CN106934177A - 一种双蜗壳混流泵隔板的优化设计方法 - Google Patents

一种双蜗壳混流泵隔板的优化设计方法 Download PDF

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裴吉
高海司
袁寿其
王文杰
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Abstract

本发明涉及一种双蜗壳混流泵隔板的优化设计方法，隔板的优化设计参数有进口位置、出口位置、厚度，首先确定这三个参数的取值范围，再通过最优拉丁超立方方法对隔板的这几个参数进行方案设计，生成多种组合方案，使用三维软件建模、ICEM网格划分、CFX数值模拟计算，得到不同组合方案的效率、扬程、叶轮上的径向力，采用Kriging近似模型建立了效率、扬程、叶轮径向力和3个输入变量之间的近似模型，运用R平方误差分析方法对近似模型的可信程度进行分析，判断可信度是否满足要求，若满足要求，应用多岛遗传算法对近似模型进行求解，选取最优方案。该优化设计方法为双蜗壳混流泵的隔板设计提供了依据。

Description

一种双蜗壳混流泵隔板的优化设计方法
技术领域
本发明涉及到一类泵的优化设计方法，尤其是一种双蜗壳混流泵隔板的优化设计方法。
背景技术
混流泵具有使用流量及扬程变化范围大、高效区宽、运行稳定等特点，目前广泛应用于农田排灌、防涝排洪、水利工程、污水处理、电站冷却系统等各个领域。其中双蜗壳式混流泵不仅有混流泵原有的流量及扬程变化范围大、高效区宽、运行稳定等特点，同时可以减小叶轮径向力，平衡轴向力，稳定泵运行，提高混流泵的效率。
目前，在泵领域对双蜗壳泵的设计研究有一定进展，主要针对于离心泵，但对混流泵的隔板优化设计相关内容缺失，而双蜗壳混流泵在各个领域应用广泛，因此对双蜗壳混流泵隔板设计尤为重要。
对双蜗壳混流泵的建模和分析的计算方法已经比较成熟，概括起来主要分为以下几步骤：三维建模，网格化分，CFX数值模拟。其中隔板起始位置是建立在现有研究基础之上，采用经验最优位置。实际对于不同尺寸混流泵，最优工况对应的隔板起始位置不同。随着双蜗壳混流泵隔板起始位置的改变，混流泵内部的流动特性、外部水力性能，以及混流泵的轴向力都会有较大改变。
双蜗壳结构可以使混流泵内部流动更加对称，减小流动引起的径向力，使泵运行更加平稳，但隔板的设计合理与否对泵的性能影响较大。因此对隔板的优化设计尤为重要。
发明内容
考虑到隔板的起始位置和厚度都会影响双蜗壳混流泵的运行状况，本发明的目的是提供一种双蜗壳混流泵隔板的优化设计方法，为双蜗壳混流泵隔板设计提供依据，既保证原型泵的水力性能，同时提高优化方案的扬程、效率等参数，有效平衡径向力。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：1.一种双蜗壳混流泵隔板的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：根据提供的主要设计参数进行叶轮蜗壳的初始设计；S2：以蜗壳基圆最底处作为第六断面，顺时针每隔45°依次设置为第五断面V、第四断面IV、第三断面III、第二断面II和第一断面I，逆时针方向每隔45°依次设置为第七断面VII和第八端面VIII，同时将蜗壳出口段隔舌位置设置为第九断面IX，将蜗壳出口扩散段中间位置设置为第十断面X；以蜗壳隔舌处逆时针旋转180°到第七断面之间位置作为隔板始端取值位置；以第八断面到第十断面作为隔板末端的取值范位置，将隔板厚度定位8mm-12mm作为第三个设计参数；S3：采用最优拉丁超立方设计方法对隔板的三个设计参数进行多组方案设计；S4：将通过最优拉丁超立方方法设计的多组方案进行三维建模，并将其导入网格软件进行非结构网格化分，再通过数值模拟软件对其进行数值模拟计算，分析得出不同模型的扬程H、效率分布η，以及叶轮径向力情况Fr；S5：采用Kriging模型建立目标函数与输入变量之间的近似函数关系，并应用优化算法对近似函数进行求解，通过多岛遗传算法，并运用R平方误差分析方法对近似模型的可信程度进行分析，得到双蜗壳混流泵隔板的三个最优设计参数；S6：将双蜗壳混流泵隔板起始位置之间采用对数螺旋线进行连接。
上述方案中，对数螺旋线上任意位置点的坐标表示为其中α为液体流动方向与圆周方向的夹角；为任一点与隔舌位置的夹角；R为隔板距基圆中心的距离。
上述方案中，采用最优拉丁超立方方法对隔板三个设计参数进行20组方案的设计。
本发明的有益效果是：(1)该设计的里面包含采用最优拉丁超立方方法选取多种方案，保证选取参数点均匀分布于参数设计范围内。(2)采用Kriging模型建立目标函数与输入变量之间的近似函数关系，并应用优化算法对近似函数进行求解。(3)通过多岛遗传算法，缩短计算周期和减小计算资源占用，快速高效的获得最优方案。(4)本发明采用的合理的双蜗壳混流泵隔板设计，在既能优化混流泵的水力性能的同时，又可以有效的平衡叶轮的径向力，减小轴向力。(5)本发明为双蜗壳混流泵的隔板设计提供了方法，可以有效减少数值计算资源及缩短优化设计周期，达到设计生产目的。
附图说明
图1双蜗壳混流泵构图
图2隔板优化设计流程图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
(1)如附图1所示，以蜗壳基圆最底处作为第六断面，顺时针每隔45°依次设置为第五断面V、第四断面IV、第三断面III、第二断面II和第一断面I，逆时针方向每隔45°依次设置为第七断面VII和第八端面VIII，同时将蜗壳出口段隔舌位置设置为第九断面IX，将蜗壳出口扩散段中间位置设置为第十断面X；以蜗壳隔舌处逆时针旋转180°到第七断面之间位置作为隔板始端取值位置，本实施例中，逆时针旋转的角度为α，以第八断面到第十断面作为隔板末端的取值范位置，本实施例中，以第八断面位置为参考位置，顺时针朝第十断面旋转的角度为β；将隔板厚度定位8mm-12mm作为第三个优化输入量，厚度为d。
(2)采用最优拉丁超立方设计方法对隔板的三个设计参数进行多组方案设计，最终形成最优拉丁超立方设计的优点在于让所有的试验设计点尽可能均布地分布在设计空间里，具有较好的空间均衡性。
(3)将通过最优拉丁超立方方法设计的多组方案进行三维建模，并将其导入网格软件进行非结构网格化分，再通过数值模拟软件对其进行数值模拟计算，分析得出不同模型的扬程H、效率分布η，以及叶轮径向力情况Fr。
本实施例根据最优拉丁超立方方法对隔板三个设计参数进行了20组方案设计：
5)Kriging模型由回归模型和相关模型两部分构成，其中回归模型为零阶、一阶或二阶多项式拟合。相关模型为有高斯函数、线性函数、指数函数等。设一个n维的设计变量x＝[x1…xn]T，响应值y(x)＝[y1…yn]T，那么响应值可以表示为：
y(x)＝f(x)+ε
f(x)＝αg(x)+h(x)
其中f(x)为近似函数，ε为近似值与响应值之间的随机误差，通常服从(0,σ2)的标准正态分布，σ2为标准差；g(x)为Kriging模型中的回归模型，α为回归系数，h(x)为相关函数，本文中选取Guassian函数为相关函数。
多岛遗传算法是在传统遗传算法的基础又进行了改进，将每个种群分为几个子群，即“岛”，这个可以抑制传统遗传算法中的早熟现象，具有更优良的全局求解能力和求解效率。子岛数设为10，种群数为10，种群遗传代数为50，交叉遗传率为0.9。
采用Kriging近似模型建立了效率、扬程、径向力和3个输入变量之间的近似模型，并应用优化算法对近似函数进行求解，通过多岛遗传算法，并运用R平方误差分析方法对近似模型的可信程度进行分析，得到最优方案如下。
6)双蜗壳混流泵隔板起始位置之间采用对数螺旋线连接，螺旋线上任意位置点的坐标可以表示为其中α为液体流动方向与圆周方向的夹角；为任一点与隔舌位置的夹角；R为隔板距基圆中心的距离。

