小型抽水蓄能水泵水輪機(jī)的密封環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

摘 要：本研究旨在通過優(yōu)化小型抽水蓄能水泵中的密封環(huán)結(jié)構(gòu)，提高其工作效率與密封性能。采用有限元分析（FEA）、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）、遺傳算法（GA）和粒子群優(yōu)化（PSO）方法，系統(tǒng)分析和優(yōu)化了密封環(huán)的流體動(dòng)力學(xué)特性及摩擦損失。試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化后的密封環(huán)流量增至1.65m3/s，輸入功率降至6.2kW，泄漏率明顯降至1.0L/min，說明密封性能和耐磨性有明顯改善。研究證明，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的密封環(huán)能有效提高水泵的整體性能，為抽水蓄能技術(shù)的應(yīng)用提供了可靠支持。

關(guān)鍵詞：小型抽水蓄能水泵；水輪機(jī)；密封環(huán)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TV 74" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

抽水蓄能技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用日益重要，逐漸成為電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)和能源存儲(chǔ)的關(guān)鍵手段。密封環(huán)作為水泵系統(tǒng)中的核心組件，其性能直接影響泵的運(yùn)行效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。優(yōu)化密封環(huán)結(jié)構(gòu)涉及流體力學(xué)特性、材料選擇及摩擦損失等多個(gè)因素，已成為提高水泵性能的重要途徑。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通常依賴經(jīng)驗(yàn)公式，無法充分考慮復(fù)雜流動(dòng)和非線性現(xiàn)象，因此存在明顯局限性。本研究旨在通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬探索密封環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以提高水泵的整體性能，為抽水蓄能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供支持。

1 基本原理

1.1 小型抽水蓄能水泵（PSH）的工作原理

PSH通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵，將水從低位水庫(kù)抽至高位水庫(kù)。該系統(tǒng)的核心在于泵和渦輪的高效協(xié)同工作。泵在抽水模式下運(yùn)作過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通常在157.08rad/s～314.16rad/s，

采用異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過皮帶或直聯(lián)驅(qū)動(dòng)泵的葉輪[1]。泵的性能由其揚(yáng)程和流量決定，揚(yáng)程可達(dá)50m～400m，流量通常在0.5m3/s～3.0m3/s。通過旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生離心力，將水流吸入泵體，經(jīng)過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，將水推向泵出口，形成高壓水流。根據(jù)伯努利方程，流體在泵內(nèi)的壓力升高與流速變化密切相關(guān)，保證水可以有效輸送。在渦輪發(fā)電模式下，儲(chǔ)存的高位水流經(jīng)渦輪，渦輪的設(shè)計(jì)與泵一致，通常采用反向工作原理，使水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。渦輪轉(zhuǎn)速和泵相同，保持在157.08rad/s～314.16rad/s，保證高效發(fā)電。發(fā)電效率通常在80%～90%，表明系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換過程中具有高效性。PSH系統(tǒng)通過精確控制水流和壓力，使水的升降和能量進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了流體動(dòng)力學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)的深厚結(jié)合[2]。

1.2 密封環(huán)（SR）結(jié)構(gòu)分析

SR在PSH中的基本結(jié)構(gòu)包括靜密封部分和動(dòng)密封部分，材料通常選用高強(qiáng)度聚合物、陶瓷或金屬，旨在防止介質(zhì)泄漏并維持系統(tǒng)壓力。靜密封部分緊貼泵殼體，承受靜態(tài)壓力，而動(dòng)密封部分與轉(zhuǎn)子接觸，能夠在高速旋轉(zhuǎn)下保持有效密封。將SR的表面粗糙度控制在0.2μm～0.4μm，以減少摩擦和延長(zhǎng)使用壽命[3]。設(shè)計(jì)合理的SR能夠形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，減少磨損，延長(zhǎng)運(yùn)行周期。SR具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

SR的設(shè)計(jì)對(duì)水泵效率的影響主要體現(xiàn)在流體動(dòng)力學(xué)特性與摩擦損耗。SR的接觸壓力通常為0.5MPa～1.5MPa，壓力過高會(huì)使摩擦增加，導(dǎo)致能量損失。流體在通過SR過程中，可能因湍流和黏性摩擦造成揚(yáng)程損失，直接影響泵的總體效率。研究顯示，SR的摩擦損失占水泵總體損失的10%～30%。因此，采用低摩擦系數(shù)材料（例如氟橡膠）可以明顯提高效率。

