CN111832137B - 一种基于数据库的离心泵智能化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数据库的离心泵智能化设计方法；包括以下步骤：对现存的离心泵，建立标准的参数化数据，主要包括几何参数和水力参数，形成样本的原型空间，记为{S_p}。将离心泵参数转换到统一的流量Q、转速n下，形成样本的标准空间，记为{S_d}。对样本的原型空间{S_p}和标准空间{S_d}建立数据库，对标准空间{S_d}的子空间建立代理模型。将设计需求{D_d}的输入参数转换至标准空间。建立匹配度评价方法，从数据库中筛选最符合设计要求的样本。反算几何参数得到设计方案，对设计方案进行评估。如果筛选的方案不能满足要求，则通过代理模型和遗传算法的配合，迭代寻优，得到设计结果。本发明设计速度快、可靠性高、可扩展性强。

Description

一种基于数据库的离心泵智能化设计方法

技术领域

本发明涉及一种设计方法，具体涉及一种通过统一的参数体系，充分吸纳已有的泵产品性能数据，在实测结果的支撑下，建立样本空间和数据库和相应的代理模型，通过直接取样和代理模型优化的方式，得到设计结果的基于数据库的离心泵智能化设计方法。

背景技术

泵是一种在农业、化工、航天、市政、冶金、水利等领域中广泛应用的流体增压、输送设备。

与世界顶尖的水泵设计水平相比，我国的泵设计、制造还有一定的提升空间，尤其是在水泵的能效方面。也正因如此，泵的设计、制造、运行有着显著的节能减排优化空间。此外，在泵的消费端，有越来越多的需求案例不能直接从系列产品中选型，需要按照性能保证值进行新的水力设计。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种通过统一的参数体系，充分吸纳已有的泵产品性能数据，在实测结果的支撑下，建立样本空间和数据库和相应的代理模型，通过直接取样和代理模型优化的方式，得到设计结果的基于数据库的离心泵智能化设计方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于数据库的离心泵智能化快速设计方法，包括如下步骤：

步骤1：对现存的离心泵，建立标准的参数化数据。离心泵几何分为叶轮和蜗壳两部分。其中，叶轮的几何要素包括叶片数量、子午面流道形状、叶片中弧线、叶片厚度等；蜗壳的几何要素包括若干断面面积、断面的形状、隔舌等。离心泵的性能数据，主要包括最有效率工况下的流量Q、扬程H、转速n、效率η、轴功率P等。为了描述方便，将泵样本以真实数据描述的几何、性能等参数作为样本的原型空间，记为{S_p}。

步骤2：将离心泵参数按照一定的规则，转换到统一的流量Q、转速n下。为了描述方便，下文中以下标p表示泵原型参数，以下标d表示转换后的泵参数。

其转换方法描述如下：

步骤2.1：求解H_d，计算公式为：

步骤2.2：求解P_d，计算公式为：

步骤2.3：求解长度缩放系数λ₁，计算公式为：

其中L表示泵的长度尺寸参数，例如叶轮的轮毂直径、入口直径、出口直径、出口宽度、蜗壳的基圆直径、出口直径等。这样，即可计算转换后离心泵的各种长度尺寸。

步骤2.4：保持离心泵的角度尺寸，即叶片安放角、叶片包角、隔舌安放角不变，得到转换后离心泵的各种角度尺寸。

步骤2.5：计算水力效率η_d，计算公式为：

步骤2.6：计算雷诺数Re，计算公式为：

得到原型和转换后的离心泵雷诺数。

为了描述方便，将泵样本以转换后数据描述的几何、性能等参数作为样本的标准空间，记为{S_d}

步骤3：建立智能化的数据库和子空间代理模型。

步骤3.1：将所有泵样本在样本空间和标准空间中的几何、性能等参数作为元素，建立数据库。

步骤3.2：数据库按照H_d的值，分为具有一定重叠度的若干组。对每组的标准空间建立代理模型，映射关系以几何参数作为变量，以水力性能作为函数。

步骤4：对设计需求{D_d}的输入参数，即流量Q、扬程H、转速n、效率要求η等进行处理，将其转换为与数据库一致的流量Q和转速n下。为了描述方便，下文以下标dp表示设计需求的原始参数，以下标dd表示设计需求转换后的参数。转换方法与步骤2的公式一致。

