一种基于数据样本的离心泵无过载设计方法.pdf

本发明公开了一种基于数据样本的离心泵无过载设计方法，首先对离心泵的设计工况进行比转数求解，根据比转数计算出叶轮几何参数的初始值；然后根据设计经验选取对低比转数离心泵功率影响较大的参数并采用优化拉丁超立方进行M组试验设计；然后采用Solidworks软件对叶轮进行三维造型，采用ICEM软件对离心泵模型进行非结构网格划分并采用CFX软件对M组方案进行数值模拟，计算离心泵在1.4倍设计流量下的功率；最后以叶轮主要几何参数作为输入值，泵功率为响应值，建立数据样本，采用二阶响应面近似模型建立输入值与响应值之间的数学模型，结合粒子群算法对数学模型进行极值寻优。本发明能在较短的设计周期内完成对离心泵无过载特性的设计，减小了设计成本。

权利要求书
1.  一种基于数据样本的离心泵无过载设计方法，包括如下步骤：
步骤一：根据离心泵的设计流量Q、设计扬程H和设计转速n，来获得低比转数离心泵的 比转数ns；
步骤二：采用离心泵传统设计方法确定离心泵叶轮的叶轮进口直径Dj，叶轮出口直径D2， 叶片出口宽度b2，叶片进口安放角β1，叶片出口安放角β2，叶片包角
步骤三：选取对低比转数离心泵功率影响较大的叶片出口安放角β2、叶片包角叶片 出口宽度b2，采用优化拉丁超立方试验设计方法，对所述叶片的三个参数进行M组方案设计， 其中M为整数；
步骤四：采用Solidworks软件对步骤三中M组方案设计中的每一组叶轮的三个参数进行 三维造型，保存为*.stp文件，将*.stp文件导入到ICEM软件进行非结构网格划分，网格为 *.cfx5文件，将*.cfx5导入到CFX中进行设计工况的定常数值模拟计算并获得低比转数离心 泵在1.4倍设计工况下的功率，得到M组功率值，其中M为整数；
步骤四：以每组叶轮的叶片出口安放角β2、叶片包角叶片出口宽度b2作为输入值， 泵在1.4倍设计工况下的的功率P1.4Q为响应值，建立数据样本，采用二阶响应面模型建立响 应值与叶轮几何参数之间的近似模型；

其中x1、x2……x9、x10为计算得到的系数；并采用粒子群优化算法求解响应面模型的最小 值，从而得到每一组叶轮的叶片出口安放角β2、叶片包角叶片出口宽度b2的最优组合；
步骤五：对每一组叶轮的叶片出口安放角β2、叶片包角叶片出口宽度b2的最优组合 进行三维造型，并采用相同的CFX设置进行数值模拟，判断能否达到设计要求，若达到设计 要求，则设计完成，若没达到设计要求，则返回步骤三，重新选择一组参数。

2.  根据权利要求1所述的一种基于数据样本的离心泵无过载设计方法，其特征在于，低比转 数离心泵的比转数ns的计算公式为：
n s = 3.65 n Q H 0.75 ]]>
式中：n为转速，单位r/min；Q为流量，单位m3/h；H为扬程，单位m。

说明书一种基于数据样本的离心泵无过载设计方法
技术领域
本发明涉及到离心泵设计领域，尤其涉及到一种低比转数离心泵无过载设计方法。
背景技术
低比转数离心泵广泛应用于排灌、城市供水、航空航天等许多国民经济领域。低比转数 离心泵一般指比转数为30～80的离心泵，泵在系统中的运行稳定性较差，在大流量工况运行 时容易发生过载现象，以至缩短泵的使用寿命，严重时造成经济损失。
离心泵无过载特性一直是泵领域长期的一个研究热点之一。专利号为200410014937.0提 出一种低比转数离心泵叶轮设计方法，通过联系叶轮的几何参数和设计工况性能参数并建立 新的数学关系式，这依赖于大量的低比转数叶轮的统计数据，具有可参考意义，但是通过该 方法进行设计，需要丰富的水力设计经验才能完成。
现有的低比转数离心泵的设计主要是依靠设计经验，以及采用数值模拟设计方法。目前 还没有采用现代优化设计方法来提高离心泵无过载特性的方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于数据样本的离心泵无过载设计方法，其采用 的技术方案如下：
一种基于数据样本的离心泵无过载设计方法，包括如下步骤：
步骤一：根据离心泵的设计流量Q、设计扬程H和设计转速n，来获得低比转数离心泵的 比转数ns；
步骤二：采用离心泵传统设计方法确定离心泵叶轮的叶轮进口直径Dj，叶轮出口直径D2， 叶片出口宽度b2，叶片进口安放角β1，叶片出口安放角β2，叶片包角φ；
步骤三：选取对低比转数离心泵功率影响较大的叶片出口安放角β2、叶片包角φ、叶 片出口宽度b2，采用优化拉丁超立方试验设计方法，对所述叶片的三个参数进行M组方案设 计，其中M为整数；
步骤四：采用Solidworks软件对步骤三中M组方案设计中的每一组叶轮的三个参数进行 三维造型，保存为*.stp文件，将*.stp文件导入到ICEM软件进行非结构网格划分，网格为 *.cfx5文件，将*.cfx5导入到CFX中进行设计工况的定常数值模拟计算并获得低比转数离心 泵在1.4倍设计工况下的功率，得到M组功率值，其中M为整数；
步骤四：以每组叶轮的叶片出口安放角β2、叶片包角φ、叶片出口宽度b2作为输入值， 泵在1.4倍设计工况下的的功率P1.4Q为响应值，建立数据样本，采用二阶响应面模型建立响 应值与叶轮几何参数之间的近似模型；

