【CAE&研發(fā)】雙吸蝸殼泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2016-10-08 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

根據(jù)具體應(yīng)用的不同,對雙吸蝸殼泵的性能要求也不一樣。需要權(quán)衡考慮多個因素,包括高效率,低關(guān)閉揚(yáng)程,設(shè)計(jì)點(diǎn)性能和尺寸。在本文中,Ebara利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DoE)和計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)研究了相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題。

根據(jù)雙吸入腔的形狀,我們可以對雙吸蝸殼泵的葉輪進(jìn)口進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。因此,為了預(yù)測這類泵的性能,需要對所有的液壓元件(葉輪,雙吸室、出水蝸殼,或/和磨損間隙)進(jìn)行建模。最近幾年,得益于并行計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展,利用CFD來進(jìn)行大規(guī)模流體分析在渦輪機(jī)械研究中已變得越來越普遍。使用CFD來進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)流分析也為人們所普遍接受。

Ebara設(shè)計(jì)了兩種類型的雙吸蝸殼泵。一種旨在高效率,另一種則是針對低關(guān)閉揚(yáng)程。Ebara通過使用DoE和CFD的方法對泵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo),Ebara再次確認(rèn)了對所有液壓元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性,這些液壓元件不僅僅有葉輪,還包括雙吸室和出水蝸殼。采用等比例縮小的模型來對泵的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文介紹了研發(fā)的結(jié)果。

此前的研究提出了一些針對渦輪機(jī)械(如混流泵,低溫泵,帶有吸入彎管的離心泵)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。此外,還有一些關(guān)于提高雙吸蝸殼泵工作效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究。首先,研究人員優(yōu)化了葉輪,之后他們設(shè)計(jì)了雙吸室和出水蝸殼。最后,利用CFD預(yù)測了整個流場。

圖1. 雙吸蝸殼泵的例子

因?yàn)橐后w需要通過雙吸室才能進(jìn)入葉輪旋轉(zhuǎn),所以非常有必要根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度來設(shè)計(jì)葉輪的入口形狀。然而,雙吸室環(huán)繞在出水蝸殼周圍,所以必須在設(shè)計(jì)雙吸室之前先對出水蝸殼進(jìn)行設(shè)計(jì)。一方面,需要知道葉輪的出口流量以便將其作為設(shè)計(jì)出水蝸殼的入口邊界條件。因此,在這項(xiàng)研究中,我們首先使用一個假定的入口條件來設(shè)計(jì)葉輪。然后,設(shè)計(jì)了出水蝸殼。接著,設(shè)計(jì)了雙吸室,最后利用雙吸室出口的流量條件重新對葉輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

        在每個組件的設(shè)計(jì)過程中,運(yùn)用DoE方法和靈敏度分析來調(diào)研設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳值。在下面的章節(jié)中具體介紹每個組件的設(shè)計(jì)過程。

        利用CFD來評估每一臺泵的性能。運(yùn)用商業(yè)軟件ANSYS Turbo Grid和ICEM制作計(jì)算網(wǎng)格,并利用ANSYS CFX來進(jìn)行計(jì)算。采用了雷諾茲平均Navier-Stokes(RANS)算法。剪切應(yīng)力傳遞(SST)模型被用于湍流模型中。在穩(wěn)態(tài)分析中,采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法來連接旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(葉輪域)與靜止坐標(biāo)系之間的接口。使用改變參考系的方法來處理葉輪區(qū)域到蝸殼區(qū)域的流量,同時保持葉輪葉片與蝸舌之間的相對位置。

        對該研究中最后得到的泵的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在一個水平的閉環(huán)測試模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用水作為CFD和實(shí)驗(yàn)的工作流體。

高效雙吸蝸殼泵的設(shè)計(jì)

        為了實(shí)現(xiàn)高效率,分別對葉輪、雙吸室和出水蝸殼進(jìn)行靈敏度分析。通過DoE的方法減少了分析次數(shù),從而高效地研究了設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。根據(jù)DoE理論中的正交表,采用CFD方法對幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。靈敏度分析證實(shí)了用于控制目標(biāo)的設(shè)計(jì)參數(shù)的重要性。我們通過使用這些重要的設(shè)計(jì)參數(shù)來設(shè)計(jì)有價值的幾何形狀。

葉輪設(shè)計(jì)優(yōu)化

        選擇了六個葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)。這些參數(shù)可能會影響泵的效率。這些參數(shù)包括入口直徑、出口寬度、出口葉片角、葉片半徑、輪轂半徑、傾角、后緣堆積角,每個參數(shù)都會在三個層次上變化(低、中和高),使用L27正交表來研究葉輪幾何形狀的27個例子。

        在周期性邊界條件下,采用具有一螺距葉片通道的穩(wěn)態(tài)流分析方法對每一個葉輪的性能進(jìn)行評估。規(guī)定固定的總壓力和流向作為入口邊界條件。該入口流向主要根據(jù)原始的雙吸室CFD分析結(jié)果而定。采用一個固定的質(zhì)量流量條件作為出口邊界條件。網(wǎng)格的數(shù)量大約在100萬。Ebara使用CFD的計(jì)算結(jié)果來研究葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)對葉輪效率的影響。

出水蝸殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)

        在本文中,Ebara使用一個參考葉輪,它是利用前面小節(jié)中的設(shè)計(jì)參數(shù)配置的中間值設(shè)計(jì)得到的。根據(jù)三個參數(shù)在三個層次上的變化得到L9正交表,利用該表設(shè)計(jì)九個出水蝸殼。這三個參數(shù)分別是入口寬度、泵殼截面的角度,以及切水斜交角。出水蝸殼的橫截面積是指定的,因此周向流速在任何徑向位置上都與1 / r成比例,其中用r表示半徑。

