軸流泵水力模型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、眾所周知，軸流泵葉輪是泵裝置最核心也是最重要的過流部件，其設(shè)計(jì)的好壞直接決定了裝置乃至整個(gè)泵站的綜合效果。隨著日益復(fù)雜的運(yùn)行需求，對(duì)水泵設(shè)計(jì)提出了更高的設(shè)計(jì)要求。目前，國內(nèi)還沒有一種能夠?qū)⑺υO(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融合在一起的協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，也就無法設(shè)計(jì)出滿足復(fù)雜運(yùn)行條件的優(yōu)化葉輪。在當(dāng)前不斷強(qiáng)調(diào)降低能耗的大背景下，耗材和運(yùn)行成本是考慮最多的因素。設(shè)計(jì)過程中考慮降低設(shè)計(jì)制造成本以及運(yùn)行成本時(shí)，葉輪質(zhì)量和運(yùn)行效率這2個(gè)指標(biāo)是最直觀的表象指標(biāo)。除

2、了這2個(gè)指標(biāo)外，設(shè)計(jì)人員還需要考慮軸流泵性能曲線形狀、空化性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等指標(biāo)。一副設(shè)計(jì)成功的軸流泵葉輪，其結(jié)果應(yīng)該是能夠滿足這四個(gè)指標(biāo)的最終協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方案。本文為了提高軸流泵葉輪的綜合性能，系統(tǒng)的對(duì)軸流泵葉輪進(jìn)行多約束、多目標(biāo)、多工況和多學(xué)科（四多）的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，開發(fā)出能夠滿足工程實(shí)際應(yīng)用的軸流泵綜合性能最優(yōu)的葉輪，推動(dòng)國內(nèi)水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及方法的發(fā)展。在節(jié)約能源、降低軸流泵設(shè)計(jì)和制造成本方面具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。同時(shí)在大型泵站更新改造

3、、水力模型設(shè)計(jì)比選方面具有實(shí)際的工程指導(dǎo)意義和重要的理論價(jià)值。
　　本文采用理論分析、數(shù)值模擬、數(shù)值優(yōu)化和模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，對(duì)軸流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法及應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要形成以下研究成果:
　　(1)針對(duì)葉柵稠密度、翼型安放角、翼型厚度和翼型拱度四個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)軸流泵設(shè)計(jì)工況下水力性能進(jìn)行靈敏度分析?？偟膩碚f，翼型安放角對(duì)軸流泵的水力性能影響最大，其次是葉柵稠密度，再其次是翼型拱度，對(duì)結(jié)

4、果影響最小的是翼型厚度。在軸流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)靈敏度分析結(jié)果合理進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇與調(diào)整。
　　(2)介紹了基于數(shù)值模擬的數(shù)值優(yōu)化技術(shù)，提出了DOE分析的因子參數(shù)化建模方法，建立了軸流泵葉輪的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)工況下大尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)工況下，葉片數(shù)越多，汽蝕性能越差，效率越低，葉片數(shù)對(duì)汽蝕性能影響較為顯著。葉片數(shù)越多，揚(yáng)程曲線斜率越大，在大流量區(qū)域揚(yáng)程較低，在小流量區(qū)域揚(yáng)程較高。葉片數(shù)越

5、多，最高效率值越低，高效區(qū)范圍往小流量區(qū)域偏移;設(shè)計(jì)工況下，輪轂比越大，效率越高，但汽蝕性能越差，輪轂比對(duì)汽蝕性能的影響比較顯著。輪轂比越大，揚(yáng)程性能曲線斜率越大，最大揚(yáng)程越高，馬鞍區(qū)揚(yáng)程范圍越大。輪轂比小，高效區(qū)范圍較寬，并往大流量側(cè)分布;改變翼型沖角，其他設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變時(shí)，沖角增大，揚(yáng)程升高，最高效率增大，高效區(qū)往大流量偏移。為了使翼型處于更高質(zhì)量區(qū)，建議輪緣側(cè)翼型沖角在0～3。之間，且比轉(zhuǎn)數(shù)大的取小值。改變輪轂側(cè)和中間斷面翼型沖

6、角時(shí)，設(shè)計(jì)工況下，為了得到較高揚(yáng)程和較高效率的軸流泵葉輪，可以適當(dāng)增加中間斷面的翼型沖角，同時(shí)為了減小葉片扭曲改善非設(shè)計(jì)工況的水力性能，可以適當(dāng)減小輪轂側(cè)的翼型沖角。比轉(zhuǎn)數(shù)保持一致時(shí)，沖角增大，揚(yáng)程的斜率減小，最高效率值保持相當(dāng)，高效區(qū)范圍往大流量偏移且高效區(qū)范圍變寬。泵站實(shí)際工程可根據(jù)最高運(yùn)行揚(yáng)程和最低運(yùn)行揚(yáng)程以及效率曲線的分布情況靈活選擇葉輪葉片數(shù)量;而輪轂比和沖角則可以根據(jù)泵站實(shí)際運(yùn)行水位靈活選取。
　　(3)根據(jù)導(dǎo)葉體的作