設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)SR性能的影響因素包括材料選擇、表面處理、接觸壓力和溫度范圍。密封材料選擇直接影響其耐磨性和抗老化能力，適合的材料能在-20℃～120℃的溫度環(huán)境中穩(wěn)定工作。此外，SR設(shè)計(jì)應(yīng)考慮流體特性和工作環(huán)境，保證在不同工況下的可靠性和有效性。利用有限元分析（FEA）等方法可以優(yōu)化SR的結(jié)構(gòu)，提高其密封性能與耐久性，從而進(jìn)一步提高水泵的整體效率和可靠性。

2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及其局限性

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法基于經(jīng)驗(yàn)公式和規(guī)范化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通常利用一維流體力學(xué)模型評(píng)估性能。在泵體、SR和渦輪的設(shè)計(jì)中，使用水泵特性曲線結(jié)合“伯努利方程”來估算流量、揚(yáng)程和效率，通?；贙值和NPSH值經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。這種方法雖然在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用，但其具有明顯的局限性，尤其在復(fù)雜流動(dòng)和高動(dòng)態(tài)工況下更明顯[4]。同時(shí)，傳統(tǒng)方法未能充分考慮非線性流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，尤其是k-ε湍流模型計(jì)算流動(dòng)特性時(shí)存在不足。流體在高速運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)明顯流動(dòng)分離和渦流，導(dǎo)致能量損失不可預(yù)見[5]。此外，SR的摩擦損失為10%～30%，未能得到有效控制，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常忽略了材料對(duì)摩擦系數(shù)的影響。未對(duì)材料選擇（聚合物與金屬的摩擦行為差異）進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估，使密封性能不足，從而導(dǎo)致泄漏和效率下降。在高壓和高溫環(huán)境下，傳統(tǒng)方法的適應(yīng)性差，無法動(dòng)態(tài)捕捉SR的疲勞和老化特性。SR在高壓下的接觸應(yīng)力可達(dá)到1.5MPa，因此未對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析，可能導(dǎo)致材料失效和性能衰減。傳統(tǒng)方法也沒有考慮熱膨脹效應(yīng)和冷卻流體的影響，使密封性能在實(shí)際工況下變得不穩(wěn)定。

3 優(yōu)化方法

3.1 數(shù)值模擬方法

3.1.1 有限元分析（FEA）

利用FEA對(duì)SR進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化包括模型建立、網(wǎng)格劃分和邊界條件與載荷設(shè)置。在模型建立階段，利用CAD軟件生成密封環(huán)的三維幾何模型，定義外徑50mm、內(nèi)徑40mm、厚度10mm和表面粗糙度（0.2μm～0.4μm），部分核心建模代碼如下。

# 建立圓環(huán)結(jié)構(gòu)

outer_circle = App.ActiveDocument.addObject（\"Part：：Cylinder”，\"OuterRing\"）

outer_circle.Radius = outer_radius

outer_circle.Height = thickness

inner_cut = App.ActiveDocument.addObject（\"Part：：Cylinder\"，\"InnerCut\"）

inner_cut.Radius = inner_radius

inner_cut.Height = thickness

# 執(zhí)行減法操作，生成密封環(huán)

App.ActiveDocument.addObject（\"Part：：Cut\"，\"SealRing\"）.Base = outer_circle

App.ActiveDocument.getObject（\"SealRing\"）.Tool = inner_cut

doc.recompute（）

在網(wǎng)格劃分過程中，采用四面體單元進(jìn)行三維劃分，特別是接觸區(qū)域，將網(wǎng)格細(xì)化至0.5mm～1.0mm，以捕捉關(guān)鍵應(yīng)力分布。在網(wǎng)格獨(dú)立性分析過程中，通過評(píng)估不同網(wǎng)格密度下的應(yīng)力變化，最終確定接觸區(qū)域的網(wǎng)格密度，并適當(dāng)調(diào)整密封環(huán)的內(nèi)徑和接觸面形狀，分散高應(yīng)力區(qū)域，使其應(yīng)力分布更均勻。將邊界條件設(shè)置為外部固定，模擬與泵殼的接觸，內(nèi)邊界自由以模擬靜壓1.5MPa和溫度120℃載荷。為優(yōu)化密封環(huán)在工作狀態(tài)下的性能，考慮不同溫度和壓力條件下材料的變形，選擇低摩擦系數(shù)材料氟橡膠，以減少摩擦損耗。

3.1.2 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）

在密封環(huán)（SR）的優(yōu)化過程中，CFD通過精確的流場(chǎng)建模分析水流特性，以優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)并減少能量損失?；赟R的幾何模型進(jìn)行流場(chǎng)建模，流體入口速度設(shè)定為1m/s～3m/s，將出口壓力設(shè)定為1.5MPa，在實(shí)際工況下對(duì)流體進(jìn)行精確模擬。部分核心建模代碼如下。

