CN105205259B - 一种多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角设计方法 - Google Patents

一种多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于流体机械设计领域，公开了一种多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角设计方法。本发明的过程为：搭建多级离心泵外特性实验台，测量各个工况下多级离心泵的流量、扬程、功率和效率；采用全局优化算法对多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1的数学模型进行求解，解出流道式导叶叶片进口安放角α1的Pareto解；采用CFD技术对各个工况下多级离心泵内部流场进行全流场数值计算，计算出多个工况下多级离心泵的加权平均值；若计算的多个工况下加权平均值不满足要求，则重复全局优化，直至满足要求为止，从而得到安放角α1的最优解。本发明不仅能较为准确地计算多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角，还可以在此基础上对已有的多级离心泵进行节能改造。

Description

一种多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角设计方法
技术领域
本发明属于流体机械设计领域，特指涉及一种多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角设计方法。
背景技术
多级离心泵两级叶轮之间通过导叶相连，在对导叶叶片进行水力设计时，尤其是在后期绘制外壁的流线图时，往往会出现突变抑或是角度变化不均匀，这时就必须通过修改导叶叶片进口安放角、导叶叶片出口安放角、包角来达到角度平缓变化的要求。对于流道式导叶来说，合理的导叶叶片进口安放角能使导叶与上一级叶轮完全匹配，进而使得流体在叶轮与流道式导叶的过渡中水力损失减到最小。目前对流道式导叶叶片进口安放角的设计往往是根据叶轮出口确定液流角，再根据经验选取冲角，从而计算流道式导叶叶片进口安放角。这种设计方法是以经验为主的单工况设计方法，经验因素偏多，且没有科学的理论与数学模型作为支撑。
迄今为止，尚未见基于多工况优化的多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角设计方法的公开报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角设计方法，通过采用外特性实验、全局优化算法和CFD技术得到多个工况下加权平均效率最高(或加权平均功率最低)的多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角的最优解。
为达到以上目的，采用如下技术方案：
采用全局优化算法对流道式导叶叶片进口安放角α1的数学模型进行求解，解出的流道式导叶叶片进口安放角α1的Pareto解。
其具体步骤如下：
(1)采用单工况(即设计工况)设计方法对多级离心泵进行设计。加工多级离心泵，并搭建多级离心泵外特性试验台，测量各个工况下多级离心泵的流量、扬程、功率和效率。
各个工况下泵的流量Qi由泵出口管路系统上的流量计测量得到，其扬程Hi由泵进、出口的压力传感器测量得到，其功率Pi由电测法测量得到，其效率ηi由公式ηi＝ρgQiHi/Pi计算得到，其中i为各个工况点，ρ为多级离心泵输送介质的密度，g为重力加速度，g＝9.8。
(2)根据多级离心泵流道式导叶叶片进口排挤系数Ψ1和流道式导叶叶片进口过水断面面积F1，建立各个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口轴面速度vm1,i；
F1＝2πRcb (2)
其中z为流道式导叶的叶片数，S1为流道式导叶叶片进口实际厚度，D1为流道式导叶进口直径，Rc为流道式导叶进口处过水断面的半径，b为流道式导叶叶片进口宽度。
根据速度矩定理，建立各个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口圆周分速度vu1,i；
其中n为多级离心泵的转速，R1为流道式导叶进口半径。
建立各个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1的数学模型：
其中Δα1为流道式导叶叶片进口冲角，Δα1＝0～8°。
以多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1为设计变量，以单工况设计的多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1值为初始值，采用全局优化算法对各个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1的数学模型进行求解，解出各个工况下流道式导叶叶片进口安放角α1的Pareto解。
根据各个工况下的权重因子，计算出多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角的加权平均值，其中各个工况下的权重因子由超传递近似法来确定。
