离心泵叶轮入口安放角确定方法及系统

本发明涉及离心泵设计领域，特别是涉及一种离心泵叶轮入口安放角确定方法及系统。

背景技术：

在离心泵叶轮之前安装诱导轮是改善离心泵汽蚀性能的主要措施之一，诱导轮具有一定的做功能力，其通过提高叶轮吸入口液体压强的方式，能避免在离心泵叶轮内发生气蚀，从而确保泵机组稳定运行。但是，目前缺少诱导轮和离心泵叶轮之间的协同匹配设计解决方案，使得在叶轮前安装诱导轮这一措施，存在如下问题：由于离心泵叶轮入口安放角由叶轮入口流场结构决定，流体经前置诱导轮之后，具有一定的环量，该环量会重置叶轮入口流场结构，导致叶轮入口液流角较大范围偏离叶轮入口安放角，从而增大叶轮入口冲角，而入口冲角增大进而又会增大入口处冲击损失，降低离心泵的效率。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种离心泵叶轮入口安放角确定方法及系统，由诱导轮出口流场结构确定离心泵叶轮入口安放角，使得诱导轮和离心泵叶轮之间协同匹配，从而提高离心泵的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种离心泵叶轮入口安放角确定方法，包括：

构建诱导轮网格模型；

在所述诱导轮网格模型的出口面上确定至少三个圆线；

采用流场计算方法计算所述圆线的诱导轮出口液流角；

基于所述诱导轮出口液流角计算离心泵叶轮入口安放角。

可选的，所述构建诱导轮网格模型，具体包括：

构建变螺距诱导轮三维模型；

对所述变螺距诱导轮三维模型的诱导轮流体域进行三维几何建模，得到流体域几何模型；

对所述流体域几何模型进行网格划分，得到所述诱导轮网格模型。

可选的，所述在所述诱导轮网格模型的出口面上确定至少三个圆线，具体包括：

在所述诱导轮网格模型的出口面上确定第一圆线、第二圆线和第三圆线；所述第一圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮毂第一设定距离的流线；所述第二圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面中间的流线；第三圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮缘第二设定距离的流线。

可选的，所述采用流场计算方法计算所述圆线的诱导轮出口液流角，具体包括：

设置边界条件；

在所述圆线上选取设定数量的点；

基于所述边界条件，采用流场计算方法计算各点的圆周方向分速度和轴向速度；

由所述圆周方向分速度和所述轴向速度计算对应点的出口液流角；

计算所述圆线上所有点的出口液流角的均值，得到所述诱导轮出口液流角。

可选的，所述基于所述诱导轮出口液流角计算离心泵叶轮入口安放角，具体包括：

由所述诱导轮出口液流角和冲角，计算所述离心泵叶轮入口安放角。

本发明还提供了一种离心泵叶轮入口安放角确定系统，包括：

模型构建模块，用于构建诱导轮网格模型；

圆线确定模块，用于在所述诱导轮网格模型的出口面上确定至少三个圆线；

液流角计算模块，用于采用流场计算方法计算所述圆线的诱导轮出口液流角；

安放角计算模块，用于基于所述诱导轮出口液流角计算离心泵叶轮入口安放角。

可选的，所述模型构建模块，具体包括：

第一构建单元，用于构建变螺距诱导轮三维模型；

第二构建单元，用于对所述变螺距诱导轮三维模型的诱导轮流体域进行三维几何建模，得到流体域几何模型；

划分单元，用于对所述流体域几何模型进行网格划分，得到所述诱导轮网格模型。

可选的，所述圆线确定模块，具体包括：

圆线确定单元，用于在所述诱导轮网格模型的出口面上确定第一圆线、第二圆线和第三圆线；所述第一圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮毂第一设定距离的流线；所述第二圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面中间的流线；第三圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮缘第二设定距离的流线。