# 簡(jiǎn)化二維流體區(qū)域

mesh = RectangleMesh（Point（0，0）， Point（0.1，0.1），64，64）

# 定義有限元函數(shù)空間

V = VectorFunctionSpace（mesh，'P'，2）

# 設(shè)定入口速度

inlet_velocity = Constant（（1.5，0））

在密封環(huán)（SR）優(yōu)化過程中，采用有限體積法（FVM）對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行離散化，將流體空間劃分為多個(gè)控制體。將SR模型的邊界層區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化至0.1mm，保證能夠捕捉接觸面上的精細(xì)流動(dòng)特性。將入口速度設(shè)定為1.5m/s，出口壓力設(shè)定為1.5MPa，以模擬真實(shí)工況。通過CFD模擬精確計(jì)算密封環(huán)內(nèi)部的流速和壓力分布，特別是在邊界層區(qū)域，由于摩擦效應(yīng)，因此流速明顯下降并產(chǎn)生流動(dòng)分離。這種現(xiàn)象導(dǎo)致局部湍流，增加了流體阻力和能量損耗，尤其是在SR接觸區(qū)域，能量損失較為明顯。為減少流動(dòng)分離和湍流，須重新設(shè)計(jì)密封環(huán)的邊界層幾何形狀，減少高壓差。通過更細(xì)的網(wǎng)格劃分（0.1mm）提高計(jì)算精度，優(yōu)化接觸面的流體流動(dòng)，減少局部湍流，降低能量損失。此外，壓力分布分析揭示了局部高壓差對(duì)湍流的影響，采用k-ε湍流模型捕捉湍流現(xiàn)象，并通過調(diào)整湍流長(zhǎng)度尺度，有效減少局部湍流和流體阻力，最終明顯減少了摩擦損耗，提高了系統(tǒng)的整體效率。

3.2 優(yōu)化算法

3.2.1 遺傳算法（GA）

在SR優(yōu)化設(shè)計(jì)中，GA是一種廣泛應(yīng)用的全局優(yōu)化算法，其優(yōu)化過程分為適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)、選擇、交叉和變異操作?；谒眯屎兔芊庑阅軜?gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，綜合考慮流體阻力、密封性和系統(tǒng)效率。適應(yīng)度函數(shù)如公式（1）所示。

F（x）=w1?ηpump+w2?ηseal-w3?Ploss" " " "（1）

式中：ηpump為水泵效率；ηseal為密封性能；Ploss為流體阻力損失；w1、w2、w3為權(quán)重系數(shù)，分別為水泵效率、密封性能和流體阻力的相對(duì)重要性。

在實(shí)際操作中，根據(jù)設(shè)計(jì)需求靈活調(diào)整這些權(quán)重。對(duì)提高密封性能和減少流體阻力的情況來說，通常w2和w3權(quán)重較高，而在以效率為主的設(shè)計(jì)中，w1的權(quán)重會(huì)相對(duì)較高。通過不同的權(quán)重組合，適應(yīng)度函數(shù)能夠反映不同設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的平衡。在選擇操作中，采用輪盤賭選擇方法選擇適應(yīng)度高的個(gè)體進(jìn)入下一代。為保證最優(yōu)解傳遞，通常會(huì)選擇適應(yīng)度值較高的個(gè)體。在此過程中，將選擇率設(shè)定為0.5，保證高適應(yīng)度的個(gè)體有更大的機(jī)會(huì)進(jìn)入下一代，但也允許部分較差個(gè)體進(jìn)入，以保持種群多樣性。交叉操作通過雙點(diǎn)交叉策略將父代基因組合生成子代個(gè)體，將交叉率設(shè)定為0.7，這個(gè)值在優(yōu)化過程中能夠保證基因信息進(jìn)行有效交換，同時(shí)避免過早收斂到局部最優(yōu)解。交叉操作通過隨機(jī)選擇兩個(gè)切點(diǎn)交換父母?jìng)€(gè)體的基因信息，生成新的設(shè)計(jì)方案。變異操作在子代基因中引入小概率突變，以提高種群的多樣性，避免陷入局部最優(yōu)解。通常將變異率設(shè)定為0.01，這種小概率變異的設(shè)計(jì)能夠保證子代基因在保持父代優(yōu)秀特性，同時(shí)通過隨機(jī)改變部分設(shè)計(jì)參數(shù)來探索新的可能性，進(jìn)一步提高優(yōu)化過程的全局搜索能力。