(3)根据各个工况下多级离心泵扬程Hi、功率Pi和效率ηi的实验值，找出各个工况下多级离心泵数值计算中与实验值误差最小的湍流模型；
然后分别对全局优化得到的各个方案下多级离心泵内部流场进行全流场数值计算，计算出各个工况下多级离心泵的效率值、功率值；
最后计算出多个工况下多级离心泵的加权平均效率值(或加权平均功率值)，其中各个工况下的权重因子由超传递近似法来确定。
(4)若计算的多个工况下加权平均值满足要求，则得到的多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角的加权平均值为最优解。
若计算的多个工况下加权平均值不满足要求，则重复全局优化，直至满足要求为止。
所述全局优化算法为模拟退火算法、遗传算法、粒子群算法或进化算法。
所述加权平均值为加权平均效率值或加权平均功率值。
所述计算的多个工况下加权平均值满足要求是指：多个工况下加权平均效率值高于优化前的加权平均效率值，或加权平均功率值低于优化前的加权平均功率值。
本发明的优点在于：
(1)建立的多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角的数学模型，适用于所有流量范围内的流道式导叶叶片进口安放角的精确计算；
(2)不仅能较为准确地计算各个工况下多级离心泵流道式导叶的叶片进口安放角，还可以在此基础上对已有的多级离心泵进行多工况优化或节能改造。
附图说明
图1为一种多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角设计方法的流程图
图2为实施例中三级离心泵首级叶轮的水体三维造型
图3为实施例中三级离心泵首级流道式导叶的水体三维造型
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例：
一比转数为154的三级离心泵，其设计流量为Qd＝850m3/h，Hd＝131m，n＝1475r/min。
(1)采用单工况(即设计工况)设计方法对多级离心泵进行设计。加工多级离心泵，并搭建多级离心泵外特性试验台。
测量三个工况下多级离心泵的扬程、功率和效率。0.6Qd、Qd、1.2Qd三个工况下多级离心泵的流量Qi由泵出口管路系统上的涡轮流量计测量得到，其扬程Hi由泵进、出口的压力传感器测量得到，其功率Pi由电测法测量得到，其效率ηi由公式ηi＝ρgQiHi/Pi计算得到，其中i为三个工况点，i＝1、2、3；ρ为水的密度；g为重力加速度，g＝9.8。
0.6Qd、Qd、1.2Qd三个工况下三级离心泵外特性试验结果为：H1＝165.1m，P1＝412.2kW，η1＝55.6％；H2＝138.7m，P2＝461kW，η2＝69.5％；H3＝118.3m，P3＝468.9kW，η3＝70.04％。
(2)根据多级离心泵流道式导叶叶片进口排挤系数和流道式导叶叶片进口过水断面面积F1＝2πRcb，建立三个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口轴面速度vm1,i的计算公式其中z为流道式导叶的叶片数，S1为流道式导叶叶片进口实际厚度，D1为流道式导叶进口直径，Rc为流道式导叶进口处过水断面的半径，b为流道式导叶叶片进口宽度。
根据速度矩定理，建立三个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口圆周分速度vu1,i的计算公式其中n为多级离心泵的转速，R1为流道式导叶进口半径。
建立三个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1的数学模型其中Δα1为流道式导叶 叶片进口冲角，Δα1＝0～8°，选取Δα1＝4°。
以多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1为设计变量，以单工况设计的多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1＝15°为初始值，采用模拟退火算法对三个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1的数学模型进行求解，解出三个工况下流道式导叶叶片进口安放角α1的Pareto解分别为11.6°、13.8°、17.9°。
根据三个工况下的权重因子，计算出多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角的加权平均值为14.4°，其中由超传递近似法确定的三个工况下的权重因子分别为0.26、0.43、0.31。
(3)三级离心泵首级叶轮与首级流道式导叶的水体三维模型如图2和图3所示。根据三个工况下多级离心泵扬程Hi、功率Pi和效率ηi的实验值，找出三个工况下多级离心泵数值计算中与实验值误差最小的湍流模型为标准k-ε模型。
分别对全局优化得到的各个方案下多级离心泵内部流场进行全流场数值计算，计算出三个工况下多级离心泵的功率值。计算的三个工况下多级离心泵的加权平均效率值为447.9kW。
(4)计算的三个工况下加权平均功率值低于优化前的加权平均功率值452.7kW，则优化得到的多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角的加权平均值为最优解。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角设计方法，其特征在于：包含以下具体步骤：
