混流泵葉片優(yōu)化設(shè)計

摘要：混流泵比轉(zhuǎn)速一般在300至500之間，介于離心泵和軸流泵之間，具有流量大、揚程高等特點，因此廣泛應(yīng)用與農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活生產(chǎn)中。葉輪作為混流泵的核心部件，其設(shè)計的好壞對混流泵的性能有著重要的影響，要想設(shè)計出滿足特殊用泵行業(yè)的混流泵葉輪，就必須根據(jù)已有設(shè)計產(chǎn)品，針對現(xiàn)場運行環(huán)境等條件，對已有的混流泵模型進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化出滿足性能指標、能使機組安全穩(wěn)定運行的混流泵葉輪模型。

關(guān)鍵詞：混流泵；優(yōu)化設(shè)計；安全穩(wěn)定

引言

混流泵是介于離心泵和軸流泵之間的一種泵。它的比轉(zhuǎn)速高于離心泵，低于軸流泵，一般在300-500之間，揚程比軸流泵高，但流量比軸流泵小，比離心泵大。由于混流泵流量大、揚程和效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個部位，特別是在火電站和核電站冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)中，是不可替代的核心部件。葉輪作為混流泵的核心部件，其設(shè)計的好壞直接影響到整個泵運行的穩(wěn)定性，進而影響著機組系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。為了提高混流泵的外特性、空化性能、內(nèi)部流動特性和降低混流泵運行時壓力脈動幅值，就需要探索研究混流泵葉輪的水力優(yōu)化設(shè)計理論與方法。JP

本文基于最優(yōu)化理論與方法，結(jié)合葉輪葉片的設(shè)計方案對提高混流泵性能、降低混流泵運行時產(chǎn)生的噪音與振動和提高機組的安全穩(wěn)定運行提供理論支撐，為今后混流泵的優(yōu)化設(shè)計奠定了一定基礎(chǔ)和為企業(yè)提供了一套完整的混流泵的優(yōu)化設(shè)計理論和方法。

1.葉輪參數(shù)化造型

葉片參數(shù)化在自動優(yōu)化中是極其重要的一步。自動優(yōu)化中可以選擇參數(shù)化葉片中的各自有參數(shù)進行優(yōu)化，并以初始參數(shù)化葉片為模板進行葉片幾何造型、網(wǎng)格劃分、流場計算等。一般在優(yōu)化設(shè)計中，葉片參數(shù)化擬合需要一個初始葉片為模板進行擬合，所以首先要根據(jù)已有參數(shù)設(shè)計出一個葉片，然后對葉片用參數(shù)化方法去表達，通過對端壁型線、流面控制線、堆疊規(guī)律和翼型型線的控制來參數(shù)化葉片。

在旋轉(zhuǎn)機械中，可以將葉片角作為可變自由參數(shù)，前緣到尾緣的葉片角能很TP唐健.TIF；%30%30；Z5mm，YTS（JZHT7.H圖1TS）

大程度上影響泵的性能。之前的研究表明葉片的厚度對泵的水力效率影響不大，所以在本文的參數(shù)化擬合中，初始葉片的厚度設(shè)置為不變，同樣輪緣和輪轂的子午面和出口直徑也保持不變。本文所研究的葉片參數(shù)化造型擬合分為兩步完成，分別是初始參數(shù)化擬合和二次參數(shù)化擬合。參數(shù)化后模型如圖1所示。

2.性能分析

2.1網(wǎng)格劃分。為了提高數(shù)值模擬的計算速度和優(yōu)化過程中有效樣本的數(shù)量，首先在劃分網(wǎng)格時，就采用了多重網(wǎng)格技術(shù)。多重網(wǎng)格方法是提高計算效率、加快收斂方面的一個非常有效的方法。確定葉輪轉(zhuǎn)速為490r/min、葉片數(shù)為6、葉片展向節(jié)點數(shù)為43和邊界層網(wǎng)格單元大小，完成網(wǎng)格的制作，劃分得到的葉片網(wǎng)格數(shù)為607469。

