中低比转速离心泵叶轮多目标优化设计

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第27卷第2期中低比转速离心泵叶轮多目标优化设计文章编号：1004—2539{2003)02一O027—03中低比转速离心泵叶轮多目标优化设计(安徽工程科技学院，安徽芜湖241000)王幼民唐铃凤(中国铝业股份有限公司中州分公司氧化铝厂，河南焦作454174)秦小建摘要中低比转速离心泵效率普遍不高，主要因素是泵的损失过大，在减小泵的损失时，容易使汽蚀余量增大，扬程曲线产生驼峰。为提高泵效率、减小汽蚀余量、消除扬程曲线驼峰，本文论述了以中低比转速泵的能量损失最小、汽蚀余量最小及消除扬程曲线驼峰为多目标函数，以叶轮主要参数

2、为设计变量的泵叶轮优化设计方法。通过优化，获得了满足一定扬程和流量的最优参数组合。关键词离心泵多目标优化设计叶轮引言1目标函数中低比转速离心泵的主要缺点为泵效率较低，扬1．1泵的损失最小分目标函数‘程曲线易出现驼峰，在探讨中低比转速离心泵优化设泵的损失可分为机械损失、水力损失及容积损失。计中，大量文献以提高泵的效率为目标函数，离心泵的．厂l()=P+P+P汽蚀问题未被考虑进优化设计模型，而提高泵的抗汽=尸+pgqHt+pgQ(一)(1)蚀性能是设计泵时必须考虑的因素。从以往的研究文式中P——机械损失献看，设计者常常以泵叶轮的某一项损失最小为目标P^——水力损失函数[

3、1]，忽略了泵的其它损失；而泵的水力损失，容——容积损失积损失并不随泵的机械磨擦损失减小而减小。如仅仅p——泵输送液体的密度以泵的机械损失最小为目标函数，优化后，泵的机械损p——泵的容量失减小了，而泵的其它损失很可能增加了，这样泵效率口——泵的泄漏流量提高得有限。本文以泵的总损失最小为目标函数，为——泵的理论扬程降低汽蚀余量，以汽蚀余量最小为第二分目标函数，为——泵的扬程消除扬程曲线驼峰，亦建立了消除扬程驼峰的第三分g——重力加速度目标函数，利用统一目标函数法，建立统一的目标函由圆盘磨擦损失与轴承密封磨擦损失两部分数。本文以叶轮直径D2、叶片出口安放角、叶片出组成，

4、后者占比例很小_3J，可忽略。口宽度b2及D。、。、z、b。为设计变量进行优化设计，轴承密封磨擦损失的计算与泵的比转数有关，根即据文献[3]提出的统计计算公式X=[l23456X7]TPl=0．133×Re。-。弘×60(D2／2)×D2(2)=【D262Dllzblj式中，雷诺数Re=106×∞(D2／2)，∞为叶轮角速度。各设计变量如图1所示，z为叶片数。叶轮进1：3密封环处的流量口是离心泵产生容积损失的重要原因[][。、／／，g口：=——．==二=====__(3j)，、＼＼l√¨f’式中——叶轮进口密封半径卜曰——密封间隙——密封长度．，■———一·√Y厶上

5、J+1．5——泄漏量系数(取0、04)图1叶轮设计变量参数示意图——叶轮进口密封环间隙两侧的压力差，维普资讯http://www.cqvip.com机械传动2O03矩其值为>，将减小，再进行优化，直至I一I≤￡，￡为给定的精度；若<，则将加大，再优化计算，=一+直至I一I≤￡。P2、Pl、Pc为叶轮出口、进口罐封间隙处的压力，将式(2)～式(5)代人式(1)，则P可表示独立变量b2、、bl、l、Dl、z的函数，目标函数为而亏为泵的势扬程，等于扬程与动扬程之min(Pm+Pk+P。差记做标准形式min()。ttp=H-一1．2泵的汽蚀余量最小分目标函数泵的汽蚀余量可由

6、下式表示泵进口无预旋，则l0ttp=H-NPS=㈣式中——叶片进口液体的绝对速度根据泵腔内的压力分布，有。——叶片进口液体的相对速度Pc—P，ccJ(Rc一D，／4)。——叶片进口降压系数叶轮进口无预旋设l：0，Wl=l+ul，则而2=丝2gHc=tt2-==(7)Qtz=u-=磊Vml-=丽Q。2+蒜DI2n2(8)。所以，=H一面2g／／,2一瓣Qt2+zQ：—一：一(9)1(D-)(D-)2gbl12D12丌将式(8)、式(9)代人式(6)=H一两2gt／,2一Qt2‘—1、一b22~2—2D2)NPSHr：22(40l)g+(4)K2I(Q22bl2D12+

7、。-2n)乏ggl‘丌221。602“，式中l：1一1+()(1令(X)：~PSHr，则汽蚀余量最小分目标函数可表示为minA(X)。z——叶片数1．3消除扬程驼峰分目标函数-、2——叶片进出口的真实厚度要消除扬程曲线驼峰，可增加流量～扬程曲线的I、——叶片进出口角斜率，由文献[5]I、A2——叶片进出口轴的截线与流线的夹角，．取6～90~，，取7()。～9()Dtan==ncotfl2(1。)离心泵的基本方程式为cotfl2H,-式中，为扬程曲线与流量曲线的夹角，P=0．62(1+若叶轮进口无预旋，则ul：0，根据斯托道拉盆)×022，

8、s为静矩，

9、s：。(S