專利名稱：一種基于損失的離心泵多工況水力優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于離心泵水力優(yōu)化領(lǐng)域，具體涉及一種基于損失的離心泵多工況水力優(yōu) 化方法。
背景技術(shù)：
目前，普遍采用傳統(tǒng)的單點(diǎn)方法對(duì)離心泵進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，只能保證其設(shè)計(jì)點(diǎn)的性 能，無(wú)法保證非設(shè)計(jì)工況下的性能。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，很多離心泵的設(shè)計(jì)不僅要求設(shè)計(jì) 工況的性能能夠得到保證，對(duì)非設(shè)計(jì)工況性能也有明確的要求，比如核電用離心泵。這就要 求對(duì)離心泵進(jìn)行多工況水力設(shè)計(jì)。迄今為止，尚未見關(guān)于離心泵多工況水力設(shè)計(jì)方法的文獻(xiàn)報(bào)道，僅有一些學(xué)者做 與離心泵多工況水力設(shè)計(jì)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(nèi)動(dòng)白勺損 失分析出發(fā)，建立水力參數(shù)與性能參數(shù)之間的關(guān)系和水力參數(shù)與過(guò)流部件幾何參數(shù)之間的 關(guān)系。李世煌《葉片泵的非設(shè)計(jì)工況及其優(yōu)化設(shè)計(jì)》(2006年)將Neumann的方法推廣到所 有的葉片泵，并按過(guò)流部件內(nèi)各項(xiàng)損失最小的原則提出了非設(shè)計(jì)工況的修正措施。排灌機(jī) 械工程學(xué)報(bào)《核電站離心式上充泵多工況水力設(shè)計(jì)》(2010年第3期)提出了多種葉輪水力 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化組合與葉輪多工況水力設(shè)計(jì)相結(jié)合的技術(shù)，并應(yīng)用到核二級(jí)上充泵多工況水 力設(shè)計(jì)中，但該技術(shù)僅屬于方案優(yōu)化，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒有考慮導(dǎo)葉的主要幾何參數(shù)對(duì)上 充泵性能的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種基于損失的離心泵多工況水力優(yōu)化方法，通過(guò)采用外特性實(shí) 驗(yàn)、CAD技術(shù)和全局優(yōu)化算法來(lái)解離心泵多工況水力優(yōu)化的多目標(biāo)問(wèn)題，從而求出一組關(guān)鍵 幾何參數(shù)的最優(yōu)解集。為達(dá)到以上目的，采用如下技術(shù)方案
通過(guò)對(duì)不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵進(jìn)行外特性實(shí)驗(yàn)，建立不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵多工況水力優(yōu) 化模型中不同工況下的各損失系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)、流量《之間的關(guān)系，并使用iSIGHT軟件集 成自編離心泵多工況水力優(yōu)化程序PCC. exe，采用自適應(yīng)模擬退火算法(或基于初始種群漸 進(jìn)漂移的自適應(yīng)遺傳算法、或這兩種方法的組合)來(lái)求解離心泵多工況水力優(yōu)化的多目標(biāo) 問(wèn)題。其水力設(shè)計(jì)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(yōu)化模型?；陔x心泵的理論揚(yáng)程公式巧、以及葉輪和蝸殼內(nèi)的水力損失ΔΑ，建立揚(yáng)程# 與流量C之間的關(guān)系表達(dá)式//=ZZt-AA=/;⑷，關(guān)鍵幾何參數(shù))；基于離心泵填料箱和軸承 中的機(jī)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(guān)系表達(dá)式 P=P gQtHt+ δλ+ δα=/2 {Q,關(guān)鍵幾何參數(shù))；基于葉輪密封環(huán)的泄漏量仏，建立效率與流量之間的關(guān)系表達(dá)式g^t-^)///^=/；⑷，關(guān)鍵幾何參數(shù))。(2)對(duì)不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵進(jìn)行外特性實(shí)驗(yàn)，建立不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵多工況水 力優(yōu)化模型中不同工況下的各損失系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)、流量《之間的關(guān)系。搭建離心泵外特性試驗(yàn)臺(tái)；離心泵揚(yáng)程由離心泵進(jìn)、出口的壓力表測(cè)量得到；采 用電測(cè)法測(cè)量離心泵的功率；離心泵的容積損失由離心泵進(jìn)、出口流量差計(jì)算得到。