7、用及設(shè)計(jì)要求，提出了關(guān)于導(dǎo)葉設(shè)計(jì)優(yōu)劣的3個(gè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。分析了導(dǎo)葉體葉柵稠密度和出口角2個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響，同時(shí)對(duì)導(dǎo)葉體進(jìn)行了自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，最后對(duì)導(dǎo)葉體掃掠性能進(jìn)行了分析研究。設(shè)計(jì)工況下，葉柵稠密度越大，動(dòng)能回收系數(shù)越大，導(dǎo)葉回收的速度環(huán)量越大，出水流道的水力損失越小。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了兼顧設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的水力性能及全工況性能曲線的合理性，導(dǎo)葉出口角取值不宜過小，也不宜過大，可取90°～95°。優(yōu)化后導(dǎo)葉的水力損失下降了40

8、cm;導(dǎo)葉體動(dòng)能回收系數(shù)從41.54％提高到85.74％，優(yōu)化后的導(dǎo)葉體可以回收更多的速度環(huán)量，導(dǎo)葉出口的速度分布均勻度有所提高，可以減小部分出水流道水力損失。設(shè)計(jì)工況揚(yáng)程和效率均隨著掃掠角度增加先增大后減小，在導(dǎo)葉前掠16°左右，軸流泵的效率出現(xiàn)最大值。在大流量工況下軸流泵水力性能基本沒有變化;而在小流量工況下，前掠導(dǎo)葉軸流泵的水力性能明顯要優(yōu)于后掠導(dǎo)葉。
　　(4)提出了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)歸一化的權(quán)重處理方法，針對(duì)泵站各工

9、況運(yùn)行時(shí)間或重要性采用超傳遞矩陣計(jì)算各目標(biāo)的權(quán)重因子。與工程實(shí)際結(jié)合，將工程中提出的最大揚(yáng)程、設(shè)計(jì)揚(yáng)程、平均揚(yáng)程和最小揚(yáng)程概化成基于高效區(qū)三個(gè)流量工況點(diǎn)優(yōu)化、最大揚(yáng)程和最小揚(yáng)程校核的多工況問題。優(yōu)化后在設(shè)計(jì)流量偏小流量時(shí)揚(yáng)程有所減小，偏大流量時(shí)揚(yáng)程稍有提高。設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率有所提高，大流量工況點(diǎn)效率提高了7.4％，小流量工況點(diǎn)效率提高了2.6％。除設(shè)計(jì)流量外兩工況效率均有所提升，效率曲線整體抬高，高效運(yùn)行范圍更寬，優(yōu)化效果明顯。通過試驗(yàn)驗(yàn)

10、證，優(yōu)化后軸流泵效率較高，高效區(qū)范圍明顯變寬，汽蝕性能有著大幅度的提高。
　　(5)通過優(yōu)化拉丁方分析方法對(duì)軸流泵葉輪80個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行多工況的流固耦合計(jì)算，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行靈敏度分析，再對(duì)葉輪水力性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行近似模型建立，最后針對(duì)近似模型采用多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　小流量下的最大變形量受輪轂側(cè)最大翼型厚度影響最大，受其他設(shè)計(jì)變量影響較小。小流量下的最大應(yīng)力與各設(shè)計(jì)變量間均呈現(xiàn)先減小后增大的變化

11、趨勢(shì)，且各設(shè)計(jì)變量的二階主效應(yīng)非常明顯。葉片質(zhì)量的大小與翼型安放角和翼型拱度基本無關(guān)，主要受葉柵稠密度和翼型厚度的影響。響應(yīng)面近似模型的擬合效果要優(yōu)于其他近似模型。優(yōu)化后單張葉片質(zhì)量從0.947kg降低到0.848kg，降幅達(dá)到10.47％，而設(shè)計(jì)工況效率從93.91％提高到94.49％，增幅達(dá)到0.61％，優(yōu)化效果明顯。此外，除了最大應(yīng)力值誤差稍大之外，其他響應(yīng)的近似模型結(jié)果與計(jì)算結(jié)果誤差均在0.5％以內(nèi)，說明近似模型精度較高，分析結(jié)