CN107829975B - 一种侧流道泵水力性能快速优化设计方法 - Google Patents

一种侧流道泵水力性能快速优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种侧流道泵水力性能的快速优化设计方法，可以分别根据叶轮和侧流道的效率计算公式，找出影响侧流道泵性能的主要几何参数，从而有针对性地对侧流道泵水力性能进行快速优化。本发明中的快速优化方法主要为：选取侧流道泵内部过流部件的一个微元体，列出动量守恒关系式，结合泵内水力性能基本方程式和CFD计算结果，通过联合求解得出侧流道泵理论扬程、轴功率、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，通过调节表达式中的几何参数，从而达到快速优化侧流道泵水力性能的目的。

Description

一种侧流道泵水力性能快速优化设计方法
技术领域
本发明涉及到流体机械设备中超低比转速叶片泵设计技术领域，具体涉及一种侧流道泵水力性能快速优化设计方法。
背景技术
侧流道泵是一种体积小、比转速超低的泵，能在极小流量下稳定运行且获得相对较高的扬程。由于流体在叶轮和侧流道之间螺旋运动，水力损失相对较大，这类泵效率普遍偏低，大部分不到40％，因此提高侧流道泵效率是一项迫切的任务。目前，比较流行的泵水力性能优化设计方法都是CFD优化设计或神经网络法优化设计等，这些方法不能分开得出侧流道泵内叶轮和侧流道的水力效率，因此有时候不能找出泵效率低的主导原因。
本发明中的优化设计方法是：选取侧流道泵内部过流部件的一个微元体，列出动量守恒关系式，结合泵内水力性能基本方程式和CFD计算结果，联合求解得出侧流道泵理论扬程、轴功率、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，找出影响侧流道泵效率的主导原因，通过调节表达式中的几何参数，最终提高侧流道泵的水力性能，从而达到快速优化侧流道泵水力性能的目的，具有重要的实践意义；主要应用于侧流道泵水力优化设计及节能改造，可以分开改进径向叶轮和侧流道的几何参数，以提高侧流道泵的扬程和效率。
发明内容
为了快速优化侧流道泵水力性能，本发明通过微积分思想，将动量守恒方程与泵内水力性能基本关系式联立求解，然后将CFD计算结果部分参数代入方程式，最终获得侧流道泵的水力性能表达式，通过调节表达式中的几何参数，从而达到快速优化侧流道泵水力性能的目的。
一种侧流道泵水力性能快速优化方法，借助微积分思想，选取侧流道泵内部过流部件的一个微元体，列出动量守恒关系式，结合泵内水力性能基本方程式和CFD计算结果，联合求解得出侧流道泵理论扬程、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，通过调节表达式中的几何参数，从而达到快速优化侧流道泵水力性能的目的；所述侧流道泵水力性能满足以下关系式：
η总＝η叶轮·η侧
式中：Qm交换-侧流道的交换质量流量，kg/s；
p-为微元体横截面上的压力，pa；
Qv-体积流量，m3/s；
Qm-质量流量kg/s；
A-流道断面面积，m2；
Cin-进入侧流道的圆周速度，m/s；
C侧-侧流道内圆周速度，m/s；
Htheo-理论扬程，m；
g-重力加速度，m/s2；
η叶轮-叶轮效率；
η侧-侧流道效率；
η总-侧流道泵效率；
ρ-流体密度，kg/m3；
P有效-有效功率，w；
P交换-交换功率，w；
M-电机力矩，N·m；
Ω-叶轮旋转角速度，rad/s。
具体步骤如下：在侧流道计算域上选取一个微元体，如图1所示，分析微元体上各物理量作用大小和方向，列出动量守恒方程式：
dQm交换·(-Cin)+(p+dp)·A-p·A+dQm交换·C侧＝0 (1)
式(1)中：Qm交换为侧流道的交换质量流量，kg/s；A为侧流道的横截面积，m2；p为微元体横截面上的压力，pa；Cin为进入侧流道的圆周速度(假设在整个工况运行过程中Cin保持恒定，取关死点扬程时的圆周速度作为本发明的Cin)，m/s；C侧为侧流道内圆周速度(其值为QV/A,Qv为体积流量)，m/s；整理(1)式可得：
Qm交换·(Cin-C侧)＝Δp·A (2)
式(2)中：Δp为流入和流出侧流道泵的压力差，Pa。
将(2)式代入泵的理论扬程可以得出侧流道泵的理论扬程表达式为：
