CN106529072A - 基于多学科优化的高温高压离心泵叶轮综合设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离心泵的优化设计，公开了一种高温高压的极限工况下运行的离心泵叶轮的多学科优化设计方法。本发明是基于流体力学、材料力学、结构力学和热力学四个学科的高温高压泵叶轮的多学科优化水力设计方法，通过对设计方案的多学科评估，在保证泵的水力性能优于设计指标的情况下，使泵的安全特性最佳。本发明优化设计流程分为系统级优化和子系统级优化，系统级优化的任务是高温高压工况下离心泵的多工况、低气蚀、高效率的水力设计方法，使多个系统目标性能最优；子系统级优化包括基于CFD技术的水力学优化，基于结构力学的可靠性优化，基于热力学的多场耦合设计，分析各学科相互作用产生的协调效应获得系统整体最优解。

Description

基于多学科优化的高温高压离心泵叶轮综合设计方法

技术领域

本发明涉及离心泵的优化设计，具体是一种高温高压的极限工况下运行的离心泵叶轮的多学科优化设计方法。

背景技术

近年来一些大型高温高压多级离心泵在世界各国都向大容量、高转速、高效率、可靠性、低噪声及自动化等方向发展。目前高温高压多级离心泵的需求量越来越大，然而国内对大型工业用泵的研制难以取得突破，大部分依赖于进口。高温高压离心泵的设计涉及到流体力学、材料力学、结构力学和热力学等多个学科，比如消防泵、超超锅炉给水泵、核电站上充泵都属于高温高压多级离心泵。传统的设计方法往往对每个子系统(学科)单独优化，企图将几个最优的子系统组合成一个也是最优的大系统。这种设计方法忽视工程系统内部各子系统间的相互关系，从而不能满足工程技术发展的需要。一方面，结构、动力、控制等学科的理论不断完善，计算能力的飞速发展使得设计人员能够建立更复杂的数学模型、分析更详细的构形、提高分析结果的精度，比如采用有限元法进行结构分析，利用计算流体力学进行流场分析等等，但上述进步基本上是发生在特定的学科或子系统的范围内，并没有为总体设计带来什么直接的益处。与各学科或子系统理论蓬勃发展形成强烈对比的是，长期以来，泵类流体机械的设计总体设计方法的发展一直停滞不前，其理论落后、方法陈旧，虽然这些理论和方法在过去数十年发挥了极其重要的作用，为我国泵行业的发展做出了巨大的贡献，但是它们忽视工程系统中各学科之间的耦合效应、不能充分利用学科的发展成果、与工程设计组织形式不一致。本发明主要是提供一种基于流体力学、材料力学、结构力学和热力学四个学科的高温高压泵叶轮的水力设计方法，通过采用先进的CFD技术和有限元分析技术以及建立的多学科优化的数学模型对高温高压离心泵的叶轮进行设计与优化。

发明内容

本发明的目的：提供一种基于流体力学、材料力学、结构力学和热力学四个学科的高温高压泵叶轮的水力设计方法，通过对设计方案的多学科评估，在保证泵的水力性能优于设计指标的情况下，使泵的安全特性最佳。

为实现上述目的，本离心泵叶轮主要由前盖板、叶片和后盖板三部分组成，并将优化设计流程分为系统级优化和子系统级优化，所述系统级优化的任务是高温高压工况下离心泵的的多工况、低气蚀、高效率的水力设计方法，使多个系统目标性能最优；所述子系统级优化包括基于CFD技术的水力学优化，基于结构力学的可靠性优化，基于热力学的多场耦合设计，分析各学科相互作用产生的协调效应获得系统整体最优解，包括以下设计步骤：

步骤1：结合多工况水力设计方法、低气蚀、不等扬程水力设计方法设计叶轮的主要结构参数，即叶轮进出口直径、叶轮叶片包角、叶片出口宽度、叶片进出口安放角、叶片厚度，获得离心泵叶轮结构的初始外形；

步骤2：根据步骤1中得到的离心泵叶轮结构的初始外形，设计离心泵的其他过流部件，包含导叶和泵体，并对叶轮、导叶和泵体进行三维建模，得到叶轮、导叶和泵体所对应的水体模型，采用商业CFD模拟软件对泵的水力性能进行计算，得到离心泵叶轮的全流量水力性能数据，从而进入步骤3；

