專利名稱：一種基于損失的離心泵多工況水力優化方法
技術領域：
本發明屬于離心泵水力優化領域，具體涉及一種基于損失的離心泵多工況水力優 化方法。
背景技術：
目前，普遍采用傳統的單點方法對離心泵進行水力設計，只能保證其設計點的性 能，無法保證非設計工況下的性能。隨著國民經濟的發展，很多離心泵的設計不僅要求設計 工況的性能能夠得到保證，對非設計工況性能也有明確的要求，比如核電用離心泵。這就要 求對離心泵進行多工況水力設計。迄今為止，尚未見關于離心泵多工況水力設計方法的文獻報道，僅有一些學者做 與離心泵多工況水力設計方法相近的研究工作。Neumann所著《The interaction between geometry and performance of a centrifugal pump)) (1991 年)中■出從栗內動白勺損 失分析出發，建立水力參數與性能參數之間的關系和水力參數與過流部件幾何參數之間的 關系。李世煌《葉片泵的非設計工況及其優化設計》(2006年)將Neumann的方法推廣到所 有的葉片泵，并按過流部件內各項損失最小的原則提出了非設計工況的修正措施。排灌機 械工程學報《核電站離心式上充泵多工況水力設計》(2010年第3期)提出了多種葉輪水力 設計方案優化組合與葉輪多工況水力設計相結合的技術，并應用到核二級上充泵多工況水 力設計中，但該技術僅屬于方案優化，且在設計過程中沒有考慮導葉的主要幾何參數對上 充泵性能的影響。
發明內容
本發明旨在提供一種基于損失的離心泵多工況水力優化方法，通過采用外特性實 驗、CAD技術和全局優化算法來解離心泵多工況水力優化的多目標問題，從而求出一組關鍵 幾何參數的最優解集。為達到以上目的，采用如下技術方案
通過對不同比轉數的離心泵進行外特性實驗，建立不同比轉數的離心泵多工況水力優 化模型中不同工況下的各損失系數與比轉數、流量《之間的關系，并使用iSIGHT軟件集 成自編離心泵多工況水力優化程序PCC. exe，采用自適應模擬退火算法(或基于初始種群漸 進漂移的自適應遺傳算法、或這兩種方法的組合)來求解離心泵多工況水力優化的多目標 問題。其水力設計方法步驟如下
(1)基于各種損失公式建立離心泵多工況水力優化模型。基于離心泵的理論揚程公式巧、以及葉輪和蝸殼內的水力損失ΔΑ，建立揚程# 與流量C之間的關系表達式//=ZZt-AA=/;⑷，關鍵幾何參數)；基于離心泵填料箱和軸承 中的機械摩擦損失NPx和圓盤摩擦損失功率Δ/V建立功率與流量之間的關系表達式 P=P gQtHt+ δλ+ δα=/2 {Q,關鍵幾何參數)；基于葉輪密封環的泄漏量仏，建立效率與流量之間的關系表達式g^t-^)///^=/；⑷，關鍵幾何參數)。(2)對不同比轉數的離心泵進行外特性實驗，建立不同比轉數的離心泵多工況水 力優化模型中不同工況下的各損失系數與比轉數、流量《之間的關系。搭建離心泵外特性試驗臺；離心泵揚程由離心泵進、出口的壓力表測量得到；采 用電測法測量離心泵的功率；離心泵的容積損失由離心泵進、出口流量差計算得到。通過測量得到的不同比轉數、不同工況下離心泵進、出口之間的壓力差，建立不同 工況下的各水力損失系數左與比轉數化、流量仏之間的關系左AAi=/>s/l00，込/仏)，其中 仏為設計工況下的流量；通過測量得到的不同比轉數、不同工況下離心泵功率Λ以及離心 泵填料箱和軸承中的機械摩擦損失LPli: (0. 01-0. 03)Λ，建立不同工況下的各圓盤摩擦 損失系數八,2i與比轉數化、流量仏之間的關系*_=/2(化/100，仏/仏)；通過測量得到的不 同比轉數、不同工況下離心泵進、出口流量差，建立不同工況下的各容積損失系數左 u與比 轉數化、流量仏之間的關系夂ffli=/3fcs/100，込/仏)。(3)根據離心泵多工況水力優化模型以及不同比轉數的離心泵不同工況下的各損 失系數與比轉數/7S、流量《之間的關系，采用Visual C++ 2005將其編寫成離心泵多工況 水力優化程序PCC. exe,并建立離心泵性能計算所需要的輸入文件input, dat和輸出文件 output, datο(4)采用iSIGHT集成PCC.exe，并以單點設計的參數值作為初始值、多個工況下的 揚程和功率值作為約束條件、多個工況下的效率最大作為目標，同時采用自適應模擬退火 算法、基于初始種群漸進漂移的自適應遺傳算法或自適應模擬退火算法與基于初始種群漸 進漂移的自適應遺傳算法組合對離心泵進行多目標全局優化。(5)如果不滿足收斂準則，則改變設計變量值，重復第(4)步，直至滿足收斂準則為 止。收斂后，將主要幾何參數的最優解及離心泵的性能值分別保存在input, dat和output, dat 中。(6)根據優化得到的最優解集，采用泵水力設計軟件PCAD2010對離心泵進行水力 設計，從而得到離心泵多工況水力優化模型。本發明的優點在于
(1)基于外特性實驗得到的不同工況下各損失系數與比轉數、流量之間的關系，建立的 離心泵多工況水力優化模型較為準確，適用于不同比轉數離心泵的水力優化設計，經驗證 能夠滿足工程應用；
