一种用来降低离心泵内部压力脉动的离心泵改进方法
【专利摘要】本发明涉及一种用来降低离心泵内部压力脉动的离心泵改进方法，包括：采用传感器测试设计工况下离心泵进出口压力；对离心泵进行三维造型，并进行数值模拟，并根据数值模拟结果分析离心泵内部压力脉动频域变换幅值最大值以及发生的位置，并将此作为改进设计目标；根据离心泵叶轮和蜗壳的几何参数进行叶轮和蜗壳的多方案设计，得到各个方案的压力脉动最大值；建立改进设计目标与叶轮和蜗壳的主要几何参数之间的二阶近似函数，对二阶近似函数进行优化，得到叶轮和蜗壳的最优参数组合；根据叶轮和蜗壳最优参数，进行三维建模并数值模拟，通过对比来确定改进方案降低了离心泵内部压力脉动。本发明改进方法能够达到降低离心泵内部压力脉动的作用。
【专利说明】
一种用来降低离心泵内部压力脉动的离心泵改进方法
技术领域
[0001] 本发明涉及到水力旋转机械中离心栗领域，尤其涉及到一种用来降低离心栗内部 压力脉动的离心栗改进方法。
【背景技术】
[0002] 离心栗作为一种重要的流体输送设备，广泛应用于城市供水、航海、航空等众多国 民经济领域。由于离心栗在运行过程中，离心栗内部易发生不稳定流动，导致较大的压力脉 动，从而一方面产生噪声，影响居民正常生活，一方面产生激励力，对结构产生较大的疲劳 损伤。严重地减少栗的运行时间，对配套的设备系统、工业等产生不利影响。
[0003] 在过去栗的设计中，主要是考虑如何实现栗的高效运行。然而随着离心栗的广泛 应用，对栗设计的要求越来越高，在高效的基础上，实现可靠运行，满足较宽的运行工况、低 压力脉动、低噪声等要求。
[0004] 在如何降低水力旋转机械的压力脉动研究方面，专家学者提出了一些设计方法。 专利号为201510076194.8提出了一种将叶轮叶片数设计为奇数和将蜗壳设计为双蜗壳(蜗 壳隔舌相隔180度对称分布）的方法。专利号为201210524582.4提出了一种改善混流式水栗 水轮机压力脉动的方法，具体的是选择合适的活动导叶叶片数、合理的活动导叶分布圆直 径和合理的转轮与顶盖和下密封环之间的距离，从而实现提高抽水蓄能机组运行稳定性的 目的。然而提出的这些方法并不能实现其设计方法的通用性，尤其是离心栗领域。除此之 外，专家学者对不同的蜗壳隔舌位置对离心栗内部压力脉动的影响进行了研究。
[0005] 经检索，关于降低离心栗内部压力脉动改进方法的研究鲜有相关报道。
【发明内容】
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种降低离心栗内部压力脉动改进方法，其采 用的技术方案如下:一种用来降低离心栗内部压力脉动的离心栗改进方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一：用动态压力传感器测量样本离心栗在设计工况下的进出口压力，得到实 验测量值；
[0008] 步骤二:对样本离心栗进行三维造型，并对其进出口压力进行数值模拟，对比步骤 一的实验测量值，使得数值模拟值与实验测量值吻合，并根据数值模拟结果分析离心栗内 部压力脉动频域变换幅值最大值以及发生的位置，并以压力脉动频域变换幅值最大值作为 改进设计目标；
[0009] 步骤三：以离心栗的叶轮和蜗壳的几何参数为参量，采用全因子实验设计方法进 行叶轮和蜗壳的多方案设计，并采用数值模拟方法得到各个方案的压力脉动频域变换幅值 最大值；
[0010] 步骤四：利用步骤三中得到的各个方案的数据，采用最小二乘法建立压力脉动频 域变换幅值最大值与叶轮和蜗壳的几何参数之间的二阶近似函数;再采用梯度优化算法对 二阶近似函数进行优化，得到压力脉动频域变换幅值最大值在最小情况下，叶轮和蜗壳的 最优几何参数组合；
[0011]步骤五:根据叶轮和蜗壳最优几何参数组合，重新进行离心栗三维建和数值模拟， 并与样本离心栗内部压力脉动频域变换幅值最大值进行对比，确定改进方案降低了离心栗 内部压力脉动。
[0012] 上述方案中，步骤三离心栗的叶轮几何参数包括:叶轮进口直径Dj，叶轮出口直径 D2，叶片出口宽度b2，叶片进口安放角仏，叶片出口安放角β2，叶片包角A叶片数z ;离心栗的 蜗壳几何参数包括:蜗壳基圆D3，隔舌安放角α3和蜗壳出口直径Dd。
