CN103939389A - 一种导叶式离心泵多工况水力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导叶式离心泵多工况水力设计方法，主要包括以下几步：对导叶式离心泵的设计工况进行比转数求解，选取比转数属于中比转数的设计工况进行设计；采用试验设计方法对叶轮和导叶进行多方案设计并采用CFturbo造型；对模型进行网格划分并采用CFX对方案进行数值模拟，读取扬程和效率值，并对扬程与流量之间进行函数拟合；对设计参数点的扬程与流量之间进行函数拟合，以拟合函数的系数为设计目标，以输入的主要几何参数为输入值，采用Kriging模型建立近似响应模型，结合多目标遗传算法对近似响应模型进行快速计算，得到最优值。本发明能快速地完成对导叶式离心泵多工况水力设计要求，也可以应用到其他导叶式离心泵的多工况水力设计中。

Description

一种导叶式离心泵多工况水力设计方法

技术领域

本发明涉及到旋转机械多工况运行设计领域，尤其是一种导叶式离心泵多工况水力设计方法。

背景技术

导叶式离心泵的离心泵水力部件由叶轮、导叶和蜗壳组成，其广泛应用对工农业以及目前受到高度重视的核电事业的快速发展起到了重要作用。导叶式离心泵往往会在偏离设计点下进行运行，这样大大降低了导叶式离心泵的效率及使用寿命，尤其是核电用泵。目前泵的设计主要是对单一设计工况(工况就是泵在一个设定的流量下工作运行，达到需要的扬程和效率)进行设计，而未考虑偏设计工况的情况。导致离心泵在其他设计工况运行时，效率低，产生巨大的振动与噪声，影响泵的运行寿命。

现在对多工况设计方法主要有：基于设计经验，建立离心泵不同工况下的各损失系数与比转数和流量之间的函数关系，以单点设计的参数为初始值，多个工况下的扬程为工率为约束条件，多个工况下的效率最大作为目标，采用多目标优化算法进行寻优。用这种方法建立离心泵多工况水力优化模型时，模型中包括许多经验公式、经验系数。只有经验丰富的泵设计者才能选择合适的公式与系数。

现有技术对离心泵恒扬程多工况的问题提出一种水力设计方法，采用叶轮主要几何参数进口直径、叶轮叶片数的设计公式，对其叶轮出口直径、叶轮出口宽度、叶轮出口安放角与流量之间的相互影响关系进行优化计算，并配合蜗壳喉部面积与第八断面面积的选取。

上述这些基于经验公式所建立了几何参数与性能参数之间的函数关系，经验公式在大多数情况下进行了一定程度上的简化，如果对这种函数进行优化，则得出的优化性能会有较大的误差，而本专利是采用拉丁超立方设计方法进叶轮和导叶进行多个设计方案设计，采用近似模型可以直接建立性能参数与几何参数之间的函数关系，对这种拟合函数采用多目标遗传算法进行寻优，得到最佳组合的几何参数，则更具有一定的准确性，达到多工况设计要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种导叶式离心泵多工况水力设计方法，其采用的技术方案如下：

一种导叶式离心泵多工况水力设计方法，包括如下步骤：

步骤一：根据导叶式离心泵的设计要求选定三个设计工况，分别计算了三个工况下的比转数；

步骤二：对导叶式离心泵的叶轮和导叶的主要几何参数D_j、D₂、β₁、β₂、b₂、D₃、b₃、D₄、b₄、α₃、θ进行多方案设计；

步骤三：用CFturbo软件对叶轮及导叶进行快速造型，保存为*.stp文件，将*.stp文件导入到ICEM软件进行结构化网格划分，网格为*.cfx5文件，将*.cfx5导入到CFX中进行不同工况的定常数值模拟计算并获得扬程。

步骤四：对计算得到的扬程和效率值与流量进行函数拟合，得到函数系数。

H＝AQ²+BQ²+C；

式中：A、B和C为拟合函数系数。

步骤五：采用Kriging模型建立拟合函数系数与主要几何参数之间的近似模型。

步骤六：对设计工况的扬程和效率值与流量进行函数拟合，得到函数系数。

H_d＝A₁Q_d ²+B₁Q_d ²+C₁；

式中：Q_d为流量，单位m³/h；H_d为扬程，单位m；A₁、B₁和C₁为拟合函数系数。

步骤七：为了满足设计要求，设置新的响应模型：

并采用多目标遗传算法求解响应模型的最小值；

步骤八：根据叶轮和导叶的最优值进行三维造型，并进行数值模拟，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，重复步骤二至步骤七。

