本發(fā)明涉及一種離心泵的設(shè)計方法，具體是考慮長周期運行的多級離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、在設(shè)計離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)時，傳統(tǒng)的方法主要注重于離心泵轉(zhuǎn)子部件的設(shè)計和優(yōu)化，因此轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性和振動響應(yīng)未能得到充分考慮，在長周期運行中可能導(dǎo)致系統(tǒng)振動過大或失穩(wěn)。

2、cn110674596?a公開了一種考慮運行環(huán)境和穩(wěn)定性的多級離心泵轉(zhuǎn)子部件設(shè)計方法，考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響力和流體作用力因素來優(yōu)化多級離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高轉(zhuǎn)子在運行工況下的穩(wěn)定性，并能根據(jù)轉(zhuǎn)子部件的變形規(guī)律對轉(zhuǎn)子部件隨形設(shè)計。但僅考慮轉(zhuǎn)子部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，沒有針對離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，因而不能確保離心泵在長周期運行過程中具有穩(wěn)定可靠的工作性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服上述背景技術(shù)的不足，為多級離心泵提供一種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計方法，所述方法分別從流動調(diào)控、流場激勵和制造工藝因素對多級離心泵的結(jié)構(gòu)進行融合設(shè)計，以提高轉(zhuǎn)子在運行工況下的穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

3、一種考慮長周期運行的離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計方法，包括以下步驟：

4、步驟1、根據(jù)離心泵長周期運行要求，對離心泵水力性能及結(jié)構(gòu)進行設(shè)計；

5、步驟2、從轉(zhuǎn)子動力學(xué)科進行綜合分析，提取主流場激振力和間隙流場激振力，目標是減小流體激振力；

6、步驟3、從結(jié)構(gòu)學(xué)科對離心泵裝配精度確定的定量控制目標，目標是優(yōu)化公差設(shè)計；

7、步驟4、從制造工藝學(xué)科對多級離心泵轉(zhuǎn)子裝配同軸度進行分析，目標是確定最佳同軸度；

8、步驟5、根據(jù)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法，選擇所需優(yōu)化的設(shè)計變量，構(gòu)造優(yōu)化函數(shù)，確立離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型；

9、步驟6、使用多目標人工蜂群算法對數(shù)學(xué)模型進行求解，得到最優(yōu)解集；

10、步驟7、基于最優(yōu)解集，構(gòu)建優(yōu)化后離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型，進行長周期運行分析。

11、進一步的，所述步驟1對離心泵水力性能及結(jié)構(gòu)進行設(shè)計包括：

12、根據(jù)離心泵長周期要求，設(shè)定滿足離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)長周期運行的公式為：

13、g(t>t0)<g0±5％

14、其中：

15、g為離心泵實際振動幅值，g0為規(guī)定的振動幅值，t為離心泵連續(xù)無故障運行的時間，t0為離心泵連續(xù)無故障運行的時間限值。

16、進一步的，所述步驟2中的提取主流場激振力和間隙流場激振力包括：

17、步驟2.1主流場激振力的求解：

18、流體激振力具體包括作用于誘導(dǎo)輪上的流體激振力fc(圖4中顯示了流體激振力在兩個誘導(dǎo)輪上的x軸方向分力fcx1、fcx2以及y軸方向分力fcy1、fcy2)、葉輪口環(huán)間隙激振力fkh(圖4中顯示了葉輪口環(huán)間隙激振力在x軸方向分力fkhx以及y軸方向分力fkhy)、葉輪上的流體激振力fim(圖4中顯示了葉輪上的流體激振力在x軸方向分力fimx以及y軸方向分力fimy)、葉輪蓋板間隙激振力fgb(圖4中顯示了葉輪蓋板間隙激振力在x軸方向分力fgbx以及y軸方向分力fgby)以及葉輪不平衡質(zhì)量引起的激勵力fumb(圖4中顯示了葉輪不平衡質(zhì)量引起的激振力在x軸方向分力fumbx以及y軸方向分力fumby)、平衡鼓上的流體激振力fbp；