(1)搭建多级离心泵外特性实验台，测量设计工况下多级离心泵的流量Qi、扬程Hi、功率Pi和效率ηi；
(2)采用全局优化算法对各个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1的数学模型进行求解，解出流道式导叶叶片进口安放角α1的Pareto解；其具体步骤如下：
(A)根据多级离心泵流道式导叶叶片进口排挤系数Ψ1和流道式导叶叶片进口过水断面面积F1，建立各个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口轴面速度vm1,i；
F1＝2πRcb (2)
其中z为流道式导叶的叶片数，S1为流道式导叶叶片进口实际厚度，D1为流道式导叶进口直径，Rc为流道式导叶进口处过水断面的半径，b为流道式导叶叶片进口宽度；
(B)根据速度矩定理，建立各个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口圆周分速度vu1,i；
其中n为多级离心泵的转速，R1为流道式导叶进口半径；
(C)建立各个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1的数学模型：
其中Δα1为流道式导叶叶片进口冲角，Δα1＝0～8°；
(D)以多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1为设计变量，以单工况设计的多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1值为初始值，采用全局优化算法对各个工况下多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角α1的数学模型进行求解，解出各个工况下流道式导叶叶片进口安放角α1的Pareto解；
(E)根据各个工况下的权重因子，计算出多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角的加权平均值，其中各个工况下的权重因子由超传递近似法来确定；
(3)采用CFD技术对各个工况下多级离心泵内部流场进行全流场数值计算，计算出多个工况下多级离心泵的加权平均值；
(4)若计算的多个工况下加权平均值不满足要求，则重复全局优化，直至满足要求为止，从而得到多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角的最优解。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，搭建多级离心泵外特性实验台，测量设计工况下多级离心泵的流量、扬程、功率和效率的具体步骤如下：
(A)采用单工况设计方法对多级离心泵进行设计；
(B)加工多级离心泵，并搭建多级离心泵外特性试验台；
(C)测量各个工况下多级离心泵的流量、扬程、功率和效率；所述各个工况下泵的流量Qi由泵出口管路系统上的流量计测量得到，所述扬程Hi由泵进、出口的压力传感器测量得到，所述功率Pi由电测法测量得到，所述效率ηi由公式ηi＝ρgQiHi/Pi计算得到，其中i为各个工况点，ρ为多级离心泵输送介质的密度，g为重力加速度，g＝9.8。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，采用CFD技术对各个工况下多级离心泵内部流场进行全流场数值计算，计算出多个工况下多级离心泵的加权平均值的具体步骤如下：
(A)根据各个工况下多级离心泵扬程Hi、功率Pi和效率ηi的实验值，找出各个工况下多级离心泵数值计算中与实验值误差最小的湍流模型；
(B)分别对全局优化得到的各个方案下多级离心泵内部流场进行全流场数值计算，计算出各个工况下多级离心泵的效率值、功率值；
(C)计算出多个工况下多级离心泵的加权平均值，其中各个工况下的权重因子由超传递近似法来确定。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，得到多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角的最优解的具体步骤如下：
(A)若计算的多个工况下加权平均值满足要求，则优化得到的多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角的多工况加权平均值为最优解；
(B)若计算的多个工况下加权平均值不满足要求，则重复全局优化，直至满足要求为止。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述全局优化算法是模拟退火算法，遗传算法，粒子群算法或进化算法。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述加权平均值是加权平均效率值或加权平均功率值。
7.根据权利要求4或6所述的设计方法，其特征在于：所述计算的多个工况下加权平均值满足要求是指：计算的多个工况下加权平均效率值高于优化前的加权平均效率值，或加权平均功率值低于优化前的加权平均功率值。
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