基于叶片欧拉扬程标准函数的叶轮高效低振动优化方法技术

本发明专利技术公开一种基于叶片欧拉扬程密度函数的叶轮高效低振动优化方法，通过中心试验设计法进行数据采样，得到叶片不同流面的厚度分布最大值和包角值的多组数据；结合叶片泵其他的几何参数和性能参数，创建多个叶片泵几何模型，对每个叶片泵几何模型均进行定常和非定常数值模拟；对多个叶片泵模型进行欧拉扬程图像处理，基于叶轮的欧拉扬程密度函数分布提取欧拉扬程标准函数，分析欧拉扬程标准函数与叶轮轴向力振动力级的关系；利用多目标优化方法对叶轮效率和欧拉扬程标准函数进行优化，以叶轮扬程为约束，得到高效低振动的叶片泵叶轮模型。本发明专利技术的方法能够提高叶片泵的叶轮效率和减小叶轮轴向力振动。减小叶轮轴向力振动。减小叶轮轴向力振动。

【技术实现步骤摘要】
基于叶片欧拉扬程标准函数的叶轮高效低振动优化方法


[0001]本专利技术涉及流体机械叶片优化领域，提出一种基于叶片欧拉扬程标准函数的叶轮高效低振动优化方法。

技术介绍

[0002]叶片泵指一种在工业生产业和现代制造业中常用的动力设备，叶片泵利用叶轮旋转将电能转化为机械能。常见的类型主要有轴流泵、混流泵和离心泵。不同种类的叶片泵被应用于各种特定场合。在工农业应用方面用于如灌溉、排涝和大型电厂循环水系统等；在新能源利用方面，用于如核泵和海水泵等行业。在实际生产中，根据设计参数所定的比转速的不同来选择不同的泵型。泵的生产效率主要由叶轮的工作性能决定。通过针对叶轮结构的优化设计，可以起到提升叶轮效率的效果。叶片泵在工作时，流道内部产生的非均匀流动结构在破坏流动性能的同时，会导致叶轮流道间的流致激振力增强，叶片表面的轴向力振动加强，进一步造成能量的损失和浪费，影响设备工作的稳定性和安全性。因此，叶片泵的高效运行和轴向力振动抑制对工程应用有着重大意义。
[0003]目前常用熵变法、速度滑移系数法和欧拉扬程分析法等研究方法定性描述流体流动时的叶轮流态分布和影响。一般是针对叶片泵中叶轮的出口速度进行大小和方向的分析，进而优化叶轮与导叶或蜗壳之间的动静干涉性能，从而优化泵的工作性能。但现有分析与研究大多仅仅建立于叶片泵的定性分析，现有技术中缺乏仅通过定常数值模拟计算来预测叶片泵的叶轮效率和振动性能的多目标优化分析技术，优化设计手段繁琐，优化分析方法复杂。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服上述背景技术的不足，提出了一种基于叶片欧拉扬程标准函数的叶轮高效低振动优化方法，根据欧拉扬程密度函数的性能分析，利用欧拉扬程标准函数的特征优化流体机械中叶轮的振动性能，有效地降低不均匀流动结构带来的影响。根据本专利技术的方法优化后的叶轮的效率和振动性能得到大幅度提升。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种基于叶片欧拉扬程标准函数的叶轮高效低振动优化方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：给定待设计叶轮的叶片不同流面的厚度最大值的范围和包角范围，通过中心试验设计法进行数据采样，得到叶片不同流面的厚度分布最大值和包角值的多组数据；再结合叶片泵其他的几何参数和性能参数，创建多个叶片泵几何模型，对每个叶片泵几何模型均进行定常和非定常数值模拟；
[0008]步骤二：(1)对于非定常数值模拟，提取低频段10～430Hz叶轮轴向力的振动信息，并进行快速傅里叶变换，提取振动力级；
[0009](2)对于定常数值模拟，得到每个叶片泵几何模型对应的叶轮效率、叶轮扬程和叶轮欧拉扬程Euler；将得到的多个叶片的欧拉扬程进行数据处理，通过公式(1)计算欧拉扬
程密度函数Equal
[0010][0011]其中，Euler(j，i)表示第i条欧拉扬程曲线上第j个点的值；m和n分别表示一条欧拉扬程曲线上从叶轮入口至叶轮出口之间的流向方向上的第m和n个数据点；k代表叶轮入口至叶轮出口之间的流向方向上选取的数据点的数量，k＝n
‑
m；x和y分别表示从轮毂面至轮缘面的展向方向上的第x和y条欧拉扬程曲线；l表示从轮毂面至轮缘面的展向方向上选取的欧拉扬程曲线的数量，l＝y
‑
x；a表示流向方向上第a个欧拉扬程密度点，a＝∑j/(k+1)；b表示展向方向上第b个欧拉扬程密度点，b＝∑i/(l+1)。
[0012]然后，对于每一个叶轮，通过公式(2)计算对应的欧拉扬程标准函数Dispersion，
[0013]Dispersion＝σ[Equal(a,b)]ꢀꢀꢀ
(2)
[0014]步骤三：对多个叶轮几何模型对应的欧拉扬程标准函数Dispersion与叶轮轴向力振动力级进行线性拟合，计算所有数据的拟合误差R2；
[0015]步骤四：当R2大于设定阈值时，表明满足单因素的拟合样本数量和拟合准则，执行步骤五；当R2不大于设定阈值时，重复步骤一～三；