19、綜合分析主流場激振力，對于主流場激振力的提取方法，可以通過對離心泵轉(zhuǎn)子部件表面受壓力作用的面積分來獲取主流場激振力分量；

20、

21、其主流場激振力則可以表示為：

22、

23、其中：fmain為主流場激振力，fr、fθ分別為垂直于旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子徑向方向與轉(zhuǎn)子周向方向的兩個流場激振力，r為轉(zhuǎn)子徑向變量，θ為轉(zhuǎn)子周向變量，ur為轉(zhuǎn)子徑向方向的速度，uθ為轉(zhuǎn)子周向方向的速度，ρ為流體密度，v為流體流速，a1為轉(zhuǎn)子起始軸端面積，a2為轉(zhuǎn)子末端軸端面積，q為流體流量，ω為轉(zhuǎn)子角速度。

24、步驟2.21構(gòu)建間隙流場激振力微元控制方程組：

25、通過將徑向和軸向動量方程引入間隙流場的微元控制方程組，可以獲取邊界條件并計算間隙流場的激振力；創(chuàng)建一個基于moody摩擦模型的流體微元控制方程組，其中包括軸向動量方程、周向動量方程、徑向動量方程以及連續(xù)性方程：

26、

27、上述流體微元控制方程組中的公式從上至下依次為軸向動量方程、周向動量方程、徑向動量方程以及連續(xù)性方程。

28、其中：s為流體局部間隙，r為轉(zhuǎn)子半徑，τ為剪切力，τr為轉(zhuǎn)子徑向方向的剪切力，τz為轉(zhuǎn)子軸向方向的剪切力，τθ為轉(zhuǎn)子周向方向的剪切力，z為轉(zhuǎn)子軸向變量，u為速度，uz為轉(zhuǎn)子軸向方向的速度，t′為時間變量，p為離心泵內(nèi)壓力；

29、步驟2.22流體微元控制方程組的求解：

30、使用攝動法對流體微元控制方程組進行求解，可以將原始方程簡化為關(guān)于攝動量的零階和一階攝動方程，進一步轉(zhuǎn)化為一階微分方程組的數(shù)值求解問題。通過打靶法求解該方程組，可以獲取間隙流道內(nèi)流體的速度、壓力脈動、激振力以及其等效動力學(xué)特性參數(shù)。

31、根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受力，構(gòu)建轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性方程如下：

32、

33、其中：在方程左邊，m為質(zhì)量矩陣、c為阻尼矩陣、k為剛度矩陣，在方程右邊，fgap為間隙流場激振力、g為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)重量矩陣，x為未知量，通過求取該轉(zhuǎn)子運動方程的特征值，可以進而求得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速、響應(yīng)等動力學(xué)特性與行為，b1、b2及b3分別為節(jié)點劃分后的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)位置矩陣。

34、進一步的，所述步驟3的對離心泵裝配精度確定的定量控制目標包括：

35、步驟3.1根據(jù)同軸度要求確定總公差允許范圍a≤5％；

36、步驟3.2根據(jù)離心泵裝配工藝構(gòu)建徑向力極值函數(shù)：

37、

38、式中：

39、

40、其中：為第i個待優(yōu)化部位在x軸的徑向力分量，為第i個待優(yōu)化部位在y軸的徑向力分量，為第i個待優(yōu)化部位的徑向力，pi為第i個待優(yōu)化部位的壓力，α為時間，β為角度，γ為半徑，li為第i個待優(yōu)化部位的軸向長度。

41、結(jié)合以上模型，則公差設(shè)計值與徑向力極值的關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

42、

43、其中：為某一單獨待優(yōu)化部位所受到的徑向力最大值，hi為某一待優(yōu)化部位的公差設(shè)計值，n個待優(yōu)化單獨部位內(nèi)的第i個，a、b、c為相應(yīng)函數(shù)關(guān)系式的系數(shù)，由具體函數(shù)關(guān)系確定；

