CN113779737A - 一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法和装置，涉及机械设计技术领域，方法包括：获取原始叶轮参数；据原始叶轮参数确定目标叶轮尺寸，目标叶轮尺寸包括叶轮进口直径和叶轮出口宽度；根据目标叶轮尺寸优化前盖板流线，并确定得到优化后的前盖板流线的目标叶轮参数，目标叶轮参数包括叶轮进口直径、叶轮出口宽度、下圆弧半径和上圆弧半径中的至少一种。解决了现有技术中在扩大叶轮的使用范围的同时会降低叶轮效率的问题，达到了可以在满足汽蚀性能和缩短制造周期的前提下，选用最佳效率的叶轮，避免使用切割叶轮外径这种降低效率提升使用范围的方法，保证出厂的泵都能运行在最佳效率点。

Description

一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法和装置
技术领域
本发明涉及一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法和装置，属于机械设计技术领域。
背景技术
现有方案中离心泵是通过切割叶轮外径来提升产品的使用范围，随着叶轮外径减少，效率和汽蚀性能都会下降。然而切割叶轮外径无疑在扩大使用范围的同时也降低了叶轮的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法和装置，用于解决现有技术中存在的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
根据第一方面，本发明实施例提供了一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法，获取原始叶轮参数，所述原始叶轮参数包括：流量Q、扬程H、转速n、装置汽蚀余量NPSHa、输送介质密度ρ以及输送介质的饱和蒸汽压P中的至少一种；
根据所述原始叶轮参数确定目标叶轮尺寸，所述目标叶轮尺寸包括叶轮进口直径和叶轮出口宽度；
根据所述目标叶轮尺寸优化前盖板流线，并确定得到优化后的前盖板流线的目标叶轮参数，所述目标叶轮参数包括叶轮进口直径、叶轮出口宽度、下圆弧半径和上圆弧半径中的至少一种。
可选地，所述根据所述目标叶轮尺寸优化前盖板流线，并确定得到优化后的所述前盖板流线的目标叶轮参数，包括：
通过水力设计工具确定所述叶轮的叶轮进口面积至叶轮出口面积均匀变化时的各个候选叶轮参数；
根据确定得到的各个候选叶轮参数确定所述目标叶轮参数。
可选地，所述根据确定得到的各个候选叶轮参数的变化组合确定所述目标叶轮参数，包括：
将每个所述候选叶轮参数所对应的前盖板流线与原始的后盖板流线以及原始的叶片形状，进行三维参数建模；
根据三维参数建模结果确定所述目标叶轮参数。
可选地，所述根据三维参数建模结果确定所述目标叶轮参数，包括：
提取叶轮流体域；
根据所述叶轮流体域划分六面体结构化网格；
对汽蚀余量和效率进行分析，确定得到所述目标叶轮参数。
可选地，所述对汽蚀余量和效率进行分析，确定得到所述目标叶轮参数，包括：
获取模拟性能参数，所述模拟性能参数包括模拟得到的扬程、模拟得到的汽蚀余量以及模拟得到的叶轮扭矩；
在所述性能参数满足目标条件时，确定所述目标叶轮参数。
可选地，所述模拟性能参数包括模拟得到的扬程，所述获取模拟性能参数，包括：
获取模拟得到的叶轮出口压力以及叶轮入口压力；
根据模拟得到的所述叶轮出口压力以及上述叶轮入口压力模拟叶轮的扬程。
可选地，所述模拟性能参数包括模拟得到的汽蚀余量，所述获取模拟性能参数，包括：
获取扬程下降预设比例时所述叶轮的汽蚀余量。
可选地，所述模拟性能参数包括模拟得到的叶轮扭矩，所述获取模拟性能参数，包括：
获取模拟得到的叶片扭矩；
获取模拟得到的由前盖板剪切应力产生的第一扭矩；
获取模拟得到的由后盖板剪切应力产生的第二扭矩；
根据所述叶片扭矩、所述第一扭矩和所述第二扭矩确定叶轮扭矩。
可选地，若所述模拟性能参数包括模拟得到的扬程，则所述目标条件包括模拟得到的扬程大于等于所述叶轮的原始扬程；
若所述模拟性能参数包括模拟得到的汽蚀余量，则所述目标条件包括模拟得到的汽蚀余量小于等于所述叶轮的必须汽蚀余量；
若所述模拟性能参数包括模拟得到的扭矩，则所述目标条件包括模拟得到的扭矩取最小值。
可选地，所述方法还包括：
在确定所述目标叶轮参数之后，通过3D打印蜡膜的方式对叶轮进行打印铸造。
第二方面，提供了一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化装置，所述装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现如第一方面所述的方法。
