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基于多目标的混流泵叶轮自动优化设计方法研究

雷明川  
【摘要】:混流泵广泛应用于农业、工业和生活生产中,一般核电站的主泵和火电站的循环水泵都为混流泵,在一些如核电等特殊工业领域,对采用混流泵的其各项性能指标和可行性要求极为严格。叶轮作为混流泵的核心部件,其水力设计对混流泵的整体性能有着重要的影响。以往对于混流泵叶轮的水力设计多采用传统的一元理论或者二元理论,该方法能满足一般用泵工业,但是该方法难以满足用泵现代工业应用对于各项性能指标控制和可行性要求。因此,为了提高混流泵运行时的各项性能指标,保证混流泵安全可靠地运行,降低企业设计、生产等成本,迫切需要研究混流泵叶轮水力优化设计理论和方法。本文针对混流泵水力设计中的性能指标要求,探索如何实现基于多目标多工况叶轮水力优化设计方法。将该方法应用于四川川工泵业有限公司研制的某电厂冷却水循环泵的设计中,对该混流泵叶轮进行优化设计研究。文中根据企业提供参数采用传统方法初步设计出混流泵叶轮和后置导叶,根据自动优化设计方法原理,首先对初始叶轮进行参数化拟合,用一系列3次多项式曲线来准确描述叶片的三维数据。混流泵叶轮的自动优化设计中需要评估流场计算结果,需要对混流泵进行全流道数值模拟计算,并提取出叶轮出口静压值。一般地,在混流泵水力设计时,首要关注混流泵的外特性指标,因此基于人工神经的遗传算法,在设计工况下对叶片进出口安放角进行自动优化,提高混流泵效率。其次在非设计工况下,外特性曲线容易出现驼峰、效率和扬程不能达到指标、叶轮内压力不稳定等问题,在以上研究的基础上同样采用人工神经网络的遗传算法对混流泵叶轮进行多目标多工况优化设计,自动优化出混流泵各项目标最优的叶轮。对比分析初始叶轮和优化后叶轮全流道数值计算结果:在设计工况下,优化叶轮的效率提高了2.11%,扬程提高了2.02m;在非设计工况下扬程和效率都有所提高,且外特性曲线无驼峰情况出现;对比分析混流泵的空化性能,优化后的叶轮抗空蚀性能得到了提高;对初始叶轮模型和优化叶轮模型进行压力脉动研究,结果表明:优化叶轮能明显降低叶轮内的压力脉动幅值,最高降低了84.95%,且高频脉动比初始叶轮要少。根据对比分析结果,采用人工神经网络的遗传算法针对混流泵叶轮的自动优化设计取得了较好效果,满足水力设计要求,证明了该套自动优化方法的合理性。本文提出了一套完整的混流泵叶轮的优化设计理论和方法,对提高混流泵性能、降低混流泵运行时产生的噪音与振动和提高机组的安全稳定运行提供理论支撑,为今后混流泵叶轮的优化设计和将该套研究成果应用到其他叶轮机械工业领域中奠定了一定基础。


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