离心泵叶轮抗汽蚀优化设计及仿真.pdf

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1、第42卷第2期化工机械249离心泵叶轮抗汽蚀优化设计及仿真8张瑜”伍开松(西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室)摘要以某石化公司的RON2×14型离心式中压甲铵泵为研究对象，通过对首级叶轮结构参数进行优化设计来提高该泵的抗汽蚀性能，并应用理论分析和数值模拟方法验证优化设计的准确性。关键词离心泵叶轮汽蚀效率优化设计中图分类号TQ051．21文献标识码A文章编号0254—6094(2015)02．0249-05离心泵在实际运行过程中经常因设计不合理或操作不当而发生汽蚀破坏，对泵的正常运行造成不良影响，降低泵的使用寿命。某石化公司尿素生产车间

2、的RON2X14型离心式中压甲铵泵在实际运行过程中出现振动高及电流高等故障，停泵检修后发现其首级叶轮出现汽蚀现象。笔者对该离心泵首级叶轮的结构参数进行了优化，并应用理论分析和数值模拟方法验证优化设计的准确性。1优化设计数学模型1．1优化目标函数离心泵优化设计时，主要需解决三大问题：提高效率、改善汽蚀性能和稳定的性能曲线Hj。因此笔者通过改变叶轮的结构参数来改善RON2×14型离心式甲铵泵汽蚀性能的同时，还需保证其具有较高的效率和稳定的性能曲线，即以汽蚀性能和效率为优化目标，以稳定的性能曲线为约束条件。其中，汽蚀性能用泵的汽蚀余量Ah，表示，效

3、率用叶轮能量损失AP表示，则目标函数可写为：minf(z)=[Ah，(戈)，AP(石)]。1’(1)泵汽蚀余量△^，的表达式为嵋。：r2n，2Ah。=Ali-=O+A2i土(2)z,g式中c。——叶片入口稍前的绝对速度；∞。——叶片人口稍前的相对流速。泵内的能量损失主要包括机械损失、容积损失和水力损失3部分。由于笔者仅选择甲铵泵的首级叶轮作为优化对象，故对吸入室、级间流道、次级叶轮和蜗壳内的能量损失不予考虑。对于低比转数离心泵来说，叶轮的机械损失主要为圆盘摩擦损失△P。，其计算式为⋯：△Pm=警gp“iDi(3)式中D：——叶轮出口直径；／／

4、,：——叶轮出口圆周速度。因液体发生泄漏而损失的能量称为容积损失AP。，其计算式为：AP。=pgqH。(4)式中日．——泵的理论扬程；q——叶轮密封环的泄漏量。叶轮的水力损失△P。主要包括叶轮人口处液流冲击损失△日。、叶轮流道摩擦损失△珥、叶轮流道扩散损失△Hj和叶轮出口损失△日。，即m6I：APh=pgq(AH。+△日f+△q+AH。)(5)越“。券(6)埘r钉咄A。箍(7)嵋卸，警(8)AHo=k4Y2_gL(9)●，式中D。——当量水力直径；t国家自然科学基金资助项目(51174173)。*s张瑜，女，1989年4月生，硕士研究生。四J

5、if省成都市，610500。250化工机械2015拄矗．——与比转速有关的修正系数；矗：——叶轮旋转、流道弯曲引起的修正系数；走，——修正系数；尼。——动能损失系数；z。——叶片流道当量长度；矽：——叶轮出口绝对速度；Z——叶片数；A。——沿程摩擦系数；to。——叶轮出入口的平均相对速度；∞，——叶轮进口相对速度；∞：——叶轮出口相对速度。目前，多目标优化问题的常用处理方法是将多目标问题转化为单目标问题来求解o“。对于低比转数的离心泵，能量损失与汽蚀引起的叶轮能头损失都表现为水头损失，应用评价函数线性加权法将双目标优化问题转化为单目标优化问题

6、进行求解，消除了二者在量纲和量级上的差异伸1。将模型中的双目标写成统一的目标函数，最口：面㈣确【等岽等卜【气锩掣】2(10)式中Ah，(髫)+、Ap(戈)+——各自作为单目标优化时得到的最小值；弘。、肛：——权系数。1．2优化设计变量和约束条件在离心泵叶轮的优化设计过程中，理论上设计变量应是对泵的叶轮性能有影响的所有几何参数，但在实际优化过程中将所有参数设置为设计变量是不现实的，也没有必要。因此需要找出对泵的叶轮性能影响较大的参数作为叶轮优化设计的设计变量。笔者选择叶片入口直径D，、叶片入口宽度b，、叶轮出口直径D：、叶轮出口宽度6：、叶片入

7、口角卢。、叶片出口角卢：这6个参数(图1)为设计变量进行优化，即：X=[D，，b，，D：，b。，JB。，卢：]‘(11)图1叶轮设计变量示意图设计变量约束条件的确定是否合理直接影响优化设计的结果。笔者确定设计变量范围的依据是速度系数法的统计和实际优秀模型泵。上文确定的6个设计变量的约束条件分别为：D；=扣啊}(12)4挥观n5樗(13)0．7D，≤Di≤D，(14)¨≤掣乳3(15),reD：—广啪(志)÷稃3锄⋯(志)÷拇㈣，¨7×o．64(志)吾捂酏观m。20≤卢l≤3322≤扇≤33卢2～<713Z。”式中d。——叶轮轮毂直径；D。——

8、叶轮进15当量直径；D．——叶轮进15直径；n——转速；(19)(20)再㈩㈣5—6旦啪46第42卷第2期化工机械251凡。——比转数；Q——流量。2惩罚函数法建立