步骤5：建立数据库中样本与设计需求的检索和匹配度评价方法。设计需求与数据库样本的匹配度，主要通过最有效率点水力参数来评价。几种评价指标如下：

a.扬程差：标准空间中样本扬程与转换后的设计需求扬程的相对差值，K_H＝(H_d-H_dd)/H_dd×100％。扬程比应处于可接受的范围内，优选设计的要求是尽量接近常数1。

b.效率差：标准空间中样本的水力效率与转换后的设计需求的保证效率之差，Δη＝η_d-η_dd。效率差应处于可接受的范围内，优选设计的要求是尽量接近大值。

c.功率差：标准空间中样本轴功率与转换后设计需求轴功率的相对差值K_P＝(P_d-P_dd)/P_dd×100％。功率差应处于可接受的范围内，优选设计的要求是尽量接近小值。

对上述三个指标，可根据具体的设计任务，任意选择。当设计需求无法给定目标效率和/或轴功率时，也可以采用效率和轴功率的绝对值作为考核指标，他们在很大程度上是等效的。多个指标的作用逻辑，可以是层次递进结构，也可以是加权并用结构。在样本空间中，根据评价方法检索并推荐至少3个样本。

步骤6：按照步骤2的计算方法，反算出样本在设计需求的转速、流量下的缩放比例，得到设计方案的几何参数，作为设计结果{S_r}。通过可靠手段进行评估，以确认是否满足设计需求。评估手段可以是数值模拟、试验测试等的一种或几种合用。

步骤7：若{S_r}中没有满足设计需求的方案，则通过各组标准空间的代理模型，采用遗传算法进行迭代寻优。得到新的设计结果{S_rai}，并对{S_rai}进行评估。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的基于数据库的离心泵智能化设计方法具有如下优点：

1.可靠性高。本发明的几何参数和最优效率点参数均来自于实测泵样本数据，基于此建立的数据库和设计结果具有高度的可靠性。

2.设计速度快。通过本发明，工程师在输入设计参数至得到设计结果，仅需数秒至数十秒。

3.可扩展性强。本方法定义了标准空间的数据格式，在企业不断积累的过程中，新的泵产品样本可以持续不断的加入到数据库中。此外，在样本评价方法中可以灵活选择层次递进或加权并用结构，这使得本方法可以完成多工况、多目标的泵设计任务。

附图说明

图1为本发明技术方案的总体流程图；

表1为样本空间的数据库结构；

表2为标准空间的数据库结构；

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

图1为本发明技术方案的总体流程图；。如图1所示：本发明提供的一种基于数据库的离心泵智能化快速设计方法，包括如下步骤：

步骤1：对现存的离心泵，建立标准的参数化数据。离心泵几何分为叶轮和蜗壳两部分。其中，叶轮的几何要素包括叶片数量、子午面流道形状、叶片中弧线、叶片厚度等；蜗壳的几何要素包括若干断面面积、断面的形状、隔舌等。离心泵的性能数据，主要包括最有效率工况下的流量Q、扬程H、转速n、效率η、轴功率P等。为了描述方便，将泵样本以真实数据描述的几何、性能等参数作为样本的原型空间，记为{S_p}