其中x1、x2……x9、x10为计算得到的系数；并采用粒子群优化算法求解响应面模型的最小值， 从而得到每一组叶轮的叶片出口安放角β2、叶片包角φ、叶片出口宽度b2的最优组合；
步骤五：对每一组叶轮的叶片出口安放角β2、叶片包角φ、叶片出口宽度b2的最优组 合进行三维造型，并采用相同的CFX设置进行数值模拟，判断能否达到设计要求，若达到设 计要求，则设计完成，若没达到设计要求，则返回步骤三，重新选择一组参数。
上述方案中，低比转数离心泵的比转数ns的计算公式为：
n s = 3.65 n Q H 0.75 ]]>
式中：n为转速，单位r/min；Q为流量，单位m3/h；H为扬程，单位m。
本发明的有益效果是：能在较短的设计周期内完成对离心泵无过载特性的设计要求，同 时能减小设计成本。
附图说明
图1为一种基于数据样本的离心泵无过载设计方法的流程图。
图2为设计无过载叶轮的三造型示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于 此。
本发明的目的在于提供一种基于数据样本的离心泵无过载设计方法，通过集合优化拉丁 超立方试验设计、数值模拟、二阶响应面模型及粒子群优化算法对低比转数离心泵进行设计， 从而得到离心泵无过载特性最优的一组的离心泵叶轮几何参数组合，缩短离心泵无过载设计 周期。图1为本发明的发明思路，本发明提高低比转数离心泵无过载设计方法主要是：第一， 对离心泵的设计工况进行比转数求解，根据比转数计算出叶轮和蜗壳几何参数的初始；第二， 根据设计经验选取对低比转数离心泵功率影响较大的参数采用优化拉丁超立方进行20组试 验设计；第三，采用Solidworks软件对叶轮进行三维造型，采用ICEM软件对模型进行网格 划分并采用CFX对方案进行数值模拟，计算离心泵在1.4倍设计流量下的功率；第四，以叶 轮主要几何参数作为输入值，泵功率为响应值，建立数据样本，采用二阶响应面近似模型建 立输入值与响应值之间的数学模型，结合粒子群算法对数学模型进行极值寻优。
本文以低比转数离心泵无过载设计为例。设计参数具体为：具体步骤如下：
根据离心泵的的设计工况Q＝6.3m3/h，H＝8m，转速n＝1450r/min；
n s = 3.65 n Q H 0.75 ; ]]>
式中：n为转速，单位r/min；Q为流量，单位m3/h；H为扬程，单位m；比转数ns＝46.5。
根据《现代-泵理论与设计》对低比转数离心泵进行了设计，得到叶轮的初始几何参数， 如下所示叶轮进口直径Dj＝50mm，叶轮出口直径D2＝160mm，叶片出口宽度b2＝6mm，叶片 进口安放角β1＝24°，叶片出口安放角β2＝30°，叶片包角φ＝150°。根据设计经 验，选取叶片出口安放角β2、叶片包角φ、叶片数z、叶片出口宽度b2为影响泵功率的主要 几参数。采用优化拉丁超立方进行20组试验设计，得到如下数据组。


采用Solidworks软件对每20组叶轮进行行三维造型，保存为*.stp文件，将*.stp文 件导入到ICEM软件进行非结构网格划分，网格为*.cfx5文件，将*.cfx5导入到CFX中进行 设计工况的定常数值模拟计算并获得泵在1.4倍设计工况下的功率；功率值如下表所示：

以叶轮主要几何参数叶片出口安放角β2、叶片包角φ和片出口宽度b2作为输入值，泵 在1.4倍设计工况下的功率为响应值，建立数据样本，采用二阶响应面模型建立响应值与主 要几何参数之间的近似模型；

其中x1、x2……x9、x10为计算得到的系数；并采用粒子群优化算法求解响应面模型的最小值； 最终得到叶轮参数的最优组合：叶片出口宽度b2＝5mm，叶片出口安放角β2＝29.7°，叶片 包角φ＝155.3°。
叶轮原始参数和采用优化算法得到的参数如表所示，1.4倍设计工况下功率由247W下降 到232W。最终低比转数离心泵叶轮如图2所示。