一種用來(lái)降低離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)的離心泵改進(jìn)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用來(lái)降低離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)的離心泵改進(jìn)方法，包括：采用傳感器測(cè)試設(shè)計(jì)工況下離心泵進(jìn)出口壓力；對(duì)離心泵進(jìn)行三維造型，并進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值以及發(fā)生的位置，并將此作為改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)；根據(jù)離心泵葉輪和蝸殼的幾何參數(shù)進(jìn)行葉輪和蝸殼的多方案設(shè)計(jì)，得到各個(gè)方案的壓力脈動(dòng)最大值；建立改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)與葉輪和蝸殼的主要幾何參數(shù)之間的二階近似函數(shù)，對(duì)二階近似函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到葉輪和蝸殼的最優(yōu)參數(shù)組合；根據(jù)葉輪和蝸殼最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)行三維建模并數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比來(lái)確定改進(jìn)方案降低了離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)。本發(fā)明改進(jìn)方法能夠達(dá)到降低離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)的作用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種用來(lái)降低離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)的離心泵改進(jìn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及到水力旋轉(zhuǎn)機(jī)械中離心栗領(lǐng)域，尤其涉及到一種用來(lái)降低離心栗內(nèi)部 壓力脈動(dòng)的離心栗改進(jìn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 離心栗作為一種重要的流體輸送設(shè)備，廣泛應(yīng)用于城市供水、航海、航空等眾多國(guó) 民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。由于離心栗在運(yùn)行過(guò)程中，離心栗內(nèi)部易發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)，導(dǎo)致較大的壓力脈 動(dòng)，從而一方面產(chǎn)生噪聲，影響居民正常生活，一方面產(chǎn)生激勵(lì)力，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的疲勞 損傷。嚴(yán)重地減少栗的運(yùn)行時(shí)間，對(duì)配套的設(shè)備系統(tǒng)、工業(yè)等產(chǎn)生不利影響。
[0003] 在過(guò)去栗的設(shè)計(jì)中，主要是考慮如何實(shí)現(xiàn)栗的高效運(yùn)行。然而隨著離心栗的廣泛 應(yīng)用，對(duì)栗設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高，在高效的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行，滿(mǎn)足較寬的運(yùn)行工況、低 壓力脈動(dòng)、低噪聲等要求。
[0004] 在如何降低水力旋轉(zhuǎn)機(jī)械的壓力脈動(dòng)研究方面，專(zhuān)家學(xué)者提出了一些設(shè)計(jì)方法。 專(zhuān)利號(hào)為201510076194.8提出了一種將葉輪葉片數(shù)設(shè)計(jì)為奇數(shù)和將蝸殼設(shè)計(jì)為雙蝸殼(蝸 殼隔舌相隔180度對(duì)稱(chēng)分布）的方法。專(zhuān)利號(hào)為201210524582.4提出了一種改善混流式水栗 水輪機(jī)壓力脈動(dòng)的方法，具體的是選擇合適的活動(dòng)導(dǎo)葉葉片數(shù)、合理的活動(dòng)導(dǎo)葉分布圓直 徑和合理的轉(zhuǎn)輪與頂蓋和下密封環(huán)之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)提高抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的 目的。然而提出的這些方法并不能實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)方法的通用性，尤其是離心栗領(lǐng)域。除此之 外，專(zhuān)家學(xué)者對(duì)不同的蝸殼隔舌位置對(duì)離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)的影響進(jìn)行了研究。
[0005] 經(jīng)檢索，關(guān)于降低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)改進(jìn)方法的研究鮮有相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種降低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)改進(jìn)方法，其采 用的技術(shù)方案如下:一種用來(lái)降低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)的離心栗改進(jìn)方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一：用動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量樣本離心栗在設(shè)計(jì)工況下的進(jìn)出口壓力，得到實(shí) 驗(yàn)測(cè)量值；
