基于正交试验的潜水泵结构参数优化.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()山西省自然科学基金资助项目()作者简介:麻 彦女讲师硕士主要从事水力机械研究 :.文章编号:()引用本文:麻彦.基于正交试验的潜水泵结构参数优化.人民长江():.基于正交试验的潜水泵结构参数优化麻彦(.山西水利职业技术学院山西 太原 .太原理工大学 水利科学与工程学院山西 太原)摘要:合理的结构参数优化设计是保证潜水泵高扬程和高效率运行的关键 基于 数值仿真数据样本采用极差和方差分析的方法探究了不同导流条安放角()、进口宽度()、轴向长度()、叶片数()对水泵扬程()、效率()和能耗()的影响并基于熵值法明确了潜水泵最优结构参数组合 结果表明:及 增加对、及 增加对 影响表现为先促后抑而 和 增加对 影响表现为先抑后促 增加对、叶片数增加对 及 影响均表现为锯齿状波动 与 和 呈正相关与 呈负相关 对、和 均存在极显著(.)影响 对 和 存在显著(关 键 词:潜水泵 结构优化 正交试验 熵值法 安放角 进口宽度 轴向长度 叶片数中图法分类号:.文献标志码:./.引 言作为多级离心泵的一种重要特殊型式井用潜水泵已在农业、供水、矿山等领域广泛应用 导流器是潜水泵中重要的过流部件和能量转换装置科学优化其结构型式和几何参数是解决潜水泵效率低和提升水泵性能这一现实问题的重要前提和关键近年来诸多学者揭示了导流器叶片数 、进口安放角、入口径向位置、进口形式以及级间间隙对潜水泵扬程、轴功率、效率等特性的影响而这些因素以及轴向长度 和进口宽度 对水泵导流器能耗的影响则尚不清楚 部分学者基于正交试验和极差分析明确了叶轮出口边斜度、叶轮出口边与导叶进口边间隙、导叶进口边宽度、导叶出口边与场域出口轴向距离以及叶片包角 过渡段包角对水泵扬程、效率和轴功率等指标的影响主次 魏清顺等 运用通径分析法研究了水泵特性影响程度排序大小这与基于极差和方差分析的研究结果差异性有待进一步明确 最优导叶结构参数组合的确定常以极差分析和通径分析等方法为主 但由于各指标对因素响应缺乏一致性给客观合理综合评价带来了一定困难因此有必要建立一种兼顾多指标的水泵性能综合评价方法 熵值法 该方法曾有效解决了煤矿透水安全性、果实生长、土建系统风险、水资源承载力和水质等系统的综合评价问题证明了其有效性和可行性但目前在水泵性能综合评价方面研究较少值得进一步探究本文基于 数值模拟数据样本采用极差分析和方差分析方法进行 组合条件下水泵扬程 效率 能耗特性分析揭示各因素影响程度及主次关系采用熵值法明确水泵最优结构参数组合为开发和改进高性能的潜水泵提供理论依据 第 期 麻 彦:基于正交试验的潜水泵结构参数优化 水泵建模与数值计算方法.数值模拟方案本次试验数据来源于不同安放角()进口宽度()轴向长度()叶片数()条件下潜水泵特性数值模拟结果水泵水力特性由 数值模拟软件计算获得 其中安放角 设置、和 共 种水平分别代表和进口宽度 设置、和 共 种水平分别代表 和 轴向长度 设置、和 共 种水平分别代表 和 叶片数 设置、和 共 种水平分别代表 和 个叶片 采用正交试验设计共 组试验工况.模型建立本文以 型潜水泵为原型采用 软件进行导流器设计 采用非均匀有理 样条方法控制实体曲面采用扭曲三角形法绘制空间导叶叶片确保导叶进出口边与叶轮光滑连接且整体的流道形状过渡光滑导流器及叶轮三维模型如图 所示 在数值模拟计算中为使液体平顺且充分地进入导流器以及准确反映流道中参数变化规律在叶轮进口与导流器出口方向分别加一段 同心圆柱潜水泵计算模型如图()所示图 潜水泵 实体模型及计算模型.网格划分及边界条件设定根据前人研究由 软件对潜水泵计算模型进行网格划分和边界条件设定 将单级潜水泵内部流动区域作为计算域液体进口到出口部分可依次划分为进口延长段、叶轮旋转区、导流器静止区和出口延长段 水泵进口和出口延伸部分是一段形状规则的同心圆柱体可采用结构化网格进行划分 对于导流器和叶轮三维扭曲叶片流动区域采用混合网格生成技术进行处理 选取.