一种抗空蚀离心泵叶轮优化设计方法

摘要

本发明一种抗空蚀离心泵叶轮优化设计方法，获得原始叶轮的周向XY平面上的前盖板二维翼型骨线、中间二维翼型骨线以及后盖板二维翼型骨线，并参数化后，构建叶轮优化参数，构建变化后的骨线，再将其三维化得到的变化后的前盖板三维翼型型线、中间三维翼型型线以及后盖板三维翼型型线，输入到几何造型软件中，形成变化后的叶轮三维形状，在单流道网格划分的基础上进行水利性能测算，以多目标遗传算法NSGA-II遗传算法为优化工具，对离心泵叶轮参数进行多目标优化设计，选取水利性能最佳的一组叶轮参数作为优化后的叶轮参数；本发明方法优化参数构建科学，优化过程自动化程度高，优化后离心泵叶轮叶片效率，空化空蚀性能优良。

主权项

1.一种抗空蚀离心泵叶轮优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、得到原始叶轮的周向XY平面上的前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h：由原始叶轮的轴面投影图得到前盖板流线l_S、中间流线l_m以及后盖板流线l_h，将前盖板流线l_S、中间流线l_m以及后盖板流线l_h分别绕叶轮旋转轴旋转得到前盖板流面、中间流面以及后盖板流面；原始叶轮与得到的前盖板流面、中间流面和后盖板流面相交得到相对应的三维翼型，再投影到周向平面上，即得到前盖板二维翼型型线中间二维翼型型线以及后盖板二维翼型型线沿所述前盖板二维翼型型线作一系列内切圆，连接内切圆圆心得到的光滑曲线为前盖板二维翼型骨线G_S；沿所述中间二维翼型型线作一系列内切圆，连接内切圆圆心得到的光滑曲线为中间二维翼型骨线G_m；沿所述后盖板二维翼型型线作一系列内切圆，连接内切圆圆心得到的光滑曲线为后盖板二维翼型骨线G_h；步骤2、采用四点三次贝塞尔曲线分别对上述前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h进行参数化，以得到各骨线的四个控制点P₀,P₁,P₂,P₃在周向XY平面上的坐标，其中，控制点P₀为首点，控制点P₃为末点，控制点P₁和P₂为中间点；步骤3、构建叶轮优化参数：步骤3.1、构建前盖板二维翼型骨线G_S的挠度参数C₁和C₂：连接前盖板二维翼型骨线G_S的控制点P₀和P₁，以及控制点P₂和P₃，延长直线P₀P₁和直线P₂P₃并交于Q点，令：则P₁和P₂点坐标满足：其中，c₁∈[0,1]，c₂∈[0,1]；步骤3.2、依照步骤3.1得到中间二维翼型骨线G_m的挠度参数C₃和C₄，以及后盖板二维翼型骨线G_h的挠度参数C₅和C₆；步骤3.3、定义前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h各自控制点P₀和P₃的变化量：将前盖板二维翼型骨线G_S的控制点P₀的柱坐标为(r_s,θ_s)，中间二维翼型骨线G_m的控制点P₀的柱坐标为(r_m,θ_m)，后盖板二维翼型骨线G_h的控制点P₀的柱坐标为(r_h，θ_h)；定义各控制点P₀的r坐标的优化变化量为Δr_s,Δr_m,Δr_h，定义各控制点P₀的θ的坐标变化量为Δθ_s,Δθ_m,Δθ_h；所述前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h的控制点P₃点均重合，且该P₃点的柱坐标为(r_e,θ_e)，定义该P₃点的θ的坐标变化量为Δθ_e；步骤4、构建变化后的前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h：步骤4.1、首先，固定前盖板二维翼型骨线G_S的P₀,P₃,Q三点坐标值不变，变化C₁和C₂的取值，根据得到前盖板二维翼型骨线G_S变化后的控制点P₁和P₂在周向XY平面上的坐标；依照上述方法，变化C₃和C₄的取值，得到中间二维翼型骨线G_m变化后的控制点P₁和P₂在周向XY平面上的坐标；变化C₅和C₆的取值，得到后盖板二维翼型骨线G_h变化后的控制点P₁和P₂在周向XY平面上的坐标；步骤4.2、变化Δr_s,Δr_m,Δr_h的取值，以及Δθ_s,Δθ_m,Δθ_h的取值，分别得到前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h变化后的控制点P₀的柱坐标值，根据柱坐标系与平面直角坐标系的转换关系，分别得到前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h变化后的控制点P₀在周向XY平面上的坐标；步骤4.3、变化Δθ_e的取值，分别得到前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h变化后的控制点P₃点的柱坐标值，根据柱坐标系与平面直角坐标系的转换关系，得到前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h变化后的控制点P₃点在周向XY平面上的坐标；步骤4.4、根据变化后的前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h变化后的四个控制点P₀,P₁,P₂,P₃的坐标，构建得到在周向XY平面上的变化后的前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h；步骤5、将步骤4得到变化后的前盖板二维翼型骨线G_S、中间二维翼型骨线G_m以及后盖板二维翼型骨线G_h，按照翼型厚度分布规律进行加厚，分别得到变化后的前盖板二维翼型型线中间二维翼型型线以及后盖板二维翼型型线步骤6、求得步骤5得到的变化后的前盖板二维翼型型线中间二维翼型型线以及后盖板二维翼型型线的多个点的柱坐标，再依据轮三维翼型的轴坐标在轴面投影图上的形成的z＝f(r)函数，分别计算变化后的前盖板二维翼型型线中间二维翼型型线以及后盖板二维翼型型线各点的Z轴坐标，此时，得到变化后的前盖板三维翼型型线、中间三维翼型型线以及后盖板三维翼型型线；步骤7、将步骤6得到的变化后的前盖板三维翼型型线、中间三维翼型型线以及后盖板三维翼型型线，输入到几何造型软件中，形成变化后的叶轮三维形状；步骤8、将步骤7得到的变化后的叶轮三维形状进行单流道网格划分，并进行水利性能测算，将测算得到的性能数据在全三维CFD软件中，生成全三维CFD粘性计算结果作为评价指标进行评价；步骤9、以多目标遗传算法NSGA-II遗传算法为优化工具，选取多组变化参数C₁,C₂,C₃,C₄,C₅,C₆,Δr_s,Δr_m,Δr_h,Δθ_s,Δθ_m,Δθ_h,Δθ_e，并重复步骤4至步骤8，得到对应的多个变化后的叶轮的水利性能参数，以叶轮叶片的效率和叶轮叶片上的最低静压值作为优化目标，对离心泵叶轮参数进行多目标优化设计，选取水利性能最佳的一组叶轮参数作为优化后的叶轮参数。