基于流固耦合计算的离心泵叶轮水力及结构设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及到旋转机械水力及结构设计领域，尤其设及一种基于流固禪合计算的 离屯、累叶轮水力及结构设计方法。
【背景技术】
[0002] 离屯、累广泛应用于农业灌概、石化运输、水利发电等领域，尤其是应用于输送高压 流体介质的核电站、海水淡化等特殊行业中。在实际运行过程中，由于外界干扰、液体不稳 动流动，累不可避免地产生振动，进而影响累的运行寿命及运行安全。在离屯、累内部流动研 究内容之一是流体和结构之间存在流固禪合作用现象，即流体的运动使得叶轮结构产生一 定的变形，进而影响叶轮流道形状，影响流体的流动。因此，有必要地开展结合流动禪合作 用的离屯、累叶轮设计方法研究。
[0003] 目前在离屯、累叶轮水力及结构设计过程中，主要是采用半理论半经验相结合地对 叶轮的水力几何参数和结构参数进行计算，并对结构的机械强度进行校核，往往只有经验 丰富的累设计者才能选择合适的计算公式与相应的系数，最终实现产品的投入生产。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于流固禪合计算的离屯、累叶轮及结构设计方法，得 到最佳组合的水力几何参数和结构参数，从而达到设计工况高效可靠安全的设计要求。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于流固禪合计算的离屯、累叶 轮水力及结构设计方法，包括W下步骤：
[0006] 步骤一：根据离屯、累设计工况的性能参数，对离屯、累叶轮的水力几何参数和结构 几何参数进行初始计算；
[0007] 步骤二：对离屯、累叶轮的水力几何参数和结构几何参数采用正交试验表进行正交 试验多方案设计，对多方案采用流固禪合计算得到累扬程、效率和叶轮最大应力值，分析水 力几何参数和结构几何参数对水力性能和结构性能影响程度，得到影响离屯、累叶轮水力及 结构的重要的叶轮几何参数；
[0008] 步骤=，根据步骤二得到的影响离屯、累叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数， 采用拉下超立方试验设计方法进行多方案设计，采用流固禪合计算各个方案的累扬程、效 率和叶轮最大应力值；
[0009] 步骤四：建立计算得到的累效率n、叶轮最大应力值O与影响离屯、累叶轮水力及 结构的重要的叶轮几何参数建立二次响应面模型，其中约束条件设为在设计工况下计算扬 程不小于设计扬程：
阳012] 式中a。，a。和aU均匀系数，由最小二乘法求得，X1和Xj为步骤二中较主要的叶轮 几何参数，k表示较主要叶轮几何参数的个数；
[0013] 并采用多目标遗传算法求解响应模型的最小值，从而得到满足设计要求的最优叶 轮几何参数组合。
[0014] 步骤五：根据最优叶轮几何参数进行=维造型，并进行流固禪合计算，看能否达到 设计要求，若达到设计要求，可进行试验验证，若没有达到，重复步骤二至步骤四。
[0015] 上述方案中，步骤一中所述水力几何参数包括叶轮进口直径Dj,叶轮出口直径〇2， 叶片出口宽度b2,叶片厚度Si,叶片包角W所述结构几何参数包括叶轮轮穀直径Dh,叶轮前 口环直径化，叶轮后口环直径〇4,前盖板厚度S2,后盖板厚度S3。
[0016] 上述方案中，步骤二中所述影响离屯、累叶轮水力及结构的重要的叶轮几何参数包 括叶轮出口直径〇2,叶片厚度Si,叶片包角0，叶轮轮穀直径Dh,前盖板厚度S2,后盖板厚度 S30
[0017] 上述方案中，步骤二中的所述流固禪合计算方法主要是用PCAD软件对叶轮水体 计算域进行快速造型，利用化eoParametric软件对叶轮结构域进行S维造型，利用CFX软 件对离屯、累叶轮进行流固禪合计算求解，得到离屯、累水力性能和结构应力分布。
[0018] 上述方案中，所述流固禪合计算方法可W选择单向或者双向进行计算。