万 万个由疏到密的 组不同网格数量计算域网格进行网格无关性验证以进出口压差为网格无关性的评判依据 经计算当网格数量增加到 万个时 进出口压差趋于稳定()继续增大网格数量只会占用更多的计算资源和时间对其结果收益甚微 最终确定网格数量为 万个网格划分结果如图()所示 潜水泵内流场计算区域边界条件中材料类型选择为流体入口和出口分别采用速度进口和自由出流边界条件以上 个区域间的连接面均采用交接面边界条件其余曲面均采用壁面边界条件.数值模拟方法内部流场模拟选用分离隐式求解器以节约计算资源采用二阶迎风差分格式对动量方程、湍动能与耗散率输运方程进行离散压力和速度的耦合采用 算法 选用 湍流模型作为流动模型采用标准壁面函数对近壁面加以处理.数据处理水泵扬程和效率可分别由式()()计算得到数据样本差异显著性等统计学分析由 软件完成显著水平为.极差分析由 软件进行数据样本绘图由 软件完成 ()()式中:和 分别表示出口和入口处具有的压强 为水的容重/为入口流量/为潜水泵叶轮进出口高度差 为叶轮表面所受外力矩之和 为叶轮转数/为机械效率取值为 为液体密度/为重力加速度/结果与分析.数值模拟效果验证为了进一步明确数值模拟计算方法在解决潜水泵优化问题上的可靠性结合测试数据样本对数值模拟样本数据进行验证 测试参数条件为:图 为潜水泵实测特性曲线与数值模拟特性曲线对比结果 经计算扬程的模拟值与实测值之间平均相对误差为.而效率的这一结果为 人 民 长 江 年.说明实测样本与模拟样本之间误差较小 这部分误差可能是容积损失、制造偏差等原因造成的综上本文所述数值模拟方法用于水泵性能模拟是合理可行的图 潜水泵实测与数值模拟特性对比.潜水泵结构参数对扬程影响扬程是水泵输送单位质量液体从入口处到出口处能量的增值是反映水泵工作性能的重要参数为了进一步明确各因素及其水平对潜水泵扬程的影响对样本进行了极差和方差分析 表 和表 分别为潜水泵扬程极差分析和方差分析结果 由表 和表 可知当安放角由 增加到 和 时水泵扬程分别增加.和.但如果当安放角持续增加到水平时相对 时水泵扬程反而降低.安放角对水泵扬程影响表现为先促后抑且影响程度达到极显著水平(.)这是由于适度地增加安放角可以使导叶与叶轮出流的水流速度方向一致性趋好水流衔接更加顺畅促使扬程提高 但安放角过大会引发导流器流场内部出现径向旋涡造成冲击损失加剧进而抑制扬程 在 范围内进口宽度 增加会导致水泵扬程产生轻微锯齿状波动趋势统计学检验结果表明这种变幅并未达到显著水平说明在该进口宽度范围内导流器叶片承接叶轮出流的水流效果接近对扬程作用差异小 当轴向长度由增加到 时水泵扬程显著地(由表 可知安放角 类平方和分别是进口宽度、轴向长度和叶片数的 和 倍表明安放角是影响水泵扬程的最关键因素表 潜水泵扬程极差分析结果.指标来源因素最佳水平/安放角.进口宽度.轴向长度.叶片数.因素主次顺序安放角 轴向长度 叶片数 进口宽度 注:、代表某一个水平下对应因素的试验结果之和、代表各因素水平的平均值 代表极差下同表 潜水泵扬程方差分析结果.指标来源 类平方和自由度均方显著性 安放角.进口宽度.轴向长度.叶片数.注:代表极显著(.)代表显著(.)为显著性检验结果下同.潜水泵结构参数对效率影响效率反映了水泵传递功率的有效程度是衡量水泵工作效能高低的一项重要指标 为了进一步明确各因素及水平对水泵效率的影响对数据样本进行方差分析和极差分析 表 和表 分别为水泵效率极差分析结果和方差分析结果 结合表 和表 可知当安放角由 增加到 和 时水泵效率可分别增加.和.但如果当安放角由 持续增加到 效率反而降低.安放角增加对效率影响表现为先促后抑且影响程度达到了极显著水平(.)这是由于适度增加安放角时由导叶造成的汽液分离程度会降低介质流动更顺畅导致效率向增大方向偏移 在 范围内进口宽度 增加对水泵效率影响表现为先促后抑但最大变幅仅相差.说明进口宽度对水泵效率影响程度较低 当轴向长度由 增加到、和 时水泵效率可分别显著地(而由表 可知不同因素处理下水泵效率类平方和大小表现为:两者高度一致均表明安放角是影响水泵效率的关键结构参数表 潜水泵效率极差分析结果.指标来源因素最佳水平/安放角.进口宽度.轴向长度.叶片数.因素主次顺序安放角 轴向长度 叶片数 进口宽度表 潜水泵效率方差分析结果.指标来源 类平方和自由度均方显著性 安放角.进口宽度.轴向长度.叶片数.