步骤3：分析评价本离心泵叶轮的水力性能，对离心泵叶轮的结构参数进行调整，包括设计参数Ⅰ叶轮出口直径D₂、设计参数Ⅱ叶轮叶片包角设计参数Ⅲ叶片进口安放角β₁、设计参数Ⅳ叶片出口安放角β₂、设计参数Ⅴ叶轮出口宽度b₂五个系统变量，设定系统变量的约束条件，并每个设计参数对应4至6种设计方案，首先对设计参数(一)不同方案分别进入步骤2的CFD计算，分析遴选出2个最优方案，然后进入下一个设计参数的优化遴选的循环，最终完成五个设计参数的遴选过程，得到32组最优方案，并再次对32组方案进行评价遴选出16种最佳方案，进入步骤4；

步骤4：采用商业CFD模拟软件将步骤3中遴选出的16种最优方案进行热流场的计算分析，得到的计算结果，进入步骤5；

步骤5：对该离心泵的叶轮和轴结构进行三维建模，采用有限元分析软件对叶轮及轴系结构进行基于有限元的热力学分析，并将步骤4中的热流场计算结果中的流固接触面的压力信息导入并施加在叶轮结构上，分析叶轮的应力应变分布情况并进行综合评估，遴选出4种最优方案；当高温工况下叶片变形超过设计要求时，叶片厚度增加原叶片厚度的0.08至0.15倍，当叶片变形远优于要求规定的变形量时，叶片厚度减小原叶片厚度的0.08至0.15倍；将4种最优方案叶片厚度进行调整后，重新进入步骤4进行泵的热流场计算，直至优化厚度后叶片最大变形超过设计要求指标的4％至9％，然后进入步骤6；

步骤6：将最终4种最优方案的水力特性、叶轮结构的有限元安全特性、叶轮转动惯量三方面进行综合评估，考虑的指标重要性依次是：叶轮结构的有限元安全特性>叶轮水力特性>叶轮转动惯量，并构建该特种离心泵系统多学科优化目标函数的数学模型，得到1种最优方案。

步骤3中，设计参数Ⅰ叶轮出口直径D₂、设计参数Ⅱ叶轮叶片包角设计参数Ⅲ叶片进口安放角β₁、设计参数Ⅳ叶片出口安放角β₂、设计参数Ⅴ叶轮出口宽度b₂，五个系统变量的约束条件为：

β₂＝(1.12～1.32)·β₁

式中：

D₂—叶轮出口直径，mm；

n_s—泵比转速，

Q—泵流量，m³/h；

n—泵转速；

b₂—泵叶片出口宽度，mm；

—叶轮叶片包角，ο；

β₁—叶片进口安放角，ο；

β₂—叶片出口安放角，ο；

根据上述得到的叶轮出口直径D₂、叶轮叶片包角叶片进口安放角β₁、叶片出口安放角β₂、叶轮出口宽度b₂，确定叶轮进口直径D₁，及叶轮叶片数z：

D₁＝(0.51～0.87)·D₂；

z＝4～7；

其中，

D₁—叶轮进口直径，mm；

z—叶轮叶片数。

步骤6中的多学科优化目标函数的数学模型有以下公式确定：

其中，F(X)是多学科评价指数，f(x_i)代表第i学科的评价指数，f(x_i0)代表第i学科的技术要求指数。

本发明的有益效果：

本发明能在保证泵的水力性能、气蚀性能、可多工况运行的情况下，使泵的安全特性最佳，更可靠。

附图说明

图1是本发明一个实施例的叶轮；a为叶轮轴面图，b为叶轮平面图；

图2是叶轮的平面投影简图；

图3是本发明多学科优化设计的流程图；

附图标记说明：

1-前盖板，2-叶片，3-后盖板，叶轮出口直径D₁，叶轮出口直径D₂，叶轮出口半径R₁，叶轮出口半径R₂，叶轮叶片包角叶片进口安放角β₁，叶片出口安放角β₂，叶轮出口宽度b₂。

具体实施方式

图1和图2是本发明一个实施例的叶轮及其几何参数表示的简图，图3是本发明多学科优化设计的流程图，将优化设计流程分为系统级优化和子系统级优化，系统级优化的任务是高温高压工况下离心泵的的多工况、低气蚀、高效率的水力设计方法，使多个系统目标性能最优；子系统级优化包括基于CFD技术的水力优化，基于结构力学的可靠性优化，基于热力学的多场耦合设计，分析各学科相互作用产生的协调效应获得系统整体最优解，包括以下设计步骤：

