一种立式离心泵三出口蜗壳型线的设计方法

技术领域

本发明涉及离心泵领域，具体涉及一种立式离心泵三出口蜗壳型线的设计方法。

背景技术

离心泵作为一种通用的流体输送设备，广泛应用于国民经济的各个领域，离心泵一般由叶轮、导叶和蜗壳组成，其中蜗壳用于将流出叶轮的流体动压转换成静压并输出至下游管路。常规的蜗壳一般为单出口蜗壳设计，在非工况下，由于蜗壳内各断面的液体压力不均匀，会在叶轮上产生不均匀的径向力。在泵轴较长的应用场合，这种不均匀的轴向力作用于轴端，会导致振动加剧，并影响机械密封及轴承的寿命。

专利CN 101624992针对长轴立式离心泵，提出一种三出口蜗壳结构，3个出口的相位角相差120°，从而最大程度地平衡径向力对主轴的影响，但并未给出三出口蜗壳的设计方法。专利CN 102606533同样提出了三出口蜗壳结构，但是也没有陈述其三蜗壳流道如何实现。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种立式离心泵三出口蜗壳型线的设计方法，具体技术方案如下：

一种立式离心泵三出口蜗壳型线的设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：根据设计工况下的流量、扬程需求，以及匹配叶轮的几何参数，基于速度系数法对蜗壳几何参数进行初步计算；

步骤二：基于经验数据，建立隔舌安放角

步骤三：基于隔舌安放角

步骤四：结合步骤一得到的蜗壳几何参数和步骤三得到的计算样本，得到多个蜗壳型线设计方案；对每个蜗壳型线设计方案均进行三维建模，并进行网格划分，再通过计算流体动力学软件对其进行数值模拟计算，然后提取计算结果中的参数，计算每个蜗壳型线设计方案对应的基于熵增的蜗壳内总能量耗散值；

步骤五：基于Kriging方法，建立总能量耗散值与隔舌安放角

步骤六：对所述响应面模型进行优化求解，并运用R平方误差分析方法对响应面模型的可信程度进行分析，从而得到隔舌安放角

步骤七：基于步骤一得到的蜗壳几何参数和隔舌安放角

进一步地，所述隔舌安放角

a＝1.05-1.15；

θ＝5°-10°；

隔舌安放角

进一步地，基于熵增的蜗壳内总能量耗散值的计算公式如下：

E

其中，E

进一步地，所述抽样方法具体为最优拉丁超立方方法。

进一步地，所述步骤六中，采用二次拉格朗日非线性规划算法对所述响应面模型进行优化求解。

进一步地，所述步骤三采用抽样方法生成包括隔舌安放角

本发明的有益效果如下：

本发明通过对三出口蜗壳单位体积的熵生成率计算，得到蜗壳内的总能量耗散值，定量描述三出口蜗壳内的能量损失。借助Kriging方法，建立总能量耗散值与隔舌安放角

附图说明

图1为本发明实施例的立式离心泵三出口蜗壳型线的设计方法的流程图。

图2为蜗壳型线设计涉及的各个参数的示意图。

图3为采用本发明方法涉及得到的蜗壳的截面图。

图4为采用本发明方法涉及得到的蜗壳的结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的立式离心泵三出口蜗壳型线的设计方法，具体包括如下步骤：

步骤一：根据设计工况下的流量、扬程需求，以及匹配叶轮的几何参数，基于速度系数法对蜗壳几何参数进行初步计算。

1.基本参数计算

(1)基圆直径D

切于第8断面螺旋线起点的圆称为基圆，以D

D

(2)蜗壳进口宽度b

b

其中：b

(3)蜗壳隔舌安放角

隔舌安放角

(4)第8断面速度

其中，H为泵的扬程；k

第8断面面积

其中，Q为泵的设计流量；a为面积系数，取1.05-1.15。

(5)扩散角θ

蜗壳在第8断面后设置扩散管，用于进一步降低流速，将动压转化为静压，扩散角常用范围为θ＝5°-10°。图2给出了上述各个参数的示意图。

步骤二：基于经验数据，建立隔舌安放角

因为上述计算公式得出是三出口蜗壳的隔舌安放角

考虑到上述参数中基圆直径与进口宽度与叶轮尺寸关系较大，本方法仅对隔舌安放角、第8断面面积和扩散角三个参数进行优化计算，优化变量为：隔舌安放角

步骤三：基于隔舌安放角

该实施例选用最优拉丁超立方方法，对隔舌安放角

步骤四：结合步骤一得到的蜗壳几何参数和步骤三得到的计算样本，得到多个蜗壳型线设计方案；对每个蜗壳型线设计方案均进行三维建模，并进行网格划分，再通过计算流体动力学软件对其进行数值模拟计算，然后提取计算结果中的参数，计算每个蜗壳型线设计方案对应的基于熵增的蜗壳内总能量耗散值。

常规方法往往通过蜗壳进出口压差也就是蜗壳压力损失来判断蜗壳设计优劣。本发明的设计方法引入熵增的概念，以更好地表征蜗壳内的能量损失。

叶轮机械内的水力损失通常包括边界层的粘性效应以及流体的掺混作用导致流体能量的耗散。在传统的计算流体力学(CFD)分析过程中，通常通过各个点或面的总压分布情况来分析评估泵内的水力损失。另一种更加直接描述能量损失的物理概念为熵增，其为造成叶轮机械内能量损失的主要原因，鉴于绝大多数叶轮机械都可认为是一个绝热过程，熵增对于描述此类不可逆转过程中的能量损失有较明确的物理意义。

单位体积能量损失率定义如下：

其中

通过在蜗壳流道上对Ψ进行积分，可以获得蜗壳内总的能量耗散值

E

本发明的方法中以蜗壳内总的能量耗散值为优化目标函数，其中的各个参数值可通过计算流体力学数值计算得到。

步骤五：基于Kriging方法，建立总能量耗散值与隔舌安放角

步骤六：对所述响应面模型进行优化求解，并运用R平方误差分析方法对响应面模型的可信程度进行分析，从而得到隔舌安放角

本实施例中采用二次拉格朗日非线性规划算法(NLPQL)对得到的响应面模型进行优化求解。NLPQL算法是一种序列二次规划法，它将目标函数和约束条件按泰勒级数展开，目标函数取前二阶，约束条件则取一阶，以此来构造二次规划子问题，以这个子问题的解作为迭代的搜索方向并沿该方向作一维搜索，最终逼近原问题的近似约束最优点。NLPQL算法在迭代的过程中不仅利用了目标函数和约束函数的函数值信息及一阶导数信息，还利用目标函数和约束函数的二阶导数信息，因而其收敛速度快、效率高，适用于非线性约束优化问题。

本方法采用NLPQL求解三出口蜗壳设计的最优化问题，并运用R平方误差分析方法对响应面模型的可信程度进行分析，从而得到最优方案。

步骤七：基于步骤一得到的蜗壳几何参数和隔舌安放角

最终三出口蜗壳的流道设计结果，如图3和图4所示。出于安装方便的考虑，蜗壳出口由夹角120°逐渐旋转到如附图俯视图所示的90°。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。