[0008] 步驟二:對(duì)樣本離心栗進(jìn)行三維造型，并對(duì)其進(jìn)出口壓力進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比步驟 一的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，使得數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析離心栗內(nèi) 部壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值以及發(fā)生的位置，并以壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值作為 改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)；
[0009] 步驟三：以離心栗的葉輪和蝸殼的幾何參數(shù)為參量，采用全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn) 行葉輪和蝸殼的多方案設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值模擬方法得到各個(gè)方案的壓力脈動(dòng)頻域變換幅值 最大值；
[0010] 步驟四：利用步驟三中得到的各個(gè)方案的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法建立壓力脈動(dòng)頻 域變換幅值最大值與葉輪和蝸殼的幾何參數(shù)之間的二階近似函數(shù);再采用梯度優(yōu)化算法對(duì) 二階近似函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值在最小情況下，葉輪和蝸殼的 最優(yōu)幾何參數(shù)組合；
[0011]步驟五:根據(jù)葉輪和蝸殼最優(yōu)幾何參數(shù)組合，重新進(jìn)行離心栗三維建和數(shù)值模擬， 并與樣本離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值進(jìn)行對(duì)比，確定改進(jìn)方案降低了離心栗 內(nèi)部壓力脈動(dòng)。
[0012] 上述方案中，步驟三離心栗的葉輪幾何參數(shù)包括:葉輪進(jìn)口直徑Dj，葉輪出口直徑 D2，葉片出口寬度b2，葉片進(jìn)口安放角仏，葉片出口安放角β2，葉片包角A葉片數(shù)z ;離心栗的 蝸殼幾何參數(shù)包括:蝸殼基圓D3，隔舌安放角α3和蝸殼出口直徑Dd。
[0013] 上述方案中，步驟二中，對(duì)樣本離心栗進(jìn)行三維造型時(shí)首先采用三維軟件根據(jù)葉 輪和蝸殼的幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算域建模，接著應(yīng)用網(wǎng)格劃分軟件ANSYS ICEM對(duì)計(jì)算域進(jìn)行結(jié) 構(gòu)網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入ANSYS CFX數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行邊界條件設(shè)置。
[0014]上述方案中，在進(jìn)行進(jìn)出口壓力進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，首先在蝸殼流道內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 得到離心栗的外特性曲線(xiàn)，然后采用傅里葉變換得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻域特性；
[0015] 上述方案中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力采用無(wú)量綱壓力系數(shù)，其中找出壓力脈動(dòng)幅值最大的 監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并以壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值作為改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是:在較短的周期內(nèi)完成對(duì)離心栗葉輪和蝸殼的改進(jìn)，達(dá)到降 低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)的作用。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為一種降低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)改進(jìn)方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 本發(fā)明的目的在于提供一種降低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)改進(jìn)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值 模擬相結(jié)合的方法，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。應(yīng)用數(shù)值模擬對(duì)離心栗的葉輪 和蝸殼進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)改進(jìn)。在對(duì)葉輪和蝸殼參數(shù)改進(jìn)過(guò)程中，結(jié)合全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、二 階近似函數(shù)及梯度優(yōu)化算法從而得到低壓力脈動(dòng)的離心栗葉輪幾何參數(shù)組合，提高離心栗 運(yùn)行可靠性。
[0019] 下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并 不限于此。
