【CAE&研發】雙吸蝸殼泵的優化設計

2016-10-08 by:CAE仿真在線來源:互聯網

根據具體應用的不同,對雙吸蝸殼泵的性能要求也不一樣。需要權衡考慮多個因素,包括高效率,低關閉揚程,設計點性能和尺寸。在本文中,Ebara利用實驗設計(DoE)和計算流體動力學(CFD)研究了相關設計優化問題。

根據雙吸入腔的形狀,我們可以對雙吸蝸殼泵的葉輪進口進行最優化的設計。因此,為了預測這類泵的性能,需要對所有的液壓元件(葉輪,雙吸室、出水蝸殼,或/和磨損間隙)進行建模。最近幾年,得益于并行計算系統的發展,利用CFD來進行大規模流體分析在渦輪機械研究中已變得越來越普遍。使用CFD來進行非穩態流分析也為人們所普遍接受。

Ebara設計了兩種類型的雙吸蝸殼泵。一種旨在高效率,另一種則是針對低關閉揚程。Ebara通過使用DoE和CFD的方法對泵進行了優化設計。為了實現上述設計目標,Ebara再次確認了對所有液壓元件進行優化設計的重要性,這些液壓元件不僅僅有葉輪,還包括雙吸室和出水蝸殼。采用等比例縮小的模型來對泵的性能進行實驗驗證。本文介紹了研發的結果。

此前的研究提出了一些針對渦輪機械(如混流泵,低溫泵,帶有吸入彎管的離心泵)的優化設計方法。此外,還有一些關于提高雙吸蝸殼泵工作效率的優化設計方法的研究。首先,研究人員優化了葉輪,之后他們設計了雙吸室和出水蝸殼。最后,利用CFD預測了整個流場。

圖1. 雙吸蝸殼泵的例子

因為液體需要通過雙吸室才能進入葉輪旋轉,所以非常有必要根據旋轉速度來設計葉輪的入口形狀。然而,雙吸室環繞在出水蝸殼周圍,所以必須在設計雙吸室之前先對出水蝸殼進行設計。一方面,需要知道葉輪的出口流量以便將其作為設計出水蝸殼的入口邊界條件。因此,在這項研究中,我們首先使用一個假定的入口條件來設計葉輪。然后,設計了出水蝸殼。接著,設計了雙吸室,最后利用雙吸室出口的流量條件重新對葉輪進行了設計。

        在每個組件的設計過程中,運用DoE方法和靈敏度分析來調研設計參數的最佳值。在下面的章節中具體介紹每個組件的設計過程。

        利用CFD來評估每一臺泵的性能。運用商業軟件ANSYS Turbo Grid和ICEM制作計算網格,并利用ANSYS CFX來進行計算。采用了雷諾茲平均Navier-Stokes(RANS)算法。剪切應力傳遞(SST)模型被用于湍流模型中。在穩態分析中,采用凍結轉子法來連接旋轉坐標系(葉輪域)與靜止坐標系之間的接口。使用改變參考系的方法來處理葉輪區域到蝸殼區域的流量,同時保持葉輪葉片與蝸舌之間的相對位置。

        對該研究中最后得到的泵的性能進行了實驗驗證。在一個水平的閉環測試模型上進行實驗。使用水作為CFD和實驗的工作流體。

高效雙吸蝸殼泵的設計

        為了實現高效率,分別對葉輪、雙吸室和出水蝸殼進行靈敏度分析。通過DoE的方法減少了分析次數,從而高效地研究了設計參數的影響。根據DoE理論中的正交表,采用CFD方法對幾何形狀進行設計和分析。靈敏度分析證實了用于控制目標的設計參數的重要性。我們通過使用這些重要的設計參數來設計有價值的幾何形狀。

葉輪設計優化

        選擇了六個葉輪設計參數。這些參數可能會影響泵的效率。這些參數包括入口直徑、出口寬度、出口葉片角、葉片半徑、輪轂半徑、傾角、后緣堆積角,每個參數都會在三個層次上變化(低、中和高),使用L27正交表來研究葉輪幾何形狀的27個例子。

        在周期性邊界條件下,采用具有一螺距葉片通道的穩態流分析方法對每一個葉輪的性能進行評估。規定固定的總壓力和流向作為入口邊界條件。該入口流向主要根據原始的雙吸室CFD分析結果而定。采用一個固定的質量流量條件作為出口邊界條件。網格的數量大約在100萬。Ebara使用CFD的計算結果來研究葉輪設計參數對葉輪效率的影響。