44、步驟3.3確定各待優(yōu)化部位允許容差范圍：

45、通過步驟3.2計算得出待測部位的公差設(shè)計值hi；確定各待優(yōu)化部位的允許公差范圍ai，0<ai≤hi且

46、進一步的，所述步驟4的對多級離心泵轉(zhuǎn)子裝配分析包括：

47、步驟4.1在實際運行過程中，裝配誤差對于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定運行具有重要影響，基于離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)分析裝配誤差，其由定位和定向誤差組成；定位誤差通過平移矩陣確定，定向誤差通過旋轉(zhuǎn)矩陣確定；則多級離心泵轉(zhuǎn)子裝配的累積偏心誤差可以用一般表達式來表示：

48、

49、其中:tri為兩級離心泵轉(zhuǎn)子交界面間的變換矩陣，tzi為離心泵轉(zhuǎn)子i的理想圓心的偏心，tclearancei為離心泵轉(zhuǎn)子i基準面偏心的平移變換矩陣，tdzi為離心泵轉(zhuǎn)子i基準面加工誤差引起的平移變換矩陣，torientationi為離心泵轉(zhuǎn)子i基準面到裝配面回轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，rri為第i級離心泵轉(zhuǎn)子基準面繞z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣，rxi為第i級離心泵轉(zhuǎn)子基準面繞x軸的旋轉(zhuǎn)矩陣，ryi為第i級離心泵轉(zhuǎn)子基準面繞y軸的旋轉(zhuǎn)矩陣，rr(j-1)為第j-1級離心泵轉(zhuǎn)子繞z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣，rx(j-1)為第j-1級離心泵轉(zhuǎn)子基準面繞x軸的旋轉(zhuǎn)矩陣，ry(j-1)為第j-1級離心泵轉(zhuǎn)子基準面繞y軸的旋轉(zhuǎn)矩陣，pi為第i級離心泵轉(zhuǎn)子裝配面圓心的理想位置向量，dpi為第i級離心泵轉(zhuǎn)子裝配面圓心位置的加工誤差向量，dp′i為第i級離心泵轉(zhuǎn)子偏心位置矢量。

50、步驟4.2對多級離心泵轉(zhuǎn)子和單級離心泵轉(zhuǎn)子的裝配誤差分析，則裝配后第n級離心泵轉(zhuǎn)子累積偏心誤差表達式為：

51、

52、其中：

53、tdeformationi為離心泵轉(zhuǎn)子配合引起的變形偏心的平移變換矩陣，rrj為第j級離心泵轉(zhuǎn)子繞z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣,rxj為第j級離心泵轉(zhuǎn)子基準面繞x軸的旋轉(zhuǎn)矩陣,ryj為第j級離心泵轉(zhuǎn)子基準面繞y軸的旋轉(zhuǎn)矩陣,dp″i為單級轉(zhuǎn)子的配合誤差值；

54、步驟4.3裝配后第n級離心泵轉(zhuǎn)子軸心位置軸向投影可表示為：

55、

56、則多級離心泵轉(zhuǎn)子裝配所需優(yōu)化的同軸度表達式為：

57、

58、其中：

59、xi、yi為第i級部件的軸心在x方向和y方向上相對于參考軸的偏移量。

60、所述步驟5，根據(jù)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法，選擇合適的設(shè)計變量，構(gòu)造目標函數(shù)，確立了離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型；

61、進一步的，所述步驟5的選擇所需優(yōu)化的設(shè)計變量、構(gòu)造優(yōu)化函數(shù)、確立離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型過程為：

62、基于離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計，綜合考慮結(jié)構(gòu)學(xué)科、轉(zhuǎn)子動力學(xué)科和制造工藝學(xué)科分析，選取葉輪葉片數(shù)、葉輪進口角和、葉輪出口角、某一待優(yōu)化部位的公差設(shè)計值hi和第i級部件的軸心在x方向和y方向上相對于參考軸的偏移量xi、yi作為設(shè)計變量，選取振動幅值作為優(yōu)化的目標函數(shù)，構(gòu)造設(shè)計變量和目標函數(shù)間的關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