结构参数对导流器能耗影响导流器在潜水泵中发挥的作用是转换液体的动能为压力势能 由于水泵液流在非理想状态下工作会导致导流器进出口能量会发生改变 对于导流器不同结构形式其内部能量损耗也会不同 为了进一步明确各因素及水平对能耗影响对数据样本进行方差分析和极差分析 表 和表 分别为导流器能耗极差分析结果和方差分析结果 结合表 和表 可知当安放角由 增加到 和 时水泵效率可分别减少.和.但当安放角由 持续增加到 效率反而增加.倍 安放角增加对能耗影响表现为先抑后促且影响程度达到了极显著水平(.)造成能耗差异主要原因是由于安放角不同时导流器叶片在衔接叶轮出流液体时受到冲击作用强度不同由此造成局部水头损失差异 在 范围内进口宽度 增加对水泵效率影响表现为先抑后促但最大变幅仅相差.说明进口宽度对水泵效率影响程度较低未达到显著水平 当轴向长度 由 增加到、和 时水泵能耗可分别显著(适宜的安放角对降低能耗极为关键.适宜结构参数优化图 为基于极差分析的不同因素水平对潜水泵性能影响 高扬程、高效率和低能耗是水泵性能优越的重要评判标准 由图 可知基于扬程单一指标来看最优导流器结构参数组合为 或 基于效率单一指标来看最优导流器结构参数组合为 基于能耗单一指标来看最优导流器结构参数组合为 由此说明基于单一指标评价方法确定的最优导流器结构参数组合不具有一致性给最终适宜结构参数确定带来一定困难可采取基于熵值法的三指标综合评价方法予以确定通过对扬程()、效率()和能耗()个指标进行熵值法分析评价首先可探明安放角 进口宽度 轴向长度 叶片数组合条件下潜水泵性能综合评价的关键指标权重 参考甘浪雄等研究成果计算得到各项指标的信息熵值和权重如表 所列 根据熵值法原理在指标评判矩阵中某项指标差异程度越大信息熵越小则该指标在综合评价中所起的作用就越大权重越大 由表 可知各项指标权重大小表现为:然后结合权重和标准化数据样本进一步计算得到不同组合的综合评价得分见图 由图 可知不同组合下水泵综合性能评价得分范围为.得分最高对应的处理组合为 即安放角、进口宽度 、轴向长度、叶片数.参数优化结果验证为了进一步验证原泵型优化改进后的效果对优表 能耗极差分析结果.指标来源因素最佳水平/安放角.进口宽度.轴向长度.叶片数.因素主次顺序安放角 轴向长度 叶片数 进口宽度 人 民 长 江 年表 能耗方差分析结果.指标来源 类平方和自由度均方显著性 安放角.进口宽度.轴向长度.叶片数.图 不同因素水平对潜水泵性能影响.表 各指标的熵值和权重.指标信息熵值信息效用值权重/.图 不同组合下综合得分.化前后的沿轴向速度及压力进行对比分析结果如图 所示 原型潜水泵结构参数为 经优化后结构参数为 相较原型泵优化后叶片数增加但进口宽度减小 优化前后导流器内不同断面圆周速度和压强均沿着进口到出口方向呈降低趋势 当进口宽度由 优化到 时喉部面积增加狭长型流道结构会得到改善促使水流更加平顺流态相对较好导流器叶片承接叶轮出流的水流效果更好当叶片数由 优化到 时整个流道被分割成的小通道数量增加导流器减小速度环量的能力进一步加强液流动能转换为压力势能的效果逐渐显现 将综合评价得出的最优方案 制作样机并在水泵试验台上进行了外特性试验得到了样机的性能曲线如图()所示 优化前后水力性能曲线随流量变化趋势一致性较好且效率曲线极值点均在 /流量区间内两者间效率差异随流量增加呈先增后减趋势 在所有流量工况下经优化后的水泵扬程平均提高.效率平均提高.明显优于优化前原型泵性能实现了离心泵增效节能也证明了本文基于正交设计 数值模拟 综合评价的离心泵优化方法的合理性和可行性图 潜水泵结构优化前后水力性能比较.结 论()安放角及叶片数的增加对扬程安放角及进口宽度的增加对效率影响均表现为先促后抑而安放角和进口宽度的增加对效率影响表现为先抑后促 进口宽度增加对扬程的影响叶片数增加对效率及能耗影响均表现为锯齿状波动 轴向长度与扬程和效率呈正相关与能耗呈负相关()安放角对扬程、效率和能耗均存在极显著(.)影响轴向长度对扬程和效率存在显著()针对本文潜水泵制造适宜采用的结构参数为:安放角、轴向长度、进口宽度、叶 第 期 麻 彦:基于正交试验的潜水泵结构参数优化片数 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