可选的，所述液流角计算模块，具体包括：

边界条件设置单元，用于设置边界条件；

选取单元，用于在所述圆线上选取设定数量的点；

第一计算单元，用于基于所述边界条件，采用流场计算方法计算各点的圆周方向分速度和轴向速度；

第二计算单元，用于由所述圆周方向分速度和所述轴向速度计算对应点的出口液流角；

第三计算单元，用于计算所述圆线上所有点的出口液流角的均值，得到所述诱导轮出口液流角。

可选的，所述安放角计算模块，具体包括：

安放角计算单元，用于由所述诱导轮出口液流角和冲角，计算所述离心泵叶轮入口安放角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实施例提出了一种离心泵叶轮入口安放角确定方法及系统，通过计算诱导轮网格模型的出口面上圆线的诱导轮出口液流角，从而由诱导轮出口液流角计算离心泵叶轮入口安放角。由诱导轮出口流场结构对离心泵叶轮入口进行设置，使得诱导轮和离心泵叶轮之间协同匹配，从而提高离心泵的效率。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为在离心泵叶轮之前安置诱导轮的泵结构示意图；

图2为本发明实施例提供的离心泵叶轮入口安放角确定方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的变螺距诱导轮三维模型示意图；

图4为本发明实施例提供的流体域几何模型示意图；

图5为本发明实施例提供的诱导轮网格模型示意图；

图6为本发明实施例提供的三个圆线位置示意图；

图7为本发明实施例提供的三个圆线的出口液流角的角度分布图；

图8为本发明实施例提供的离心泵叶轮入口安放角确定系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，在离心泵叶轮1之前安置诱导轮2能改善离心泵的汽蚀性能。然而，汽蚀性能的提高一般以牺牲离心泵装置的部分效率为代价，一方面汽蚀发生在诱导轮流道内，水力损失增加，另一方面诱导轮采用低轮毂比大包角轴流式结构，该结构诱导轮本身效率较低，两者是保证汽蚀性能而牺牲效率的主要原因。

诱导轮广泛应用航空领域，飞机的高空性能是其一项重要性能指标，解决离心泵高空汽蚀性能是解决高空性能的重要途径，目前航空燃油泵的高空状态下的汽蚀性能和效率是制约航空技术进一步发展的重要因素。高汽蚀性能高效率是未来相关工业泵产品发展的方向。

离心泵叶轮前安装诱导轮，同时也会引起以下的问题：

1)增大叶轮入口冲角，而入口冲角增大进而又会增大入口处冲击损失，降低离心泵的效率；

2)诱导轮内发生明显汽蚀现象，内部流场结构复杂紊乱，其本身效率较低且难以估算，加之诱导轮叶片数较少，控制流体运动方向能力有限，导致诱导轮出口液流角偏离诱导轮出口安放角、诱导轮出口速度三角形较理论设计值存在较大偏差，故从理论设计上难以准确计算诱导轮出口(离心泵叶轮入口)速度三角形。

离心泵叶轮入口冲击损失的增加，不但会降低泵效率，而且会影响泵的汽蚀性能。目前，业内一般是在离心泵叶轮已存在且不能满足汽蚀要求的情况下，选择加装前置诱导轮，诱导轮和叶轮之间缺少协同、匹配设计。将诱导轮与主泵叶轮之进行合理地协同设计，不但可以提高泵效率，还可以适当提高泵的汽蚀性能，对于高汽蚀性能高效泵的开发具有较大意义。然而，由以上第2)点可知，由于诱导轮内部流动的复杂性，从理论上难以预测诱导轮出口流场结构，所以单单从理论设计上而言，难以准确实现诱导轮和叶轮的协同设计。

数值仿真技术随着计算机科学的发展，在工业领域得到了广泛的应用，鉴于理论设计无法准确获得诱导轮出口速度三角形，可以采用数值仿真的方法获得诱导轮出口流场结构，进而基于此确定叶轮进口设置情况，实现诱导轮和叶轮的协同设计。

本发明实施例提供的离心泵叶轮入口安放角确定方法，以流量为360m3/h，转速为2950rpm，必需汽蚀余量小于或等于3.2m的诱导轮设计，叶轮进口直径为176mm，轮毂直径为65mm为例。

