提高初生空化性能的水泵叶片厚度设计方法、叶片、叶轮

摘要

本发明公开了一种提高初生空化性能的水泵叶片厚度设计方法、叶片、叶轮，本发明基于从叶片进口边到出口边的厚度分布规律，通过多个厚度控制点，控制从叶片进口边开始的前预定区域内的叶片厚度，并对每一个厚度控制点的厚度值设定一定的可变化范围，在范围内随机生成多个新的叶片厚度规律方案，对每一个方案进行叶轮流域的求解其最低压力值，以叶片表面最低压力值最大为优化目标函数，进行遗传算法的优化和迭代过程，获得抗空化的水泵叶片厚度分布规律或对应的叶轮方案。本发明能减缓水泵运行过程中叶片前缘附近的撞击分离，有效控制流动分离处的压力降，使得水泵的空化初生得到推迟。且本发明对水泵的叶片性能不造成影响。

说明书

技术领域

本发明涉及泵叶片设计领域，更具体涉及一种提高初生空化性能 的水泵叶片厚度设计方法、叶片、叶轮。

背景技术

在工程应用中，对于水泵的空化性能的判据，通常以外特性如扬 程或效率的下降来衡量，称为临界空化。对于大型水泵而言，其流量 大、能头高，空化的相对规模大，造成的不良影响也相应增强。在临 界空化的时候，空化已形成一定规模，对于大型水泵而言，临界空化 标准不能满足工程应用中安全稳定性的需求。因此，通过测量叶轮内 部的空化初生，作为大型水泵的空化标准，才能更好的满足其运行要 求。

通常来说，水泵叶片的几何形状可由三个方向的参数：叶展方向S、 流动方向F与厚度方向T共同描述构成，如图1所示。在叶展方向S、 流动方向F与厚度方向T的描述方式下，为保证对叶片水力性能的设 计，现有的设计方法首先设计S-F方向的二维形状，即轴面形状，如 图2所示。通过对S-F方向形状的设计，初步完成匹配流量范围的流 道面积设计工作。然后在S方向上获取数个断面，基于断面，对叶片 在该断面上F方向上的具体几何变化情况进行设计。目前，对于厚度 方向T的设计，主要考虑厚度变化的光滑性，保证流动损失小，然后 考虑叶片厚度是否满足结构强度的要求，这一设计方法简单便捷，但 叶片前缘通常工作在非设计工况下，由于冲角加大，在叶片进口边容 易出现强烈的流动分离，如图3所示，并引起压力的剧烈降低，引起 空化的初生和发展。在传统水泵的抗空化设计技术中，通常把叶片进 口边流动分离较大的位置向前略微调整。调整之后的叶片进口边位置， 位于压力较高的区域，能在一定程度缓冲压力降。然而，这一调整将 破坏原有的S-F方向的设计，对叶片的工作性能产生影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提高水泵叶片的初生空化性能， 调节压力降，同时不影响叶片性能。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种提高初生空化性能的 水泵叶片厚度的设计方法，所述方法包括以下步骤：

S1、对于一个水泵叶片，在叶展方向上提取若干个流面，随机选 取其中的一个流面作为待优化流面，并获取所述待优化流面沿流动方 向上的叶片厚度的分布曲线；

S2、在所述待优化流面的预定区域设置若干个厚度控制点，并根 据各个所述厚度控制点的位置，利用所述分布曲线确定对应位置处的 叶片厚度；

S3、对于每一个所述厚度控制点，根据对应位置处的叶片厚度， 随机生成预定个数的预定厚度值；

S4、取每一个所述厚度控制点以及对应的所述预定厚度值组成所 述预定个数的样本组合，其中每个所述样本组合包括每一个所述厚度 控制点以及对应的一个所述预定厚度值；

S5、对于每个所述样本组合，连接其所述包含的各个所述厚度控 制点，生成沿流动方向的所述预定区域的叶片的三维形状；

S6、对于每个所述三维形状对应的叶片，确定其在特定工况下受 到的最低压力的平均值；

S7、对于每个所述样本组合，将其所述包含的各个所述预定厚度 值进行二进制编码，并根据所述预定厚度值对应的所述厚度控制点的 顺序，按照叶片进口边到出口边的顺序，将对应的所述二进制编码进 行首尾连接，形成二进制编码串；

S8、根据所述步骤S6得到的每个所述三维形状对应的叶片的最低 压力的平均值，以所述最低压力的平均值最高为优化目标，以所述二 进制编码串为基因序列，以所述预定个数的样本组合为第一代样本， 进行优化，得到所述预定个数的优化编码串，将各个所述优化编码串 变换为对应的厚度值，并于对应的所述厚度控制点组合得到预定个数 的优化得到的样本组合，以所述预定个数的得到的样本组合作为第二 代样本，以所述得到的样本组合代替上一次计算使用的样本组合，重 复所述步骤S5-S8进行迭代，直到预设迭代次数，确定最优的样本组 合。

