CN109145461B - 一种海水淡化高压泵过流部件匹配优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反渗透海水淡化高压泵过流部件匹配优化设计方法，主要是优化叶轮、导叶和反导叶之间的几何参数匹配。有要包括如下步骤：第一，采用拉丁方试验设计获得海水淡化高压泵多方案设计，然后对泵多参数进行敏感性分析，通过逐一改变相关设计变量数值的方法来解释优化目标受这些因素变动影响大小的规律。同时，采用响应面试验设计方法设计多组试验方案，并建立优化目标和设计变量间的二次项的函数，并进行二次回归分析，从而获得显著影响泵性能的设计变量，去除影响性能较小的设计参数。第三，采用粒子群智能优化算法实现性能的全自动优化，经过多次迭代计算，可以在全局范围内获得最优过流部件参数组合，实现过流部件的性能匹配设计。

Description

一种海水淡化高压泵过流部件匹配优化设计方法
技术领域
本发明涉及到海水淡化系统领域，尤其涉及到一种反渗透海水淡化高压泵的过流部件匹配优化设计方法。
背景技术
海水淡化是全球沿海国家解决淡水资源短缺的重要途径。随着海岛开发、远洋舰船、钻井平台等领域的快速发展，海水淡化装置需求猛增。反渗透海水淡化装备因其占地面积小，能量消耗少，驱动能源需求低等诸多优势，成为最常用的海水淡化装备。海水淡化高压泵是反渗透海水淡化中的三大关键设备之一，其运行能耗占装置总能耗的40％至80％，是影响产品水成本的主要因素。在千吨级及以上反渗透海水淡化工程中，通常采用多级离心泵。但高压多级离心泵的核心技术被外国垄断，且泵设备价格十分昂贵，因此大型海水淡化高压离心泵是目前我国发展大规模反渗透海水淡化技术迫切需要攻克的关键装备之一。
半经验半理论设计方法不能满足泵高效设计要求，特别是对于多级离心泵结构，造成过流部件水力设计不匹配、流动损失大、运行能耗高等问题。另外，目前的优化设计研究主要集中在泵设计工况下单一水力部件几何参数的优化，过流部件性能匹配优化设计不完善，导致流动损失大，无实现高效运行。
发明内容
发明的目的在于提供一种海水淡化高压泵的过流部件匹配优化设计方法，在数值模拟的基础上，采用试验设计、近似模型和优化算法相结合开展过流部件匹配优化设计，从而提高过流部件几何参数的匹配，获得设计工况的最优效率。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种海水淡化高压泵过流部件匹配优化设计方法，包括如下步骤：步骤一，采用拉丁方试验设计获得海水淡化高压泵多方案设计，然后对泵多参数进行敏感性分析，通过逐一改变相关设计变量数值的方法来解释优化目标受这些因素变动影响大小的规律。同时，采用响应面试验设计方法设计多组试验方案，并建立优化目标和设计变量间的二次项的函数，并进行二次回归分析，从而获得显著影响泵性能的设计变量，去除影响性能较小的设计参数。步骤二，采用粒子群智能优化算法实现性能的全自动优化，经过多次迭代计算，可以在全局范围内获得最优过流部件参数组合，实现过流部件的性能匹配设计。
本发明的有益效果是：基于Matlab平台，结合试验设计、近似模型和优化算法开展数值模拟的过流部件的多参数匹配优化设计，通过Matlab调用数值模拟中需要的三维造型、网格划分和数值计算软件，实现自动化计算，达到了在较短的周期内完成对海水淡化高压泵的过流部件的优化设计，获得过流部件参数最佳匹配和泵效率最优的作用。
附图说明
图1为一种海水淡化高压泵的过流部件匹配优化设计方法的流程图。
图2为基于优化算法的泵性能自动优化流程图。
图3为优化后的海水淡化高压泵叶轮水力图。
图4为优化后的海水淡化高压泵导叶和反导叶水力图。
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为本发明一种海水淡化高压泵的过流部件匹配优化设计方法的流程图，步骤一，采用拉丁方试验设计获得海水淡化高压泵多方案设计，然后对泵多参数进行敏感性分析，通过逐一改变相关设计变量数值的方法来解释优化目标受这些因素变动影响大小的规律。同时，采用响应面试验设计方法设计多组试验方案，并建立优化目标和设计变量间的二次项的函数，并进行二次回归分析，从而获得显著影响泵性能的设计变量，去除影响性能较小的设计参数。
步骤二，采用粒子群智能优化算法实现性能的全自动优化，经过多次迭代计算，可以在全局范围内获得最优过流部件参数组合，实现过流部件的性能匹配设计。
实施例：本文以4级海水淡化高压泵改进为例。设计参数具体为：根据离心泵的的设计工况Q＝450m3/h，H＝600m，转速n＝2980r/min；离心泵叶轮、导叶和反导叶的初始参数为：叶轮进口直径Dj＝194mm，叶轮轮毂直径Dh＝120mm，叶轮出口直径D2＝350mm，叶片出口宽度b2＝23mm，叶片进口安放角β1＝35°，叶片出口安放角β2＝31°，叶片包角
Figure BDA0001779602380000031
Figure BDA0001779602380000032
叶轮叶片数zb＝7；导叶进口直径D3＝352mm，导叶进口角α1＝11.2°，导叶进口周向宽度b3＝29mm，导叶进口轴向宽度a3＝29mm，导叶出口周向宽度b4＝39mm，导叶出口轴向宽度a4＝39mm，导叶出口直径D4＝480mm，导叶叶片数zd＝9，导叶出口角α2＝20°，反导叶进口角α3＝20°，反导叶出口角α4＝20°，反导叶进口直径D5＝400mm，反导叶出口直径D6＝168mm，导叶叶片数zr＝11。海水淡化高压泵的装配图如图2所示。
第一步：采用拉丁方试验设计获得海水淡化高压泵的150种方案，然后对泵多参数进行敏感性分析，通过逐一改变相关设计变量数值的方法来解释优化目标受这些因素变动影响大小的规律。同时，采用响应面试验设计方法设计多组试验方案，并建立优化目标和设计变量间的二次项的函数，并进行二次回归分析，从而获得显著影响泵性能的设计变量，去除影响性能较小的设计参数。最终确定叶轮叶片进口安放角、叶轮叶片出口安放角、导叶叶片进口安放角、导叶叶片出口安放角、反导叶叶片进口安放角和反导叶叶片出口安放角共6个设计变量。
第二步：采用粒子群智能优化算法实现性能的全自动优化，以泵设计工况效率为优化目标，给定6个设计变量的范围，在Matlab软件平台上，编写程序调用叶轮、导叶和反导叶三维造型、数值计算和结果处理代码，代码分别为set path＝％path％；C:\ProgramFiles\ANSYS Inc\v150\aisol\BladeModeler\BladeGen BladeBatch bladegen_name.bgibladegen_name.bgd、"C:\Program Files\ANSYS Inc\v150\Framework\bin\Win64\RunWB2.exe"-B-R workbench_name.wbjn、"C:\Program Files\ANSYS Inc\v150\CFX\bin\cfx5mondata.exe"-res C:\Users\Desktop\finalrhrp\workbench_name_files\dp0\CFX\CFX\CFX_001.res-varrule"CATEGORY＝USER POINT"-out workbench_name.csv。。经过60迭代计算，在全局范围内获得最优过流部件参数组合，实现过流部件的性能匹配设计。叶片进口安放角β1＝31°，叶片出口安放角β2＝28°，导叶进口角α1＝10.5°，导导叶出口角α2＝18°，反导叶进口角α3＝22°，反导叶出口角α4＝25°。海水淡化高压泵的装配图如图2所示。最终优化后的泵在设计工况下的效率为73％。海水淡化高压泵的叶轮水力图如图3所示，导叶和反导叶水力图如图4所示，可根据图3图4进行三维模型造型并加工，得到优化后的泵并投入使用。