式(3)中：Htheo为理论扬程，m；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。
由于关死点流量为0，所以C侧＝QV/A＝0，将CFD计算出的关死点扬程Htheo，0(即流量为0时的扬程)代入(3)式，得圆周速度表达式为：
式(4)中，测得侧流道的横截面半径r，得出侧流道的横截面积A＝πr2/2，从CFD计算结果中获取通过侧流道的交换质量流量Qm交换，即可求得圆周速度Cin；
从CFD计算结果中获取扬程H，得到有效功率：
P有效＝Qm·g·H (5)
式(5)中：P有效为有效功率，w；Qm为质量流量，kg/s，即模拟设置中的进口边界条件；H为扬程，m。
由动能定理可以得到交换功率
将C侧＝QV/A代入式(6)可以得：
通过试验测得侧流道泵的电机转速n，得叶轮旋转角速度：
ω＝2πn (8)
利用扭矩测量仪获取侧流道泵的电机力矩M，从而得到叶轮效率、侧流道效率及整个侧流道泵的效率：
叶轮效率
侧流道效率
整个侧流道泵的效率η总＝η叶轮·η侧 (11)
在不同工况下，通过上述步骤对侧流道泵水力性能进行分析计算，利用式(3)、(9)、(10)和(11)可以分别得出侧流道泵理论扬程、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，根据设计要求调节表达式中的几何参数，获得所需的侧流道泵水力性能，如图2所示，从而达到快速优化侧流道泵的目的。
本发明的优点在于：a.从物理模型结合数学方法，提出了一种快速优化侧流道泵水力性能的理论方法，可以分别导出侧流道泵内叶轮和侧流道的水力效率表达式，通过调整相应的几何参数，提高侧流道泵整体的水力性能，为侧流道泵的优化设计提供理论参考；b.本发明提出的优化设计方法可以快速优化侧流道泵性能，缩短设计周期，减少设计成本消耗。
附图说明
图1为侧流道泵水力性能优化方法所取微元体以及作用关系图；
图2为利用本发明方法计算实例的效率曲线图。
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。
图1为侧流道上截取的微元体，根据微元体上作用关系，列出动量守恒方程式，积分后与泵水力性能基本关系式联立求解，得出侧流道泵的扬程、功率、叶轮效率、侧流道效率以及侧流道泵的总效率表达式。
通过CFD计算，将相应物理量Cin,C侧,Qm交换代入上述各公式中，得出侧流道泵各种水力性能参数表达式，根据表达式中几何参数影响规律，指导侧流道泵的水力优化设计。
图2为利用本发明方法分析计算的实例，从图中看出，叶轮、侧流道和总效率分别得到，通过此结果与设计要求的对比分析，对侧流道泵各几何参数进行相应的优化设计。
以具体侧流道泵模型为例，分析侧流道泵在设计点QV＝10m3/h下的水力性能，具体步骤如下：
在侧流道计算域上选取一个微元体，如图1所示，分析微元体上各物理量作用大小和方向，列出动量守恒方程式：
dQm交换·(-Cin)+(p+dp)·A-p·A+dQm交换·C侧＝0 (1)
式(1)中：Qm交换为侧流道的交换质量流量，kg/s；A为侧流道的横截面积，m2；p为微元体横截面上的压力，pa；Cin为进入侧流道的圆周速度(假设在整个工况运行过程中Cin保持恒定，取关死点扬程时的圆周速度作为本发明的Cin)，m/s；C侧为侧流道内圆周速度(其值为QV/A,Qv为体积流量)，m/s。整理(1)式可得：
Qm交换·(Cin-C侧)＝Δp·A (2)
式(2)中：Δp为流入和流出侧流道泵的压力差，Pa。
将(2)式代入泵的理论扬程可以得出侧流道泵的理论扬程表达式为：
式(3)中：Htheo为理论扬程，m；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度m/s2。
由于关死点流量为0，所以C侧＝QV/A＝0，将CFD计算出的关死点扬程Htheo，0(即流量为0时的扬程)代入(3)式，得圆周速度表达式为：
测得实施例中侧流道的横截面的半径r＝0.0176m，得侧流道的横截面积A＝0.5*3.14*0.01762＝4.863*10-4m2，从CFD计算结果中获取通过侧流道的交换质量流量Qm交换＝9.19494kg·s，Htheo,0＝28.15m，即可求得圆周速度
从CFD计算结果中获取扬程H＝15.9m，求得Qm＝ρQV＝10000m3/h。