步骤2：将离心泵参数按照一定的规则，转换到统一的流量Q、转速n下。为了描述方便，下文中以下标p表示泵原型参数，以下标d表示转换后的泵参数。

其转换方法描述如下：

步骤2.1：求解H_d，计算公式为：

步骤2.2：求解P_d，计算公式为：

步骤2.3：求解长度缩放系数λ₁，计算公式为：

其中L表示泵的长度尺寸参数，例如叶轮的轮毂直径、入口直径、出口直径、出口宽度、蜗壳的基圆直径、出口直径等。这样，即可计算转换后离心泵的各种长度尺寸。

步骤2.4：保持离心泵的角度尺寸，即叶片安放角、叶片包角、隔舌安放角不变，得到转换后离心泵的各种角度尺寸。

步骤2.5：计算水力效率η_d，计算公式为：

步骤2.6：计算雷诺数Re，计算公式为：

得到原型和转换后的离心泵雷诺数。

为了描述方便，将泵样本以转换后数据描述的几何、性能等参数作为样本的标准空间，记为{S_d}

步骤3：建立智能化的数据库和子空间代理模型。

步骤3.1：将所有泵样本在样本空间和标准空间中的几何、性能等参数作为元素，建立数据库。

步骤3.2：数据库按照H_d的值，分为具有一定重叠度的若干组。对每组的标准空间建立代理模型，映射关系以几何参数作为变量，以水力性能作为函数。

步骤4：对设计需求{D_d}的输入参数，即流量Q、扬程H、转速n、效率要求η等进行处理，将其转换为与数据库一致的流量Q和转速n下。为了描述方便，下文以下标dp表示设计需求的原始参数，以下标dd表示设计需求转换后的参数。转换方法与步骤2的公式一致。

步骤5：建立数据库中样本与设计需求的检索和匹配度评价方法。设计需求与数据库样本的匹配度，主要通过最有效率点水力参数来评价。几种评价指标如下：

a.扬程差：标准空间中样本扬程与转换后的设计需求扬程的相对差值，K_H＝(H_d-H_dd)/H_dd×100％。扬程比应处于可接受的范围内，优选设计的要求是尽量接近常数1。

b.效率差：标准空间中样本的水力效率与转换后的设计需求的保证效率之差，Δη＝η_d-η_dd。效率差应处于可接受的范围内，优选设计的要求是尽量接近大值。

c.功率差：标准空间中样本轴功率与转换后设计需求轴功率的相对差值K_P＝(P_d-P_dd)/P_dd×100％。功率差应处于可接受的范围内，优选设计的要求是尽量接近小值。

对上述三个指标，可根据具体的设计任务，任意选择。当设计需求无法给定目标效率和/或轴功率时，也可以采用效率和轴功率的绝对值作为考核指标，他们在很大程度上是等效的。多个指标的作用逻辑，可以是层次递进结构，也可以是加权并用结构。在样本空间中，根据评价方法检索并推荐至少3个样本。

步骤6：按照步骤2的计算方法，反算出样本在设计需求的转速、流量下的缩放比例，得到设计方案的几何参数，作为设计结果{S_r}。通过可靠手段进行评估，以确认是否满足设计需求。评估手段可以是数值模拟、试验测试等的一种或几种合用。

步骤7：若{S_r}中没有满足设计需求的方案，则通过各组标准空间的代理模型，采用遗传算法进行迭代寻优。得到新的设计结果{S_rai}，并对{S_rai}进行评估。

下面是一个具体的实施例：一个离心泵的设计任务

设计需求中，规定了离心泵的流量为0.882m³/h，扬程为3.372m，转速为5621rpm，工质的密度为1082kg/m³，轴功率不超过13W。

步骤1-3：建立现存离心泵数据的数据库，这一步对所有设计任务来说是相同的，按照表1表2的格式，对每一个样本的数据进行标签和分类，然后存放即可。本实施例应用的数据库中，将标准空间的流量Q定为300m³/h，转速定为1500rpm。

步骤4：将设计需求转换为与数据库一致的流量和转速下，计算得到H_dd＝28.23m。

步骤5：确定优化设计的检索条件：

条件1：扬程差的范围为[1,1.1]，以接近1为佳；

条件2：在满足条件1的基础上，轴功率尽量低。

本次检索策略使用层次递进结构。输出5个匹配度最高的方案。

步骤6：反算得到设计方案的几何参数，主要参数如下d_H＝1.3mm、D_j＝14.14mm、D₂＝29.5mm、b₂＝2.8mm、θ＝120°、β1为25-40°随着翼展方向均布、β1＝26°。经过评估，叶轮水力效率为82.99％。而用传统的设计方法，得到的叶轮水力效率为81.64％。快速设计结果的轴功率计算值为11.53W。符合设计需求，至此设计过程结束。

表1

表2

上述表1和2中：几何参数包括长度尺寸和角度尺寸。长度尺寸包括轮毂直径dH到叶片厚度t，角度尺寸包括叶片进口安放角β1到隔舌安放角φ0。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于数据库的离心泵智能化设计方法；其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：对现存的离心泵，建立标准的参数化数据；