2.2邊界條件設(shè)定。邊界條件是指流體在運動或靜止的邊界條件上給予的確定性條件，所以邊界條件的參數(shù)直接影響了求解過程和得到的結(jié)果。對導(dǎo)葉式混流泵進行數(shù)值模擬，流體介質(zhì)為清水，密度為997kg/m3，邊界條件設(shè)置如下：（1）進口邊界條件：靜態(tài)溫度為293K，湍流粘度為1e-6m2/s，葉輪進口采用速度進口，速度方向垂直于葉輪進口。出口邊界條件：靜壓出口。并選擇出口回流控制。（2）壁面邊界條件：壁面為無滑移邊界，近壁區(qū)流動采用壁面函數(shù)法處理。葉輪輪轂和輪緣是旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)速度490r/min。（3）湍流模型與收斂精度：一般地，殘差越小越好，由于存在數(shù)值精度問題，不可能得到理想的0殘差。一般情況下，由于網(wǎng)格質(zhì)量問題、邊界條件設(shè)定問題和湍流模型的選擇問題，可以認為殘差在1e-4以下便可認為收斂。只有在完全收斂的條件下才可相信計算所獲得的結(jié)果。當全局殘差達到收斂精度時，還要看各塊中殘差是否完全收斂。本文全局殘差設(shè)為1e-4，最大計算步數(shù)設(shè)為2000。JP

2.3數(shù)據(jù)庫生成。優(yōu)化是基于近似函數(shù)方法以及優(yōu)化算法為基礎(chǔ)展開的，因此進行優(yōu)化之前需要為優(yōu)化過程提供有限數(shù)量的樣本，包括葉片幾何參數(shù)和葉輪流動參數(shù)。優(yōu)化的自由參數(shù)選擇5個流面上葉片的進出口安放角（β1和β2）、葉片前緣半徑R和葉片數(shù)N，共16個自由參數(shù)，生成數(shù)據(jù)庫樣本。

2.4葉片優(yōu)化。葉片優(yōu)化采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代優(yōu)化算法相結(jié)合的方法進行單目標優(yōu)化，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動學(xué)習(xí)功能，得出優(yōu)化參數(shù)和目標之間的映射規(guī)律，從而大大提高優(yōu)化效率。通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法找出輸入量（優(yōu)化參數(shù)）和輸出量（優(yōu)化目標）之間的映射關(guān)系。在輸入和輸出層之間的隱層設(shè)定為3層。為了保證優(yōu)化目標的全局最優(yōu)和加快計算收斂速度，本文優(yōu)化算法選擇遺傳算法。設(shè)定初始種群為40，種群重新生成循環(huán)次數(shù)為20，樣本生成數(shù)量為20。設(shè)定效率為目標，期望值為88%。在設(shè)計工況下葉輪優(yōu)化前后的參數(shù)對比如表1所示。

3.優(yōu)化前后對比分析

葉輪是混流泵的核心部件，其設(shè)計的好壞對混流泵性能有著重要的影響。針對混流泵葉輪的內(nèi)部流動特性，從相對速度和靜壓力分布兩個方面，分別計算了混流泵優(yōu)化前后0.6Q，1.0Q，1.4Q三個工況下的流場情況。優(yōu)化前后葉輪的流場計算如圖2所示。

唐健2.TIFTS（JZHT7.H圖2葉片表面靜壓分布TS）KH*2

通過優(yōu)化前后葉輪的流場計算分析可以看出，在小流量工況下，初始葉輪進口低壓區(qū)分布較寬，優(yōu)化后的葉輪雖然也存在低壓區(qū)，但是低壓區(qū)的范圍較初始葉輪明顯減少，優(yōu)化后的葉輪能在小流量工況下改善葉輪進口壓力，從而提高葉輪進口抗空化性能，且靜壓梯度變化較初始葉輪相對平緩，有利于改善葉輪中壓力波動情況。圖2中（c）和（d）同樣可以得到混流泵在設(shè)計工況下，優(yōu)化葉輪較初始葉輪在進口低壓區(qū)和靜壓梯度變化有所改善。從圖（e）和（f）中可以看出，在大流量工況下初始葉輪進口低壓范圍廣，而優(yōu)化后葉輪進口低壓明顯減少，這是由于優(yōu)化后葉輪壓力面和吸力面曲率發(fā)生了變化和葉片頭部曲率半徑發(fā)生了改變，使液流經(jīng)過葉片時，減少了脫流和二次流等情況，改善了葉片壓力梯度的分布。通過葉片靜壓分布的分析，得出優(yōu)化葉輪可以提高葉片表面壓力梯度的分布和減少葉片進口低壓的分布。JP

4.結(jié)果分析

本文首先根據(jù)設(shè)計參數(shù)設(shè)計出混流泵葉輪，通過對初始葉片進行參數(shù)化擬合，得到了自動優(yōu)化需要的參數(shù)化葉片。采用遺傳算法針對葉片的相關(guān)控制參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，通過優(yōu)化前后葉片的對比分析得到了優(yōu)化后的模型比優(yōu)化前在性能方面更好，為以后在葉輪這方面的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的參考。（作者單位：西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院）

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