轴流泵水力模型优化设计方法及关键技术研究

发布时间：2020-10-16 16:35

　　 众所周知,轴流泵叶轮是泵装置最核心也是最重要的过流部件,其设计的好坏直接决定了装置乃至整个泵站的综合效果。随着日益复杂的运行需求,对水泵设计提出了更高的设计要求。目前,国内还没有一种能够将水力设计和结构设计融合在一起的协同设计优化方法,也就无法设计出满足复杂运行条件的优化叶轮。在当前不断强调降低能耗的大背景下,耗材和运行成本是考虑最多的因素。设计过程中考虑降低设计制造成本以及运行成本时,叶轮质量和运行效率这2个指标是最直观的表象指标。除了这2个指标外,设计人员还需要考虑轴流泵性能曲线形状、空化性能和结构强度等指标。一副设计成功的轴流泵叶轮,其结果应该是能够满足这四个指标的最终协调设计方案。本文为了提高轴流泵叶轮的综合性能,系统的对轴流泵叶轮进行多约束、多目标、多工况和多学科(四多)的优化设计研究,开发出能够满足工程实际应用的轴流泵综合性能最优的叶轮,推动国内水泵优化设计理论及方法的发展。在节约能源、降低轴流泵设计和制造成本方面具有重要的学术价值。同时在大型泵站更新改造、水力模型设计比选方面具有实际的工程指导意义和重要的理论价值。本文采用理论分析、数值模拟、数值优化和模型试验相结合的研究手段,对轴流泵优化设计理论方法及应用进行了系统的研究,主要形成以下研究成果:(1)针对叶栅稠密度、翼型安放角、翼型厚度和翼型拱度四个设计参数,通过DOE试验设计的方法对轴流泵设计工况下水力性能进行灵敏度分析。总的来说,翼型安放角对轴流泵的水力性能影响最大,其次是叶栅稠密度,再其次是翼型拱度,对结果影响最小的是翼型厚度。在轴流泵优化设计时,可根据灵敏度分析结果合理进行设计参数的选择与调整。(2)介绍了基于数值模拟的数值优化技术,提出了 DOE分析的因子参数化建模方法,建立了轴流泵叶轮的自动优化设计平台。并在此基础上,实现了设计工况下大尺寸设计参数的自动优化设计。设计工况下,叶片数越多,汽蚀性能越差,效率越低,叶片数对汽蚀性能影响较为显著。叶片数越多,扬程曲线斜率越大,在大流量区域扬程较低,在小流量区域扬程较高。叶片数越多,最高效率值越低,高效区范围往小流量区域偏移;设计工况下,轮毂比越大,效率越高,但汽蚀性能越差,轮毂比对汽蚀性能的影响比较显著。轮毂比越大,扬程性能曲线斜率越大,最大扬程越高,马鞍区扬程范围越大。轮毂比小,高效区范围较宽,并往大流量侧分布;改变翼型冲角,其他设计参数保持不变时,冲角增大,扬程升高,最高效率增大,高效区往大流量偏移。为了使翼型处于更高质量区,建议轮缘侧翼型冲角在0～3°之间,且比转数大的取小值。改变轮毂侧和中间断面翼型冲角时,设计工况下,为了得到较高扬程和较高效率的轴流泵叶轮,可以适当增加中间断面的翼型冲角,同时为了减小叶片扭曲改善非设计工况的水力性能,可以适当减小轮毂侧的翼型冲角。比转数保持一致时,冲角增大,扬程的斜率减小,最高效率值保持相当,高效区范围往大流量偏移且高效区范围变宽。泵站实际工程可根据最高运行扬程和最低运行扬程以及效率曲线的分布情况灵活选择叶轮叶片数量;而轮毂比和冲角则可以根据泵站实际运行水位灵活选取。(3)根据导叶体的作用及设计要求,提出了关于导叶设计优劣的3个性能评价指标。分析了导叶体叶栅稠密度和出口角2个主要设计参数对性能的影响,同时对导叶体进行了自动优化设计研究,最后对导叶体扫掠性能进行了分析研究。设计工况下,叶栅稠密度越大,动能回收系数越大,导叶回收的速度环量越大,出水流道的水力损失越小。在实际工程应用中,为了兼顾设计工况点的水力性能及全工况性能曲线的合理性,导叶出口角取值不宜过小,也不宜过大,可取90°～95°。优化后导叶的水力损失下降了 40 cm;导叶体动能回收系数从41.54%提高到85.74%,优化后的导叶体可以回收更多的速度环量,导叶出口的速度分布均匀度有所提高,可以减小部分出水流道水力损失。设计工况扬程和效率均随着扫掠角度增加先增大后减小,在导叶前掠16°左右,轴流泵的效率出现最大值。在大流量工况下轴流泵水力性能基本没有变化;而在小流量工况下,前掠导叶轴流泵的水力性能明显要优于后掠导叶。(4)提出了多目标优化设计目标函数归一化的权重处理方法,针对泵站各工况运行时间或重要性采用超传递矩阵计算各目标的权重因子。与工程实际结合,将工程中提出的最大扬程、设计扬程、平均扬程和最小扬程概化成基于高效区三个流量工况点优化、最大扬程和最小扬程校核的多工况问题。优化后在设计流量偏小流量时扬程有所减小,偏大流量时扬程稍有提高。设计工况点效率有所提高,大流量工况点效率提高了 7.4%,小流量工况点效率提高了 2.6%。除设计流量外两工况效率均有所提升,效率曲线整体抬高,高效运行范围更宽,优化效果明显。通过试验验证,优化后轴流泵效率较高,高效区范围明显变宽,汽蚀性能有着大幅度的提高。(5)通过优化拉丁方分析方法对轴流泵叶轮80个样本点进行多工况的流固耦合计算,然后对计算结果进行灵敏度分析,再对叶轮水力性能参数和结构性能参数进行近似模型建立,最后针对近似模型采用多目标优化算法进行多学科优化设计。小流量下的最大变形量受轮毂侧最大翼型厚度影响最大,受其他设计变量影响较小。小流量下的最大应力与各设计变量间均呈现先减小后增大的变化趋势,且各设计变量的二阶主效应非常明显。叶片质量的大小与翼型安放角和翼型拱度基本无关,主要受叶栅稠密度和翼型厚度的影响。响应面近似模型的拟合效果要优于其他近似模型。优化后单张叶片质量从0.947kg降低到0.848kg,降幅达到10.47%,而设计工况效率从93.91%提高到94.49%,增幅达到0.61%,优化效果明显。此外,除了最大应力值误差稍大之外,其他响应的近似模型结果与计算结果误差均在0.5%以内,说明近似模型精度较高,分析结果可靠。
【学位单位】：扬州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TV136.2