离心泵几何分为叶轮和蜗壳两部分；其中，叶轮的几何要素包括叶片数量、子午面流道形状、叶片中弧线、叶片厚度；蜗壳的几何要素包括若干断面面积、断面的形状、隔舌；离心泵的性能数据，包括最有效率工况下的流量Q、扬程H、转速n、效率η、轴功率P；为了描述方便，将泵样本以真实数据描述的几何、性能参数作为样本的原型空间，记为{S_p}；

步骤2：将离心泵参数按照一定的规则，转换到统一的流量Q、转速n下；为了描述方便，下文中以下标p表示泵原型参数，以下标d表示转换后的泵参数；为了描述方便，将泵样本以转换后数据描述的几何、性能等参数作为样本的标准空间，记为{S_d}；

步骤3：建立智能化的数据库和子空间代理模型；

步骤4：对设计需求{D_d}的输入参数，即流量Q、扬程H、转速n、效率要求η进行处理，将其转换为与数据库一致的流量Q和转速n下；为了描述方便，下文以下标dp表示设计需求的原始参数，以下标dd表示设计需求转换后的参数；转换方法与步骤2的公式一致；

步骤5：建立数据库中样本与设计需求的检索和匹配度评价方法；通过最有效率点水力参数来评价来设计需求与数据库样本的匹配度；

步骤6：按照步骤2的计算方法，反算出样本在设计需求的转速、流量下的缩放比例，得到设计方案的几何参数，作为设计结果{S_r}；通过可靠手段进行评估，以确认是否满足设计需求；评估手段可以是数值模拟、试验测试的一种或几种合用；

步骤7：若{S_r}中没有满足设计需求的方案，则通过各组标准空间的代理模型，采用遗传算法进行迭代寻优；得到新的设计结果{S_rai}，并对{S_rai}进行评估。

2.根据权利要求1所述的基于数据库的离心泵智能化设计方法，其特征在于，所述步骤2的转换方法如下：

步骤2.1：求解H_d，计算公式为：

步骤2.2：求解P_d，计算公式为：

步骤2.3：求解长度缩放系数λ₁，计算公式为：

其中L表示泵的长度尺寸参数，包括叶轮的轮毂直径、入口直径、出口直径、出口宽度、蜗壳的基圆直径、出口直径；这样，即可计算转换后离心泵的各种长度尺寸；

步骤2.4：保持离心泵的角度尺寸，即叶片安放角、叶片包角、隔舌安放角不变，得到转换后离心泵的各种角度尺寸；

步骤2.5：计算水力效率η_d，计算公式为：

步骤2.6：计算雷诺数Re，计算公式为：

得到原型和转换后的离心泵雷诺数。

3.根据权利要求1所述的基于数据库的离心泵智能化设计方法，其特征在于，所述步骤3的数据库和代理模型的建立方法如下：

步骤3.1：将所有泵样本在样本空间和标准空间中的几何、性能参数作为元素，建立数据库；

步骤3.2：数据库按照H_d的值，分为具有一定重叠度的若干组；对每组的标准空间建立代理模型，映射关系以几何参数作为变量，以水力性能作为函数。

4.根据权利要求1所述的基于数据库的离心泵智能化设计方法，其特征在于，步骤4中的几种评价指标如下：

a.扬程差：标准空间中样本扬程与转换后的设计需求扬程的相对差值，K_H＝(H_d-H_dd)/H_dd×100％；

b.效率差：标准空间中样本的水力效率与转换后的设计需求的保证效率之差，Δη＝η_d-η_dd；

c.功率差：标准空间中样本轴功率与转换后设计需求轴功率的相对差值K_P＝(P_d-P_dd)/P_dd×100％；

当设计需求无法给定目标效率和/或轴功率时，采用效率和轴功率的绝对值作为考核指标。

5.根据权利要求1所述的基于数据库的离心泵智能化设计方法，其特征在于，步骤5中的多个指标的作用逻辑，为层次递进结构或是加权并用结构；在样本空间中，根据评价方法检索并推荐至少3个样本。

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