[0013] 上述方案中，步骤二中，对样本离心栗进行三维造型时首先采用三维软件根据叶 轮和蜗壳的几何参数进行计算域建模，接着应用网格划分软件ANSYS ICEM对计算域进行结 构网格划分，然后导入ANSYS CFX数值计算软件进行边界条件设置。
[0014]上述方案中，在进行进出口压力进行数值模拟时，首先在蜗壳流道内设置监测点， 得到离心栗的外特性曲线，然后采用傅里叶变换得到各个监测点的频域特性；
[0015] 上述方案中，监测点的压力采用无量纲压力系数，其中找出压力脉动幅值最大的 监测点，并以压力脉动频域变换幅值最大值作为改进设计目标。
[0016] 本发明的有益效果是:在较短的周期内完成对离心栗叶轮和蜗壳的改进，达到降 低离心栗内部压力脉动的作用。
【附图说明】
[0017]图1为一种降低离心栗内部压力脉动改进方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018] 本发明的目的在于提供一种降低离心栗内部压力脉动改进方法，通过实验与数值 模拟相结合的方法，应用实验测试，验证数值模拟的准确性。应用数值模拟对离心栗的叶轮 和蜗壳进行参数设计改进。在对叶轮和蜗壳参数改进过程中，结合全因子实验设计方法、二 阶近似函数及梯度优化算法从而得到低压力脉动的离心栗叶轮几何参数组合，提高离心栗 运行可靠性。
[0019] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并 不限于此。
[0020] 图1为本发明的发明思路，本发明提出的降低离心栗内部压力脉动改进方法主要 是:第一:对样本离心栗运行工况采用动态压力传感器进行离心栗进出口的压力脉动测量； 第二:对样本离心栗进行三维造型，并进行数值模拟，对比实验测量值，使得数值模拟值与 实验测量值较为吻合，并根据数值模拟结果分析离心栗内部压力脉动频域变换幅值最大值 以及发生的位置，并以压力脉动频域变换幅值最大值作为改进设计目标;第三:根据离心栗 的叶轮和蜗壳的几何参数为参考，采用全因子实验设计方法进行叶轮和蜗壳的多方案设 计;采用数值模拟方法得到各个方案的压力脉动频域变换幅值最大值;第四：采用最小二乘 法建立改进设计目标与叶轮和蜗壳的几何参数之间的二阶近似函数。再采用梯度优化算法 对二阶近似函数进行优化，得到改进设计目标的最小情况下，叶轮和蜗壳的最优参数组合； 第五:根据叶轮和蜗壳最优参数，进行三维建模并数值模拟，并与样本离心栗内部压力脉动 频域变换幅值最大值进行对比，确定改进方案降低了离心栗内部压力脉动；
[0021] 本实施例以比转数为46为样本离心栗，对其改进方法进行详细说明。样本离心栗 的相关参数具体为：根据样本离心栗设计工况的流量Q = 6.3m3/h，扬程H = 8m，转速η = 1450r/min;样本离心栗叶轮和蜗壳的初始参数为:叶轮进口直径Dj = 50mm，叶轮出口直径D2 = 160mm，叶片出口宽度b2 = 6mm，叶片进口安放角βι = 24°，叶片出口安放角(62 = 30°，叶片包 角供=1:5〇°，叶片数z = 6;蜗壳基圆D3=170_，隔舌安放角α3 = 27°，蜗壳出口直径Dd = 32mm。
[0022] 第一步:对样本离心栗运行工况采用动态压力传感器进行离心栗进出口的压力脉 动测量。
[0023] 第二步:接着再采用数值模拟得到模拟离心栗的进出口的压力脉动测量，通过对 比数值模拟结果和实际测量结果，调整数值模拟方法，最终确定一个数值模拟方法能准确 地与实际测量结果吻合。首先采用三维软件根据叶轮和蜗壳的几何参数进行计算域建模， 接着应用网格划分软件ANSYS ICEM对计算域进行结构网格划分，然后导入ANSYS CFX数值 计算软件进行边界条件设置，在蜗壳流道内设置监测点，得到模拟离心栗的外特性曲线，采 用傅里叶变换得到各个监测点的频域特性。其中监测点的压力采用无量纲压力系数，其中 找出压力脉动幅值最大的监测点，并以压力脉动频域变换幅值最大值作为改进设计目标。 [0024]第三步：由于压力脉动是由于动静干涉引起的，因此选取相互影响的叶轮与蜗壳 的几何尺寸为改进对象，选取叶片出口安放角此、叶片数z、叶片出口直径D 2、蜗壳隔舌安放 角α3和蜗壳基圆直径D3为影响栗功率的主要几参数。采用全因子实验设计方法进行36组试 验设计，得到如下表1据组。