Claims (1)

1.一种海水淡化高压泵过流部件匹配优化设计方法，包括如下步骤：
步骤一，采用拉丁方试验设计获得海水淡化高压泵多方案设计，然后对泵多参数进行敏感性分析，通过逐一改变相关设计变量数值的方法来解释优化目标受这些因素变动影响大小的规律；同时，采用响应面试验设计方法设计多组试验方案，并建立优化目标和设计变量间的二次项的函数，并进行二次回归分析，从而获得显著影响泵性能的设计变量，去除影响性能较小的设计参数；
步骤二，采用粒子群智能优化算法实现性能的全自动优化，经过多次迭代计算，可以在全局范围内获得最优过流部件参数组合，实现过流部件的性能匹配设计；
所述设计参数具体为：根据离心泵的设计工况Q＝450m3/h，H＝600m，转速n＝2980r/min；离心泵叶轮、导叶和反导叶的初始参数为：叶轮进口直径Dj＝194mm，叶轮轮毂直径Dh＝120mm，叶轮出口直径D2＝350mm，叶片出口宽度b2＝23mm，叶片进口安放角β1＝35°，叶片出口安放角β2＝31°，叶片包角
Figure FDA0004163013000000011
叶轮叶片数zb＝7；导叶进口直径D3＝352mm，导叶进口角α1＝11.2°，导叶进口周向宽度b3＝29mm，导叶进口轴向宽度a3＝29mm，导叶出口周向宽度b4＝39mm，导叶出口轴向宽度a4＝39mm，导叶出口直径D4＝480mm，导叶叶片数zd＝9，导叶出口角α2＝20°，反导叶进口角α3＝20°，反导叶出口角α4＝20°，反导叶进口直径D5＝400mm，反导叶出口直径D6＝168mm，导叶叶片数zr＝11。
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