图2为本发明实施例提供的离心泵叶轮入口安放角确定方法的流程图。

参见图2，本实施例提供的离心泵叶轮入口安放角确定方法，包括：

步骤101：构建诱导轮网格模型。

所述步骤101，具体包括：

构建变螺距诱导轮三维模型；对所述变螺距诱导轮三维模型的诱导轮流体域进行三维几何建模，得到流体域几何模型；对所述流体域几何模型进行网格划分，得到所述诱导轮网格模型。

在实际应用中，诱导轮网格模型的构建流程如下：采用传统变螺距诱导轮设计方法设计诱导轮，得到变螺距诱导轮三维模型，如图3所示；然后对变螺距诱导轮三维模型的诱导轮流体域进行三维几何建模，得到流体域几何模型，如图4所示；采用icem软件对流体域几何模型进行四面体网格划分，得到诱导轮网格模型，如图5所示；再设置边界条件，采用rngk-ε湍流模型对诱导轮计算域进行汽蚀数值仿真计算，边界条件具体设置见表1。

表1边界条件设置

步骤102：在所述诱导轮网格模型的出口面上确定至少三个圆线。具体的，在所述诱导轮网格模型的诱导轮出口位置以泵轴线上的点为圆心取至少三个不同半径的圆线。

本实施例以三个圆线为例，如图6所示，在所述诱导轮网格模型的出口面上确定第一圆线a、第二圆线b和第三圆线c；所述第一圆线a为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮毂第一设定距离的流线；所述第二圆线b为位于所述诱导轮网格模型的出口面中间的流线；第三圆线c为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮缘第二设定距离的流线。

第一圆线a的位置半径为ra，第二圆线b的位置半径为rb，第三圆线c的位置半径为rc，ra＝0.9(r2-rh)+rh；rb＝0.5(r2-rh)+rh；rc＝0.1(r2-rh)+rh。其中，r2为诱导轮出口外缘半径，此处取离心泵叶轮入口半径88mm；rh为诱导轮出口轮毂半径，此处取离心泵叶轮入口轮毂半径32.5mm。

步骤103：采用流场计算方法计算所述圆线的诱导轮出口液流角。

所述步骤103，具体包括：

1)在所述圆线上选取设定数量的点；基于所述边界条件，采用流场计算方法计算各点的圆周方向分速度和轴向速度；由所述圆周方向分速度和所述轴向速度计算对应点的出口液流角。

具体的，在第一圆线a、第二圆线b和第三圆线c上各选取200个点，通过流场计算结果读取第i个点位置的圆周方向分速度及轴向速度并求得第i个点位置的出口液流角其中：

u2为诱导轮出口相应位置圆周速度，三个圆线的出口液流角的角度分布图如图7所示。

由图7可知，由于诱导轮叶片有限，流体不可能严格按照叶片骨线方向流动，所以流体液流角与诱导轮出口安放角存在一定偏差，另诱导轮内的汽蚀现象使得诱导轮内部流场结构变得复杂且难以预测，所以出口液流角与出口安放角偏差更大，轮缘及中间流线位置处基本以360/z(z为叶片数)为周期分布，轮毂位置流动场结构紊乱，非定常特性尤为明显。

2)计算所述圆线上所有点的出口液流角的均值，得到所述诱导轮出口液流角。本实施例分别得到三个圆线上所有点的出口液流角的均值，即得到第一圆线对应的诱导轮出口液流角、第二圆线对应的诱导轮出口液流角和第三圆线对应的诱导轮出口液流角。

具体的，分别对不同圆线所在圆柱面的所有进行关于相应周长的加权平均计算，由于各圆线上200点为均匀取点，因此将各个点位置的求和再除以200即可，得出各个圆线上所有点的出口液流角的均值，计算公式为：

