一種雙葉片無堵塞離心葉輪水力設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于離屯、累水力設計方法領域，具體設及一種雙葉片無堵塞離屯、葉輪水力 設計方法，主要用于快速有效的對雙葉片無堵塞離屯、葉輪進行水力設計及優化，在保證顆 粒通過能力前提下，W進一步提升水力模型的效率，實現節能減排的目的。
【背景技術】
[0002] 雙葉片無堵塞離屯、葉輪具有良好的無堵塞性能和較高的效率，其被廣泛地應用于 市政污水處理、工業流程處理等諸多領域。目前市場上的雙葉片無堵塞葉輪的效率普遍較 低，其水力設計方法較為傳統，主要根據經驗對葉片進行繪型，無法快速有效的對葉片的軸 面形狀W及葉片型線的安放角進行控制，同時并沒有采用相關優化算法對葉輪進行優化設 計。目前，針對雙葉片無堵塞離屯、葉輪水力設計方法的研究主要集中在：1)施衛東在其博 ±論文《高效無堵塞累的研究開發及內部流場數值模型》中提出的基于經驗系數法的雙葉 片無堵塞離屯、葉輪設計方法；在此基礎上曹衛東等在其論文《污水累水力設計方法及統計 規律》和朱榮生等在其論文《高效葉片式污水累葉輪的優化設計》中進一步發展了雙葉片 無堵塞離屯、葉輪的經驗系數設計法；該經驗系數法有效地得到葉輪的基本幾何參數，但是 設計人員很難對葉片軸面形狀和葉片安放角進行快速調整，同時也缺少葉輪設計參數最優 化設計的過程；2)在雙葉片無堵塞離屯、葉輪水力優化設計方面，施衛東等在其論文《后掠 式雙葉片污水累優化設計與試驗》中采用了正交試驗法對雙葉片葉輪進行優化設計，該方 法通過設計正交試驗表，對不同參數組合的方案進行試驗，通過對比分析得出較優參數組 合解，W提高水力模型的效率；但該方法仍有一定的局限性，其最后選取的方案不一定是 最優解；3)關于葉片式無堵塞葉輪設計方法公開的專利主要包括"累葉輪"（專利號：CN 98120840. 1)、"一種Ξ流道無堵塞離屯、累葉輪設計方法"（專利號：CN201410146868. 2)、 "一種多葉片無堵塞累葉輪及其設計方法"（專利號：CN201410211176. 1)和"一種雙葉片 沖壓式無堵塞葉輪設計方法"（專利號：CN200910234652. 0)等，W上專利大都給出了無堵 塞葉輪相關幾何參數的計算方法，但是沒有給出葉片軸面和葉片型線安放角的控制方法W 及葉輪優化設計方法。
[0003] 針對上述存在的問題，本專利采用貝塞爾曲線算法對葉片軸面形狀W及葉片型線 安放角分布線進行控制，設計人員通過調整控制點對葉片軸面形狀W及葉片型線進行控 審IJ，進而實現對流道過流面積的控制，W達到穩定葉輪內的流體流動狀態和提升效率的目 的；再則，通過采用NSGAII優化算法對葉輪關鍵幾何參數進行最優化遍歷，W得到效率最 佳的參數組合解。因此，該方法具有重要的學術和工程應用價值。
[0004] 經檢索，至今尚未見關于該方法的文獻和申報專利。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是，已有雙葉片無堵塞離屯、葉輪設計方法存在W下幾 類缺點：1)過分依賴設計人員的經驗W及相關經驗系數的選取；2)無法快速有效的對葉片 軸面形狀及葉片型線安放角進行控制；3)葉輪水力優化設計流程的缺失或具有一定的局 限性。本發明的目的是提供一種雙葉片無堵塞離屯、葉輪水力設計新方法，通過對葉片軸面 形狀和葉片型線安放角的控制W及結合NSGAII遺傳優化算法對雙葉片無堵塞葉輪進行水 力優化設計。