步骤二中的多方案设计为固定初始设计的导叶，先对叶轮上述主要几何参数根据主要几何参数个数和已有的正交试验表进行正交试验设计，分析主要参数对性能影响程度，再固定较优的叶轮，对初始导叶的主要几何参数进行正交试验设计，最后选出对性能影响较大的参数再采用超拉丁方试验设计方法对主要参数进行多方案设计；

本发明的有益效果：采用合适的网格及CFX计算，确保数值模拟与试验值接近，采用试验设计方法对导叶式离心泵进行多方案设计，为建立近似响应模型提供充分的数据，并采用遗传算法对近似模型进行求解最优值，达到设计要求。缩短了导叶式离心泵水力设计周期。根据这种多工况水力设计方法，同时也适用于其他导叶式离心泵的水力设计中，为离心泵的高效节能设计提供技术支持。

附图说明

图1为一种导叶式离心泵多工况水力设计方法的流程图。

图2为最终得到优化的叶轮和导叶的数值模拟和设计扬程对比图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种导叶式离心泵多工况水力设计方法，通过联合试验设计方法、CFD计算、近似响应模型及遗传算法进行寻优，从而得到一组最优的离心泵几何参数，缩短导叶式离心泵多工况水力设计周期。

选取中比转数的设计工况作为初始设计点，采用试验设计方法对叶轮和导叶进行多方案设计，并选取多个工况的扬程和效率与流量之间的函数拟合的系数为目标，采用Kriging（克里金模型，即一种构建目标值与设计变量之间函数关系的一种方法）模型建立近似响应模型，结合多目标遗传算法对近似响应模型进行快速计算，得到最优值。

根据图1，采用泵一维设计方法对叶轮和导叶进行初始设计，采用试验设计方法（Design of Experiment、DOE）对叶轮和导叶几何参数进行多方案设计，运用CFturbo（一种直接根据叶轮几何参数生成三维图形）、ICEM（划分网格软件）和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFX）数值模拟软件得到每个方案对应的目标值，将设计参数与目标值形成数据样本，采用Kriging模型建立近似函数，给定设计参数的取值范围，采用遗传算法对近似模型进行设计参数寻优。再对优化的设计参数重新造型、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，则重新生成新的数据样本，再次优化。

下面以导叶式离心泵多工况设计某一具体实施例为例，选定具体设计参数，对本发明作进一步的说明：

步骤一：根据导叶式离心泵的设计要求选定三个设计工况（根据泵的设计要求而定），分别计算了三个工况下的比转数；

本实施例中Q₁=250m³/h，H₁＝42m；Q₂=312m³/h，H₂=37.7m；Q₃=337m³/h，H₃=36m，转速n=1490r/min，其中Q为流量，单位H为扬程，分别计算了三个工况下的比转数。

$n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{0.65}};$

式中：n为转速，单位r/min；Q为流量，单位m³/h；H为扬程，单位m；n_s1＝81,n_s2＝105,n_s3＝155。

因此选取Q₂=312m³/h，H₂=37.7m工况作为初始设计工况。根据《现代泵理论与设计》（关醒凡.《现代泵理论与设计[M].中国宇航出版社,2011）对导叶式离心泵进行了设计，并计算得到叶轮和导叶的初始几何参数。

步骤二：对导叶式离心泵的叶轮和导叶的主要几何参数，叶轮进口直径D_j、叶轮出口直径D₂、叶片进口安放角β₁、叶片出口安放角β₂、叶片包角叶片出口宽度b₂、导叶进口直径D₃、导叶进口宽度b₃、导叶出口直径D₄、导叶出口宽度b₄、导叶进口安放角α₃和导叶扩散角θ进行多方案设计。