通过获取原始叶轮参数，所述原始叶轮参数包括：流量Q、扬程H、转速n、装置汽蚀余量NPSHa、输送介质密度ρ以及输送介质的饱和蒸汽压P中的至少一种；据所述原始叶轮参数确定目标叶轮尺寸，所述目标叶轮尺寸包括叶轮进口直径和叶轮出口宽度；根据所述目标叶轮尺寸优化前盖板流线，并确定得到优化后的所述前盖板流线的目标叶轮参数，所述目标叶轮参数包括叶轮进口直径、叶轮出口宽度、下圆弧半径和上圆弧半径中的至少一种。解决了现有技术中在扩大叶轮的使用范围的同时会降低叶轮效率的问题，达到了可以在满足汽蚀性能和缩短制造周期的前提下，选用最佳效率的叶轮，避免使用切割叶轮外径这种降低效率提升使用范围的方法，保证出厂的泵都能运行在最佳效率点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法的方法流程图；
图2为本发明一个实施例提供的叶轮轴面投影图的一种可能的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参考图1，其示出了本申请一个实施例提供的一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法的方法流程图，如图1所示，所述方法包括：
步骤101，获取原始叶轮参数，所述原始叶轮参数包括：流量Q、扬程H、转速n、装置汽蚀余量NPSHa、输送介质密度ρ以及输送介质的饱和蒸汽压P中的至少一种；
步骤102，根据所述原始叶轮参数确定目标叶轮尺寸，所述目标叶轮尺寸包括叶轮进口直径和叶轮出口宽度；
实际实现时，可以根据速度系数算法确定所述目标叶轮尺寸。具体的：
确定叶轮进口直径的步骤包括：
（1）、根据所述原始叶轮参数确定叶轮进口当量直径；
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。其中，D0为叶轮进口当量直径，单位为m；k0为叶轮进口直径系数；Q为泵流量，单位为m3/s ；n为泵转速，单位为r/min。实际实现时，若泵为双吸泵，则式中取Q/2。
（2）、根据叶轮进口当量直径确定叶轮进口直径。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。其中，Dj为叶轮进口直径，m；dh为叶轮轮毂直径，m。
可选地，实际实现时，在主要考虑叶轮效率时，k0=3.5～4.0；在兼顾效率和汽蚀时，k0=4.0～4.5；在主要考虑汽蚀时，k0=4.5～5.5。
由上述计算公式可知，可以在原叶轮水力的k0基础上进一步缩小k0，即缩小Dj来提升叶轮效率，但Dj影响叶轮的汽蚀，Dj越小汽蚀性能越差，为了提升叶轮优化实际的成功率,采用NPSHa=NPSH3+P/(ρg)+0.5。其中：NPSHa—装置汽蚀余量，m；NPSH3—必须汽蚀余量，扬程下降3%的汽蚀余量，m；P—输送介质的饱
和蒸汽压，Pa；ρ—输送介质密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；0.5—安全余量，m。
确定叶轮出口宽度的步骤包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；其中，kb—叶轮出口宽度系数。
在原叶轮水力的kb基础上按最佳效率点流量的变化修改kb，即改变b2，来提升叶轮效率。
步骤103，根据所述目标叶轮尺寸优化前盖板流线，并确定得到优化后的所述前盖板流线的目标叶轮参数，所述目标叶轮参数包括叶轮进口直径、叶轮出口宽度、下圆弧半径和上圆弧半径中的至少一种。
可选地，本申请仅优化叶轮轴面投影图上的前盖板流线，并用经验系数控制优化范围。可选地，请参考图2，其示出了叶轮轴面投影图的一种可能的示意图。R1、R2相切，R1、R2的相切线与前盖板出口直线段的角度为θ1，前盖板出口直线段与水平的角度为θ2，可以在三维软件里直接建模，优化时可以在ANSYS软件里的DesignModeler模版参数化建模，ANSYSWorkbench响应面优化的方法找到最优解。其中，R1为前盖板流线的上圆弧半径，R2为前盖板流线的下圆弧半径。如图2所示，前盖板流线划分为逐段相切的水平直线段11、下圆弧段12，上圆弧段13和出口段直线14。
第一，通过水力设计工具确定所述叶轮的叶轮进口面积至叶轮出口面积均匀变化时的各个候选叶轮参数；
LeadePHCad软件批量设计从叶轮进口面积到叶轮出口面积均匀变化的不同Dj、R1、R2、b2组合的叶轮前盖板流线。
其中，叶轮进口面积Sin=π(Dj 2-Dh 2)/4，圆环面积，Dh不做优化，相当于常数；叶轮出口面积Sout=π*D2 2*b2/4，其中D2为叶轮外径，不做优化，相当于常数，在本实施例中用k0控制Dj，kb控制b2，也即R1、R2只是起过渡作用，把进口的水平面积变到出口的垂直90°面积。