得到有效功率P有效＝Qm·g·H。
由动能定理可以得到交换功率
将C侧＝QV/A＝10/(3600*4.863*10-4)＝5.71m/s，Cin＝14.59m/s，Qm交换＝9.19494kg·s代入得P交换值。
通过试验测得电机转速n＝1500r/min，得叶轮旋转角速度ω＝2*3.14*n/60＝157rad/s，利用扭矩测量仪获取电机力矩M＝7.13215N·m，从而得到叶轮效率、侧流道效率及整个侧流道泵的效率：
η总＝η叶轮·η侧＝72.1％*53.61％＝38.65％
对比计算结果与设计要求，调整表达式中几何参数，最终快速优化侧流道泵水力性能。
本发明提出的优化设计方法可以快速优化侧流道泵性能，为侧流道泵的优化设计提供理论参考，缩短设计周期，减少设计成本消耗。
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 (2)

1.一种侧流道泵水力性能快速优化方法，其特征在于，借助微积分思想，选取侧流道泵内部过流部件的一个微元体，列出动量守恒关系式，结合泵内水力性能基本方程式和CFD计算结果，联合求解得出侧流道泵理论扬程、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，通过调节表达式中的几何参数，从而达到快速优化侧流道泵水力性能的目的；所述侧流道泵水力性能满足以下关系式：
η总＝η叶轮·η侧 (11)
式中：Qm交换-侧流道的交换质量流量，kg/s；
p-为微元体横截面上的压力，pa；
Qv-体积流量，m3/s；
Qm-质量流量kg/s；
A-流道断面面积，m2；
Cin-进入侧流道的圆周速度，m/s；
C侧-侧流道内圆周速度，m/s；
Htheo-理论扬程，m；
g-重力加速度，m/s2；
η叶轮-叶轮效率；
η侧-侧流道效率；
η总-侧流道泵效率；
ρ-流体密度，kg/m3；
P有效-有效功率，w；
P交换-交换功率，w；
M-电机力矩，N·m；
Ω-叶轮旋转角速度，rad/s；
所述优化方法具体包括如下步骤：
在侧流道计算域上选取一个微元体，分析微元体上各物理量作用大小和方向，列出动量守恒方程式：
dQm交换·(-Cin)+(p+dp)·A-p·A+dQm交换·C侧＝0 (1)
式(1)中：Qm交换为侧流道的交换质量流量，kg/s；A为侧流道的横截面积，m2；p为微元体横截面上的压力，pa；Cin为进入侧流道的圆周速度，假设在整个工况运行过程中Cin保持恒定，取关死点扬程时的圆周速度作为Cin，m/s；C侧为侧流道内圆周速度，即其值为QV/A,Qv为体积流量，m/s；整理公式(1)可得：
Qm交换·(Cin-C侧)＝Δp·A (2)
式(2)中：Δp为流入和流出侧流道泵的压力差，Pa；
将公式(2)带入理论扬程公式，理论扬程从而得到侧流道泵的理论扬程公式：
式(3)中：Htheo为理论扬程，m；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；
关死点流量为0，所以C侧＝QV/A＝0，将CFD计算出的关死点扬程Htheo，0，即流量为0时的扬程代入(3)式，得圆周速度表达式为：
式(4)中，测得侧流道的横截面半径r，得出侧流道的横截面积A＝πr2/2，从CFD计算结果中获取通过侧流道的交换质量流量Qm交换，即可求得圆周速度Cin；
从CFD计算结果中获取扬程H，得到有效功率：
P有效＝Qm·g·H (5)
式(5)中：P有效为有效功率，w；Qm为质量流量，kg/s，即模拟设置中的进口边界条件；H为扬程，m；
由动能定理可以得到交换功率
将C侧＝QV/A代入式(6)可以得：
通过试验测得侧流道泵的电机转速n，得叶轮旋转角速度：
ω＝2πn (8)
利用扭矩测量仪获取侧流道泵的电机力矩M，从而得到叶轮效率、侧流道效率及整个侧流道泵的效率：
叶轮效率
侧流道效率
2.根据权利要求1所述的侧流道泵水力性能快速优化方法，其特征在于，在不同工况下，通过上述步骤对侧流道泵水力性能进行分析计算，利用式(3)、(9)、(10)和(11)可以分别得出侧流道泵理论扬程、叶轮和侧流道的效率以及侧流道泵的总效率的表达式，根据设计要求调节表达式中的几何参数，获得所需的侧流道泵水力性能。
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