CN113032920A - 一种基于正交试验的航空燃油离心泵优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于正交试验的航空燃油离心泵优化设计方法，解决现有优化设计方法实验次数多，优化效率低的不足之处。该优化设计方法包括：1)根据优化目标选取优化变量；2)对步骤1)选取的优化变量进行分类；3)建立正交试验组合；4)建立模型并进行数值仿真模拟；5)分析试验结果获得各优化目标的最优结果；6)将各优化目标的最优试验方案相结合，便得到航空燃油离心泵的最优设计方案。

Description

一种基于正交试验的航空燃油离心泵优化设计方法

技术领域

本发明属于航空离心泵设计技术领域，尤其涉及种基于正交试验的航空燃油离心泵优化设计方法。

背景技术

由于航空燃油离心泵特殊的运行条件以及流量大、转速高等特点，相比其他行业，其损失、汽蚀问题更为突出。目前针对航空燃油离心泵的多目标优化设计研究却相对较少，因此兼顾效率与抗汽蚀的优化设计很有意义。

目前对于效率和抗汽蚀性能的优化，常用方法一般是通过经验公式或者代理模型构建几何参数与性能之间的关系，之后采用不同优化目标的加权组合作为评价标准，选取优化变量进行优化；该优化方法的优化变量较多，达到6个甚至以上；例如：

朱柏林等基于遗传算法以提升水力效率和空化性能为目标，消除性能曲线驼峰和模型泵无过载为约束条件构建数学寻优模型，对离心泵的效率与汽蚀性能进行优化。其优化目标函数为

式中ω_i为对应分目标函数f_i(x)的权重系数，f_i ^*为分目标函数f_i(x)的理想值。选用的优化变量有进口直径、进口宽度、叶片进口安放角、出口直径、出口宽度、出口安放角等。

李嘉基于损失模型和SQP(Sequential Quadratic Programming)算法的多目标优化设计及仿真研究。其选用的优化目标函数为

式中，b₁、b₂、b₃为权重系数，η为效率，n为汽蚀余量。选用的优化变量为进口直径、进口宽度、进口直径、出口宽度、蜗壳进口直径、基圆直径。

如果借鉴优化目标加权组合的思想，利用传统的正交试验方法，将优化目标的加权组合函数作为优化目标，选取6个优化变量，每个变量选取3个水平，建立6因素3水平的正交实验表，需要进行27次实验，实验次数多，优化效率低。

发明内容

本发明的目的在于解决现有优化设计方法实验次数多，优化效率低的不足之处，而提供一种基于正交试验的航空燃油离心泵优化设计方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种基于正交实验的航空燃油离心泵优化设计方法，其特征之处：包括以下步骤：

1)根据优化目标选取优化变量

所述优化目标是指离心泵的抗汽蚀性能和效率特性；

所述优化变量包括叶轮进口直径、叶片进口沿后盖板前掠角度、叶片进口冲角、叶轮出口宽度、叶片包角以及出口直径；

2)对步骤1)选取的优化变量进行分类

根据所述优化变量对航空燃油离心泵各优化目标的影响程度进行分类，将对优化目标影响大的变量作为该优化目标的优化变量；

其中，由于在一定范围内叶轮出口宽度、叶片包角、出口直径对于离心泵的抗汽蚀性能的影响相对于叶轮进口直径、叶片进口沿后盖板前掠角度、叶片进口冲角的影响较小，因此，对离心泵的抗汽蚀性能进行优化时，仅仅选取叶轮进口直径、叶片进口沿后盖板前掠角度、叶片进口冲角作为优化变量；

同样，由于叶轮进口直径、叶片进口沿后盖板前掠角度、叶片进口冲角在一定范围内对于离心泵效率特性的影响相较于叶轮出口宽度、叶片包角、叶轮出口直径而言较小，因此，对离心泵的效率特性进行优化时，仅仅选取叶轮出口宽度、叶片包角、出口直径作为优化变量；

