離心泵多工況水力設(shè)計(jì)和優(yōu)化及其應(yīng)用.pdf

1、由于受到運(yùn)行條件的限制，離心泵常在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，特別是核電用泵及艦船用泵常在多個(gè)工況下運(yùn)行，而現(xiàn)有的單點(diǎn)水力設(shè)計(jì)方法僅滿足設(shè)計(jì)工況的性能要求，非設(shè)計(jì)工況的性能在設(shè)計(jì)時(shí)則不夠重視。因此，在單點(diǎn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上同時(shí)滿足非設(shè)計(jì)工況性能的離心泵多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是亟待解決的難題之一，這對提高離心泵的多個(gè)工況點(diǎn)加權(quán)平均效率、擴(kuò)大高效區(qū)范圍、改善內(nèi)部不穩(wěn)定流動(dòng)具有十分重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。
　　 本文在國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(50

2、825902)和江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目(BA2010155)的資助下，針對離心泵多工況水力設(shè)計(jì)及優(yōu)化問題，在理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出了一種離心泵多工況水力設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有：
　　 1.基于泵內(nèi)各項(xiàng)損失得到了離心泵全工況能量性能計(jì)算模型，不僅能對離心泵進(jìn)行多工況水力設(shè)計(jì)，還可以對已有的離心泵進(jìn)行多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)。選取了6臺(tái)不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵進(jìn)行性能計(jì)算，并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較。結(jié)果

3、表明揚(yáng)程和效率計(jì)算誤差均在5％以內(nèi)，能夠滿足多工況水力設(shè)計(jì)的要求。提出了一種損失系數(shù)修正方法，以提高多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。采用Pointer優(yōu)化算法修正了一比轉(zhuǎn)數(shù)為92.7的離心泵性能計(jì)算模型中各損失系數(shù)，同時(shí)比較了7組不同葉片出口角、出口寬度、葉片數(shù)的離心泵性能計(jì)算值和試驗(yàn)值，研究表明誤差小于4％，可以滿足多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。
　　 2.首次提出了一種離心泵多工況水力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，即以單點(diǎn)設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)值為初始

4、條件、多個(gè)工況點(diǎn)下?lián)P程值為約束條件、多個(gè)工況點(diǎn)的加權(quán)平均效率最高(或加權(quán)平均功率最小)為目標(biāo)，基于全局優(yōu)化算法對離心泵多工況水力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行求解，其中目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重因子由超傳遞近似法確定。一比轉(zhuǎn)數(shù)為129.3的離心泵多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性，結(jié)果表明多工況優(yōu)化得到的0.6Qd、1.0Qd和1.2Qd工況的加權(quán)平均效率比優(yōu)化前高0.46個(gè)百分點(diǎn)。
　　 3.采用Isight集成Pro/E、Gambit和F

5、luent，首次實(shí)現(xiàn)了離心泵葉輪軸面圖多工況全自動(dòng)CFD優(yōu)化，即以葉輪軸面圖上的R0、R1、R2、T1、T2為設(shè)計(jì)變量，多個(gè)工況點(diǎn)的加權(quán)平均水力效率最高為目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)數(shù)值優(yōu)化，其中試驗(yàn)樣本由最優(yōu)拉丁方方法確定、目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重因子由超傳遞近似法確定。采用該方法對一比轉(zhuǎn)數(shù)為84.8的離心泵葉輪軸面圖進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明：0.8Qd、1.0Qa和1.2Qd工況的加權(quán)平均水力效率從82.68％增加到84.10％，提高了1.42個(gè)百分點(diǎn)。

6、　　 4.基于離心泵多工況水力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和葉輪軸面圖多工況自動(dòng)CFD優(yōu)化方法發(fā)展了一種離心泵多工況水力設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。該方法不僅能在單點(diǎn)水力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對離心泵進(jìn)行多工況水力設(shè)計(jì)，還可以對已有的離心泵進(jìn)行多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用該方法對導(dǎo)葉式離心泵進(jìn)行了多工況水力設(shè)計(jì)，并對雙葉片離心泵進(jìn)行了多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。導(dǎo)葉式離心泵的多工況水力設(shè)計(jì)結(jié)果表明：19.7m3/h工況的揚(yáng)程誤差為+1.95％；32.8m3/h

7、工況的揚(yáng)程誤差為-1.06％；45.9m3/h工況的揚(yáng)程為誤差為-4.22％。雙葉片離心泵的多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果表明：0.8Qd、1.0Qd和1.2Qa工況的效率分別增加了1.76、1.11和1.69個(gè)百分點(diǎn)，且三個(gè)工況的加權(quán)平均效率比優(yōu)化前增加了1.46個(gè)百分點(diǎn)。
　　 5.采用PIV技術(shù)對0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd和1.4Qd工況下導(dǎo)葉式離心泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了測量。其中，采用光纖技術(shù)制作外觸發(fā)同步系統(tǒng)，保

8、證變頻器發(fā)出的電信號不干擾同步拍攝；采用等效標(biāo)定方法，提高了測量精度；開發(fā)了功能較齊全的離心泵PIV測量速度處理軟件，不僅能處理二維PIV，還可以處理三維PIV，能夠得到相對速度、軸向速度、動(dòng)壓、角動(dòng)量、無因次速度w/u、v/u、vm/u、vu/u、絕對液流角、相對液流角等。測量結(jié)果表明：在0.6Qd～1.4Qd范圍內(nèi)流態(tài)較好；導(dǎo)葉葉片凸面存在低速區(qū)域，但沒有產(chǎn)生回流；正對環(huán)形壓水室出口的導(dǎo)葉流道內(nèi)，導(dǎo)葉葉片凸面出口區(qū)域的速度較小，但沒