第二，根据确定得到的各个候选叶轮参数确定所述目标叶轮参数。
（1）、对于每个候选叶轮参数，将所述候选叶轮参数所对应的前盖板流线与原始的后盖板流线以及原始的叶片形状，进行三维参数建模；
本实施例采用SolidWorks软件进行叶轮三维参数化造型，三维软件里有相对应的Dj、R1、R2、b2参数。
（2）、根据三维参数建模结果确定所述目标叶轮参数。
A、提取叶轮流体域；
本实施例用SpaceClaim软件提取叶轮计算流体域。
B、根据所述叶轮流体域划分六面体结构化网格；
将一个通道的叶轮流体域的划分成小块，关联小块与实体的点线面，把小块划分的网格节点拓扑投影映射到实体中，网格密度值为n=n（L，e）=L/e
n—最终网格节点的密度；
L—方形截面线边长；
e—网格单元大小。
为了保证计算精度和计算速度，网格数量需要控制在200万左右。本案例ICEM CFD软件划分六面体结构化网格。
C、对汽蚀余量和效率进行分析，确定得到所述目标叶轮参数。
a、获取模拟性能参数，所述模拟性能参数包括模拟得到的扬程、模拟得到的汽蚀余量以及模拟得到的叶轮扭矩；
在一种可能的实现方式中，所述模拟性能参数包括模拟得到的扬程，所述获取模拟性能参数，包括：
获取模拟得到的叶轮出口压力以及叶轮入口压力；根据模拟得到的所述叶轮出口压力以及上述叶轮入口压力模拟叶轮的扬程。
H’=（Pout-Pin）/(ρg)；H’为 CFD分析出的扬程，m；H为扬程，m；Pout为CFD分析出的叶轮出口压力，Pa；Pin为CFD分析出的叶轮入口压力，Pa；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。
在另一种可能的实现方式中，所述模拟性能参数包括模拟得到的汽蚀余量，所述获取模拟性能参数，包括：
获取扬程下降预设比例时所述叶轮的汽蚀余量。
在再一种可能的实现方式中，所述模拟性能参数包括模拟得到的叶轮扭矩，所述获取模拟性能参数，包括：
获取模拟得到的叶片扭矩；
获取模拟得到的由前盖板剪切应力产生的第一扭矩；
获取模拟得到的由后盖板剪切应力产生的第二扭矩；
根据所述叶片扭矩、所述第一扭矩和所述第二扭矩确定所述叶轮扭矩。
T=T1+T2+T3；其中，T为CFD分析出的叶轮扭矩，N·m；T1为CFD分析出的叶片扭矩，N·m；T2为CFD分析出的由前盖板剪切应力产生的扭矩，N·m；T3为CFD分析出的由后盖板剪切应力产生的扭矩，N·m。
b、在所述模拟性能参数满足目标条件时，确定所述目标叶轮参数。
若所述模拟性能参数包括模拟得到的扬程，则所述目标条件包括模拟得到的扬程大于等于所述叶轮的原始扬程；也即H’=（Pout-Pin）/(ρg)≥H。
若所述模拟性能参数包括模拟得到的汽蚀余量，则所述目标条件包括模拟得到的汽蚀余量小于等于所述叶轮的必须汽蚀余量；也即NPSH3’≤NPSH3。NPSH3’—CFD分析出扬程H将3%时的汽蚀余量，m；NPSH3—必须汽蚀余量，扬程下降3%的汽蚀余量，m。
若所述模拟性能参数包括模拟得到的扭矩，则所述目标条件包括模拟得到的扭矩取最小值。T=T1+T2+T3=最小值。
通过上述方式即可筛选出最优的Dj、R1、R2、b2组合的叶轮前盖板流线的叶轮，即满足扬程和装置汽蚀余量条件下效率最高的叶轮。本实施例通过CFX软件进CFD分析及与之匹配的流场可视化技术。
可选地，在确定目标叶轮参数之后，为了节约制造成本，提升制造速度，本申请可以通过3D打印蜡膜的方式对叶轮进行打印铸造。
此外，为了提升叶轮铸造的合格率，降低叶轮铸造废品率，利用铸造仿真模拟对叶轮的铸造工艺进行填充、凝固、应力进行仿真模拟，来优化浇冒口设置。并且，利用加工中心（CMM）进行加工后在相应的泵型项目上利用可视化远程实时监控测试系统（DCS）进行性能测试，并在测试合格后出厂。
综上所述，通过获取原始叶轮参数，所述原始叶轮参数包括：流量Q、扬程H、转速n、装置汽蚀余量NPSHa、输送介质密度ρ以及输送介质的饱和蒸汽压P中的至少一种；据所述原始叶轮参数确定目标叶轮尺寸，所述目标叶轮尺寸包括叶轮进口直径和叶轮出口宽度；根据所述目标叶轮尺寸优化前盖板流线，并确定得到优化后的前盖板流线的目标叶轮参数，所述目标叶轮参数包括叶轮进口直径、叶轮出口宽度、下圆弧半径和上圆弧半径中的至少一种。解决了现有技术中在扩大叶轮的使用范围的同时会降低叶轮效率的问题，达到了可以在满足汽蚀性能和缩短制造周期的前提下，选用最佳效率的叶轮，避免使用切割叶轮外径这种降低效率提升使用范围的方法，保证出厂的泵都能运行在最佳效率点的效果。
