離心泵作液力透平的能量轉(zhuǎn)換特性及葉輪優(yōu)化研究.pdf

1、在石油化工、煤化工、海水淡化等許多流程工業(yè)中，存在有大量的高壓液體，高效回收利用這部分液體壓力能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。液力透平是回收利用液體壓力能的一種裝置，其中泵反轉(zhuǎn)作液力透平是目前廣泛應(yīng)用的機(jī)型。從有關(guān)文獻(xiàn)及生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，目前泵反轉(zhuǎn)作液力透平普遍存在能量轉(zhuǎn)換效率不高的問(wèn)題，這與泵用作液力透平時(shí)其內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換特性認(rèn)識(shí)不足有較大關(guān)系。為此，論文以離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平為研究對(duì)象，采用數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)液力透平外特性進(jìn)行

2、了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文數(shù)值計(jì)算策略的準(zhǔn)確性；采用數(shù)值計(jì)算的方法研究了液力透平葉輪及蝸殼內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換特性，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)；建立了基于代理模型和智能優(yōu)化算法的液力透平優(yōu)化系統(tǒng)；在上述的基礎(chǔ)上對(duì)液力透平葉輪進(jìn)行了優(yōu)化研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容分為以下3部分：
　　1.空離心泵作液力透平的內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換特性研究
　　基于CFD技術(shù)，通過(guò)對(duì)液力透平葉輪不同徑向位置流體所具有的能量、各區(qū)域輸入的凈能量、各區(qū)域傳遞給葉輪的

3、能量、能量損失及蝸殼不同截面位置流體所具有能量、各區(qū)域能量損失等能量特征的分析，對(duì)液力透平葉輪和蝸殼內(nèi)流體能量的傳遞與變化過(guò)程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：對(duì)于葉輪，流體對(duì)葉輪做功主要表現(xiàn)為壓力做功，做功的關(guān)鍵區(qū)域在葉輪的中前部，葉輪葉片后部區(qū)域在小流量工況對(duì)葉輪做功相對(duì)較少，而在大流量工況不僅對(duì)葉輪不做功，而且還消耗葉輪的機(jī)械能；葉輪整體能量轉(zhuǎn)換效率不高。對(duì)于蝸殼，蝸型段內(nèi)靜壓能沿流向基本呈線性減小的趨勢(shì)，而動(dòng)壓能則沿流向呈現(xiàn)出波動(dòng)現(xiàn)象；蝸殼

4、收縮管段內(nèi)靜壓能和動(dòng)壓能沿流向的變化均比較規(guī)律；蝸殼中能量損失主要在喉部之后的下游區(qū)域。
　　2.空離心泵作液力透平葉輪優(yōu)化系統(tǒng)的建立
　　通過(guò)研究液力透平內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換特性，為液力透平的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，但在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)還需確立具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文對(duì)液力透平葉輪幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，其目標(biāo)函數(shù)是由液力透平的水力性能參數(shù)構(gòu)成，而液力透平葉輪幾何參數(shù)與其水力性能間的隱式關(guān)系極其復(fù)雜，因此采用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法很難實(shí)現(xiàn)，然而智能

5、優(yōu)化算法中的遺傳算法是通過(guò)模仿自然界的選擇與遺傳機(jī)理來(lái)尋求目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的方法，能有效地以概率的形式進(jìn)行全局尋優(yōu)，且對(duì)所求優(yōu)化問(wèn)題沒(méi)有過(guò)多的數(shù)學(xué)要求，因此，本文選用遺傳算法對(duì)液力透平的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。但在尋優(yōu)過(guò)程中，液力透平水力性能的CFD數(shù)值計(jì)算無(wú)疑是非常耗時(shí)的，因此本文還引入了非線性映射能力較強(qiáng)的GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替在尋優(yōu)過(guò)程中獲取液力透平性能參數(shù)的CFD數(shù)值計(jì)算，這樣便形成了一種以 GA-BP(Genetic Algo-rit

6、hm-Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。最后，將優(yōu)化過(guò)程中涉及到的各種技術(shù)通過(guò)程序控制，建立起本文的優(yōu)化系統(tǒng)。
　　3.離心泵作液力透平的葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　通過(guò)對(duì)離心泵用作液力透平時(shí)葉輪軸面流動(dòng)特點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)液力透平葉輪流道面積變化規(guī)律與其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律匹配性較差。針對(duì)于此，采用本文建立的優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)葉輪軸面投影圖進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化時(shí)以控制葉輪軸面形狀的α1、α2、1R、R2和R3為設(shè)

7、計(jì)變量，以液力透平在最優(yōu)工況下的水力效率為目標(biāo)函數(shù)，壓頭為性能約束條件進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后液力透平性能較之前得到較大的改善。
　　通過(guò)對(duì)離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平時(shí)葉輪內(nèi)能量轉(zhuǎn)換特性的分析，發(fā)現(xiàn)葉輪能量轉(zhuǎn)換效率不高。在離心泵用作液力透平的葉輪內(nèi)，能量轉(zhuǎn)換的核心是葉片，因此離心泵用作液力透平的葉片有待優(yōu)化改進(jìn)。鑒于此，采用已建立的優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)該模型的葉片型線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化時(shí)采用三次非均勻 B樣條曲線參數(shù)化葉片型線，以控制葉片形狀的控制點(diǎn)參

8、數(shù)為設(shè)計(jì)變量，液力透平在最優(yōu)工況附近三個(gè)工況點(diǎn)的水力效率為目標(biāo)函數(shù)，三個(gè)工況點(diǎn)下的壓頭為約束條件對(duì)葉片型線進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后液力透平的效率在指定的三個(gè)工況下分別得到了較大的提升，同時(shí)滿足初始設(shè)定的壓頭約束，說(shuō)明優(yōu)化后葉片能量轉(zhuǎn)換能力增強(qiáng)，同時(shí)表明采用該優(yōu)化方法對(duì)液力透平葉片型線優(yōu)化的可行性。
　　通過(guò)對(duì)優(yōu)化后液力透平葉輪的內(nèi)流場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)葉輪流道內(nèi)仍存在較大的漩渦區(qū)域，采用增加葉片數(shù)的方法來(lái)進(jìn)一步改善液力透平葉輪的性能。研究發(fā)現(xiàn)：葉