一種離心泵葉輪的逆向設計方法
2023-07-25 07:22:46 2
專利名稱：一種離心泵葉輪的逆向設計方法
技術領域：
本發明涉及離心泵葉輪的設計技術領域，尤其涉及一種離心泵葉輪的逆向 設計方法。
背景技術：
目前，離心泵葉輪的工程設計方法仍然是釆用傳統的一元理論，半經半理 論的方法。設計出的葉輪性能對設計者設計經驗有很大的依賴性。目前雖然有 一些研究者提出了很多新的方法，但是這些方法仍然存在很大的不足，如葉片 幾何形狀的定義、修改不便，工作量大，設計周期長，設計步驟繁瑣及難以實
現離心葉輪設計的CFD/CAD的緊密結合等。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術中的缺陷而提供一種離心泵葉輪的逆向設 計方法，其根據水力機械在反問題中，通過假定葉輪的軸面形狀一致的情況下， 由給定的設計參數確定葉片的形狀，實現其水力性能的最優，從而有效克服了 背景技術所述存在的一系列問題。
本發明解決其技術問題所釆用的技術方案是所述的一種離心泵葉輪的逆 向設計方法，其根據給定的葉輪軸面，在三維空間上的葉片實際上可以表示為
Z二Z(zO,v),K",i，)^(",v))，在給定葉輪軸面、流線時，(z(i/,v),r(w,v))已經確定，通過
確定葉輪軸面上的^",v)就可確定葉片的空間造型；其特點在於在離心泵葉輪 軸面給定的條件下，把離心泵葉片的幾何設計問題轉化為偏微分方程的邊值問 題來求解，其控制方程如下(^T + "2^T)""("，v) = 0
其中m_—用來控制微分方程的階數，取1、 2;
a—一微分方程的控制係數；
u， v—一二維曲線坐標系的兩個方向的坐標；
6—一葉片表面點的圓周角坐標； 給定上橢圓微分方程的邊界條件，即葉輪前蓋板(1)、後蓋板(2)及葉片 進口邊(4)、葉片出口邊(3)上的圓周角分布，即給定計算域的邊界條件。葉 片的逆向設計問題就是該葉輪軸面計算域內橢圓型微分方程的邊值問題。解該 微分方程即可得到整個葉片上所有離散點的圓周角坐標。在軸面流線已知的情 況下，葉片的三維坐標也就確定了，所以由計算機編程很容易得到葉片的三維 造型。
本發明與背景技術相比，具有的有益的效果是所述的一種離心泵葉輪的 逆向設計方法，克服了傳統設計方法中葉片幾何形狀的定義、修改等諸多的不 便，能夠實現了葉片的參數化設計，克服了傳統方法中用煩瑣的二維木摸圖在 表現三維扭曲葉片時存在的缺陷；能夠將水力機械的水力設計、三維實體造型 及流場的CFD分析三者緊密的結合起來，實現葉片反問題的快速、準確求解。
圖1是本發明的離心葉輪的軸面結構示意圖； 圖2為由本發明方法得到的離心葉輪的三維造型； 圖3為由本發明通過計算機實現自動生成的葉片的木模圖； 圖4為依據本發明方法修改邊界條件後得到的葉片木模圖。 圖中1.葉輪前蓋板，2.葉輪後蓋板，3.葉輪出口邊，4.葉片進口邊。
具體實施例方式
如圖1所示，所述的一種離心泵葉輪的逆向設計方法，其根據給定的葉輪軸面，在三維空間上的葉片實際上可以表示為^^X(z(w,v),Kw,v)"(w,v)),在給定 葉輪軸面流線時，(z("々(",v))已經確定，通過確定葉輪軸面上的e(w,v)就可確
定葉片的空間造型；其特點在於在離心泵葉輪軸面給定的條件下，確實前後 蓋板上的葉片安放角P的分布依據如下公式
formula see original document page 6 其中—一為葉片進出口安放角；
P—一為線性度控制參數，取值範圍為
; Q—一為阻尼係數控制參數，取值範圍
;
S—一軸面流線長；
Sj—一葉片表面離散點的軸面流線長； 由該分布函數即可得到前後蓋板上較好的葉片安放角的分布，由安放角的分
布及葉片流線的微分方程formula see original document page 6積分即可得到葉片前後蓋板上的圓周角 的分布。
