进行三参数两目标优化，其中三参数分别为β1、β2和φ，优化目标分别为轴向力最小、效率最大，通过优化得到额定流量工况下效率与轴向力之间的最佳取值关系；基于响应关系反推出进口安放角β1、出口安放角β2和叶轮叶片包角φ的最优设计值。

18、进一步的，所述多级井用提水泵第二叶轮可采用聚丙烯ppo工程塑料，也可以采用结构钢材料。

19、本发明提供了一种多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法，通过样本的进口安放角、出口安放角、叶片包角对效率及轴向力的影响规律，获得叶片型线的优选方案，可以获得多级井用提水泵优秀的水力设计方案。

技术特征：

1.一种多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法，其特征在于，所述多级井用提水泵包括一组第一叶轮和至少一组第二叶轮，其中所述第一叶轮靠近所述多级井用提水泵的进水口；所述第二叶轮在所述第一叶轮和所述多级井用提水泵的出水口间依次排列；所述多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法的步骤如下：

2.根据权利要求1所述的多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法，其特征在于，在所述步骤s2中具体操作步骤如下：

3.根据权利要求2所述的多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法，其特征在于，在所述步骤s4中具体操作步骤如下：

4.根据权利要求3所述的多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法，其特征在于，在所述步骤s5中具体操作步骤如下：

5.根据权利要求4所述的多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法，其特征在于，所述多级井用提水泵第二叶轮可采用聚丙烯ppo工程塑料，也可以采用结构钢材料。

技术总结
本发明公开了一种多级井用提水泵第二叶轮型线的设计方法，可在降低转子轴向力的同时，尽可能优化叶片结构的设计参数以维持系统较高的效率，削弱第二叶轮的进口存在来流预旋带来的负面影响。在依据速度系数法计算得到叶轮进口直径、出口直径、出口宽度的基础上，使用Design Expert 10软件建立回归模型方程，以叶片包角、进口安放角、出口安放角为变量，每个变量选择三个不同的值，设计17组叶轮型线样本，通过流体数值模拟得到不同叶片型线的多级井用提水泵水力效率及转子轴向力，进而利用NSGA‑II算法进行多目标优化得到水力效率及转子轴向力统计公式，并基于响应关系反推出叶轮叶片包角、进口安放角和出口安放角的最优值。

技术研发人员：曹卫东,毕治,宋奥华
受保护的技术使用者：江苏大学流体机械温岭研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15