通過(guò)測(cè)量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、不同工況下離心泵進(jìn)、出口之間的壓力差，建立不同 工況下的各水力損失系數(shù)左與比轉(zhuǎn)數(shù)化、流量仏之間的關(guān)系左AAi=/>s/l00，込/仏)，其中 仏為設(shè)計(jì)工況下的流量；通過(guò)測(cè)量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、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(jī)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(shù)八,2i與比轉(zhuǎn)數(shù)化、流量仏之間的關(guān)系*_=/2(化/100，仏/仏)；通過(guò)測(cè)量得到的不 同比轉(zhuǎn)數(shù)、不同工況下離心泵進(jìn)、出口流量差，建立不同工況下的各容積損失系數(shù)左 u與比 轉(zhuǎn)數(shù)化、流量仏之間的關(guān)系夂ffli=/3fcs/100，込/仏)。(3)根據(jù)離心泵多工況水力優(yōu)化模型以及不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵不同工況下的各損 失系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)/7S、流量《之間的關(guān)系，采用Visual C++ 2005將其編寫成離心泵多工況 水力優(yōu)化程序PCC. exe,并建立離心泵性能計(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)的參數(shù)值作為初始值、多個(gè)工況下的 揚(yáng)程和功率值作為約束條件、多個(gè)工況下的效率最大作為目標(biāo)，同時(shí)采用自適應(yīng)模擬退火 算法、基于初始種群漸進(jìn)漂移的自適應(yīng)遺傳算法或自適應(yīng)模擬退火算法與基于初始種群漸 進(jìn)漂移的自適應(yīng)遺傳算法組合對(duì)離心泵進(jìn)行多目標(biāo)全局優(yōu)化。(5)如果不滿足收斂準(zhǔn)則，則改變?cè)O(shè)計(jì)變量值，重復(fù)第(4)步，直至滿足收斂準(zhǔn)則為 止。收斂后，將主要幾何參數(shù)的最優(yōu)解及離心泵的性能值分別保存在input, dat和output, dat 中。(6)根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)解集，采用泵水力設(shè)計(jì)軟件PCAD2010對(duì)離心泵進(jìn)行水力 設(shè)計(jì)，從而得到離心泵多工況水力優(yōu)化模型。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1)基于外特性實(shí)驗(yàn)得到的不同工況下各損失系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)、流量之間的關(guān)系，建立的 離心泵多工況水力優(yōu)化模型較為準(zhǔn)確，適用于不同比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)證 能夠滿足工程應(yīng)用；
(2)將外特性實(shí)驗(yàn)與CAD技術(shù)、全局優(yōu)化算法相結(jié)合，采用iSIGHT集成自編的離心泵多 工況水力優(yōu)化程序PCC. exe來(lái)求解離心泵多工況水力設(shè)計(jì)問(wèn)題，提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了 離心泵設(shè)計(jì)周期。(3)不僅能夠根據(jù)對(duì)不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵進(jìn)行多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以對(duì)已 有的離心泵進(jìn)行節(jié)能改造。


圖1為一種基于損失的離心泵多工況水力優(yōu)化方法的流程圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)比較圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例
一比轉(zhuǎn)數(shù)為117.8的離心泵，其3個(gè)工況下的性能參數(shù)為小流量工況0=22Om3/ h,伐=32m，Λ=24Μ ；設(shè)計(jì)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(yōu)化模型。X.基于離心泵的理論揚(yáng)程公式巧、以及葉輪和蝸殼內(nèi)的水力損失ΔΑ，建立揚(yáng)程 與流量之間的關(guān)系表達(dá)式//=//t- AA=Z1 {Q,關(guān)鍵幾何參數(shù))。有限葉片數(shù)時(shí)離心泵的理論揚(yáng)程巧為
權(quán)利要求
一種基于損失的離心泵多工況水力優(yōu)化方法，其特征在于，根據(jù)給定多個(gè)工況點(diǎn)下的揚(yáng)程和功率值，基于離心泵多工況水力優(yōu)化模型以及不同工況下的各損失系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)、流量之間的關(guān)系，求解出離心泵關(guān)鍵幾何參數(shù)的最優(yōu)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(yōu)化模型；基于離心泵的理論揚(yáng)程公式Ht、以及葉輪和蝸殼內(nèi)的水力損失Δh，建立揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系表達(dá)式H=Ht Δh=f1(Q，關(guān)鍵幾何參數(shù))；基于離心泵填料箱和軸承中的機(jī)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(guān)系表達(dá)式P=ρgQtHt+ΔP1+ΔP2=f2(Q，關(guān)鍵幾何參數(shù))；基于葉輪密封環(huán)的泄漏量q1，建立效率與流量之間的關(guān)系表達(dá)式η=ρg(Qt