优选地，所述预定区域为按照叶片进口边到出口边的顺序取前10％ 的部分的叶片；所述若干个厚度控制点为5-10个厚度控制点；所述预 定个数为6-10个。。

优选地，所述厚度控制点在靠近所述叶片进口边的位置分布的密 度大于所述厚度控制点在远离所述叶片进口边的位置。

优选地，所述步骤S5中利用样条曲线的方式连接其所述包含的各 个所述厚度控制点。

优选地，所述步骤S3具体包括：对于每一个所述厚度控制点，以 对应位置处的叶片厚度的百分比或倍数为范围，随机生成预定个数的 预定厚度值。

优选地，所述步骤S7中进行二进制编码具体为：将所述预定厚度 值变换为长度为8的二进制数，并且设置上限值和下限值，若预定厚 度值变换的二进制数大于所述上限值则取所述上限值，若预定厚度值 变换的二进制数小于所述下限值则取所述下限值。

优选地，所述步骤S6具体包括：

根据水泵运行工况范围，基于所述三维形状进行叶轮流域的三维造型、 网格划分和计算流体动力学的数值模拟，得到所述样本组合在多工况 下受到的最低压力的平均值。

优选地，所述步骤S8中利用遗传算法进行优化，具体包括：

S81、删除最小的所述最低压力的平均值对应的所述二进制编码串， 复制最大的所述最低压力的平均值对应的所述二进制编码串；

S82、对于所述步骤S7得到的其他二进制编码串进行两两组合， 对每个组合中的两个所述二进制编码串进行交叉，判断交叉概率是否 满足预定交叉概率，若满足则将该组合内的两个所述二进制编码串的 对应的部分进行等位交换；

S83、对所述步骤S81和步骤S82得到的二进制编码串进行变异操 作，判断变异概率是否满足预定变异概率，若满足则将所述步骤S81 和步骤S82得到的二进制编码串的部分位置进行变异得到所述预定个 数的优化编码串。

一种水泵叶片，利用上述述的方法制作形成。

一种水泵叶轮，包括上述水泵叶片。

(三)有益效果

本发明提供了一种提高初生空化性能的水泵叶片厚度的设计方法， 以及利用该方法制作的叶片、叶轮。本发明基于从叶片进口边到出口 边的厚度分布规律，通过多个厚度控制点，控制从叶片进口边开始的 前预定区域内的叶片厚度，并对每一个厚度控制点的厚度值设定一定 的可变化范围，在范围内随机生成多个新的叶片厚度规律方案，对每 一个方案进行叶轮流域的三维建模和计算流体动力学求解，依据求解 得到的叶片表面最低压力值最大为优化目标函数，进行遗传算法的优 化和迭代过程，获得抗空化的水泵叶片厚度分布规律或对应的叶轮方 案。本发明能减缓水泵运行过程中叶片前缘附近的撞击分离，有效控 制流动分离处的压力降，使得水泵的空化初生得到推迟。且本发明不 需要对水泵叶片添加额外的结构即可实现空化性能的优化，另外对于 水泵的扬程和效率等叶片性能也不造成影响。另外，本方法简单易行， 结合计算机编程与计算流体动力学模拟，可自动优化设计叶片的抗空 化前缘形状。

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 附图获得其他的附图。

图1是水泵叶片的结构示意图；

图2是图1所示水泵叶片的轴面示意图；

图3是水泵叶片在不同工况下叶片进口边位置处的流动分离示意 图；

图4为水泵叶片的厚度方向示意图；

图5为水泵叶片的厚度控制点的分布示意图；

图6为本发明的提高初生空化性能的水泵叶片厚度的设计方法的 流程图；

图7为利用本发明的方法优化得到的水泵叶片的厚度方向的示意 图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例 用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