[0006] 為達到上述目的，本發明的技術方案是：
[0007] 一種雙葉片無堵塞離屯、葉輪水力設計方法，其中雙葉片無堵塞離屯、葉輪水力結構 包括前蓋板、葉片和后蓋板；包括如下步驟：1)根據給定的流量、揚程、累效率和轉速值，基 于速度系數法求解雙葉片無堵塞離屯、葉輪水力幾何參數，雙葉片無堵塞離屯、葉輪水力幾何 參數包括：葉輪輪穀直徑Dh、葉輪進口當量直徑Di、葉片進口寬度bi、葉輪出口直徑〇2、葉片 出口寬度bz、葉片進口安放角01、葉片出口安放角0 2、葉片包角Φ、葉片前緣后掠角Θ;2) 基于二次貝塞爾曲線控制算法對葉片軸面形狀進行控制，通過調整葉片前蓋板的軸面投影 線和葉片后蓋板的軸面投影線對葉片的過流面積進行合理控制，W優化葉輪的水力性能； 3)基于四次貝塞爾曲線控制算法對葉片型線安放角進行控制，在葉片型線繪制過程中通過 調整葉片前蓋板型線葉片安放角控制線、葉片中間型線葉片安放角控制線和葉片后蓋板型 線葉片安放角控制線對葉片的型線進行合理控制，W優化葉輪的水力性能，其中葉片中間 型線指的是位于葉片前蓋板和葉片后蓋板中間的葉片型線；4)基于NSGAII遺傳優化算法 對雙葉片離屯、葉輪進行優化設計，通過數值計算的方法或試驗手段對葉輪的關鍵幾何參數 進行優化，其中所述的關鍵幾何參數為：葉輪出口直徑〇2、葉片出口寬度b2、葉片出口安放 角@2,提高雙葉片無堵塞離屯、葉輪的整體性能；5)根據上述步驟1)-4)中所得到的數據 作為雙葉片無堵塞離屯、葉輪的尺寸參數，制作符合給定的流量、揚程、累效率和轉速值的雙 葉片無堵塞離屯、葉輪。
[0008] 所述的步驟1)中基于速度系數法求解雙葉片無堵塞離屯、葉輪水力幾何參數的方 法為：通過給定的流量、揚程、累效率和轉速值，對雙葉片無堵塞離屯、葉輪水力設計參數的 計算方法如下：
[0009] 1. 1葉輪輪穀直徑Dh
[0010] Dh=1.5d (1)
[0014] 其中式中：d為累軸直徑，m;M。為計算扭矩，N·m;τ為材料許用切應力，Pa;P。為 計算軸功率，kW;n為葉輪給定轉速，r/min;P為介質密度，kg/m3;g為重力加速度，N/kg;Q 為給定流量，m3/s;H為給定揚程，m;ηp為給定累效率；
[0015] 1. 2葉輪進口當量直徑化
[0016]
(5)
[0017] 其中式中：Κ。為葉輪進口當量直徑修正系數，推薦值為4.5~5.5 ;Q為給定流量， m3/s;n為葉輪給定轉速，r/min; 陽01引 1.3葉片進口寬度bi
[0024] 其中式中：Κι為葉片進口寬度修正系數，推薦值為2~2. 5;vim為葉片進口絕對速 度軸向分量，m/s;Kmi為葉片進口速度軸向分量修正系數；η,為比轉速；Dim為葉片平均進口 直徑，m;Q為給定流量，m3/s;葉輪進口當量直徑Di，m; 陽0巧]1.4葉輪出口直徑〇2
[00%] 雙葉片葉輪的直徑比一般多葉片葉輪直徑稍大，其計算公式如下：
[0027]
(11) 陽0測其中式中：η,為比轉速；g為重力加速度，N/kg;H為給定揚程，m;n為葉輪給定轉 速，r/min;