q1)H/P=f3(Q，關(guān)鍵幾何參數(shù))；(B)對(duì)不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵進(jìn)行外特性實(shí)驗(yàn)，建立不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵多工況水力優(yōu)化模型中不同工況下的各損失系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)ns、流量Qi之間的關(guān)系；搭建離心泵外特性試驗(yàn)臺(tái)；離心泵揚(yáng)程由離心泵進(jìn)、出口的壓力表測(cè)量得到；采用電測(cè)法測(cè)量離心泵的功率；離心泵的容積損失由離心泵進(jìn)、出口流量差計(jì)算得到；通過(guò)測(cè)量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、不同工況下離心泵進(jìn)、出口之間的壓力差，建立不同工況下的各水力損失系數(shù)kΔhi與比轉(zhuǎn)數(shù)ns、流量Qi之間的關(guān)系kΔhi=f1(ns/100,Qi/Qd)，其中Qd為設(shè)計(jì)工況下的流量；通過(guò)測(cè)量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、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(jī)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(shù)kΔP2i與比轉(zhuǎn)數(shù)ns、流量Qi之間的關(guān)系kΔP2i=f2(ns/100,Qi/Qd)；通過(guò)測(cè)量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、不同工況下離心泵進(jìn)、出口流量差，建立不同工況下的各容積損失系數(shù)kΔq1i與比轉(zhuǎn)數(shù)ns、流量Qi之間的關(guān)系kΔq1i=f3(ns/100,Qi/Qd)；(C)根據(jù)離心泵多工況水力優(yōu)化模型以及不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵不同工況下的各損失系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)ns、流量Qi之間的關(guān)系，采用Visual C++ 2005將其編寫成離心泵多工況水力優(yōu)化程序PCC.exe，并建立離心泵性能計(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)的參數(shù)值作為初始值、多個(gè)工況下的揚(yáng)程和功率值作為約束條件、多個(gè)工況下的效率最大作為目標(biāo)，同時(shí)采用自適應(yīng)模擬退火算法、基于初始種群漸進(jìn)漂移的自適應(yīng)遺傳算法或自適應(yīng)模擬退火算法與基于初始種群漸進(jìn)漂移的自適應(yīng)遺傳算法組合對(duì)離心泵進(jìn)行多目標(biāo)全局優(yōu)化；(E)如果不滿足收斂準(zhǔn)則，則改變?cè)O(shè)計(jì)變量值，重復(fù)第(D)步，直至滿足收斂準(zhǔn)則為止；收斂后，將主要幾何參數(shù)的最優(yōu)解及離心泵的性能值分別保存在input.dat和output.dat中；(F)根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)解集，采用泵水力設(shè)計(jì)軟件對(duì)離心泵進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，進(jìn)而得到離心泵多工況水力優(yōu)化模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于損失的離心泵多工況水力優(yōu)化方法。本發(fā)明的過(guò)程為基于各種損失公式建立離心泵多工況水力優(yōu)化模型；通過(guò)外特性實(shí)驗(yàn)，建立不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵不同工況下的各損失系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)、流量之間的關(guān)系；采用VisualC++編譯離心泵多工況水力優(yōu)化程序PCC.exe；采用iSIGHT集成PCC.exe，并以單點(diǎn)設(shè)計(jì)的參數(shù)值作為初始值、多個(gè)工況下的揚(yáng)程和功率作為約束條件、多個(gè)工況下的效率最大作為目標(biāo)，并采用全局優(yōu)化算法或組合對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化；根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)解集，采用PCAD設(shè)計(jì)多工況水力模型。本發(fā)明不僅能根據(jù)多個(gè)工況下的性能要求對(duì)離心泵進(jìn)行多工況水力設(shè)計(jì)，還可以對(duì)現(xiàn)有的離心泵進(jìn)行節(jié)能改造。
文檔編號(hào)F04D1/00GK101956710SQ20101052049
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者劉厚林, 王凱, 王勇, 袁壽其, 談明高 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)