一种提高初生空化性能的水泵叶片厚度的设计方法，如图6所示， 所述方法包括以下步骤：

S1、对于一个水泵叶片，在叶展方向上提取若干个流面，随机选 取其中的一个流面作为待优化流面，并获取所述待优化流面沿流动方 向上的叶片厚度的分布曲线；

S2、在所述待优化流面的预定区域设置若干个厚度控制点，并根 据各个所述厚度控制点的位置，利用所述分布曲线确定对应位置处的 叶片厚度；

S3、对于每一个所述厚度控制点，根据对应位置处的叶片厚度， 随机生成预定个数的预定厚度值；

S4、取每一个所述厚度控制点以及对应的所述预定厚度值组成所 述预定个数的样本组合，其中每个所述样本组合包括每一个所述厚度 控制点以及对应的一个所述预定厚度值；

S5、对于每个所述样本组合，连接其所述包含的各个所述厚度控 制点，生成沿流动方向的所述预定区域的叶片的三维形状；

S6、对于每个所述三维形状对应的叶片，确定其在特定工况下受 到的最低压力的平均值；上述特定工况优选地是70-80％设计流量、 95-105％设计流量、120-130％设计流量的工况，更加优选地方案是75％ 设计流量、100％设计流量、125％设计流量的工况；

S7、对于每个所述样本组合，将其所述包含的各个所述预定厚度 值进行二进制编码，并根据所述预定厚度值对应的所述厚度控制点的 顺序，按照叶片进口边到出口边的顺序，将对应的所述二进制编码进 行首尾连接，形成二进制编码串；

S8、根据所述步骤S6得到的每个所述三维形状对应的叶片的最低 压力的平均值，以所述最低压力的平均值最高为优化目标，以所述二 进制编码串为基因序列，以所述预定个数的样本组合为第一代样本， 利用遗传学进行优化，得到所述预定个数的优化编码串，将各个所述 优化编码串变换为对应的厚度值，并于对应的所述厚度控制点组合得 到预定个数的优化得到的样本组合，以所述预定个数的得到的样本组 合作为第二代样本，以所述得到的样本组合代替上一次计算使用的样 本组合，重复所述步骤S5-S8进行迭代，直到预设迭代次数，确定最 优的样本组合。

上述方法能减缓水泵运行过程中叶片前缘附近的撞击分离，有效 控制流动分离处的压力降，使得水泵的空化初生得到推迟。且本发明 不需要对水泵叶片添加额外的结构即可实现空化性能的优化，另外对 于水泵的扬程和效率等叶片性能也不造成影响。另外，本方法简单易 行，结合计算机编程与计算流体动力学模拟，可自动优化设计叶片的 抗空化前缘形状。

进一步地，所述预定区域为按照叶片进口边到出口边的顺序取前 10％的部分的叶片；所述若干个厚度控制点为5-10个厚度控制点，优 选地方案是8个厚度控制点；所述预定个数为6-10个，优选地方案是 10个控制点。

进一步地，所述厚度控制点在靠近所述叶片进口边的位置分布的 密度大于所述厚度控制点在远离所述叶片进口边的位置，如图5所示。 优选地，所述厚度控制点按照叶片进口边到出口边的顺序分布密度变 小。

进一步地，所述步骤S5中利用样条曲线的方式连接其所述包含的 各个所述厚度控制点。

进一步地，所述步骤S3具体包括：对于每一个所述厚度控制点， 以对应位置处的叶片厚度的百分比或倍数为范围，随机生成预定个数 的预定厚度值。

进一步地，所述步骤S7中进行二进制编码具体为：将所述预定厚 度值变换为长度为8的二进制数，并且设置上限值和下限值，若预定 厚度值变换的二进制数大于所述上限值则取所述上限值，若预定厚度 值变换的二进制数小于所述下限值则取所述下限值。

进一步地，所述步骤S6具体包括：

根据水泵运行工况范围，基于所述三维形状进行叶轮流域的三维造型、 网格划分和计算流体动力学的数值模拟，得到所述样本组合在多工况 下受到的最低压力的平均值。

进一步地，所述步骤S8中利用遗传算法进行优化具体包括：

S81、删除最小的所述最低压力的平均值对应的所述二进制编码串， 复制最大的所述最低压力的平均值对应的所述二进制编码串；

S82、对于所述步骤S7得到的其他二进制编码串进行两两组合， 对每个组合中的两个所述二进制编码串进行交叉，判断交叉概率是否 满足预定交叉概率，若满足则将该组合内的两个所述二进制编码串的 对应的部分进行等位交换；

S83、对所述步骤S81和步骤S82得到的二进制编码串进行变异操 作，判断变异概率是否满足预定变异概率，若满足则将所述步骤S81 和步骤S82得到的二进制编码串的部分位置进行变异得到所述预定个 数的优化编码串。

