优化叶片的设计Counter-Rotating-Type涡轮泵单元操作水泵和涡轮机模式

文摘

在这项研究中,一个counter-rotating-type涡轮泵单元进行优化以提高水泵和涡轮机模式同时效率。数值分析是由解决三维Reynolds-averaged使用剪切应力湍流n - s方程模型。中心和提示后叶轮的叶片角度(在泵模式)被选为设计变量进行敏感性测试。一个优化过程进行了基于稳定流分析使用径向基神经网络用拉丁超立方体抽样代理模型。水泵和涡轮机模式效率的单位被选为目标函数,结合成一个单一的特定目标函数的加权因素。因此,水泵和涡轮机模式效率优化设计的同时增加了整体的流量范围,除了涡轮流量低的模式,相对于参考设计。

1。介绍

目前,世界范围内对可再生能源发展的需求大大增加,因为全球气候变化和化石燃料的消耗。可再生能源是一个可靠的能源包括水力发电,风能,太阳能,地热能,太阳能热量,和潮汐能。抽水蓄能水电(PSH),这是一种形式的水力发电,具有较高的能量密度和发电效率相对于其他可再生能源的发展。PSH存储能量的形式通过注入水上游水库。电力设施的要求时,所产生的力量释放水,这是存储在一个水库,涡轮机。低功率时要求(晚上或周末),上游水库与泵是通过使用多余的电力充电。作为一个类型的水泵技术用于PSH、一个counter-rotating-type水泵装置有许多优点;然而单位的缺点是效率非常低,尤其是在泵模式。因此,设计技术高counter-rotating-type值单位,既可以作为水泵和涡轮机,必须解决上述问题[1]。

几项研究进行了counter-rotating-type值单位增加的性能和理解单位的内部流动机制的实验和模拟方法1- - - - - -5]。此外,村上和Kanemoto [6]研究了同步反向旋转的叶轮式泵机组透平运营模式。此外,他们研究了液压和内部流动条件的单位通过实验和数值方法。结果,最大的液压发电机模式类似于一个单位专门为涡轮设计模式。Kanemoto和Oba7)发明了独特的double-rotational电枢加上counter-rotating-type叶轮/跑步者抑制不稳定性能和空化操作区域。曹et al。8)研究的应用减少式旋翼转速和泵尺寸规格相同的情况下,传统的轴流式泵通过实验和数值方法。同样,几项研究进行了机制,内部流动特性和水动力性能特征的counter-rotating-type涡轮泵单元。然而,作者没有考虑同时增加单位的水泵和涡轮机模式效率对叶片角度的变化。

在这项研究中,提出了一种多目标优化使用加权和方法提高水泵和涡轮机模式效率同时使用三维不可压缩稳态Reynolds-averaged n - s(跑)模拟。作为本研究的主要目标,水泵和涡轮机的模式效率counter-rotating-type水泵机组同时增加使用多目标优化方法和合理的指导方针提供了适当的设计取决于所需的性能。最后,变化的影响在水泵和涡轮机桨叶角模式效率和内部流场进行了分析。

2。Counter-Rotating-Type值单位

的参考设计counter-rotating-type值单位获得从另一项研究1]。每个叶轮的质量流量和转速/跑步者选择满足水泵和涡轮机中的固定总压头模式,分别为设计条件。单位包括叶轮前后有五个和四个叶片,分别基于泵模式,如图1。两套水泵叶片安装在内部和外部轴,分别是反向旋转的电动发电机驱动的,如图1。内在和外在的反向旋转的电动发电机由电枢与不同的波兰人和有能力驾驶两个轴只有一个轴向权力依靠行动和反应机理在开车。建立叶轮/跑步者的叶尖间隙为0.5 mm。counter-rotating-type转子被安装在counter-driving单轴,包括内部和外部电枢。另外,单位可以在水泵和涡轮机运营模式取决于操作的目的。参考设计的水力效率进行评估77.03%和81.26%的涡轮泵和模式,分别由实验研究。表1给出了详细的参考设计规范。

3所示。数值分析方法

图2显示了数值分析的计算域和方法。前后叶轮/跑步者的网域构建使用大约510000个和420000个节点,分别基于mesh-dependency测试的结果,它是在前面研究[9]。计算域被构造成一个六面体网格和墙之间的距离最近的节点点被定义为一个值 。

数值分析是由解决三维稳态不可压缩了方程使用商业软件ANSYS 14.5只(10]。一个- - - - - -的SST湍流模型通过有限体积离散方法(有限体积法),解决了六面体网格被用来分析湍流的流动特性。这个模型来预测逆压力梯度的适当流动分离。选择的工作流体在25°C标准的水。

计算域的边界条件设置为大气压力和质量流率在进口和出口处标,分别如图2。计算域的两个叶轮/跑步者由每一个通道,建立了周期性边界条件。阶段平均法作为界面条件之间传输信息前后叶轮/跑步者。

验证评估检查的准确性进行数值分析,通过比较实验结果与数值分析结果的参考设计获得的另一项研究[11]。图3显示了力量和效率验证评估结果对泵的转动速度和涡轮机模式。系数和同时被用来代表权力和转速涡轮泵和模式,定义如下: 在哪里 , , ,和代表总转速、直径、总头,分别和权力。如图3(11),功率和效率的数值模拟结果与实验结果吻合较好,在整个范围内,除了低转速,涡轮的流模式尤其不稳定。一般来说,转矩的数值结果与实验数据吻合得很好,虽然稳定运行分析与单通道域进行,没有考虑机械损失。总之,本研究的数值结果证明是有效的和可靠的。

