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离心泵多工况水力设计和优化及其应用

王凯  
【摘要】:由于受到运行条件的限制,离心泵常在非设计工况下运行,特别是核电用泵及舰船用泵常在多个工况下运行,而现有的单点水力设计方法仅满足设计工况的性能要求,非设计工况的性能在设计时则不够重视。因此,在单点设计的基础上同时满足非设计工况性能的离心泵多工况水力优化设计技术是亟待解决的难题之一,这对提高离心泵的多个工况点加权平均效率、扩大高效区范围、改善内部不稳定流动具有十分重要的学术意义和实用价值。 本文在国家杰出青年科学基金项目(50825902)和江苏省科技成果转化专项资金项目(BA2010155)的资助下,针对离心泵多工况水力设计及优化问题,在理论分析、数值模拟和试验研究的基础上提出了一种离心泵多工况水力设计与优化方法。本文的主要工作和创造性成果有: 1.基于泵内各项损失得到了离心泵全工况能量性能计算模型,不仅能对离心泵进行多工况水力设计,还可以对已有的离心泵进行多工况水力优化设计。选取了6台不同比转数的离心泵进行性能计算,并与试验值进行比较。结果表明扬程和效率计算误差均在5%以内,能够满足多工况水力设计的要求。提出了一种损失系数修正方法,以提高多工况水力优化设计的准确性。采用Pointer优化算法修正了一比转数为92.7的离心泵性能计算模型中各损失系数,同时比较了7组不同叶片出口角、出口宽度、叶片数的离心泵性能计算值和试验值,研究表明误差小于4%,可以满足多工况水力优化设计的要求。 2.首次提出了一种离心泵多工况水力性能优化设计方法,即以单点设计的几何参数值为初始条件、多个工况点下扬程值为约束条件、多个工况点的加权平均效率最高(或加权平均功率最小)为目标,基于全局优化算法对离心泵多工况水力性能优化设计问题进行求解,其中目标函数的权重因子由超传递近似法确定。一比转数为129.3的离心泵多工况水力优化设计结果验证了该方法的可行性,结果表明多工况优化得到的0.6Qd、1.0Qd和1.2Qd工况的加权平均效率比优化前高0.46个百分点。 3.采用Isight集成Pro/E、Gambit和Fluent,首次实现了离心泵叶轮轴面图多工况全自动CFD优化,即以叶轮轴面图上的R0、R1、R2、T1、T2为设计变量,多个工况点的加权平均水力效率最高为目标进行自动数值优化,其中试验样本由最优拉丁方方法确定、目标函数的权重因子由超传递近似法确定。采用该方法对一比转数为84.8的离心泵叶轮轴面图进行了优化,结果表明:0.8Qd、1.0Qd和1.2Qd工况的加权平均水力效率从82.68%增加到84.10%,提高了1.42个百分点。 4.基于离心泵多工况水力性能优化设计方法和叶轮轴面图多工况自动CFD优化方法发展了一种离心泵多工况水力设计和优化方法。该方法不仅能在单点水力设计的基础上对离心泵进行多工况水力设计,还可以对已有的离心泵进行多工况水力优化设计。采用该方法对导叶式离心泵进行了多工况水力设计,并对双叶片离心泵进行了多工况水力优化设计,同时进行了试验验证。导叶式离心泵的多工况水力设计结果表明:19.7m3/h工况的扬程误差为+1.95%:32.8m3/h工况的扬程误差为-1.06%;45.9m3/h工况的扬程为误差为-4.22%。双叶片离心泵的多工况水力优化设计结果表明:0.8Qd、1.0Qd和1.2Qd工况的效率分别增加了1.76、1.11和1.69个百分点,且三个工况的加权平均效率比优化前增加了1.46个百分点。 5.采用PIV技术对0.6Qd、0.8Qd、1.OQd、1.2Qd和1.4Qd工况下导叶式离心泵内部流动进行了测量。其中,采用光纤技术制作外触发同步系统,保证变频器发出的电信号不干扰同步拍摄;采用等效标定方法,提高了测量精度;开发了功能较齐全的离心泵PIV测量速度处理软件,不仅能处理二维PIV,还可以处理三维PIV,能够得到相对速度、轴向速度、动压、角动量、无因次速度w/u、v/u、vm/u、vu/u、绝对液流角、相对液流角等。测量结果表明:在0.6Qd-1.4Qd范围内流态较好;导叶叶片凸面存在低速区域,但没有产生回流;正对环形压水室出口的导叶流道内,导叶叶片凸面出口区域的速度较小,但没有出现明显的漩涡。 6.为了比较双叶片离心泵多工况优化前后内部流场的变化,采用PIV技术测量其内部非定常流动。研究表明:0.2Qd和0.4Qd工况下,优化前后叶轮内都产生了失速,而优化后的失速区明显小于优化前;0.6Qd和0.8Qd工况下,优化前后叶轮内都存在漩涡区,而优化后的漩涡区明显小于优化前;1.0Qd、1.2Qd和1.4Qd工况下,优化后的叶轮内部流态较好,而优化前叶轮内则存在漩涡和回流。


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