[0019] 本发明的有益效果：（1)采用试验设计方法对离屯、累叶轮进行多方案设计，W计 算扬程为约束目标，建立累效率与叶轮最大应力值和叶轮主要几何参数之间的二次响应面 模型；采用多目标遗传算法对二次响应面数学模型进行极值寻优，最终得到满足设计要求 的叶轮几何参数，提高了离屯、累叶轮设计的准确性，并能对叶轮的实际重量提供一定的参 考价值。（2)根据基于流固禪合计算的离屯、累叶轮水力及结构设计方法，同时也适用于混流 累和轴流累叶轮的设计中，为旋转机械的高效可靠设计提供技术支持。
【附图说明】
[0020] 图1为基于流固禪合计算的离屯、累叶轮水力及结构设计方法的流程图。
[0021] 图2为叶轮零件图。
[0022] 图3为叶轮叶片示意图。 阳02引图中：1.叶轮轮穀直径Dh，2.叶轮进口直径Dj，3.叶轮前口环直径03,4.前盖板 厚度S2, 5.叶片出口宽度bz，6.后盖板厚度S3, 7.叶轮出口直径〇2,8.叶轮后口环直径D" 9.叶片厚度Si, 10叶片包角跨。
【具体实施方式】
[0024] 本发明的目的在于提供一种基于流固禪合计算的离屯、累叶轮水力及结构设计方 法，采用正交试验设计方法和最优拉下超立方试验设计方法对叶轮进行多方案设计，采用 二次响应面模型对优化目标和叶轮几何参数进行寻优，从而得到满足高效可靠性能的最优 叶轮几何参数，提高了离屯、累叶轮设计的准确性。
[0025] 根据图1提供的设计流程，依据累叶轮经验设计公式计算出叶轮水力几何参数和 结构几何参数，具体位置如图2和图3所示。采用正交试验设计方法对叶轮几何参数进行 多方案设计，采用=维建模、网格划分和数值模拟得到各个方案累扬程、效率和叶轮最大应 力值。采用极差分方法得到影响累效率和叶轮最大应力值的影响程度，选取影响累效率和 叶轮最大应力值的主要几何参数，采用最优拉下超立方试验设计方法进行多方案设计，同 样采用=维建模、网格划分和数值模拟得到各个方案累效率和叶轮最大应力值。采用二次 响应面模型建立累效率和叶轮最大应力值与叶轮主要几何参数之间的数学模型。运用多目 标优化算法对累效率和叶轮最大应力值进行极值寻优。最终得到满足高效可靠的最优匹配 几何参数。再对最优匹配几何参数对叶轮进行重新=维造型、网格划分和数值计算，如果达 到性能要求，则优化结束，如果达不到性能要求，否则返回到对叶轮几何参数重新进行多方 案设计。
[00%] 下面W本发明提供的基于单向流固禪合计算的离屯、累叶轮水力及结构设计方法， 列举两个具体实施例，选定具体设计参数，对本发明作进一步的说明。 阳〇27] 实施例1
[0028] 步骤一：根据高压增压离屯、累设计工况的性能参数，对叶轮几何参数（包括水力 几何参数和结构几何参数）进行初始计算。
[0029] 本实施例中设定离屯、累的流量Q= 330m3/h，扬程H= 48m，转速n= 2900;r/min， 根据《现代累理论与设计》（关醒凡.《现代累理论与设计[M].中国宇航出版社，2011)对 离屯、累进行了初始设计，并计算得到叶轮和导叶的初始几何参数，分别为：叶轮进口直径D， =135mm，叶轮出口直径〇2二225mm，叶片出口宽度b2= 33mm，叶片厚度S1= 6mm，叶片包 角P=II5。，叶轮轮穀直径Dh= 54mm，叶轮口环直径D3= 158mm，叶轮后口环直径D4= 80mm， 自IJ盖板厚度§2= 9mm,后盖板厚度S3二7rnrn。义用数值板拟得到罔心累的扬程H= 50. 5m, 效率n=80. 3%，叶轮最大应力O=29. 6MPa。
[0030] 步骤二：对离屯、累叶轮的主要水力几何参数（叶轮进口直径Dj,叶轮出口直径〇2， 叶片出口宽度bz，叶片厚度Si,叶片包角f)和结构几何参数（叶轮轮穀直径Dh,叶轮口环直 径化，前盖板厚度S2,后盖板厚度S3)采用正交试验表进行正交试验多方案设计，对多方案 采用双向流固禪合计算得到累扬程、效率和叶轮最大应力值，分析主要水力几何参数和结 构几何参数对效率和叶轮最大应力的影响程度，得到影响离屯、累效率和叶轮最大应力的较 重要的水力几何参数（叶轮出口直径〇2,叶片厚度Si,叶片包角與）和结构几何参数（叶轮 轮穀直径Dh,前盖板厚度S2,后盖板厚度S3)。
[0031] 步骤=，根据步骤二中得