離心泵葉輪抗汽蝕優(yōu)化設計及仿真.pdf

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1、第42卷第2期化工機械249離心泵葉輪抗汽蝕優(yōu)化設計及仿真8張瑜”伍開松(西南石油大學石油天然氣裝備教育部重點實驗室)摘要以某石化公司的RON2×14型離心式中壓甲銨泵為研究對象，通過對首級葉輪結構參數進行優(yōu)化設計來提高該泵的抗汽蝕性能，并應用理論分析和數值模擬方法驗證優(yōu)化設計的準確性。關鍵詞離心泵葉輪汽蝕效率優(yōu)化設計中圖分類號TQ051．21文獻標識碼A文章編號0254—6094(2015)02．0249-05離心泵在實際運行過程中經常因設計不合理或操作不當而發(fā)生汽蝕破壞，對泵的正常運行造成不良影響，降低泵的使用壽命。某石化公司尿素生產車間

2、的RON2X14型離心式中壓甲銨泵在實際運行過程中出現振動高及電流高等故障，停泵檢修后發(fā)現其首級葉輪出現汽蝕現象。筆者對該離心泵首級葉輪的結構參數進行了優(yōu)化，并應用理論分析和數值模擬方法驗證優(yōu)化設計的準確性。1優(yōu)化設計數學模型1．1優(yōu)化目標函數離心泵優(yōu)化設計時，主要需解決三大問題：提高效率、改善汽蝕性能和穩(wěn)定的性能曲線Hj。因此筆者通過改變葉輪的結構參數來改善RON2×14型離心式甲銨泵汽蝕性能的同時，還需保證其具有較高的效率和穩(wěn)定的性能曲線，即以汽蝕性能和效率為優(yōu)化目標，以穩(wěn)定的性能曲線為約束條件。其中，汽蝕性能用泵的汽蝕余量Ah，表示，效

3、率用葉輪能量損失AP表示，則目標函數可寫為：minf(z)=[Ah，(戈)，AP(石)]。1’(1)泵汽蝕余量△^，的表達式為嵋。：r2n，2Ah。=Ali-=O+A2i土(2)z,g式中c?！~片入口稍前的絕對速度；∞?！~片人口稍前的相對流速。泵內的能量損失主要包括機械損失、容積損失和水力損失3部分。由于筆者僅選擇甲銨泵的首級葉輪作為優(yōu)化對象，故對吸入室、級間流道、次級葉輪和蝸殼內的能量損失不予考慮。對于低比轉數離心泵來說，葉輪的機械損失主要為圓盤摩擦損失△P。，其計算式為?：△Pm=警gp“iDi(3)式中D：——葉輪出口直徑；／／

4、,：——葉輪出口圓周速度。因液體發(fā)生泄漏而損失的能量稱為容積損失AP。，其計算式為：AP。=pgqH。(4)式中日．——泵的理論揚程；q——葉輪密封環(huán)的泄漏量。葉輪的水力損失△P。主要包括葉輪人口處液流沖擊損失△日。、葉輪流道摩擦損失△珥、葉輪流道擴散損失△Hj和葉輪出口損失△日。，即m6I：APh=pgq(AH。+△日f+△q+AH。)(5)越“。券(6)塒r釘咄A。箍(7)嵋卸，警(8)AHo=k4Y2_gL(9)●，式中D。——當量水力直徑；t國家自然科學基金資助項目(51174173)。*s張瑜，女，1989年4月生，碩士研究生。四J

5、if省成都市，610500。250化工機械2015拄矗．——與比轉速有關的修正系數；矗：——葉輪旋轉、流道彎曲引起的修正系數；走，——修正系數；尼?！獎幽軗p失系數；z?！~片流道當量長度；矽：——葉輪出口絕對速度；Z——葉片數；A。——沿程摩擦系數；to?！~輪出入口的平均相對速度；∞，——葉輪進口相對速度；∞：——葉輪出口相對速度。目前，多目標優(yōu)化問題的常用處理方法是將多目標問題轉化為單目標問題來求解o“。對于低比轉數的離心泵，能量損失與汽蝕引起的葉輪能頭損失都表現為水頭損失，應用評價函數線性加權法將雙目標優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化問題

6、進行求解，消除了二者在量綱和量級上的差異伸1。將模型中的雙目標寫成統(tǒng)一的目標函數，最口：面㈣確【等崠等卜【氣錈掣】2(10)式中Ah，(髫)+、Ap(戈)+——各自作為單目標優(yōu)化時得到的最小值；弘。、肛：——權系數。1．2優(yōu)化設計變量和約束條件在離心泵葉輪的優(yōu)化設計過程中，理論上設計變量應是對泵的葉輪性能有影響的所有幾何參數，但在實際優(yōu)化過程中將所有參數設置為設計變量是不現實的，也沒有必要。因此需要找出對泵的葉輪性能影響較大的參數作為葉輪優(yōu)化設計的設計變量。筆者選擇葉片入口直徑D，、葉片入口寬度b，、葉輪出口直徑D：、葉輪出口寬度6：、葉片入

7、口角盧。、葉片出口角盧：這6個參數(圖1)為設計變量進行優(yōu)化，即：X=[D，，b，，D：，b。，JB。，盧：]‘(11)圖1葉輪設計變量示意圖設計變量約束條件的確定是否合理直接影響優(yōu)化設計的結果。筆者確定設計變量范圍的依據是速度系數法的統(tǒng)計和實際優(yōu)秀模型泵。上文確定的6個設計變量的約束條件分別為：D；=扣啊}(12)4揮觀n5樗(13)0．7D，≤Di≤D，(14)¨≤掣乳3(15),reD：—廣啪(志)÷稃3鋤?(志)÷拇㈣，¨7×o．64(志)吾捂酏觀m。20≤盧l≤3322≤扇≤33盧2～<713Z?！笔街衐?！~輪輪轂直徑；D?！?/p>

8、葉輪進15當量直徑；D．——葉輪進15直徑；n——轉速；(19)(20)再㈩㈣5—6旦啪46第42卷第2期化工機械251凡?！绒D數；Q——流量。2懲罰函數法建立