離心泵作液力透平的能量轉(zhuǎn)換特性及葉輪優(yōu)化研究.pdf

1、在石油化工、煤化工、海水淡化等許多流程工業(yè)中，存在有大量的高壓液體，高效回收利用這部分液體壓力能具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。液力透平是回收利用液體壓力能的一種裝置，其中泵反轉(zhuǎn)作液力透平是目前廣泛應用的機型。從有關文獻及生產(chǎn)實際中發(fā)現(xiàn)，目前泵反轉(zhuǎn)作液力透平普遍存在能量轉(zhuǎn)換效率不高的問題，這與泵用作液力透平時其內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換特性認識不足有較大關系。為此，論文以離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平為研究對象，采用數(shù)值計算與實驗相結(jié)合的方法對液力透平外特性進行

2、了研究，通過實驗結(jié)果驗證了本文數(shù)值計算策略的準確性；采用數(shù)值計算的方法研究了液力透平葉輪及蝸殼內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換特性，為后續(xù)優(yōu)化設計提供參考依據(jù)；建立了基于代理模型和智能優(yōu)化算法的液力透平優(yōu)化系統(tǒng)；在上述的基礎上對液力透平葉輪進行了優(yōu)化研究。本文的主要研究內(nèi)容分為以下3部分：
　　1.空離心泵作液力透平的內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換特性研究
　　基于CFD技術，通過對液力透平葉輪不同徑向位置流體所具有的能量、各區(qū)域輸入的凈能量、各區(qū)域傳遞給葉輪的

3、能量、能量損失及蝸殼不同截面位置流體所具有能量、各區(qū)域能量損失等能量特征的分析，對液力透平葉輪和蝸殼內(nèi)流體能量的傳遞與變化過程進行了研究。結(jié)果表明：對于葉輪，流體對葉輪做功主要表現(xiàn)為壓力做功，做功的關鍵區(qū)域在葉輪的中前部，葉輪葉片后部區(qū)域在小流量工況對葉輪做功相對較少，而在大流量工況不僅對葉輪不做功，而且還消耗葉輪的機械能；葉輪整體能量轉(zhuǎn)換效率不高。對于蝸殼，蝸型段內(nèi)靜壓能沿流向基本呈線性減小的趨勢，而動壓能則沿流向呈現(xiàn)出波動現(xiàn)象；蝸殼

4、收縮管段內(nèi)靜壓能和動壓能沿流向的變化均比較規(guī)律；蝸殼中能量損失主要在喉部之后的下游區(qū)域。
　　2.空離心泵作液力透平葉輪優(yōu)化系統(tǒng)的建立
　　通過研究液力透平內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換特性，為液力透平的優(yōu)化設計提供了參考依據(jù)，但在優(yōu)化設計時還需確立具體的優(yōu)化設計方法。本文對液力透平葉輪幾何參數(shù)進行優(yōu)化時，其目標函數(shù)是由液力透平的水力性能參數(shù)構(gòu)成，而液力透平葉輪幾何參數(shù)與其水力性能間的隱式關系極其復雜，因此采用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法很難實現(xiàn)，然而智能

5、優(yōu)化算法中的遺傳算法是通過模仿自然界的選擇與遺傳機理來尋求目標函數(shù)最優(yōu)解的方法，能有效地以概率的形式進行全局尋優(yōu)，且對所求優(yōu)化問題沒有過多的數(shù)學要求，因此，本文選用遺傳算法對液力透平的幾何參數(shù)進行優(yōu)化。但在尋優(yōu)過程中，液力透平水力性能的CFD數(shù)值計算無疑是非常耗時的，因此本文還引入了非線性映射能力較強的GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡代替在尋優(yōu)過程中獲取液力透平性能參數(shù)的CFD數(shù)值計算，這樣便形成了一種以 GA-BP(Genetic Algo-rit

6、hm-Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡與遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化設計方法。最后，將優(yōu)化過程中涉及到的各種技術通過程序控制，建立起本文的優(yōu)化系統(tǒng)。
　　3.離心泵作液力透平的葉輪優(yōu)化設計
　　通過對離心泵用作液力透平時葉輪軸面流動特點的分析，發(fā)現(xiàn)液力透平葉輪流道面積變化規(guī)律與其內(nèi)部流動規(guī)律匹配性較差。針對于此，采用本文建立的優(yōu)化系統(tǒng)對葉輪軸面投影圖進行了優(yōu)化設計。優(yōu)化時以控制葉輪軸面形狀的α1、α2、1R、R2和R3為設

7、計變量，以液力透平在最優(yōu)工況下的水力效率為目標函數(shù)，壓頭為性能約束條件進行優(yōu)化，優(yōu)化后液力透平性能較之前得到較大的改善。
　　通過對離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平時葉輪內(nèi)能量轉(zhuǎn)換特性的分析，發(fā)現(xiàn)葉輪能量轉(zhuǎn)換效率不高。在離心泵用作液力透平的葉輪內(nèi)，能量轉(zhuǎn)換的核心是葉片，因此離心泵用作液力透平的葉片有待優(yōu)化改進。鑒于此，采用已建立的優(yōu)化系統(tǒng)對該模型的葉片型線進行了優(yōu)化設計。優(yōu)化時采用三次非均勻 B樣條曲線參數(shù)化葉片型線，以控制葉片形狀的控制點參

8、數(shù)為設計變量，液力透平在最優(yōu)工況附近三個工況點的水力效率為目標函數(shù)，三個工況點下的壓頭為約束條件對葉片型線進行優(yōu)化，優(yōu)化后液力透平的效率在指定的三個工況下分別得到了較大的提升，同時滿足初始設定的壓頭約束，說明優(yōu)化后葉片能量轉(zhuǎn)換能力增強，同時表明采用該優(yōu)化方法對液力透平葉片型線優(yōu)化的可行性。
　　通過對優(yōu)化后液力透平葉輪的內(nèi)流場分析，發(fā)現(xiàn)葉輪流道內(nèi)仍存在較大的漩渦區(qū)域，采用增加葉片數(shù)的方法來進一步改善液力透平葉輪的性能。研究發(fā)現(xiàn)：葉