出水蝸殼的優化設計

        在本文中,Ebara使用一個參考葉輪,它是利用前面小節中的設計參數配置的中間值設計得到的。根據三個參數在三個層次上的變化得到L9正交表,利用該表設計九個出水蝸殼。這三個參數分別是入口寬度、泵殼截面的角度,以及切水斜交角。出水蝸殼的橫截面積是指定的,因此周向流速在任何徑向位置上都與1 / r成比例,其中用r表示半徑。

        在出水蝸殼的優化過程中,吸入腔的幾何形狀還未確定,所以在穩態CFD分析中,用兩根吸入管道來代替一個雙吸室。計算求解域包括兩個吸入管道、整個葉輪、出水蝸殼、外殼磨損環的間隙。入口和出口的邊界條件與前一節提到的葉輪CFD分析中是完全一樣的。根據初始雙吸室的CFD結果來指定進口旋流的數量。網格元素的數量約為950萬。

圖2. CFD結果(出水蝸殼內的流線以及總壓力損失)

雙吸室的優化設計

        雙吸室的設計參數有三個,包括腔室的兩向寬度和旋流停止的安裝角度。根據三個參數在三個層次的變化得到的L9正交表設計出九個雙吸室。利用參考葉輪和使用前一節中獲得的優化設計參數優化后的出水蝸殼來對蝸殼環間隙進行CFD分析。采用固定的質量流量作為入口邊界條件。采用固定的靜壓力作為出口邊界條件。網格的總數約為1300萬。

使用優化參數進行最終設計

        使用之前闡述過的方法可以得到每個部分的優化設計參數。利用前述章節中選擇的優化吸入腔的CFD結果來驗證葉輪的進水流態。

        Ebara利用根據優化吸入腔的出口流量確定的入口條件重新設計了葉輪。利用CFD結果來評估最終設計的幾何形狀的性能,具體方法與前述章節中所提方法完全相同。圖2分別顯示了原始泵和經過穩態CFD分析后獲得的優化泵的內部流場。輪廓線表示總壓力損失在出水蝸殼內的分布情況。與原來的泵相比,優化泵的總損失降低了。三維流線來自圖2(a)中橫截面A和圖2(b)中橫截面B的最大損失面積。橫截面上的每條流線表明,由于二次流的迅猛發展,原始泵的出水蝸殼內的損失巨大。

設計具有低揚程比的雙吸蝸殼泵

        結構緊湊是實現低揚程比H0/Hd的必要條件,因此Ebara在葉輪設計中減小了葉輪直徑。根據高效型泵的設計參數的研究結果,通過挑選合適的設計參數來設計旨在減小揚程比的整臺泵。和高效型泵的葉輪相比,低揚程比泵的葉輪直徑更小,并且具有較大的出口葉輪角。如圖3所示,低關閉揚程泵比原來的泵尺寸縮減了20%以上。

圖3. 尺寸比較。

CFD和實驗驗證

為了驗證采用CFD優化后的兩種類型的雙吸蝸殼泵的性能,使用等比例縮小了的泵模型進行實驗。圖4顯示了泵的性能特性曲線的實驗結果與數值預測之間的對比;圖4(a)顯示了高效型泵的特性曲線,圖4(b)顯示了低揚程比型泵的特性曲線。

在圖4中,根據設計要點對流量、總揚程,軸功率和吸入速度做歸一化處理。利用原始泵的最高效率值將泵的效率歸一化。高效型泵的效率提高了約4%。低揚程比型泵的揚程比可以降到1.2以下。CFD結果與實驗結果十分吻合。因為兩類泵都滿足了設計目標,所以驗證了本次研究中的設計方法的有效性。

圖4.實驗和CFD的性能結果對比。

非穩態CFD也適用于高效型,如圖4(a)所示。采用一種被稱為瞬時轉子/定子的方法來連接葉輪和出水蝸殼區域之間的邊界,該方法適用于處理合適的非穩態流。在得到了擬周期解之后,將一個旋轉周期內的流場取平均值,從而對結果進行評估。穩態CFD結果顯示了和實驗性能相同的趨勢,但是非穩態CFD的結果更接近實驗結果,尤其是在接近關閉流量的時候。

結論

本研究中,作者通過使用DoE和CFD優化設計方法設計了兩種類型的雙吸蝸殼泵,目的旨在實現高效率和低關閉揚程比H0/Hd。不難理解的是,設計參數對性能有明顯的影響,如效率和關閉揚程比。采用CFD分析和實驗方法兩種方式來驗證使用優化設計參數后得到的兩種泵的性能,結果表明達到了設計目標。CFD分析方法能夠相當準確地預測實驗性能特性。

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