        在出水蝸殼的優(yōu)化過程中,吸入腔的幾何形狀還未確定,所以在穩(wěn)態(tài)CFD分析中,用兩根吸入管道來代替一個雙吸室。計(jì)算求解域包括兩個吸入管道、整個葉輪、出水蝸殼、外殼磨損環(huán)的間隙。入口和出口的邊界條件與前一節(jié)提到的葉輪CFD分析中是完全一樣的。根據(jù)初始雙吸室的CFD結(jié)果來指定進(jìn)口旋流的數(shù)量。網(wǎng)格元素的數(shù)量約為950萬。

圖2. CFD結(jié)果(出水蝸殼內(nèi)的流線以及總壓力損失)

雙吸室的優(yōu)化設(shè)計(jì)

        雙吸室的設(shè)計(jì)參數(shù)有三個,包括腔室的兩向?qū)挾群托魍Ｖ沟陌惭b角度。根據(jù)三個參數(shù)在三個層次的變化得到的L9正交表設(shè)計(jì)出九個雙吸室。利用參考葉輪和使用前一節(jié)中獲得的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化后的出水蝸殼來對蝸殼環(huán)間隙進(jìn)行CFD分析。采用固定的質(zhì)量流量作為入口邊界條件。采用固定的靜壓力作為出口邊界條件。網(wǎng)格的總數(shù)約為1300萬。

使用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行最終設(shè)計(jì)

        使用之前闡述過的方法可以得到每個部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。利用前述章節(jié)中選擇的優(yōu)化吸入腔的CFD結(jié)果來驗(yàn)證葉輪的進(jìn)水流態(tài)。

        Ebara利用根據(jù)優(yōu)化吸入腔的出口流量確定的入口條件重新設(shè)計(jì)了葉輪。利用CFD結(jié)果來評估最終設(shè)計(jì)的幾何形狀的性能,具體方法與前述章節(jié)中所提方法完全相同。圖2分別顯示了原始泵和經(jīng)過穩(wěn)態(tài)CFD分析后獲得的優(yōu)化泵的內(nèi)部流場。輪廓線表示總壓力損失在出水蝸殼內(nèi)的分布情況。與原來的泵相比,優(yōu)化泵的總損失降低了。三維流線來自圖2(a)中橫截面A和圖2(b)中橫截面B的最大損失面積。橫截面上的每條流線表明,由于二次流的迅猛發(fā)展,原始泵的出水蝸殼內(nèi)的損失巨大。

設(shè)計(jì)具有低揚(yáng)程比的雙吸蝸殼泵

        結(jié)構(gòu)緊湊是實(shí)現(xiàn)低揚(yáng)程比H0/Hd的必要條件,因此Ebara在葉輪設(shè)計(jì)中減小了葉輪直徑。根據(jù)高效型泵的設(shè)計(jì)參數(shù)的研究結(jié)果,通過挑選合適的設(shè)計(jì)參數(shù)來設(shè)計(jì)旨在減小揚(yáng)程比的整臺泵。和高效型泵的葉輪相比,低揚(yáng)程比泵的葉輪直徑更小,并且具有較大的出口葉輪角。如圖3所示,低關(guān)閉揚(yáng)程泵比原來的泵尺寸縮減了20%以上。

圖3. 尺寸比較。

CFD和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采用CFD優(yōu)化后的兩種類型的雙吸蝸殼泵的性能,使用等比例縮小了的泵模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖4顯示了泵的性能特性曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值預(yù)測之間的對比;圖4(a)顯示了高效型泵的特性曲線,圖4(b)顯示了低揚(yáng)程比型泵的特性曲線。

在圖4中,根據(jù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)對流量、總揚(yáng)程,軸功率和吸入速度做歸一化處理。利用原始泵的最高效率值將泵的效率歸一化。高效型泵的效率提高了約4%。低揚(yáng)程比型泵的揚(yáng)程比可以降到1.2以下。CFD結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合。因?yàn)閮深惐枚紳M足了設(shè)計(jì)目標(biāo),所以驗(yàn)證了本次研究中的設(shè)計(jì)方法的有效性。

圖4.實(shí)驗(yàn)和CFD的性能結(jié)果對比。

非穩(wěn)態(tài)CFD也適用于高效型,如圖4(a)所示。采用一種被稱為瞬時轉(zhuǎn)子/定子的方法來連接葉輪和出水蝸殼區(qū)域之間的邊界,該方法適用于處理合適的非穩(wěn)態(tài)流。在得到了擬周期解之后,將一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的流場取平均值,從而對結(jié)果進(jìn)行評估。穩(wěn)態(tài)CFD結(jié)果顯示了和實(shí)驗(yàn)性能相同的趨勢,但是非穩(wěn)態(tài)CFD的結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果,尤其是在接近關(guān)閉流量的時候。

結(jié)論

本研究中,作者通過使用DoE和CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了兩種類型的雙吸蝸殼泵,目的旨在實(shí)現(xiàn)高效率和低關(guān)閉揚(yáng)程比H0/Hd。不難理解的是,設(shè)計(jì)參數(shù)對性能有明顯的影響,如效率和關(guān)閉揚(yáng)程比。采用CFD分析和實(shí)驗(yàn)方法兩種方式來驗(yàn)證使用優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)后得到的兩種泵的性能,結(jié)果表明達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。CFD分析方法能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測實(shí)驗(yàn)性能特性。

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