63、g＝f(x、β1、β2；hi；xi、yi)

64、其中：

65、g為離心泵振動幅值，x為葉輪葉片數(shù)，β1為葉輪進口角，β2為葉輪出口角。

66、通過對離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量的選擇，約束條件的確定和目標函數(shù)的選擇，便可以確立起該優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型：

67、min?g＝f(x、β1、β2；hi；x?i、yi)

68、約束條件：3≤x≤5；

69、10°≤β1≤30°；

70、20°≤β2≤40°；

71、0<ai≤hi且

72、

73、其中：

74、r為相對于參考軸最大允許偏移量。

75、所述步驟6，使用多目標人工蜂群算法對數(shù)學(xué)模型進行求解，得到最優(yōu)解集，以優(yōu)化離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運行。

76、進一步的，所述步驟6的使用多目標人工蜂群算法對數(shù)學(xué)模型進行求解過程為：

77、通過多目標人工蜂群算法對優(yōu)化運行模型進行求解的公式包括：

78、

79、vi＝xi+(2×rand()-1)×(xi-sk)；

80、

81、其中：

82、xij為第i個蜜蜂對應(yīng)解的第j維變量值，i為蜜蜂編號，j為維度編號，為xij的上下界，rand()為[0,1]區(qū)間內(nèi)的隨機數(shù)，vi為新解，xi為原解，sk為在最優(yōu)解集中隨機選擇的一個雇傭蜂，dq(xk)為雇傭蜂xk在q個目標函數(shù)上的擁擠距離，d(xk)為雇傭蜂xk的擁擠距離，q為目標函數(shù)編號，fq(xk)、fq(xj)為第q個目標函數(shù)最近的非支配解，max(fq)、min(fq)為所有pareto最優(yōu)解在第q個目標函數(shù)上的最大值和最小值。

83、蜜源的適應(yīng)度的計算公式為：

84、

85、其中：

86、zi為xi支配的解的個數(shù)，sn為初始種群個數(shù)。

87、跟隨蜂按照輪盤賭的方式進行判斷，判斷依據(jù)為轉(zhuǎn)移概率：

88、

89、其中：

90、pi為概率，fiti為xi的適應(yīng)度值。

91、進一步的，所述步驟7的構(gòu)建優(yōu)化后離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型過程為：

92、基于優(yōu)化后的離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運行方案，使用有限元分析軟件建立離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的精確有限元模型。確定系統(tǒng)在長周期運行中遇到的工況和振動激勵，并施加相應(yīng)的振動載荷。在模型中施加振動激勵，在不同頻率下進行加速振動分析。通過分析多級離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動模態(tài)，評估系統(tǒng)在長周期運行中的振動穩(wěn)定性和性能是否符合長周期運行要求。

93、同時，通過ansys有限元軟件，計算得出多級離心泵相應(yīng)振型圖的固有頻率以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在預(yù)應(yīng)力下的非線性變形，改變轉(zhuǎn)子部件的轉(zhuǎn)動速度，計算輸出多級水泵的具有預(yù)應(yīng)力的坎貝爾圖，最后通過坎貝爾圖來確定轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。通過臨界轉(zhuǎn)速和泵額定轉(zhuǎn)速的對比，就可得出泵轉(zhuǎn)子是否符合設(shè)計要求。若滿足則輸出離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)最佳運行方案，不滿足則重新設(shè)定離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再進行多學(xué)科優(yōu)化分析。

94、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明為多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化算法，綜合考慮結(jié)構(gòu)學(xué)科、轉(zhuǎn)子動力學(xué)科和制造工藝學(xué)科，從流動調(diào)控、流場激勵和制造工藝因素對多級離心泵的結(jié)構(gòu)進行融合設(shè)計，能夠提高轉(zhuǎn)子在運行工況下的穩(wěn)定性，為多級離心泵的優(yōu)化和設(shè)計提供新的設(shè)計思路和方法。