[0016]步骤五：选定多目标优化模型，以此时的欧拉扬程标准函数和叶轮效率为优化目标，
[0017]约束为叶轮扬程，将叶轮的叶片不同流面的厚度最大值的范围和包角范围输入多目标优化模型，进行多目标优化，得到叶轮的叶片不同流面的厚度最大值和包角的优化结果，基于该优化结果，可得到优化后的叶轮。
[0018]进一步地，所述步骤二中，对于非定常数值模拟，得到额定工况下的轴向力时域脉动信息，对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，利用式(3)，提取10～430Hz的轴向力频域脉动数据，得到振动力级
[0019]L
F
＝20lg(F/F0)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0020]其中，F0为振动力级的基准值，F0＝1μN。
[0021]进一步地，所述步骤二中的叶轮欧拉扬程Euler表征流体在叶轮流道内流动时的流态分布情况，计算公式如公式(4)所示，
[0022][0023]其中，V
θ
表示流场中某位置的绝对速度圆周分量，U表示流场中某位置的圆周速度，g为重力加速度。
[0024]进一步地，所述步骤四中的设定阈值为0.9。
[0025]本专利技术的有益效果：
[0026]本专利技术基于欧拉扬程提出叶轮的欧拉扬程密度函数，旨在通过定常条件下的数值模拟计算得到叶轮效率和叶轮欧拉扬程，并进行欧拉扬程密度函数分析，提取标准函数用于预测和改善叶片泵的叶轮的振动性能。简单有效地针对叶片泵的叶轮进行多目标优化设计，得到高效低振动叶片设计方法，使优化目的更明确，优化分析更简便可靠。通过本专利技术优化设计的叶片泵叶轮，有效地降低不均匀流动结构带来的影响，在减少非定常数值模拟
的计算工作量的基础上，使叶轮效率和振动性能得到大幅度提升。
附图说明
[0027]图1为实施例的优化方法的流程示意图。
[0028]图2为初始模型叶轮流域欧拉扬程曲线图。
[0029]图3为初始模型欧拉扬程密度函数分布图。
[0030]图4为初始模型叶轮的轴向力脉动频域图。
[0031]图5为欧拉扬程标准函数与轴向力振动性能拟合关系。
[0032]图6为优化模型叶轮欧拉扬程曲线图。
[0033]图7为优化模型欧拉扬程密度函数分布图。
[0034]图8为优化模型叶轮轴向力脉动频域图。
具体实施方式
[0035]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0036]如图1所示，本专利技术的基于叶片欧拉扬程标准函数的叶轮高效低振动优化方法，包括如下步骤：
[0037]步骤一：给定待设计叶轮的叶片不同流面的厚度最大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于叶片欧拉扬程标准函数的叶轮高效低振动优化方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：给定待设计叶轮的叶片不同流面的厚度最大值的范围和包角范围，通过中心试验设计法进行数据采样，得到叶片不同流面的厚度分布最大值和包角值的多组数据；再结合叶片泵其他的几何参数和性能参数，创建多个叶片泵几何模型，对每个叶片泵几何模型均进行定常和非定常数值模拟；步骤二：(1)对于非定常数值模拟，提取低频段10～430Hz叶轮轴向力的振动信息，并进行快速傅里叶变换，提取振动力级；(2)对于定常数值模拟，得到每个叶片泵几何模型对应的叶轮效率、叶轮扬程和叶轮欧拉扬程Euler；将得到的多个叶片的欧拉扬程进行数据处理，通过公式(1)计算欧拉扬程密度函数Equal其中，Euler(j，i)表示第i条欧拉扬程曲线上第j个点的值；m和n分别表示一条欧拉扬程曲线上从叶轮入口至叶轮出口之间的流向方向上的第m和n个数据点；k代表叶轮入口至叶轮出口之间的流向方向上选取的数据点的数量，k＝n
‑
m；x和y分别表示从轮毂面至轮缘面的展向方向上的第x和y条欧拉扬程曲线；l表示从轮毂面至轮缘面的展向方向上选取的欧拉扬程曲线的数量，l＝y
‑
x；a表示流向方向上第a个欧拉扬程密度点，a＝∑j/(k+1)；b表示展向方向上第b个欧拉扬程密度点，b＝∑i/(l+1)。然后，对于每一个叶轮，通过公式(2)计算对应的欧拉扬程标准函数Dispersion，Dispersion＝σ[Equal(a,b)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)步骤三：对多个叶轮几何...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄滨，蒲可欣，武鹏，曹琳琳，杨帅，吴大转，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：