一种双叶片离心叶轮自寻优设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109858078A(43)申请公布日2019.06.07(21)申请号201811581608.2(22)申请日2018.12.24(71)申请人浙江工业大学地址310014浙江省杭州市下城区朝晖六区潮王路18号(72)发明人吴登昊任芸戴云祝之兵谷云庆周佩剑徐茂森(74)专利代理机构杭州斯可睿专利事务所有限公司33241代理人王利强(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)G06N3/12(2006.01)F04D29/22(2006.01)F04D29/24(2006.01)权利要求书6页说明书13页附图3页(54)发明名称一种双叶片离心叶轮自寻优设计方法(57)摘要一种双叶片离心叶轮自寻优设计方法，包括以下步骤：1.定义设计输入条件，包括叶片设计参数和叶片初始轴面形状；2.建立叶片平均环量分布函数；3.假定叶片无限薄，对叶片进行网格划分；4.基于不可穿透条件，通过数值迭代计算不断修正叶片形状；5.定义叶片优化目标函数；6.基于设计目标函数和NSGAII遗传优化算法对双叶片离心叶轮进行优化设计，得到最优叶轮模型。本发明利用自寻优反向设计方法能够快速地获取所需的叶轮几何模型，同时改善了离心叶轮的运行效率和运行稳定性。CN109858078ACN109858078A权利要求书1/6页1.一种双叶片离心叶轮自寻优设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1.定义设计输入条件，包括叶片设计参数和叶片初始轴面形状首先需要定义叶片设计的基本输入条件，包括设计流量Q、设计扬程H、设计转速Ω、叶片数Z、叶片厚度δ、叶片尾缘交错角θTE；其次基于给定的设计变量建立叶片轴面形状；叶片轴面形状为叶片自寻优反向设计方法的初始输入条件，分别采用叶片前缘前盖板处直径D1，叶片前缘中间流面处直径D1m，叶片前缘后盖板处直径D1h，叶片轮毂直径Shaftd，叶片前缘前盖板处离原点的距离ShroudZ1，叶片尾翼前盖板处离原点的距离ShroudZ2，叶片前缘轴向距离Z1，叶片进口宽度b1，叶片出口宽度b2，叶片外径D2，叶片前盖板处弯曲半径Rs，叶片后盖板处弯曲半径Rh，叶片前盖板型线出口角度θ1和叶片后盖板型线出口角度θ2对叶片轴面形状进行参数化表征，通过对上述控制变量进行赋值建立叶片轴面形状；步骤2.建立叶片平均环量分布函数，对叶片轴面形状进行单位化叶片的平均环量分布是关于轴面坐标r，z的函数，采用m，s来表示轴面上个点的坐标，其中m为叶片进口边到出口边的单位化长度，m＝0对应叶片的进口边，m＝1对应叶片的出口边，s为叶片后盖板到前盖板周向的单位化长度，s＝0对应叶片后盖板，s＝1对应叶片前盖板；叶片的平均环量代表叶片同一半径上压力面与吸力面之间的能量差；其推导过程如下，假设叶片同一半径上压力面与吸力面的势差为Δφ，它与平均环量的关系如下：其中，φss为叶片吸力面的势能；φps为叶片压力面的势能；r为叶片径向半径；θ为叶片周向角度；ds＝rdθ；vθ为叶片绝对速度圆周分量；假设叶片厚度无穷小并趋向0，则θss-θps＝2π/Z，Z为叶片数；为了建立叶片平均环量分布函数，假设叶轮进口流动没有预旋，即则：基于动量守恒定律，扬程的表达为：其中，u(1,s)和u(0,s)分别表示叶片进口边和出口边的圆周速度；H为理论扬程；同时，根据伯努利方程，叶片吸力面与压力面之间的压差Δp＝pps-pss表述如下，其中假设叶片厚度为0，则ups＝uss；其中，为叶片压力面和吸力面上相对速度的平均值；叶片进口边和出口边在周向上的势差Δφ为一常量，如公式(2)和(4)所示；因此，在叶片的进出口边满足同时，根据不可穿透条件规定的wn,ss＝wn,ps＝0，则叶片的进口边(m＝0)和出口边(m＝1)满足以下等式：2CN109858078A权利要求书2/6页其中，Δp(0,s)为叶片进口边压差；Δp(1,s)为叶片出口边压差；l为叶片表面切向方法，即将其映射到轴面上对应于m方向；叶片的安放角如公式(8)所示；其中，wm为叶片相对速度径向分量；wl为叶片相对速度切向分量；将公式(1)和(8)带入公式(6)和(7)中得到：根据Kutta条件和叶片进口无冲击条件，在叶片的进、出口边满足pss＝pps，则得到：其中，上述推导结果作为平均环量分布的附加约束，公式(11)为叶片进口无冲击条件；公式(12)为自寻优设计的Kutta条件；综述所述，为了获得叶轮的预期设计性能，其平均环量分布的函数定义如下：其中无量纲函数f(m,s)需要满足以下约束条件：1)叶片进口边没有预旋：f(0,s)＝0；2)出口边的总压为目标设计压力：f(1,s)＝1；3)叶片进口边为零冲角：4)叶片出口边满足库塔(Kutta)