如圖4所示，根據現有的設計經驗確定葉片進出口邊上的圓周角e的分布， 一般可以按照進口邊和出口邊在同一軸面上來確定葉片進出口邊上的圓周角坐 標，某些特殊的情況下也可設計出口邊上圓周角線性變化。
最後根據這些邊界條件解以下橢圓型微分方程的邊值問題即可得到葉片上 離散點的三維坐標。formula see original document page 6
其中m — 一用來控制微分方程的階數，取1、 2;a—_微分方程的控制係數；
u， v—一二維曲線坐標系的兩個方向的坐標； 6—一葉片表面點的圓周角坐標。
給定上橢圓微分方程的邊界條件，即葉輪前蓋板1、後蓋板2及葉片進口 邊4、葉片出口邊3上的圓周角分布，即給定計算域的邊界條件。葉片的逆向 設計問題就是該葉輪軸面計算域內橢圓型微分方程的邊值問題。解該微分方程 即可得到整個葉片上所有離散點的圓周角坐標。在軸面流線已知的情況下，葉 片的三維坐標也就確定了，所以由計算機編程很容易得到葉片的三維造型。
如圖2、 3、 4所示，將這些葉片表面離散點進行擬合即可得到葉片的骨面， 然後選擇一種合適葉片加厚方法即可得到葉片的空間三維造型，用等高面去截 扭曲的空間葉片即可得到葉片的木模圖，該木模圖即可用於工程製造葉輪。
權利要求
1、一種離心泵葉輪的逆向設計方法，其根據給定的葉輪軸面，在三維空間上的葉片實際上可以表示為X＝X(z(u，v)，r(u，v)，θ(u，v))，在給定葉輪軸面流線時，(z(u，v)，r(u，v))已經確定，通過確定葉輪軸面上的θ(u，v)就可確定葉片的空間造型；其特徵在於在離心泵葉輪軸面給定的條件下，把離心泵葉片的幾何設計問題轉化為偏微分方程的邊值問題來求解，其控制方程如下其中m——用來控制微分方程的階數，取1、2；a——微分方程的控制係數；u，v——二維曲線坐標系的兩個方向的坐標；θ——葉片表面點的圓周角坐標；給定上橢圓微分方程的邊界條件，即葉輪前蓋板(1)、後蓋板(2)及葉片進口邊(4)、葉片出口邊(3)上的圓周角分布，即給定計算域的邊界條件。葉片的逆向設計問題就是該葉輪軸面計算域內橢圓型微分方程的邊值問題。解該微分方程即可得葉片的三維空間形狀。
2、 根據權利要求1所述的一種離心泵葉輪的逆向設計方法，其特徵還包括所 述的葉輪前後蓋板上的葉片安放角P的分布依據如下關係式^ 啦 其中— 一為葉片進出口安放角；P—一為線性度控制參數，取值範圍為
; Q—一為阻尼係數控制參數，取值範圍
;S—一軸面流線長；Si—一葉片表面離散點的軸面流線長。
3、根據權利要求1或2所述的一種離心泵葉輪的逆向設計方法，其特徵在於 前面的數據得到葉片表面離散點的三維坐標後，對其進行bezier曲面擬合，通過調整邊界條件得到一個最佳的葉片骨面，然後加厚即可得到離心泵葉片的三 維造型。
全文摘要
一種離心泵葉輪的逆向設計方法，其根據給定的葉輪軸面，在三維空間上的葉片實際上可以表示為X＝X(z(u，v)，r(u，v)，θ(u，v))，在給定葉輪軸面流線時，(z(u，v)，r(u，v))已經確定，通過確定葉輪軸面上的θ(u，v)就可確定葉片的空間造型；其特點在於在離心泵葉輪軸面給定的條件下，把離心泵葉片的幾何設計問題轉化為偏微分方程的邊值問題來求解，克服了傳統設計方法中葉片幾何形狀的定義、修改等諸多的不便，能夠實現了葉片的參數化設計，克服了傳統方法中用煩瑣的二維木摸圖在表現三維扭曲葉片時存在的缺陷；能夠將水力機械的水力設計、三維實體造型及流場的CFD分析三者緊密的結合起來，實現葉片反問題的快速、準確求解。
文檔編號F04D29/18GK101520052SQ20081023218
公開日2009年9月2日 申請日期2008年10月28日 優先權日2008年10月28日
發明者張人會, 李仁年, 楊軍虎 申請人:蘭州理工大學