[0029] 1.5葉片出口寬度bz
[0030] 對于輸送含有長纖維、大顆粒等雜質的雙葉片離屯、葉輪，其出口寬度應大于多葉 片葉輪，計算公式如下：
[00 川
（12)
[0032] 其中式中：η,為比轉速；g為重力加速度，N/kg;H為給定 陽03；3] 揚程，m;n為葉輪給定轉速，r/min;
[0034] 1.6葉片進口安放角01
[0037] 其中式中：叫為葉片進口圓周速度，m/s;βim為葉片中間流線進口安放角，° ; Vim為葉片進口絕對速度軸向分量，m/s;Dim為葉片平均進口直徑，m;n為葉輪給定轉速，r/ min；
[0038] 對于雙葉片離屯、葉輪，在葉型繪制中，當取Ξ條型線加w控制時，通常將運Ξ條型 線定義為前蓋板型線、中間型線和后蓋板型線；其中葉片中間型線的進口安放角根據公式 (13)求得，對于前蓋板型線的進口安放角0k和后蓋板型線的進口安放角βih通過公式 (15)和（16)求得；
[0039] Pis= 0im-5 (巧）
[0040] βih=βim+5 (16) 陽04U 其中式中：βim為葉片中間流線進日安放角，° ;
[0042] 當選擇更多的型線（即多于Ξ條型線）對葉片加W控制時，則W通常線性插值的 方式求得其他型線的進口安放角； 陽0創 1.7葉片出口安放角02
[0044] 由于雙葉片離屯、葉輪出口寬度bz加大，故葉片出口安放角比多葉片葉輪要小；通 常12° <02<25°時，雙葉片葉輪將取得較優的特性曲線，比轉速較小時，建議葉片出口安 放角取大值；比轉速較大時，建議取小值；
[0045] 1.8葉片包角Φ
[0046] 對于雙葉片葉輪，葉片包角過大會增加葉片的摩擦面積，增加水力損失；而葉片包 角過小時又降低葉片對流體的控制能力和流動的穩定性；因此為了獲得更好的水力性能， 對于雙葉片離屯、葉輪的葉片包角建議取220°~280° ;
[0047] 1. 9葉片前緣后掠角白
[0048] 對于輸送含有長纖維、大顆粒等雜質的雙葉片離屯、葉輪，葉片前緣設計成后掠形 式，便于顆粒和雜質等污水污物向外輸送，葉片前緣后掠角Θ的推薦值為30°~100°。
[0049] 所述的步驟2)中，基于二次貝塞爾曲線控制算法對葉片軸面形狀進行控制的方 法為：對于雙葉片離屯、葉輪，其軸面由葉片前蓋板軸面投影線、葉片中間截面軸面投影線、 葉片后蓋板軸面投影線、葉片出口邊軸面投影線和葉片進口邊軸面投影線組成；對于葉片 前蓋板軸面投影線和葉片后蓋板軸面投影線采用二次貝塞爾曲線進行控制，二次貝塞爾曲 線的函數見公式（17);其中葉片前蓋板軸面投影線的貝塞爾曲線由給定點Pk、P3.和PjJ口 W控制，其中給定點Pis、P3s和Pss是根據葉片軸面計算幾何參數值1，〇2,airoudZz)進行確 定，同時采用中介點P2S和P4S對貝塞爾曲線方程的t值加W控制，其中中介點P2S和P4S由 t值進行確定；葉片后蓋板軸面投影線的貝塞爾曲線由給定點Pih、P3h和P5加W控制，其中 給定點Pih、Psh和P5h是根據葉片軸面計算幾何參數（山D2,化roudZz,bz)進行確定，同時采 用中介點P2h和P4h對貝塞爾曲線方程的t值加W控制，其中中介點P2h和P4h由t值進行確 定；葉片中間截面軸面投影線基于中間線性插值算法根