3.2.2 粒子群優(yōu)化（PSO）

PSO是一種仿生優(yōu)化算法，每個(gè)粒子代表一個(gè)可能的密封環(huán)設(shè)計(jì)方案，其位置和速度隨機(jī)初始化。粒子的初始位置在設(shè)計(jì)參數(shù)的可行空間內(nèi)隨機(jī)分布，每個(gè)粒子的位置對(duì)應(yīng)密封環(huán)的幾何參數(shù)或材料屬性。為了保證搜索空間的覆蓋范圍足夠大，本文將種群規(guī)模設(shè)置為150個(gè)粒子，初始速度為[-Vmax，Vmax]，其中，Vmax為速度的最大限制值，可以保證粒子在每一代中不會(huì)偏離設(shè)計(jì)空間的邊界。該值通常為設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍的10%。每個(gè)粒子的速度根據(jù)個(gè)體經(jīng)驗(yàn)和群體經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行更新，速度更新過程如公式（2）所示。

vi（t+1）=w?vi（t）+c1?r1?（pi-xi）+c2?r2?（gi-xi）" （2）

式中：vi和xi分別為粒子速度和位置；w為慣性權(quán)重，決定了粒子保持當(dāng)前速度的傾向，本文將其設(shè)置為0.7，以保證粒子初期搜索時(shí)具備較強(qiáng)的探索能力，同時(shí)在后期收斂過程中具備較好的開發(fā)能力。c1和c2分別為個(gè)體學(xué)習(xí)因子和社會(huì)學(xué)習(xí)因子，取值為2。r1和r2為隨機(jī)數(shù)，數(shù)值為[0，1]，用于引入隨機(jī)性，避免粒子過早收斂到局部最優(yōu)解。位置更新則根據(jù)新的速度對(duì)粒子的位置進(jìn)行調(diào)整，如公式（3）所示。

xi（t+1）=xi（t）+vi（t+1）" " " " " " " " " （3）

每次更新后，會(huì)將粒子的位置調(diào)整到新的設(shè)計(jì)方案，保證探索新的設(shè)計(jì)參數(shù)。適應(yīng)度函數(shù)是評(píng)價(jià)每個(gè)粒子設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)函數(shù)如公式（4）所示。

F（x）=w1?ηseal-w2?Ploss" " " " " " " " "（4）

通過評(píng)估每個(gè)粒子的位置對(duì)應(yīng)的密封環(huán)設(shè)計(jì)方案的適應(yīng)度值，可以識(shí)別最優(yōu)解。在每一代迭代過程中，PSO會(huì)根據(jù)當(dāng)前粒子的適應(yīng)度值判斷收斂情況。如果個(gè)體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置的變化幅度小于預(yù)設(shè)閾值，且經(jīng)過多次迭代后，整體適應(yīng)度值不再提高，就認(rèn)為算法收斂。為了進(jìn)一步提高算法的收斂效率，本文采用了自適應(yīng)調(diào)整慣性權(quán)重的方法。在迭代初期，慣性權(quán)重較大（例如0.9），以保證粒子具備較強(qiáng)的探索能力，能夠在全局范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解。而在后期，慣性權(quán)重逐漸減至0.4，以提高粒子的開發(fā)能力，使其更快地聚集到全局最優(yōu)解附近。這種慣性權(quán)重的自適應(yīng)調(diào)整能夠有效避免粒子陷入局部最優(yōu)，同時(shí)加速收斂過程。

4 應(yīng)用結(jié)果分析

在本研究中，對(duì)優(yōu)化前后SR進(jìn)行了性能測(cè)試，以評(píng)估優(yōu)化效果。優(yōu)化前的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，流量為1.5m3/s，揚(yáng)程為350m，輸入功率為6.5kW，泄漏率達(dá)到2.5L/min，磨損情況評(píng)分為2（輕微劃痕）。優(yōu)化后，再次對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果顯示流量升至1.65m3/s，揚(yáng)程保持在350m，輸入功率降至6.2kW，泄漏率降至1.0L/min，磨損情況評(píng)分降至0（無明顯劃痕）。優(yōu)化前后的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

從表1中可以看出，優(yōu)化后的SR在流體動(dòng)力學(xué)性能、耐磨性和密封效果上均有明顯提高。流量提高表明水泵的效率提高，輸入功率降低則說明其具有更好的能量利用效率。泄漏率降低和磨損情況改善，進(jìn)一步驗(yàn)證了SR優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性和水泵在實(shí)際運(yùn)行中的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本研究通過系統(tǒng)的試驗(yàn)與數(shù)值模擬，成功優(yōu)化了PSH中的SR結(jié)構(gòu)，明顯提高了水泵的工作效率和密封性能。研究結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效減少摩擦損失、降低泄漏率、提高流量和整體性能。本文采用的FEA、CFD、GA和PSO方法為SR設(shè)計(jì)提供了有力支持，展示了現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。未來的研究可進(jìn)一步探索新材料和結(jié)構(gòu)形式的組合，以推動(dòng)抽水蓄能技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展。

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