[0020] 圖1為本發(fā)明的發(fā)明思路，本發(fā)明提出的降低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)改進(jìn)方法主要 是:第一:對(duì)樣本離心栗運(yùn)行工況采用動(dòng)態(tài)壓力傳感器進(jìn)行離心栗進(jìn)出口的壓力脈動(dòng)測(cè)量； 第二:對(duì)樣本離心栗進(jìn)行三維造型，并進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，使得數(shù)值模擬值與 實(shí)驗(yàn)測(cè)量值較為吻合，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值 以及發(fā)生的位置，并以壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值作為改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo);第三:根據(jù)離心栗 的葉輪和蝸殼的幾何參數(shù)為參考，采用全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行葉輪和蝸殼的多方案設(shè) 計(jì);采用數(shù)值模擬方法得到各個(gè)方案的壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值;第四：采用最小二乘 法建立改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)與葉輪和蝸殼的幾何參數(shù)之間的二階近似函數(shù)。再采用梯度優(yōu)化算法 對(duì)二階近似函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的最小情況下，葉輪和蝸殼的最優(yōu)參數(shù)組合； 第五:根據(jù)葉輪和蝸殼最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)行三維建模并數(shù)值模擬，并與樣本離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng) 頻域變換幅值最大值進(jìn)行對(duì)比，確定改進(jìn)方案降低了離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)；
[0021] 本實(shí)施例以比轉(zhuǎn)數(shù)為46為樣本離心栗，對(duì)其改進(jìn)方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。樣本離心栗 的相關(guān)參數(shù)具體為：根據(jù)樣本離心栗設(shè)計(jì)工況的流量Q = 6.3m3/h，揚(yáng)程H = 8m，轉(zhuǎn)速η = 1450r/min;樣本離心栗葉輪和蝸殼的初始參數(shù)為:葉輪進(jìn)口直徑Dj = 50mm，葉輪出口直徑D2 = 160mm，葉片出口寬度b2 = 6mm，葉片進(jìn)口安放角βι = 24°，葉片出口安放角(62 = 30°，葉片包 角供=1:5〇°，葉片數(shù)z = 6;蝸殼基圓D3=170_，隔舌安放角α3 = 27°，蝸殼出口直徑Dd = 32mm。
[0022] 第一步:對(duì)樣本離心栗運(yùn)行工況采用動(dòng)態(tài)壓力傳感器進(jìn)行離心栗進(jìn)出口的壓力脈 動(dòng)測(cè)量。
[0023] 第二步:接著再采用數(shù)值模擬得到模擬離心栗的進(jìn)出口的壓力脈動(dòng)測(cè)量，通過(guò)對(duì) 比數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果，調(diào)整數(shù)值模擬方法，最終確定一個(gè)數(shù)值模擬方法能準(zhǔn)確 地與實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合。首先采用三維軟件根據(jù)葉輪和蝸殼的幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算域建模， 接著應(yīng)用網(wǎng)格劃分軟件ANSYS ICEM對(duì)計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入ANSYS CFX數(shù)值 計(jì)算軟件進(jìn)行邊界條件設(shè)置，在蝸殼流道內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到模擬離心栗的外特性曲線(xiàn)，采 用傅里葉變換得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻域特性。其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力采用無(wú)量綱壓力系數(shù)，其中 找出壓力脈動(dòng)幅值最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并以壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值作為改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。 [0024]第三步：由于壓力脈動(dòng)是由于動(dòng)靜干涉引起的，因此選取相互影響的葉輪與蝸殼 的幾何尺寸為改進(jìn)對(duì)象，選取葉片出口安放角此、葉片數(shù)z、葉片出口直徑D 2、蝸殼隔舌安放 角α3和蝸殼基圓直徑D3為影響栗功率的主要幾參數(shù)。采用全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行36組試 驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到如下表1據(jù)組。
[0025] 表1全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案
[0026]
[0027] 第四步:采用數(shù)值模擬方法得到各個(gè)方案的壓力脈動(dòng)最大值，然后采用最小二乘 法建立改進(jìn)壓力脈動(dòng)頻域變換幅值A(chǔ)m與葉輪和蝸殼的幾何參數(shù)之間的二階近似函數(shù)，如下 所示：
[0028] Am=f(D2，z，&，a3，D3);
[0029] 二階近似函數(shù)的約束條件為：
[0030] 155 彡 D2 彡 160
[0031] 5^z^6
[0032] 27 彡 β2 彡 33
[0033] 25 彡 α3 彡 28
[0034] 170 彡 D3 彡 175
[0035] 再采用梯度優(yōu)化算法對(duì)二階近似函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，求得目標(biāo)值最小的葉輪和蝸殼的 最優(yōu)參數(shù)組合如下：葉片出口安放角= 32°、葉片數(shù)z = 5、葉片出口直徑D2 = 156mm、蝸殼隔 舌安放角α3 = 28°和蝸殼基圓直徑D3 = 173mm。