上述方法具有以下优点：

1、在每一个叶展方向S上的流面均采取同样的厚度分布规律，有 效减少优化过程中控制参数的数量，提高优化过程的速度与稳定性；2、 从叶片进口边开始，一直控制到流动方向F的预定区域的位置，既控 制了叶片前缘附近的几何形状，又对其余位置厚度不产生影响，不仅 减少了优化参数的量，而且减小了优化对于叶片其他工作性能的影响； 3、在对同一控制点的厚度T值设定变化范围时，采用原始T值的 50％～150％为变化范围，控制了叶片的几何变化幅度，避免叶片起伏过 大产生较大的水力损失，并有效改善叶片进口边的压力分布和空化初 生；4、本发明利用样条函数对多个离散点的厚度T进行关联，补充了 控制点以外位置的厚度信息，使得厚度沿流动方向的变化情况变得丰 富，有利于扩大抗空化优化过程的搜索范围，同时也保证了叶片厚度 变化的光滑性。因此，利用本发明的方法设计的额叶片可广泛用于叶 片式泵的水力设计中。

本发明还公开了一种水泵叶片其特征在于，该叶片利用上述方法 制作形成。同时本发明还公开了一种水泵叶轮，该水泵叶轮包括至少 一个上述水泵叶片。

下面通过一个具体的实施例对上述方法进行说明。

一种提高水泵初生空化性能的叶片厚度的优化设计方法，即对水 泵叶片的厚度分布规律进行优化设计，通过控制水泵叶片各流面的叶 片厚度，实现叶片翼型形状的控制、调节与优化，包括以下步骤：

1)从原始水泵叶片形状出发，在叶展方向S上，从叶轮前盖板至 后盖板提取多个流面。针对其中一个流面，得到沿流动方向F的厚度T 的分布规律T＝g(F)，并取其前10％部分。

2)以叶片进口边为起始位置，直至叶片出口边为终止位置，对这 段长度的前10％部分设定多个厚度控制点，靠近进口边位置控制点分 布较密，点位置分别于F方向的0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6.5％、 7％位置，记为F_n(n＝1,2,3…8)，并通过分布规律T＝g(F)得到对应的厚 度T值，记为T_n(n＝1,2,3…8)。

3)给予T_n变化范围，使得T_n可随机取值为50％～150％T_n，然后 随机生成10个F_n-T_n样本组合，并将F_n-T_n关系应用到其他所有流面， 以样条曲线的方式连接流面上的控制点，分别生成10个叶片F方向前 10％部分的三维形状以及整个叶片三维的形状。

4)基于10个叶片样本的三维形状，进行叶轮流域的三维建模， 采用ICEMCFD对叶轮流域进行有限体积网格的离散划分，采用 ANSYSCFX、采用雷诺时均法(RANS)和SSTk-ω湍流模型，基于 网格进行流域的CFD求解，分析运行范围内多工况的求解结果，得到 各工况下10个叶轮样本对应的叶片表面最低压力值，并对每一个叶轮 样本求取一个各工况下的加权平均值，每个工况取相同权重，加权平 均值记为P_min-n(n＝1,2,3…8)。

5)对每一个叶片形状样本上的每一个厚度控制点的厚度值T_n进 行二进制编码，二进制编码长度采用8位，对于每一个厚度值T_n，令 其变化上限值的二进制数为11111111，变化下限值的二进制数为 00000000，以此为规则，确定厚度值T_n的8位二进制值，并对每一个 样本，按照叶片进口边至出口边的位置先后顺序，将各个点的二进制 值首尾相连，形成二进制编码串，最后得到10个叶片样本的二进制编 码串，记为D_n(n＝1,2,3…8)。

6)以现有的10个样本为第一代，根据CFD求解的P_min-n值，淘 汰P_min最小的样本，复制P_min最大的样本。对于其他8个样本，随机 进行两两组合，对组合中的两个样本进行交叉，设定交叉概率E(取值 为0～1)，若满足交叉概率，将组合中两个样本的二进制编码串的随机 一部分进行等位互换。对于所有样本，进行变异操作，设定变异概率X (取值为0～1)，若满足变异概率，对样本的随机位置进行变异，将0 变为1或将1变为0。

7)进行以上操作后，得到新的10个样本，记为第二代，并重复 执行步骤3～6，直至达到优化迭代最大次数或满足性能要求时停止。

上述实施例将叶片沿叶展方向的各个流面采用相同厚度分布规律 进行设计。

图4为现有水泵叶片在厚度方向上的示意图，图7为利用上述实 施例的方法设计的叶片在厚度方向上的示意图，可以看出本实施例的 方法能够设计叶片进口边厚度规律，使其缓和进口边附近在非设计工 况下的流动分离，从而缓和流动造成的压力降，推迟相同流动条件下 空化的发生，减小水泵运行时的空化造成的不良影响，提高运行稳定 性与安全性，且不影响水泵的工作性能，不增加加工难度，在工程应 用中简单易行。同时本实施例的方法可以准确确定最优的厚度分布规 律，使厚度分布规律适应工况的变化等问题。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本 发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。