超高比转速轴流泵多工况优化设计研究

摘要

本文是在国家科技支撑计划项目“大功率灌排泵的研制与开发”（编号：2015BAD20B01），江苏省水利科技项目“高比转数轴流泵内部流动特性研究与模型开发”（编号：2015042）和江苏省科技项目“大型双向流道轴流泵装置高效节能关键技术研发”（编号：BY2016072-05）的资助下开展工作的。、大功率轴流泵在跨流域调水、洪涝排水、地区灌溉等方面发挥着重要作用。国内轴流泵的研制水平与国外相比还有一些差距，且许多型号的轴流泵优秀模型仍然空缺；而新的发展要求下，更高比转速轴流泵的研制受到关注。本文以一台名义比转速为1500的超高比转速轴流泵为研究对象，对其进行了多工况水力优化研究，旨在拓宽其高效范围，节省运行能耗。本文借助数值模拟和计算机技术探讨了轴流泵的设计、参数化造型和现代优化方法，最后研制了一台超高比转速轴流泵水力模型并对其进行了试验研究。
　　本研究主要内容包括：⑴总结了轴流泵的国内外研究现状，包括水力设计方法、内部流动和优化技术。同时阐述了超高比转速轴流泵的设计难度。⑵建立了模型泵的三维计算模型，并采用 CFX对其内部流动进行了数值计算，同时对模型轴流泵进行了多叶片安放角性能试验。研究结果表明：模型轴流泵最优工况点流量小于设计值，实测比转速为1312；大流量下泵的效率曲线出现了陡降，随着安放角的增加效率及扬程曲线整体向大流量偏移；对比试验空化特性曲线发现，随着流量的增加，模型泵的临界空化余量逐渐减小；全流量下CFX的计算值与试验值基本吻合，尽管小流量下扬程计算值与其有较大的偏差，但总体计算精度满足要求。⑶阐述了轴流泵的流线设计法，选取了流线设计法中关键的7个几何参数作为优化变量，通过正交试验设计，合理安排了18组试验方案，并以0.8Qopt、1.0Qopt、1.2Qopt工况下的加权平均效率最高为目标，通过模糊层次分析法，建立了轴流泵多工况优化模型；最后采用模型泵数值计算方法获取各方案的目标性能，通过极差分析获得了最佳方案，并详细对比了优化前后泵的水力性能及其内流场。⑷阐述了基于CFturbo的轴流泵三维参数化设计方法，通过编制软件的脚本文件及批处理命令，首次将CFturbo与PumpLinx集成于Isight优化平台中，同时用多岛遗传算法实现了轴流泵的多工况智能优化，主要结论有：PumpLinx网格生成方便，大流量下精度明显高于 CFX，且计算时间大大缩短，在轴流泵优化设计中具有很大的优势；在轴流泵多工况优化模型基础上，对设计流量和扬程进行了约束；优化后轴流泵的最高效率点更接近设计点，设计扬程降低，比转速提高至1471，且高效区明显拓宽，基本满足设计要求；轴流泵叶片表面径向流动主要集中在背面，且最优工况下径向速度最小；优化后各工况下叶片表面径向流动均得到了不同程度的改善，大流量下最为明显，大大减小了叶片表面的流动损失；对优化后轴流泵叶轮出口环量和轴面速度分布进行了统计分析，获得了两者沿径向分布的数学模型；将优化后的轴流泵模型加工成水力样机并进行多角度性能测试：优化后泵在0度叶片安放角下的最高效率提高了1.76%，扬程略有降低，设计比转速增加至1450，且其余角度下的效率均得到了一定的提高。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 超高比转速轴流泵设计难点

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第二章 轴流泵数值模拟与多叶片安放角试验研究

2.1 模型泵的三维模型和网格划分

2.2 数值计算方法

2.3多叶片安放角性能试验

2.4 本章小结

第三章 基于流线设计法的轴流泵多工况正交优化

3.1 轴流泵流线法设计

3.2 多工况正交优化

3.3 优化结果分析

3.4 本章小结

第四章 轴流泵参数化设计及CFD智能优化

4.1三维参数化设计模块

4.2数值计算模块

4.3 智能优化平台搭建

4.4 轴流泵多工况优化算例

4.5 优化结果分析

4.6 模型泵加工及试验验证

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文