[0036]第五步:根據(jù)葉輪和蝸殼最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)行三維建模并數(shù)值模擬，并與樣本離心栗內(nèi) 部壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值進(jìn)行對(duì)比，確定改進(jìn)方案降低了離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)，設(shè) 計(jì)工況下下壓力脈動(dòng)最大值由0.037下降到0.019。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用來(lái)降低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)的離心栗改進(jìn)方法，包括如下步驟： 步驟一：用動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量樣本離心栗在設(shè)計(jì)工況下的進(jìn)出口壓力，得到實(shí)驗(yàn)測(cè) 量值； 步驟二:對(duì)樣本離心栗進(jìn)行三維造型，并對(duì)其進(jìn)出口壓力進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比步驟一的 實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，使得數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析離心栗內(nèi)部壓 力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值以及發(fā)生的位置，并以壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值作為改進(jìn) 設(shè)計(jì)目標(biāo)； 步驟三：以離心栗的葉輪和蝸殼的幾何參數(shù)為參量，采用全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行葉 輪和蝸殼的多方案設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值模擬方法得到各個(gè)方案的壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大 值； 步驟四：利用步驟三中得到的各個(gè)方案的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法建立壓力脈動(dòng)頻域變 換幅值最大值與葉輪和蝸殼的幾何參數(shù)之間的二階近似函數(shù);再采用梯度優(yōu)化算法對(duì)二階 近似函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值在最小情況下，葉輪和蝸殼的最優(yōu) 幾何參數(shù)組合； 步驟五:根據(jù)葉輪和蝸殼最優(yōu)幾何參數(shù)組合，重新進(jìn)行離心栗三維建和數(shù)值模擬，并與 樣本離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值進(jìn)行對(duì)比，確定改進(jìn)方案降低了離心栗內(nèi)部 壓力脈動(dòng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用來(lái)降低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)的離心栗改進(jìn)方法，其特 征在于，步驟三中離心栗的葉輪幾何參數(shù)包括:葉輪進(jìn)口直徑Dj，葉輪出口直徑D2,葉片出 口寬度b2，葉片進(jìn)口安放角β?，葉片出口安放角β2，葉片包角Φ，葉片數(shù)z ;離心栗的蝸殼幾 何參數(shù)包括:蝸殼基圓D3，隔舌安放角α3和蝸殼出口直徑Del。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用來(lái)降低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)的離心栗改進(jìn)方法，其 特征在于，步驟二中，對(duì)樣本離心栗進(jìn)行三維造型時(shí)首先采用三維軟件根據(jù)葉輪和蝸殼的 幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算域建模，接著應(yīng)用網(wǎng)格劃分軟件ANSYS ICEM對(duì)計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃 分，然后導(dǎo)入ANSYS CFX數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行邊界條件設(shè)置。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用來(lái)降低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)的離心栗改進(jìn)方法，其特 征在于，在進(jìn)行進(jìn)出口壓力進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，首先在蝸殼流道內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到離心栗的 外特性曲線(xiàn)，然后采用傅里葉變換得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻域特性。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用來(lái)降低離心栗內(nèi)部壓力脈動(dòng)的離心栗改進(jìn)方法，其特 征在于，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力采用無(wú)量綱壓力系數(shù)，其中找出壓力脈動(dòng)幅值最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并以壓 力脈動(dòng)頻域變換幅值最大值作為改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。
【文檔編號(hào)】F04D29/66GK105889136SQ201610254581
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】王文杰, 裴吉, 袁壽其, 袁建平, 張金鳳, 顧延?xùn)|
【申請(qǐng)人】江蘇大學(xué)