本申请还提供了一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化装置，所述装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现如上所述的高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法，其特征在于，所述方法包括：
获取原始叶轮参数，所述原始叶轮参数包括：流量Q、扬程H、转速n、装置汽蚀余量NPSHa、输送介质密度ρ以及输送介质的饱和蒸汽压P中的至少一种；
根据所述原始叶轮参数确定目标叶轮尺寸，所述目标叶轮尺寸包括叶轮进口直径和叶轮出口宽度；
根据所述目标叶轮尺寸优化前盖板流线，并确定得到优化后的所述前盖板流线的目标叶轮参数，所述目标叶轮参数包括叶轮进口直径、叶轮出口宽度、下圆弧半径和上圆弧半径中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法，其特征在于，所述根据所述目标叶轮尺寸优化前盖板流线，并确定得到优化后的所述前盖板流线的目标叶轮参数，包括：
通过水力设计工具确定叶轮的叶轮进口面积至叶轮出口面积均匀变化时的各个候选叶轮参数；
根据确定得到的各个候选叶轮参数确定所述目标叶轮参数。
3.根据权利要求2所述的高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法，其特征在于，所述根据确定得到的各个候选叶轮参数确定所述目标叶轮参数，包括：
将每个所述候选叶轮参数所对应的前盖板流线与原始的后盖板流线以及原始的叶片形状，进行三维参数建模；
根据三维参数建模结果确定所述目标叶轮参数。
4.根据权利要求3所述的高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法，其特征在于，所述根据三维参数建模结果确定所述目标叶轮参数，包括：
提取叶轮流体域；
根据所述叶轮流体域划分六面体结构化网格；
对汽蚀余量和效率进行分析，确定得到所述目标叶轮参数。
5.根据权利要求4所述的高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法，其特征在于，所述对汽蚀余量和效率进行分析，确定得到所述目标叶轮参数，包括：
获取模拟性能参数，所述模拟性能参数包括模拟得到的扬程、模拟得到的汽蚀余量以及模拟得到的叶轮扭矩；
在所述模拟性能参数满足目标条件时，确定所述目标叶轮参数。
6.根据权利要求5所述的高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法，其特征在于，所述模拟性能参数包括模拟得到的扬程，所述获取模拟性能参数，包括：
获取模拟得到的叶轮出口压力以及叶轮入口压力；
根据模拟得到的所述叶轮出口压力以及上述叶轮入口压力模拟叶轮的扬程。
7.根据权利要求5所述的高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法，其特征在于，所述模拟性能参数包括模拟得到的汽蚀余量，所述获取模拟性能参数，包括：
获取扬程下降预设比例时叶轮的汽蚀余量。
8.根据权利要求5所述的高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法，其特征在于，所述模拟性能参数包括模拟得到的叶轮扭矩，所述获取模拟性能参数，包括：
获取模拟得到的叶片扭矩；
获取模拟得到的由前盖板剪切应力产生的第一扭矩；
获取模拟得到的由后盖板剪切应力产生的第二扭矩；
根据所述叶片扭矩、所述第一扭矩和所述第二扭矩确定所述叶轮扭矩。
9.根据权利要求5至8任一所述的高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法，其特征在于：
若所述模拟性能参数包括模拟得到的扬程，则所述目标条件包括模拟得到的扬程大于等于叶轮的原始扬程；
若所述模拟性能参数包括模拟得到的汽蚀余量，则所述目标条件包括模拟得到的汽蚀余量小于等于叶轮的必须汽蚀余量；
若所述模拟性能参数包括模拟得到的扭矩，则所述目标条件包括模拟得到的扭矩取最小值。
10.根据权利要求1至8任一所述的高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法，其特征在于，所述方法还包括：
在确定所述目标叶轮参数之后，通过3D打印蜡膜的方式对叶轮进行打印铸造。
11.一种高效叶轮融合智能化快速响应的优化装置，其特征在于：所述装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现如权利要求1至10任一所述的高效叶轮融合智能化快速响应的优化方法。
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