步骤1：结合多工况水力设计方法、低气蚀、不等扬程水力设计方法设计叶轮的主要结构参数，获得离心泵叶轮结构的初始外形；

步骤2：根据步骤1中得到的离心泵叶轮结构的初始外形，设计离心泵的其他过流部件，包含导叶和泵体，并对叶轮、导叶和泵体进行三维建模，得到叶轮、导叶和泵体所对应的水体模型，采用商业CFD模拟软件对泵的水力性能进行计算，得到离心泵叶轮的全流量水力性能数据，从而进入步骤3；

步骤3：分析评价本离心泵叶轮的水力性能，对离心泵叶轮的结构参数进行调整，包括设计参数Ⅰ叶轮出口直径D₂、设计参数Ⅱ叶轮叶片包角设计参数Ⅲ叶片进口安放角β₁、设计参数Ⅳ叶片出口安放角β₂、设计参数Ⅴ叶轮出口宽度b₂五个系统变量，设定系统变量的约束条件，并每个设计参数对应4至6种设计方案，首先对设计参数Ⅰ不同方案分别进入步骤2的CFD计算，分析遴选出2个最优方案，然后进入下一个设计参数的优化遴选的循环，最终完成五个设计参数的遴选过程，得到32组最优方案，并再次对32组方案进行评价遴选出16种最佳方案，进入步骤4；

步骤4：采用商业CFD模拟软件将步骤3中遴选出的16种最优方案进行热流场的计算分析，得到的计算结果，进入步骤5；

步骤5：对该离心泵的叶轮和轴结构进行三维建模，采用有限元分析软件对叶轮及轴系结构进行基于有限元的热力学分析，并将步骤4中的热流场计算结果中的流固接触面的压力信息导入并施加在叶轮结构上，分析叶轮的应力应变分布情况并进行综合评估，遴选出4种最优方案；当高温工况下叶片变形超过设计要求时，叶片厚度增加原叶片厚度的0.08至0.15倍，当叶片变形远优于要求规定的变形量时，叶片厚度减小原叶片厚度的0.08至0.15倍；将4种最优方案叶片厚度进行调整后，重新进入步骤4进行泵的热流场计算，直至优化厚度后叶片最大变形超过设计要求指标的4％至9％，然后进入步骤6；

步骤6：将最终4种最优方案的水力特性、叶轮结构的有限元安全特性、叶轮转动惯量三方面进行综合评估，考虑的指标重要性依次是：叶轮结构的有限元安全特性>叶轮水力特性>叶轮转动惯量，并构建该特种离心泵系统多学科优化目标函数的数学模型，得到1种最优方案。

步骤3中，设计参数Ⅰ叶轮出口直径D₂、设计参数Ⅱ叶轮叶片包角设计参数Ⅲ叶片进口安放角β₁、设计参数Ⅳ叶片出口安放角β₂、设计参数Ⅴ叶轮出口宽度b₂，五个系统变量的约束条件为：

β₂＝(1.12～1.32)·β₁；

根据叶轮出口直径D₂、叶轮叶片包角叶片进口安放角β₁、叶片出口安放角β₂、叶轮出口宽度b₂，确定叶轮进口直径D₁，及叶轮叶片数z：

D₁＝(0.51～0.87)·D₂；

z＝4～7；

其中，

D₁—叶轮进口直径，mm；

z—叶轮叶片数。

步骤6中的多学科优化目标函数的数学模型有以下公式确定：

其中，F(X)是多学科评价指数，f(x_i)代表第i学科的评价指数，f(x_i0)代表第i学科的技术要求指数。

Claims (4)

1.基于多学科优化的高温高压离心泵叶轮综合设计方法，所述离心泵叶轮主要由前盖板、叶片和后盖板三部分组成，其特征在于，将优化设计流程分为系统级优化和子系统级优化，

所述系统级优化的任务是高温高压工况下离心泵的的多工况、低气蚀、高效率的水力设计方法，使多个系统目标性能最优；

所述子系统级优化包括基于CFD技术的水力学优化，基于结构力学的可靠性优化，基于热力学的多场耦合设计，分析各学科相互作用产生的协调效应获得系统整体最优解，包括以下设计步骤：

步骤1：结合多工况水力设计方法、低气蚀、高效率的水力设计方法设计叶轮的主要结构参数，即叶轮进出口直径、叶轮叶片包角、叶片出口宽度、叶片进出口安放角、叶片厚度，获得离心泵叶轮结构的初始外形；