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符合说明
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 水泵设计方法
        1.2.2 水泵优化方法
        1.2.3 多学科优化设计研究进展
    1.3 拟解决的问题
    1.4 研究内容
第二章 轴流泵数值模拟和优化方法
    2.1 轴流泵数值模拟方法
        2.1.1 控制方程
        2.1.2 紊流模型
        2.1.3 边界条件
        2.1.4 网格模型
    2.2 轴流泵数值优化技术
        2.2.1 参数化建模
        2.2.2 用户界面的组成
        2.2.3 优化方法
        2.2.4 自动优化设计平台
        2.2.5 软件集成
    2.3 叶片数对轴流泵性能的影响
        2.3.1 叶轮叶片数对轴流泵水力性能的影响
        2.3.2 导叶叶片数对轴流泵水力性能的影响
    2.4 轮毅比对轴流泵性能的影响
    2.5 小结
第三章 轴流泵叶轮的试验设计方法及分析
    3.1 DOE方法简介
    3.2 DOE分析方法
        3.2.1 参数试验
        3.2.2 全因子设计
        3.2.3 部分因子设计
        3.2.4 正交数组
        3.2.5 中心组合法
        3.2.6 拉丁超立方设计
        3.2.7 最优拉丁超立方法
        3.2.8 自定义数据文件
    3.3 轴流泵叶片的DOE设计
        3.3.1 算法的选择
        3.3.2 计算模型
        3.3.3 参数建模及DOE优化流程
    3.4 设计参数灵敏度分析
        3.4.1 DOE设计结果
        3.4.2 叶栅稠密度
        3.4.3 翼型安放角
        3.4.4 翼型拱度
        3.4.5 翼型厚度
    3.5 小结
第四章 轴流泵叶轮自动优化设计
    4.1 参数化建模
    4.2 优化流程
    4.3 优化模型
    4.4 优化算法
        4.4.1 梯度优化的优缺点
        4.4.2 梯度优化原理
        4.4.3 约束
    4.5 不同叶片数的轴流泵优化设计
    4.6 不同轮毂比的轴流泵优化设计
    4.7 不同冲角的轴流泵优化设计
    4.8 小结
第五章 轴流泵导叶体优化设计
    5.1 导叶主要设计参数对装置水力特性的影响
        5.1.1 导叶的设计
        5.1.2 叶栅稠密度对导叶设计的效果评价
        5.1.3 出口角对导叶设计的效果评价
    5.2 导叶体的自动优化设计
        5.2.1 贝塞尔曲线参数化建模
        5.2.2 微遗传算法及PIAnO优化流程
        5.2.3 优化结果与讨论
    5.3 扫掠导叶对轴流泵水力性能的影响
    5.4 小结
第六章 轴流泵多工况自动优化设计
    6.1 工况分析
    6.2 多目标权重因子的处理
    6.3 轴流泵叶轮的参数化建模
    6.4 轴流泵段的多工况优化设计
        6.4.1 多工况计算模型
        6.4.2 多工况优化模型
        6.4.3 多工况优化流程
    6.5 优化结果与分析
    6.6 小结
第七章 轴流泵多学科优化设计
    7.1 结构静力学基础
    7.2 耦合场分析的实现方法
    7.3 流固耦合计算分析
        7.3.1 参数模型
        7.3.2 网格及荷载
        7.3.3 实验设计
        7.3.4 计算结果及分析
    7.4 计算结果灵敏度分析
    7.5 近似模型
        7.5.1 响应面(RSM)模型
        7.5.2 神经网络(RBF/EBF)模型
        7.5.3 Chebyshev正交多项式模型
        7.5.4 克里格(Kriging)模型
        7.5.5 近似模型构造
    7.6 优化设计
        7.6.1 优化模型
        7.6.2 优化算法
        7.6.3 优化结果及分析
    7.7 小结
第八章 轴流泵模型试验研究
    8.1 模型泵样机与安装
    8.2 模型试验测试内容
    8.3 模型试验系统及测试方法
        8.3.1 试验系统
        8.3.2 测试方法
    8.4 模型试验结果
        8.4.1 ZM55模型试验结果
        8.4.2 ZM63模型试验结果
    8.5 与国内外同类模型泵比较
    8.6 数值模拟与模型试验对比
    8.7 多工况优化前后泵段水力性能比较
    8.8 导叶扫掠前后轴流泵水力性能比较
    8.9 小结
第九章 总结与展望
    9.1 结论
        9.1.1 主要成果
        9.1.2 创新点
    9.2 展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间取得的相关科研成果

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