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)的單點方法對離心泵進行水力設(shè)計，只能保證其設(shè)計點的性 能，無法保證非設(shè)計工況下的性能。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，很多離心泵的設(shè)計不僅要求設(shè)計 工況的性能能夠得到保證，對非設(shè)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(shè)計。迄今為止，尚未見關(guān)于離心泵多工況水力設(shè)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(shè)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(nèi)動白勺損 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)計工況及其優(yōu)化設(shè)計》(2006年)將Neumann的方法推廣到所 有的葉片泵，并按過流部件內(nèi)各項損失最小的原則提出了非設(shè)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(shè)計》(2010年第3期)提出了多種葉輪水力 設(shè)計方案優(yōu)化組合與葉輪多工況水力設(shè)計相結(jié)合的技術(shù)，并應(yīng)用到核二級上充泵多工況水 力設(shè)計中，但該技術(shù)僅屬于方案優(yōu)化，且在設(shè)計過程中沒有考慮導葉的主要幾何參數(shù)對上 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，通過采用外特性實 驗、CAD技術(shù)和全局優(yōu)化算法來解離心泵多工況水力優(yōu)化的多目標問題，從而求出一組關(guān)鍵 幾何參數(shù)的最優(yōu)解集。為達到以上目的，采用如下技術(shù)方案
通過對不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵進行外特性實驗，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 進漂移的自適應(yīng)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(yōu)化的多目標 問題。其水力設(shè)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(yōu)化模型。基于離心泵的理論揚程公式巧、以及葉輪和蝸殼內(nèi)的水力損失ΔΑ，建立揚程# 與流量C之間的關(guān)系表達式//=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)系表達式g^t-^)///^=/；⑷，關(guān)鍵幾何參數(shù))。(2)對不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵進行外特性實驗，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(zhuǎn)數(shù)、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(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)計工況下的流量；通過測量得到的不同比轉(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)；通過測量得到的不 同比轉(zhuǎn)數(shù)、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(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(shè)計的參數(shù)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(yīng)模擬退火 算法、基于初始種群漸進漂移的自適應(yīng)遺傳算法或自適應(yīng)模擬退火算法與基于初始種群漸 進漂移的自適應(yīng)遺傳算法組合對離心泵進行多目標全局優(yōu)化。(5)如果不滿足收斂準則，則改變設(shè)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(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)計軟件PCAD2010對離心泵進行水力 設(shè)計，從而得到離心泵多工況水力優(yōu)化模型。本發(fā)明的優(yōu)點在于
(1)基于外特性實驗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)化模型較為準確，適用于不同比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的水力優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)驗證 能夠滿足工程應(yīng)用；
(2)將外特性實驗與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來求解離心泵多工況水力設(shè)計問題，提高了設(shè)計效率，縮短了 離心泵設(shè)計周期。(3)不僅能夠根據(jù)對不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵進行多工況水力優(yōu)化設(shè)計，還可以對已 有的離心泵進行節(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)明實施例的結(jié)果與實驗比較圖。
具體實施例方式實施例
一比轉(zhuǎn)數(shù)為117.8的離心泵，其3個工況下的性能參數(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程公式巧、以及葉輪和蝸殼內(nèi)的水力損失ΔΑ，建立揚程 與流量之間的關(guān)系表達式//=//t- AA=Z1 {Q,關(guān)鍵幾何參數(shù))。有限葉片數(shù)時離心泵的理論揚程巧為
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)給定多個工況點下的揚程和功率值，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程公式Ht、以及葉輪和蝸殼內(nèi)的水力損失Δh，建立揚程H與流量Q之間的關(guān)系表達式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)系表達式η=ρg(Qt q1)H/P=f3(Q，關(guān)鍵幾何參數(shù))；(B)對不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵進行外特性實驗，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(zhuǎn)數(shù)、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(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)計工況下的流量；通過測量得到的不同比轉(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)；通過測量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、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(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(shè)計的參數(shù)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(yīng)模擬退火算法、基于初始種群漸進漂移的自適應(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漂移的自適應(yīng)遺傳算法組合對離心泵進行多目標全局優(yōu)化；(E)如果不滿足收斂準則，則改變設(shè)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(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)計軟件對離心泵進行水力設(shè)計，進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；通過外特性實驗，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，并以單點設(shè)計的參數(shù)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(yōu)化算法或組合對其進行優(yōu)化；根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)解集，采用PCAD設(shè)計多工況水力模型。本發(fā)明不僅能根據(jù)多個工況下的性能要求對離心泵進行多工況水力設(shè)計，還可以對現(xiàn)有的離心泵進行節(jié)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(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 申請人:江蘇大學