为圆线上所有点的出口液流角的均值。

其中，第一圆线上所有点的出口液流角的均值，即第一圆线对应的诱导轮出口液流角的计算公式为：(理论设计值18.7°)。

第二圆线上所有点的出口液流角的均值，即第二圆线对应的诱导轮出口液流角的计算公式为(理论设计值22.4°)。

第三圆线上所有点的出口液流角的均值，即第三圆线对应的诱导轮出口液流角的计算公式为(理论设计值37.1°)。

步骤104：基于所述诱导轮出口液流角计算离心泵叶轮入口安放角。具体的，由所述诱导轮出口液流角和冲角，计算所述离心泵叶轮入口安放角。

在实际应用中，具体计算过程为：

确定叶轮在ra、rb及rc半径位置的离心泵叶轮入口安放角β3a、β3b及β3c，其中，

β3a＝β3a′+α；

β3b＝β3b′+α；

β3c＝β3c+α；

β3a′、β3b′及β3c′分别为离心泵叶轮入口半径为ra、rb及rc位置处对应液流角，α为冲角，α根据经验选取，其范围为(3-12度)，而离心泵叶轮入口液流角与诱导轮出口液流角相等，即：

进而得出：

β3a、β3b及β3c分别为离心泵叶轮入口半径为ra、rb及rc位置处的离心泵叶轮入口安放角。

根据以上计算结果便可确定离心泵入口相应位置入口安放角，从而实现诱导轮和离心泵的协同匹配设计。

本实施例提供的离心泵叶轮入口安放角确定方法，解决了现有技术中诱导轮重置流场结构，离心泵入口冲角增大，效率降低，而传统设计方法又不能准确确定诱导轮出口液流角，进而导致无法准确确定离心泵入口速度三角形导致机组效率无法有效提高的技术问题。

本发明还提供了一种离心泵叶轮入口安放角确定系统，图8为本发明实施例提供的离心泵叶轮入口安放角确定系统的结构图。

参见图8，本实施例的离心泵叶轮入口安放角确定系统，包括：

模型构建模块201，用于构建诱导轮网格模型。

圆线确定模块202，用于在所述诱导轮网格模型的出口面上确定至少三个圆线。

液流角计算模块203，用于采用流场计算方法计算所述圆线的诱导轮出口液流角。

安放角计算模块204，用于基于所述诱导轮出口液流角计算离心泵叶轮入口安放角。

作为一种可选的实施方式，所述模型构建模块201，具体包括：

第一构建单元，用于构建变螺距诱导轮三维模型。

第二构建单元，用于对所述变螺距诱导轮三维模型的诱导轮流体域进行三维几何建模，得到流体域几何模型。

划分单元，用于对所述流体域几何模型进行网格划分，得到所述诱导轮网格模型。

作为一种可选的实施方式，所述圆线确定模块202，具体包括：

圆线确定单元，用于在所述诱导轮网格模型的出口面上确定第一圆线、第二圆线和第三圆线；所述第一圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮毂第一设定距离的流线；所述第二圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面中间的流线；第三圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮缘第二设定距离的流线。

作为一种可选的实施方式，所述液流角计算模块203，具体包括：

边界条件设置单元，用于设置边界条件。

选取单元，用于在所述圆线上选取设定数量的点。

第一计算单元，用于基于所述边界条件，采用流场计算方法计算各点的圆周方向分速度和轴向速度。

第二计算单元，用于由所述圆周方向分速度和所述轴向速度计算对应点的出口液流角。

第三计算单元，用于计算所述圆线上所有点的出口液流角的均值，得到所述诱导轮出口液流角。

作为一种可选的实施方式，所述安放角计算模块204，具体包括：

安放角计算单元，用于由所述诱导轮出口液流角和冲角，计算所述离心泵叶轮入口安放角。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种离心泵叶轮入口安放角确定方法，其特征在于，包括：

构建诱导轮网格模型；

在所述诱导轮网格模型的出口面上确定至少三个圆线；

采用流场计算方法计算所述圆线的诱导轮出口液流角；

基于所述诱导轮出口液流角计算离心泵叶轮入口安放角。

2.根据权利要求1所述的一种离心泵叶轮入口安放角确定方法，其特征在于，所述构建诱导轮网格模型，具体包括：

构建变螺距诱导轮三维模型；

对所述变螺距诱导轮三维模型的诱导轮流体域进行三维几何建模，得到流体域几何模型；

对所述流体域几何模型进行网格划分，得到所述诱导轮网格模型。

3.根据权利要求1所述的一种离心泵叶轮入口安放角确定方法，其特征在于，所述在所述诱导轮网格模型的出口面上确定至少三个圆线，具体包括：

在所述诱导轮网格模型的出口面上确定第一圆线、第二圆线和第三圆线；所述第一圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮毂第一设定距离的流线；所述第二圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面中间的流线；第三圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮缘第二设定距离的流线。

