基于级间匹配效应的立式多级泵叶轮水力设计方法

摘要

本发明公开了基于级间匹配效应的立式多级泵叶轮水力设计方法，在考虑多级泵级间匹配效应的基础上，结合外特性试验和CFD技术，采用优化算法并计算加权平均功率的最大值或加权平均效率最小值的方法来最终获得多级泵叶轮进出口直径和叶轮出口宽度的最佳值。本发明提出的一种基于级间匹配效应的立式多级泵叶轮水力设计方法，较以经验为主的设计方法而言，经验因素偏少且理论基础支撑更可靠，为多级泵叶轮的水力设计的提供了一种全新的思路和方法，在一定程度上还可以节约成本。

说明书

技术领域

本发明涉及泵水力设计方法，特别涉及一种基于级间匹配效应的立式多级泵叶轮水力设计方法。

背景技术

多级泵在结构上具有两个以上的叶轮，相比传统的单级泵来说具有更高的扬程，且其结构先进合理、使用寿命长和可靠性好，此外与传统的泵相比又具有更高的泵送流量，因此被广泛应用在火电厂锅炉给水、石油化工、矿井排水等多种行业生产活动中，是实现高效生产的重要保证。但是，由于其本身的特殊性能，在进行多级泵的设计、应用与维修方面都有着更加严格的技术要求。

而在当前的多级泵水力设计时，设计人员往往先对单级的水力模型进行设计和研究，然后通过串联多级相同的水力模型来实现多级泵水力设计目标。但是，多级泵内部流动为复杂的三维流动，级与级之间性能存在密切的匹配效应，各级的入流条件与单级研究的假设差别很大，因此，在对多级泵进行水力设计时，考虑多级泵级间的匹配效应是非常必要的。

现有专利号201010151536.5，名称为“一种多级离心泵多叶轮组合水力设计方法”的专利提出一种多叶轮组合水力设计方法，该设计方法是指在多级离心泵水力设计中采用三种以上叶轮水力模型组合的方式，通过对水力模型和叶轮数适当匹配，可以实现改变和调整Q-H曲线，得到满足所要求的性能参数的Q-H曲线，但并没有涉及对多级泵叶轮具体参数的水力设计。

现有专利号201510674177.4，名称为“叶片内、外缘流线高匹配的多级离心泵导叶水力设计方法”的专利提出一种对多级离心泵导叶的水力设计方法，该设计方法的具体内容为确定多级离心泵导叶的主要几何参数，将过渡段的内、外缘流线设计成同心圆，对外缘流线的过渡段进行同原点、等角度射线平分，分别测量出对应的外缘型线过渡段上每一段弧长及外缘流线过渡段上每一段的平均半径，并计算出外缘流线过渡段上每一段弧长对应的包角，并采用包角两翼变换方法设计叶片内缘流线，引入平均偏移系数来计算内缘流线进口段和出口段的理论长度，最终绘制多级离心泵导叶叶片轴面图，但并没有涉及对在考虑级间匹配效应的基础上对多级泵叶轮进行水力设计。

针对上述存在的缺陷，本发明人发明了“一种基于级间匹配效应的立式多级泵叶轮水力设计方法”，在考虑多级泵级间匹配效应的基础上对泵叶轮相应参数进行水力设计，还通过采用外特性试验、迭代算法和CFD技术得到不同工况下的加权平均效率最高或加权平均功率最低的立式多级泵叶轮进出口直径和出口宽度的最佳值。

发明内容

本发明目的：目前，在多级泵水力设计时，设计人员往往先对单级的水力模型进行设计和研究，然后通过串联多级相同的水力模型来实现多级泵水力设计目标。但是，多级泵内部流动为复杂的三维流动，级与级之间性能存在密切的匹配效应，各级的入流条件与单级研究的假设差别很大，因此，在对多级泵进行水力设计时，考虑多级泵级间的匹配效应是非常必要的。本发明的目的在于在考虑多级泵级间匹配效应的基础上，对多级泵叶轮的几何参数进行水力设计，并通过外特性试验、迭代算法和CFD技术得到不同工况下的加权平均效率最高或加权平均功率最低的立式多级泵叶轮进出口直径和出口宽度的最佳值，进而为立式多级泵叶轮的水力设计方法提供一种思路，使得设计的多级泵叶轮更满足水力性能要求和更加符合实际运用。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于级间匹配效应的立式多级泵叶轮水力设计方法，该水力设计方法在考虑多级泵级间匹配效应的基础上，通过外特性试验、迭代算法和CFD技术得到不同工况下的加权平均效率最高或加权平均功率最低的立式多级泵叶轮进出口直径和出口宽度的最佳值。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