步骤2：根据步骤1中得到的离心泵叶轮结构的初始外形，设计离心泵的其他过流部件，包含导叶和泵体，并对叶轮、导叶和泵体进行三维建模，得到叶轮、导叶和泵体所对应的水体模型，采用商业CFD模拟软件对泵的水力性能进行计算，得到离心泵叶轮的全流量水力性能数据，从而进入步骤3；

步骤3：分析评价本离心泵叶轮的水力性能，对离心泵叶轮的结构参数进行调整，包括设计参数Ⅰ叶轮出口直径D₂、设计参数Ⅱ叶轮叶片包角设计参数Ⅲ叶片进口安放角β₁、设计参数Ⅳ叶片出口安放角β₂、设计参数Ⅴ叶轮出口宽度b₂五个系统变量，设定系统变量的约束条件，并每个设计参数对应4至6种设计方案，首先对设计参数Ⅰ不同方案分别进入步骤2的CFD计算，分析遴选出2个最优方案，然后进入下一个设计参数的优化遴选的循环，最终完成五个设计参数的遴选过程，得到32组最优方案，并再次对32组方案进行评价遴选出16种最佳方案，进入步骤4；

步骤4：采用商业CFD模拟软件将步骤3中遴选出的16种最优方案进行热流场的计算分析，得到的计算结果，进入步骤5；

步骤5：对该离心泵的叶轮和轴结构进行三维建模，采用有限元分析软件对叶轮及轴系结构进行基于有限元的热力学分析，并将步骤4中的热流场计算结果中的流固接触面的压力信息导入并施加在叶轮结构上，分析叶轮的应力应变分布情况并进行综合评估，遴选出4种最优方案；当高温工况下叶片变形超过设计要求时，叶片厚度增加原叶片厚度的0.08至0.15倍，当叶片变形远优于要求规定的变形量时，叶片厚度减小原叶片厚度的0.08至0.15倍；将4种最优方案叶片厚度进行调整后，重新进入步骤4进行泵的热流场计算，直至优化厚度后叶片最大变形超过设计要求指标的4％至9％，然后进入步骤6；

步骤6：将最终4种最优方案的水力特性、叶轮结构的有限元安全特性、叶轮转动惯量三方面进行综合评估，考虑的指标重要性依次是：叶轮结构的有限元安全特性>叶轮水力特性>叶轮转动惯量，并构建该特种离心泵系统多学科优化目标函数的数学模型，得到1种最优方案。

2.根据权利要求1中所述的基于多学科优化的高温高压离心泵叶轮综合设计方法，其特征在于，步骤3中，设计参数Ⅰ叶轮出口直径D₂、设计参数Ⅱ叶轮叶片包角设计参数Ⅲ叶片进口安放角β₁、设计参数Ⅳ叶片出口安放角β₂、设计参数Ⅴ叶轮出口宽度b₂，五个系统变量的约束条件为：

$D_2=(0.019{n_s}^{0.493}+90.2{{\ln }_s}^{-0.48})\·\sqrt[3]{\frac{Q}{n}};n_s\≤300;$

$b_2=(0.75~1.06)\·\sqrt[3]{\frac{Q}{n}};$

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\β}}_1=16~28,& n_s\≤120\\ {\mathrm{\β}}_1=24~36,& n_s\≥120\end{array}\right\};$

β₂＝(1.12～1.32)·β₁

式中：

D₂—叶轮出口直径，mm；

n_s—泵比转速，

Q—泵流量，m³/h；

n—泵转速；

b₂—泵叶片出口宽度，mm；

-叶轮叶片包角，；

β₁—叶片进口安放角，；

β₂—叶片出口安放角，。

3.根据权利要求2中所述的基于多学科优化的高温高压离心泵叶轮综合设计方法，其特征在于，根据叶轮出口直径D₂、叶轮叶片包角叶片进口安放角β₁、叶片出口安放角β₂、叶轮出口宽度b₂，确定叶轮进口直径D₁，及叶轮叶片数z：

D₁＝(0.51～0.87)·D₂；

z＝4～7；

其中，

D₁—叶轮进口直径，mm；

z—叶轮叶片数。

4.根据权利要求1中所述的基于多学科优化的高温高压离心泵叶轮综合设计方法，其特征在于：步骤6中的多学科优化目标函数的数学模型有以下公式确定：

$\min F\left(X\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Π}}\frac{1}{f\left(x_i\right)/f\left(x_{i0}\right)};$

其中，F(X)是多学科评价指数，f(x_i)代表第i学科的评价指数，f(x_i0)代表第i学科的技术要求指数。