3)建立正交试验组合

针对各优化目标分别建立正交试验组合，并分别生成正交试验表；

4)建立模型并进行数值仿真模拟

4.1)按照步骤3)所述正交试验表中每个试验方案所给出的参数，对已有航空燃油离心泵模型进行参数修改，生成对应的航空燃油离心泵模型；

4.2)对每个试验方案对应的航空燃油离心泵模型进行数值模拟仿真，得到各优化目标所有试验方案的仿真结果；

5)分析试验结果获得各优化目标的最优结果

分别对各优化目标所有试验方案的仿真结果进行方差分析，得到各优化目标选取的优化变量对该优化目标的影响程度排序，从而获得各优化目标的最优试验方案；

6)将各优化目标的最优试验方案相结合，便得到航空燃油离心泵的最优设计方案。

进一步地，为了验证优化结果，还包括：

7)对采用步骤6)最优设计方案的航空燃油离心泵进行流场分析，对比优化前后性能，确认优化成果。

进一步地，步骤3)生成正交试验表时，每个优化变量选取三个水平，根据水平数与优化变量生成正交实验表。

进一步地，步骤4)中，对于离心泵的抗汽蚀性能，其仿真结果指的是离心泵模型的临界汽蚀余量；

对于离心泵的效率特性，其仿真结果指的是离心泵模型的设计点的效率。

同时，本发明还提供了一种航空燃油离心泵，其特殊之处在于：采用上述基于正交实验的航空燃油离心泵优化设计方法设计得到。

本发明的优点是：

本发明提供了一种基于正交试验设计的离心泵汽蚀特性与效率性能的多目标优化方法，根据对于不同优化目标，优化变量影响大小不同的特点，进行多次单目标优化，优化时选取影响性较大变量的作为优化变量，减少了优化变量的数目，提高了优化效率。与背景技术相比，原本6因素3水平的正交实验需要进行27次，利用这种方法，将实验次数减小至18次，在满足优化要求的同时能够以减少计算工作量。与此同时，由于对优化变量进行了分类，两次优化过程属于并列关系，两次单目标优化的结果互不影响，因此两次单目标优化可以同时进行分别完成，节省了优化时间，提高了工作效率。

附图说明

图1为离心泵网格划分图；

图2为本发明的抗汽蚀性能优化正交试验临界汽蚀余量的均值主效应图；

图3为本发明的效率特性优化正交试验效率的均值主效应图；

图4为优化前后航空离心泵汽蚀特性对比图；

图5为优化前后航空离心泵扬程特性对比图；

图6为优化前后航空离心泵效率特性对比图；

图7为本发明基于正交试验的航空离心泵优化设计方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

优化设计的对象是比转速为54.14的航空燃油离心泵，设计流量为64m³/h，设计转速为28500r/min。基本几何参数如表1所示：

表1航空离心泵基本几何尺寸

名称	技术参数
		进口直径D<sub>s</sub>	42mm
出口直径D<sub>2</sub>	115mm
		出口宽度b<sub>2</sub>	5mm
叶片进口安放角β<sub>1</sub>	17°
		叶片出口安放角β<sub>2</sub>	15°

现针对抗汽蚀特性与效率性能两个优化目标，优化设计方法如下：

S1.本实施例选取叶轮进口直径、叶片进口沿后盖板前掠角度、叶片进口冲角、叶轮出口宽度、叶片包角、出口直径作为优化变量；

S2.本实施例先进行离心泵的抗汽蚀性能优化，进行抗汽蚀性能优化时确定的优化变量(即因素)分别是叶轮进口直径、叶片进口沿后盖板前掠角度、叶片进口冲角；

S3.每个优化变量选取三个水平，表2为影响因素水平表，其中，叶片进口直径分别设置为40mm、42mm、44mm；叶片进口沿后盖板前掠角度分别设置为0°、30°、60°；叶片进口冲角分别设置为2°、4°、6°，根据水平数和因素数建立正交试验组合，生成正交试验表；

表2影响因素水平表

S4.按照正交试验表中每个试验方案所给出的参数，对已有航空燃油离心泵模型进行参数修改，生成对应的航空燃油离心泵模型；

S5.对每个试验方案对应的航空燃油离心泵模型进行数值模拟仿真生成网格如图1所示，得到每一组模型的临界汽蚀余量，如表3所示：

表3汽蚀正交实验结果表

S6.进行数据的统计分析，在正交试验表中添加仿真结果，根据该仿真结果分别求出每个影响因素(即优化变量)各水平的均值与极差，如表4所示，并绘制效应曲线图，对计算结果进行直观分析如图2；

表4汽蚀正交实验极差分析表

S7.根据效应曲线图得到各种影响因素对航空离心泵汽蚀性能影响的主次顺序为：进口直径、叶片进口沿后盖板前掠角度、进口冲角；

通过正交试验分析可以得到最优的参数组合为：进口宽度为44mm，叶片进口沿后盖板前掠角为30°，进口冲角为2°。

S8.其次进行离心泵的效率性能优化，确定的优化变量(即因素)分别是叶轮出口直径、叶片包角、叶轮出口宽度；

S9.每个优化变量选取三个水平，表5为影响因素水平表，其中，叶轮出口直径分别设置为4mm、5mm、6mm；叶片包角分别设置为120°、140°、160°；叶轮出口直径分别设置为111mm、113mm、115mm，根据水平数和因素数建立正交试验组合，生成正交试验表；