4.根据权利要求1所述的一种离心泵叶轮入口安放角确定方法，其特征在于，所述采用流场计算方法计算所述圆线的诱导轮出口液流角，具体包括：

设置边界条件；

在所述圆线上选取设定数量的点；

基于所述边界条件，采用流场计算方法计算各点的圆周方向分速度和轴向速度；

由所述圆周方向分速度和所述轴向速度计算对应点的出口液流角；

计算所述圆线上所有点的出口液流角的均值，得到所述诱导轮出口液流角。

5.根据权利要求1所述的一种离心泵叶轮入口安放角确定方法，其特征在于，所述基于所述诱导轮出口液流角计算离心泵叶轮入口安放角，具体包括：

由所述诱导轮出口液流角和冲角，计算所述离心泵叶轮入口安放角。

6.一种离心泵叶轮入口安放角确定系统，其特征在于，包括：

模型构建模块，用于构建诱导轮网格模型；

圆线确定模块，用于在所述诱导轮网格模型的出口面上确定至少三个圆线；

液流角计算模块，用于采用流场计算方法计算所述圆线的诱导轮出口液流角；

安放角计算模块，用于基于所述诱导轮出口液流角计算离心泵叶轮入口安放角。

7.根据权利要求6所述的一种离心泵叶轮入口安放角确定系统，其特征在于，所述模型构建模块，具体包括：

第一构建单元，用于构建变螺距诱导轮三维模型；

第二构建单元，用于对所述变螺距诱导轮三维模型的诱导轮流体域进行三维几何建模，得到流体域几何模型；

划分单元，用于对所述流体域几何模型进行网格划分，得到所述诱导轮网格模型。

8.根据权利要求6所述的一种离心泵叶轮入口安放角确定系统，其特征在于，所述圆线确定模块，具体包括：

圆线确定单元，用于在所述诱导轮网格模型的出口面上确定第一圆线、第二圆线和第三圆线；所述第一圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮毂第一设定距离的流线；所述第二圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面中间的流线；第三圆线为位于所述诱导轮网格模型的出口面且距离轮缘第二设定距离的流线。

9.根据权利要求6所述的一种离心泵叶轮入口安放角确定系统，其特征在于，所述液流角计算模块，具体包括：

边界条件设置单元，用于设置边界条件；

选取单元，用于在所述圆线上选取设定数量的点；

第一计算单元，用于基于所述边界条件，采用流场计算方法计算各点的圆周方向分速度和轴向速度；

第二计算单元，用于由所述圆周方向分速度和所述轴向速度计算对应点的出口液流角；

第三计算单元，用于计算所述圆线上所有点的出口液流角的均值，得到所述诱导轮出口液流角。

10.根据权利要求6所述的一种离心泵叶轮入口安放角确定系统，其特征在于，所述安放角计算模块，具体包括：

安放角计算单元，用于由所述诱导轮出口液流角和冲角，计算所述离心泵叶轮入口安放角。

技术总结

本发明公开了一种离心泵叶轮入口安放角确定方法及系统。所述方法包括：构建诱导轮网格模型；在诱导轮网格模型的出口面上确定至少三个圆线；采用流场计算方法计算圆线的诱导轮出口液流角；基于诱导轮出口液流角计算离心泵叶轮入口安放角。本发明使得诱导轮和离心泵叶轮之间协同匹配，从而提高离心泵的效率。

技术研发人员：郭艳磊;杨从新;王岩;吕天智

受保护的技术使用者：兰州理工大学

技术研发日：2021.06.17

技术公布日：2021.08.10