CN106227933A - 一种修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于离心泵研究领域的一种修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，包括以下步骤：选取离心泵叶轮盖板的修削参数，并确定修削参数的设计范围，采用最优拉丁超立方试验设计方法，得到不同的设计方案；对各个方案进行模拟得到外特性和流动诱导噪声，通过响应面模型建立修削参数与诱导噪声、外特性之间的函数关系，并应用遗传算法进行求解，从而得到最优的优化设计参数，在不剧烈影响离心泵外特性的前提下，通过修削叶轮前后盖板，增大叶轮出口面积，从而减小叶轮出口的轴面速度，减小蜗壳隔舌处的压力脉动及流动不稳定性，达到减振降噪的目的。

Description

一种修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法

技术领域

本发明属于离心泵研究领域，具体涉及一种修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法。

背景技术

泵是流体输送系统的“心脏”，广泛应用于国民经济各部门以及舰船、潜艇、航空航天等尖端技术领域，其运行过程中常伴有强烈的振动噪声。

离心泵的噪声主要分为机械噪声和流动诱导噪声，随着制造工艺水平的提高，机械噪声逐渐得以控制，泵内流动诱导噪声成为主要的噪声类型。按照发声机理，流动诱导噪声主要由流场内部的非定常流动引起，包括空化、运动流体与固体边界的耦合、流体间的相互干涉以及流体内部的不稳定流动等。此外，工作介质从叶轮中高速流出，并撞击隔舌，造成剧烈的压力脉动，这种动静干涉作用是泵内部不稳定流动的主要原因。

传统的设计方法只注重离心泵的效率、成本和寿命，而对离心泵的低振动低噪声设计不够重视，离心泵产生的噪声严重影响着工作环境及整体性能。因此，改造既有的离心泵，或者重新改进设计图纸，达到降噪减振的目的，从而提升离心泵的整体性能。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，在不剧烈影响离心泵外特性的前提下，通过修削叶轮前盖板和后盖板，增大叶轮出口面积，从而减小叶轮出口的轴面速度，减小蜗壳隔舌处的压力脉动及流动不稳定性，达到减振降噪的目的。

本发明的技术方案是：一种修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，包括以下步骤：

S1、选取离心泵叶轮盖板的修削参数，并确定修削参数的设计范围，设计多组修削方案；

S2、对各组方案的叶轮流域进行三维建模，划分网格并与原始压水室流体域网格进行装配，采用软件进行定常和非定常计算，定常计算得到各个方案的外特性；

S3、提取各组方案压水室固体域结构与流体域交界面上的压力时域波动，并加载到软件中，在软件中分别模拟压水室固体域结构在压力脉动作用下的振动位移响应和压水室固体域结构的模态，最后在软件中模拟得到各组方案的流体诱导噪声；

S4、采用近似模型建立修削参数与诱导噪声、外特性之间的函数关系，应用优化算法求解这个近似模型，最终得到优化的修削设计参数。

上述方案中，所述步骤S1中采用最优拉丁超立方试验设计方法设计20～200组修削方案，在计算资源及设计周期允许的情况下，方案的数量应尽量多，这样更加精确的建立近似模型。

上述方案中，所述步骤S2中采用ANSYS CFX软件进行进行定常和非定常计算。

上述方案中，所述步骤S3中所述软件为LMS软件。

上述方案中，所述步骤S4中近似模型采用响应面模型，能够准确有效的反应设计参数与目标参数之间的函数关系。

上述方案中，所述步骤S4中优化算法采用遗传算法，能精确的求解模型最优解。

上述方案中，离心泵叶轮盖板的修削参数中前盖板出口厚度为B₁，后盖板出口厚度为B₂，前盖板修削厚度为B₃，后盖板修削厚度为B₄，修削后的叶轮出口处的盖板厚度不小于2mm，即B₁-B₃≥2mm，B₂-B₄≥2mm。

进一步的，前盖板修削直径为d₁，后盖板修削直径为d₂，叶轮出口外径为D₂，且d₁＝[0.5，1)D₂，d₂＝[0.5，1)D₂。

进一步的，从修削点到叶轮出口，其修削型线可采用直线或者圆弧，直线容易加工，圆弧可防止脱流损失产生。

进一步的，所述修削型线采用圆弧，圆弧直径应大于或等于叶轮出口外径D₂，这样可以防止严重脱流现象的发生。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明所述减小振动噪声的修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，通过修削叶轮前后盖板，减小叶轮出口的轴面速度，减弱了工作介质直接冲击隔舌而造成剧烈压力脉动的影响，流动趋于稳定，达到减振降噪的目的。

附图说明

图1为本发明一实施方式的修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法的设计流程图；

图2为本发明一实施方式的离心泵叶轮盖板修削示意图。

图中：1、前盖板；2、后盖板。

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同或相似的部分。附图仅用于说明本发明，不代表本发明的实际结构和真实比例。

图1所示为本发明所述修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法的一种实施方式，所述修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法包括以下步骤：

S1、选取离心泵叶轮盖板的修削参数，并确定修削参数的设计范围，采用最优拉丁超立方试验设计方法设计20～200组修削方案；

S2、对各组方案的叶轮流域进行三维建模，划分网格并与原始压水室流体域网格进行装配，采用ANSYS CFX软件进行定常和非定常计算，定常计算得到各个方案的外特性；

S3、提取各组方案压水室固体域结构与流体域交界面上的压力时域波动，并加载到LMS软件中，在LMS软件中分别模拟压水室固体域结构在压力脉动作用下的振动位移响应和压水室固体域结构的模态，最后在LMS软件中模拟得到各组方案的流体诱导噪声；