采用迭代算法对立式多级泵叶轮进、出口直径D₁、D₂以及叶片出口宽度b₂的迭代数学模型进行求解，解出立式多级泵叶轮进、出口直径D₁、D₂和叶片出口宽度b₂相匹配的一组解集，再采用CFD技术得到其加权平均效率最高或加权平均功率最低的立式多级泵叶轮进、出口直径D₁、D₂和叶片出口宽度b₂的一组最佳值。

其具体步骤如下：

(1)搭建立式多级泵外特性试验台，测量设计工况下立式多级泵的流量、扬程、功率和效率；

在考虑立式多级泵级间干涉和级间匹配效应的基础上，对立式多级泵叶轮几何参数进行水力设计；加工立式多级泵，并在外特性试验台上测量立式多级泵设计工况下的流量、扬程、功率和效率。

(2)采用CFD技术对满足外特性要求的一组立式多级泵的内部流场进行全流场数值计算，得到它们的加权平均效率最高或加权平均功率最低的一组叶轮进、出口直径D₁、D₂和叶片出口宽度b₂相匹配的的一组最佳值；

采用CFD技术对满足外特性要求的一组立式多级泵模型进行全流场数值模拟，当数值模拟外特性结果和试验结果的误差在允许范围内时，对比分析满足要求的该组立式多级泵的各单级叶轮的内流场变化情况，并研究各级叶轮内部流动状态对外特性的具体影响的大小。

(3)采用迭代算法对符合要求的立式多级泵叶轮进、出口直径D₁、D₂和叶片出口宽度b₂迭代数学模型进行求解，解出立式多级泵叶轮进、出口直径D₁、D₂和叶片出口宽度b₂相匹配的解集组，解集组是一组范围而不是某一个具体数值；

根据立式多级泵的流量Q、扬程H、转速n和比转速ns建立叶轮进口直径系数kD1的求解关系：

同理，由立式多级泵的流量Q、扬程H、转速n和比转速ns建立叶轮出口直径D2的函数求解关系：

此时考虑多级泵的级间干涉和级间匹配效应的影响，

基于以上函数关系式，叶轮出口宽度b2的数学模型：

其中，考虑多级泵级间匹配效应对流动的影响，叶轮出口宽度

(4)最后计算迭代优化得到的解集组各个模型的加权平均效率值和加权平均功率值，找出最优的满足加权平均效率最高或加权平均功率最低的模型对应的立式多级泵叶轮进、出口直径D₁、D₂和叶片出口宽度b₂相匹配的的一个最优解。

本发明的有益效果是：

(1)在考虑级间匹配作用的基础上，对立式多级离心泵叶轮进行水力设计，通过加权平均效率最高或加权平均功率最低来找到对应的立式多级泵叶轮的具体参数，相比于通常的考虑单级叶轮进行水力设计，再通过串联的方式得到的立式多级泵叶轮更准确；

(2)将外特性试验，CFD模拟和迭代算法相结合，为立式多级泵叶轮的水力设计提供了一种水力设计方法，在一定程度上节约了经济成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是该立式多级泵叶轮水力设计方法的流程图；

图2是实施例中立式多级泵首级叶轮的水体三维造型。

具体实施方法

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：

实施例：

一个比转速为78的4级立式泵的设计流量Q＝4.8m3/h，设计扬程H＝8m，转速n＝2800r/min。

(1)在考虑立式多级泵级间干涉和级间匹配效应的基础上，对立式多级泵叶轮几何参数进行水力设计，并搭建立式多级泵外特性试验台，测量设计工况下立式多级泵的流量、扬程、功率和效率。

采用通常的水力设计方法计算得到的叶轮进、出口直径D₁、D₂以及叶片出口宽度b₂的值分别是36.5mm、102.5mm、7mm；测量设计工况下立式多级泵的扬程、功率和效率，得到其值分别是：H1＝7.382m，P1＝300W(单级)，η＝71％。

基于级间干涉和级间匹配效应的立式多级泵叶轮主要参数的数学模型如下所示：

在数值模拟外特性结果和试验结果的误差在允许范围内时，且试验和模拟结果相差较小时，对应的叶轮进、出口直径D₁、D₂以及叶片出口宽度b₂的一组匹配的值解为35mm、104mm、5mm，且对应的扬程、功率和效率分别为7.4m、298W(单级)、77.3％。

经全局优化后得到的功率值小于优化前的功率值，且效率值大于优化前的效率值，则优化后得到的立式多级泵叶轮设计参数值为最优解。

本实施方式将外特性试验结果和内流场结果相结合，采用优化算法，综合各方面因素考虑，最终计算得到叶轮水力设计参数的最佳值，为立式多级泵的叶轮水力设计提供一种新思路和方法，在一定程度上节约成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。