表5影响因素水平表

S10.按照正交试验表中每个试验方案所给出的参数，对已有航空燃油离心泵模型进行参数修改，生成对应的航空燃油离心泵模型；

S11.对每个试验方案对应的航空燃油离心泵模型进行数值模拟仿真，得到每一组模型的效率，如表6所示；

表6效率正交实验结果表

S12.进行数据的统计分析，根据该仿真结果分别求出每个影响因素(即优化变量)各水平的均值与极差，如表7所示，并绘制效应曲线图，对计算结果进行直观分析如图3；

表7效率正交实验极差分析表

S13.根据效应曲线图得到各种影响因素对航空离心泵效率影响的主次顺序为：叶轮出口宽度、出口直径、叶片包角。

通过正交试验分析可以得到效率优化的最优参数组合为：叶轮宽度为5mm，出口直径为115mm，叶片包角为140°。

S14.将两次正交试验得到的最优参数组合相结合，得到最终的优化结果如表8所示；

表8最终优化结果

S15.进行仿真验证

本实施例中的叶轮在优化后设计流量工况下效率提高至74.68％，原始模型效率为72％，效率相对提高；优化后临界汽蚀余量为56m，优化前临界汽蚀余量为62m。图6为优化前后效率曲线对比，图5为优化前后扬程曲线对比，图4为优化前后汽蚀特性曲线对比。

综上，本发明根据选取变量对离心泵的抗汽蚀特性与效率性能的影响大小不同，对选取变量进行分类，之后对单个优化目标以此进行正交试验，从而减少了直接进行正交试验选取的因素的数目，达到减少试验次数的目的。是一种正交试验与数值模拟仿真技术相结合的多目标优化设计方法，以满足航空离心泵高效率、高抗汽蚀性能的需求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于正交试验的航空燃油离心泵优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)根据优化目标选取优化变量

所述优化目标是指离心泵的抗汽蚀性能和效率特性；

所述优化变量包括叶轮进口直径、叶片进口沿后盖板前掠角度、叶片进口冲角、叶轮出口宽度、叶片包角以及出口直径；

2)对步骤1)选取的优化变量进行分类

根据所述优化变量对航空燃油离心泵各优化目标的影响程度进行分类，将对优化目标影响大的变量作为该优化目标的优化变量；

其中，在对离心泵的抗汽蚀性能进行优化时选取叶轮进口直径、叶片进口沿后盖板前掠角度、叶片进口冲角作为优化变量；

在对离心泵的效率特性进行优化时选取叶轮出口宽度、叶片包角以及出口直径作为优化变量；

3)建立正交试验组合

针对各优化目标分别建立正交试验组合，并分别生成正交试验表；

4)建立模型并进行数值仿真模拟

4.1)按照步骤3)所述正交试验表中每个试验方案所给出的参数，对已有航空燃油离心泵模型进行参数修改，生成对应的航空燃油离心泵模型；

4.2)对每个试验方案对应的航空燃油离心泵模型进行数值模拟仿真，得到各优化目标所有试验方案的仿真结果；

5)分析试验结果获得各优化目标的最优结果

分别对各优化目标所有试验方案的仿真结果进行方差分析，得到各优化目标选取的优化变量对该优化目标的影响程度排序，从而获得各优化目标的最优试验方案；

6)将各优化目标的最优试验方案相结合，便得到航空燃油离心泵的最优设计方案。

2.根据权利要求1所述基于正交试验的航空燃油离心泵优化设计方法，其特征在于，还包括：

7)对采用步骤6)最优设计方案的航空燃油离心泵进行流场分析，对比优化前后性能，确认优化成果。

3.根据权利要求1或2所述基于正交试验的航空燃油离心泵优化设计方法，其特征在于：

步骤3)生成正交试验表时，每个优化变量选取三个水平。

4.根据权利要求3所述基于正交试验的航空燃油离心泵优化设计方法，其特征在于：

步骤4)中，对于离心泵的抗汽蚀性能，其仿真结果指的是离心泵模型的临界汽蚀余量；

对于离心泵的效率特性，其仿真结果指的是离心泵模型的设计点的效率。

5.一种航空燃油离心泵，其特征在于：采用权利要求1～4任一所述基于正交试验的航空燃油离心泵优化设计方法设计得到。

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