Claims (3)

1.一种双蜗壳混流泵隔板的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据提供的主要设计参数进行叶轮蜗壳的初始设计；
S2：以蜗壳基圆最底处作为第六断面，顺时针每隔45°依次设置为第五断面V、第四断面IV、第三断面III、第二断面II和第一断面I，逆时针方向每隔45°依次设置为第七断面VII和第八端面VIII，同时将蜗壳出口段隔舌位置设置为第九断面IX，将蜗壳出口扩散段中间位置设置为第十断面X；以蜗壳隔舌处逆时针旋转180°到第七断面之间位置作为隔板始端取值位置；以第八断面到第十断面作为隔板末端的取值范位置，将隔板厚度定位8mm-12mm作为第三个设计参数；
S3：采用最优拉丁超立方设计方法对隔板的三个设计参数进行多组方案设计；
S4：将通过最优拉丁超立方方法设计的多组方案进行三维建模，并将其导入网格软件进行非结构网格化分，再通过数值模拟软件对其进行数值模拟计算，分析得出不同模型的扬程H、效率分布η，以及叶轮径向力情况Fr；
S5：采用Kriging模型建立目标函数与输入变量之间的近似函数关系，并应用优化算法对近似函数进行求解，通过多岛遗传算法，并运用R平方误差分析方法对近似模型的可信程度进行分析，得到双蜗壳混流泵隔板的三个最优设计参数；
S6：将双蜗壳混流泵隔板起始位置之间采用对数螺旋线进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种双蜗壳混流泵隔板的优化设计方法，其特征在于，步骤S6中，对数螺旋线上任意位置点的坐标表示为其中α为液体流动方向与圆周方向的夹角；为任一点与隔舌位置的夹角；R为隔板距基圆中心的距离。
3.根据权利要求1或2所述的一种双蜗壳混流泵隔板的优化设计方法，其特征在于，步骤S3中，采用最优拉丁超立方方法对隔板三个设计参数进行20组方案的设计。
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