固定初始设计的导叶，先对叶轮上述主要几何参数根据主要几何参数个数和已有的正交试验表进行正交试验设计，分析主要参数对性能影响程度，再固定较优的叶轮，对初始导叶的主要几何参数进行正交试验设计，最后选出对性能影响较大的参数再采用超拉丁方试验设计方法对主要参数进行多方案设计；

步骤三：采用CFturbo软件（一种直接根据叶轮几何参数生成三维图形的软件）对叶轮及导叶进行快速造型，保存为*.stp文件，将*.stp文件导入到ICEM软件进行结构化网格划分，网格为*.cfx5文件，将*.cfx5导入到CFX中进行不同工况的定常数值模拟计算并获得扬程。其中，网格划分需进行结构化网格划分，同时在CFX中需选择合适的湍流模型。并将模拟得到的性能与试验值作对比，直到选择合适的网格数及湍流模型，使得模拟值与试验吻合。

步骤四：对计算得到的扬程与流量进行函数拟合，得到函数系数。

H＝AQ²+BQ²+C；

式中：A、B和C为拟合函数系数。

步骤五：采用Kriging模型建立拟合函数系数与主要几何参数之间的近似模型：

步骤六：对设计工况的扬程与流量进行函数拟合，得到函数系数。

H_d＝A₁Q_d ²+B₁Q_d ²+C₁；

式中：Q_d为设计流量，单位m³/h；H_d为设计扬程，单位m；A₁、B₁和C₁为拟合函数系数。

步骤七：为了满足设计要求，设置新的响应模型：

并采用多目标遗传算法求解响应模型的最小值，求得通过Kriging模型得到的拟合系数与几何参数之间的函数系数A、B、C与设计扬程与流量之间得到的拟合函数系数之间的差值。如果差值越小，表明越接近设计要求。

步骤八：根据叶轮和导叶的最优值进行三维造型，并进行数值模拟，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，需再次进行试验设计及重建近似响应模型。

如图2所示，是本实施例通过多工况水力设计方法得到的扬程与设计要求点的对比图，从图中可以看出，在三个设计工况Q₁=250m³/h，Q₂=312m³/h，Q3=337m³/h，优化得到的扬程基本与设计要求扬程接近，满足设计要求。

Claims (2)

1.一种导叶式离心泵多工况水力设计方法，包括如下步骤：

步骤一：根据导叶式离心泵的设计要求选定三个设计工况，分别计算了三个工况下的比转数；

步骤二：对导叶式离心泵的叶轮和导叶的主要几何参数D_j、D₂、β₁、β₂、b₂、D₃、b₃、D₄、b₄、α₃、θ进行多方案设计；

步骤三：用CFturbo软件对叶轮及导叶进行快速造型，保存为*.stp文件，将*.stp文件导入到ICEM软件进行结构化网格划分，网格为*.cfx5文件，将*.cfx5导入到CFX软件中进行不同工况的定常数值模拟计算并获得扬程；

步骤四：对计算得到的扬程和效率值与流量进行函数拟合，得到函数系数；

H＝AQ²+BQ²+C；

式中：A、B和C为拟合函数系数；

步骤五：采用Kriging模型建立拟合函数系数与主要几何参数之间的近似模型；

步骤六：对设计工况的扬程和效率值与流量进行函数拟合，得到函数系数；

H_d＝A₁Q_d ²+B₁Q_d ²+C₁；

式中：Q_d为流量，单位m³/h；H_d为扬程，单位m；A₁、B₁和C₁为拟合函数系数；

步骤七：为了满足设计要求，设置新的响应模型：

并采用多目标遗传算法求解响应模型的最小值；

步骤八：根据叶轮和导叶的最优值进行三维造型，并进行数值模拟，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，重复步骤二至步骤七。

2.根据权利要求1所述的一种导叶式离心泵多工况水力设计方法，步骤二中的多方案设计具体为固定初始设计的导叶，先对叶轮上述主要几何参数根据主要几何参数个数和已有的正交试验表进行正交试验设计，分析主要参数对性能影响程度，再固定较优的叶轮，对初始导叶的主要几何参数进行正交试验设计，最后选出对性能影响较大的参数再采用超拉丁方试验设计方法对主要参数进行多方案设计。