S4、采用响应面近似模型建立修削参数与诱导噪声、外特性之间的函数关系，应用采用遗传算法求解这个近似模型，优化目标是诱导噪声小、外特性满足设计要求，最终得到优化的修削设计参数。

图2所示为离心泵叶轮盖板修削示意图，离心泵叶轮盖板的修削参数中前盖板1出口厚度为B₁，后盖板2出口厚度为B₂，前盖板修削厚度为B₃，后盖板修削厚度为B₄，为保证盖板强度，修削后的叶轮出口处的盖板厚度不小于2mm，即B₁-B₃≥2mm，B₂-B₄≥2mm。前盖板(1)修削直径为d₁，后盖板(2)修削直径为d₂，叶轮出口外径为D₂，为保证从修削点到叶轮出口的过流断面面积能够缓慢、平顺过渡，防止发生脱流，前后盖板的修削直径应为叶轮外径D2的[0.5,1)，即d₁＝[0.5，1)D₂，d₂＝[0.5，1)D₂。

从修削点到叶轮出口，其修削型线可采用直线或者圆弧。所述修削型线采用圆弧，圆弧直径应大于或等于叶轮出口外径D₂。

实施例：

以一台低比转数离心泵IS50-32-160为例，泵的设计流量为6.3m³/h，泵叶轮出口外径D₂＝160mm，设计扬程H＝8m，效率η＝65％，前盖板出口厚度等于后盖板出口厚度，即B₁＝B₂＝4mm。该泵在设计工况下工作时，产生了剧烈的振动噪声，因此采用本发明所述设计方法，进行改进，设计步骤如下：

S1、选取前盖板修削厚度B₃、后盖板修削厚度B₄、前盖板修削直径d₁、后盖板修削直径d₂，并确定修削参数的设计范围，分别为(0，2]、(0，2]、[80，160)、[80，160)，采用最优拉丁超立方试验设计方法，得到25组设计方案；

S2、对各组方案的叶轮流域进行三维建模，划分网格并与原始压水室流体域网格进行装配，采用ANSYS CFX进行定常和非定常计算，定常计算得到各个方案的外特性；

S3、提取各组方案压水室固体域结构与流体域交界面上的压力时域波动，并加载到LMS软件中，LMS软件中分别模拟压水室固体域结构在压力脉动作用下的振动位移响应和压水室固体域结构的模态，最后在LMS中模拟得到各方案的流体诱导噪声；

下表为各组方案的设计参数及模拟得到的外特性和流动诱导噪声。

S4、采用响应面近似模型建立修削参数与诱导噪声、外特性之间的函数关系，应用遗传算法求解这个近似模型，优化目标是诱导噪声小、外特性满足设计要求，最终得到优化的修削设计参数为：前盖板修削厚度B₃＝1.4mm，后盖板修削厚度B₄＝0.8mm，前盖板修削直径d₁＝115mm，后盖板修削直径d₂＝85mm，扬程H＝8.6m，效率η＝68％，流动诱导噪声n＝98dB。

本方法在不剧烈影响离心泵外特性的前提下，通过修削叶轮前后盖板，增大叶轮出口面积，从而减小叶轮出口的轴面速度，减小蜗壳隔舌处的压力脉动及流动不稳定性，达到减振降噪的目的。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取离心泵叶轮盖板的修削参数，并确定修削参数的设计范围，设计多组修削方案；

S2、对各组方案的叶轮流域进行三维建模，划分网格并与原始压水室流体域网格进行装配，采用软件进行定常和非定常计算，定常计算得到各个方案的外特性；

S3、提取各组方案压水室固体域结构与流体域交界面上的压力时域波动，并加载到软件中，在软件中分别模拟压水室固体域结构在压力脉动作用下的振动位移响应和压水室固体域结构的模态，最后在软件中模拟得到各组方案的流体诱导噪声；

S4、采用近似模型建立修削参数与诱导噪声、外特性之间的函数关系，应用优化算法求解这个近似模型，最终得到优化的修削设计参数。

2.根据权利要求1所述的修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S1中采用最优拉丁超立方试验设计方法设计20～200组修削方案。

3.根据权利要求1所述的修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中采用ANSYS CFX软件进行进行定常和非定常计算。

4.根据权利要求1所述的修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3中所述软件为LMS软件。

5.根据权利要求1所述的修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S4中近似模型采用响应面模型。

6.根据权利要求1所述的修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S4中优化算法采用遗传算法。

7.根据权利要求1所述的修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，其特征在于，离心泵叶轮盖板的修削参数中前盖板(1)出口厚度为B₁，后盖板(2)出口厚度为B₂，前盖板修削厚度为B₃，后盖板修削厚度为B₄，修削后的叶轮出口处的盖板厚度不小于2mm，即B₁-B₃≥2mm，B₂-B₄≥2mm。

8.根据权利要求7所述的一种修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，其特征在于，前盖板(1)修削直径为d₁，后盖板(2)修削直径为d₂，叶轮出口外径为D₂，且d₁＝[0.5，1)D₂，d₂＝[0.5，1)D₂。

9.根据权利要求8所述的一种修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，其特征在于，从修削点到叶轮出口，其修削型线可采用直线或者圆弧。

10.根据权利要求9所述的一种修削离心泵叶轮盖板的优化设计方法，其特征在于，所述修削型线采用圆弧，圆弧直径应大于或等于叶轮出口外径D₂。