[0025] 表1全因子试验设计方案
[0026]
[0027] 第四步:采用数值模拟方法得到各个方案的压力脉动最大值，然后采用最小二乘 法建立改进压力脉动频域变换幅值Am与叶轮和蜗壳的几何参数之间的二阶近似函数，如下 所示：
[0028] Am=f(D2，z，&，a3，D3);
[0029] 二阶近似函数的约束条件为：
[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] 再采用梯度优化算法对二阶近似函数进行优化，求得目标值最小的叶轮和蜗壳的 最优参数组合如下：叶片出口安放角= 32°、叶片数z = 5、叶片出口直径D2 = 156mm、蜗壳隔 舌安放角α3 = 28°和蜗壳基圆直径D3 = 173mm。
[0036]第五步:根据叶轮和蜗壳最优参数，进行三维建模并数值模拟，并与样本离心栗内 部压力脉动频域变换幅值最大值进行对比，确定改进方案降低了离心栗内部压力脉动，设 计工况下下压力脉动最大值由0.037下降到0.019。
【主权项】
1. 一种用来降低离心栗内部压力脉动的离心栗改进方法，包括如下步骤： 步骤一：用动态压力传感器测量样本离心栗在设计工况下的进出口压力，得到实验测 量值； 步骤二:对样本离心栗进行三维造型，并对其进出口压力进行数值模拟，对比步骤一的 实验测量值，使得数值模拟值与实验测量值吻合，并根据数值模拟结果分析离心栗内部压 力脉动频域变换幅值最大值以及发生的位置，并以压力脉动频域变换幅值最大值作为改进 设计目标； 步骤三：以离心栗的叶轮和蜗壳的几何参数为参量，采用全因子实验设计方法进行叶 轮和蜗壳的多方案设计，并采用数值模拟方法得到各个方案的压力脉动频域变换幅值最大 值； 步骤四：利用步骤三中得到的各个方案的数据，采用最小二乘法建立压力脉动频域变 换幅值最大值与叶轮和蜗壳的几何参数之间的二阶近似函数;再采用梯度优化算法对二阶 近似函数进行优化，得到压力脉动频域变换幅值最大值在最小情况下，叶轮和蜗壳的最优 几何参数组合； 步骤五:根据叶轮和蜗壳最优几何参数组合，重新进行离心栗三维建和数值模拟，并与 样本离心栗内部压力脉动频域变换幅值最大值进行对比，确定改进方案降低了离心栗内部 压力脉动。2. 根据权利要求1所述的一种用来降低离心栗内部压力脉动的离心栗改进方法，其特 征在于，步骤三中离心栗的叶轮几何参数包括:叶轮进口直径Dj，叶轮出口直径D2,叶片出 口宽度b2，叶片进口安放角β?，叶片出口安放角β2，叶片包角Φ，叶片数z ;离心栗的蜗壳几 何参数包括:蜗壳基圆D3，隔舌安放角α3和蜗壳出口直径Del。3. 根据权利要求1或2所述的一种用来降低离心栗内部压力脉动的离心栗改进方法，其 特征在于，步骤二中，对样本离心栗进行三维造型时首先采用三维软件根据叶轮和蜗壳的 几何参数进行计算域建模，接着应用网格划分软件ANSYS ICEM对计算域进行结构网格划 分，然后导入ANSYS CFX数值计算软件进行边界条件设置。4. 根据权利要求3所述的一种用来降低离心栗内部压力脉动的离心栗改进方法，其特 征在于，在进行进出口压力进行数值模拟时，首先在蜗壳流道内设置监测点，得到离心栗的 外特性曲线，然后采用傅里叶变换得到各个监测点的频域特性。5. 根据权利要求3所述的一种用来降低离心栗内部压力脉动的离心栗改进方法，其特 征在于，监测点的压力采用无量纲压力系数，其中找出压力脉动幅值最大的监测点，并以压 力脉动频域变换幅值最大值作为改进设计目标。
【文档编号】F04D29/66GK105889136SQ201610254581
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】王文杰, 裴吉, 袁寿其, 袁建平, 张金凤, 顾延东
【申请人】江苏大学