(2)將外特性實驗與CAD技術、全局優化算法相結合，采用iSIGHT集成自編的離心泵多 工況水力優化程序PCC. exe來求解離心泵多工況水力設計問題，提高了設計效率，縮短了 離心泵設計周期。(3)不僅能夠根據對不同比轉數的離心泵進行多工況水力優化設計，還可以對已 有的離心泵進行節能改造。
圖1為一種基于損失的離心泵多工況水力優化方法的流程圖。圖2為本發明實施例的結果與實驗比較圖。
具體實施例方式實施例
一比轉數為117.8的離心泵，其3個工況下的性能參數為小流量工況0=22Om3/ h,伐=32m，Λ=24Μ ；設計工況込=280m3/h，盡=29. Im, ^=26. 9kff ；大流量工況込=340m3/h， "3=25. 4m, /^3=29. 4kW。(1)基于離心泵的各種損失公式建立離心泵多工況水力優化模型。X.基于離心泵的理論揚程公式巧、以及葉輪和蝸殼內的水力損失ΔΑ，建立揚程 與流量之間的關系表達式//=//t- AA=Z1 {Q,關鍵幾何參數)。有限葉片數時離心泵的理論揚程巧為
權利要求
一種基于損失的離心泵多工況水力優化方法，其特征在于，根據給定多個工況點下的揚程和功率值，基于離心泵多工況水力優化模型以及不同工況下的各損失系數與比轉數、流量之間的關系，求解出離心泵關鍵幾何參數的最優解，并得到各工況下的效率值；具體步驟如下(A)基于各種損失公式建立離心泵多工況水力優化模型；基于離心泵的理論揚程公式Ht、以及葉輪和蝸殼內的水力損失Δh，建立揚程H與流量Q之間的關系表達式H=Ht Δh=f1(Q，關鍵幾何參數)；基于離心泵填料箱和軸承中的機械摩擦損失ΔP1和圓盤摩擦損失功率ΔP2，建立功率與流量之間的關系表達式P=ρgQtHt+ΔP1+ΔP2=f2(Q，關鍵幾何參數)；基于葉輪密封環的泄漏量q1，建立效率與流量之間的關系表達式η=ρg(Qt q1)H/P=f3(Q，關鍵幾何參數)；(B)對不同比轉數的離心泵進行外特性實驗，建立不同比轉數的離心泵多工況水力優化模型中不同工況下的各損失系數與比轉數ns、流量Qi之間的關系；搭建離心泵外特性試驗臺；離心泵揚程由離心泵進、出口的壓力表測量得到；采用電測法測量離心泵的功率；離心泵的容積損失由離心泵進、出口流量差計算得到；通過測量得到的不同比轉數、不同工況下離心泵進、出口之間的壓力差，建立不同工況下的各水力損失系數kΔhi與比轉數ns、流量Qi之間的關系kΔhi=f1(ns/100,Qi/Qd)，其中Qd為設計工況下的流量；通過測量得到的不同比轉數、不同工況下離心泵功率Pi以及離心泵填料箱和軸承中的機械摩擦損失ΔP1i=(0.01 0.03)Pi，建立不同工況下的各圓盤摩擦損失系數kΔP2i與比轉數ns、流量Qi之間的關系kΔP2i=f2(ns/100,Qi/Qd)；通過測量得到的不同比轉數、不同工況下離心泵進、出口流量差，建立不同工況下的各容積損失系數kΔq1i與比轉數ns、流量Qi之間的關系kΔq1i=f3(ns/100,Qi/Qd)；(C)根據離心泵多工況水力優化模型以及不同比轉數的離心泵不同工況下的各損失系數與比轉數ns、流量Qi之間的關系，采用Visual C++ 2005將其編寫成離心泵多工況水力優化程序PCC.exe，并建立離心泵性能計算所需要的輸入文件input.dat和輸出文件output.dat；(D)采用iSIGHT集成PCC.exe，并以單點設計的參數值作為初始值、多個工況下的揚程和功率值作為約束條件、多個工況下的效率最大作為目標，同時采用自適應模擬退火算法、基于初始種群漸進漂移的自適應遺傳算法或自適應模擬退火算法與基于初始種群漸進漂移的自適應遺傳算法組合對離心泵進行多目標全局優化；(E)如果不滿足收斂準則，則改變設計變量值，重復第(D)步，直至滿足收斂準則為止；收斂后，將主要幾何參數的最優解及離心泵的性能值分別保存在input.dat和output.dat中；(F)根據優化得到的最優解集，采用泵水力設計軟件對離心泵進行水力設計，進而得到離心泵多工況水力優化模型。
全文摘要
本發明公開了一種基于損失的離心泵多工況水力優化方法。本發明的過程為基于各種損失公式建立離心泵多工況水力優化模型；通過外特性實驗，建立不同比轉數的離心泵不同工況下的各損失系數與比轉數、流量之間的關系；采用VisualC++編譯離心泵多工況水力優化程序PCC.exe；采用iSIGHT集成PCC.exe，并以單點設計的參數值作為初始值、多個工況下的揚程和功率作為約束條件、多個工況下的效率最大作為目標，并采用全局優化算法或組合對其進行優化；根據優化得到的最優解集，采用PCAD設計多工況水力模型。本發明不僅能根據多個工況下的性能要求對離心泵進行多工況水力設計，還可以對現有的離心泵進行節能改造。
文檔編號F04D1/00GK101956710SQ20101052049
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月27日 優先權日2010年10月27日
發明者劉厚林, 王凱, 王勇, 袁壽其, 談明高 申請人:江蘇大學