4所示。优化技术

本研究优化的目的是同时最大化水泵和涡轮机模式效率(和 ,),分别定义如下: 在哪里 , , , ,和代表了密度、重力加速度、体积流量、叶片扭矩,分别和角速度。

这些目标函数相关的性能counter-rotating-type涡轮泵单元,是集成到一个特定的目标函数运用加权和方法(12在优化)。水泵和涡轮机模式效率结合加权因素和 ,被选为1.0,同时增加水泵和涡轮机模式的效率。特定的目标函数定义如下:

在一项研究11),叶片角度的灵敏度分析的中心和提示配置文件前后叶轮/跑步者,作为设计变量,使用两级进行析因设计的实验设计(DOE) [13]。后叶轮的中心和尖刃角/领先者(分别为4 b_hub和4 b_tip)被选为设计变量,选择及其范围基于敏感性分析的结果,给出图4和表2。

的优化,合理的设计点的范围内需要定义设计变量。因此,十二个设计点选择使用拉丁超立方体抽样(lh) [14),这是美国能源部之一。这些设计点的目标函数进行评估使用三维稳态运行模拟。

优化设计了利用径向基神经网络(RBNN)代理模型目标函数值的基础上生成的12个设计点。一般来说,RBNN模拟人类的基本概念的功能从经验中学习,并使用现有数据预测的最优状态。RBNN的主要优势是显著减少计算成本和时间由于径向基函数的线性性质。这个RBNN代理模型被证明是一个有用的工具特别设计高性能涡轮机械(15- - - - - -17]。此外,这些数值优化技术的有效性已经证明是一个实用工具来解决多个问题以前作品的各种液压机械(18- - - - - -22]。序列二次规划(SQP) (23)算法,这是一个最成功的数值解的方法,应用于确定RBNN模型的优化设计。

5。结果与讨论

表3给出了多目标优化的结果。显著的设计变量被修改的参考设计,如图5。图5显示一个三维网格的情节构造RBNN代理模型。

最佳点,位于(2.64,1.75)从表面上看,显然是在这个数字。在表3,具体的目标函数的值参考设计使用了计算分析的是2.0。具体分析了优化设计的目标函数值为2.018使用RBNN代理使用了分析模型和计算为2.017。因此,预测之间的相对误差值使用RBNN代理模型和运行分析仅为0.05%。的相对改善特定目标函数值之间使用了分析0.017参考设计和优化设计进行了分析。

图6显示了特定的目标函数的灵敏度变化在每一个设计变量。表示特定的目标函数的值在最佳点,和结果表明,特定的目标函数对设计变量的敏感在类似的方式。因此,这两个设计变量对特定的目标函数是相当重要。

图7结果显示使用RBNN代理的多目标优化模型。结果显示水泵和涡轮机模式效率目标函数的参考设计,12个设计点通过lh和优化设计。结果表明,水泵和涡轮机模式效率都大大增加了1.01%和0.52%,分别比参考设计,表中给出3。

流场的分析是理解背后的主要原因进行改善效率的最优设计。分析是由每个设计流量除以水泵和涡轮机模式,如图8- - - - - -10(泵模式)和数字11- - - - - -14(涡轮模式)。图8显示每个叶轮的效率分布和整个单位参考和泵的优化设计模式。如图8,前面的叶轮的效率有五个叶片相似,而叶轮后部有四个叶片的效率大幅提高到1.57%。因此,整个单元的优化设计的效率提高到1.01%相比,参考设计,如前面所讨论的在桌子上3。结果表明,设计变量的变化严重影响泵的效率模式。

图9显示回水区的静压分布位置在5年中,95%跨越的吸力和压力表面后叶轮的参考和优化设计有四个叶片泵模式。周围的静态压力的前缘压力面优化设计相比略有改善所有跨越参考设计。此外,静态压力的整个范围的吸力面优化设计增加足够的跨度比参考设计。因此,优化后叶轮的静态压力最多跨越因为优化改进。

图10显示了静压分布在叶片间通道相同的跨越,如图9参考和优化设计。静压分布的跨度叶轮前的参考和最佳设计几乎是相似的。然而,在吸力面静压低区所有跨越后叶轮的优化设计相比显著减少通过优化参考设计,如前面图所示9。这些结果表明,该泵模式效率提高,因为优化叶轮的入射角度合理对齐不同中心的流体进口角和叶片角度。

图11显示每个叶轮的效率分布和整个单位的参考和最佳设计涡轮模式。与泵模式不同,领先者的效率,这是一个优化的跑步者有四个叶片,减少到1.45%相比,通过优化参考设计。然而,后面的选手有五个叶片的效率显著提高到1.97%。整个单位的涡轮效率模式优化设计增加到0.52%相比,参考设计,如前面所讨论的在桌子上3。总之,优化设计的效率增加不仅在涡轮泵模式还通过优化模式。

图12显示了静压分布的位置跨越回水区5年中,95%的吸力和压力面前跑步者有四个叶片涡轮的参考和最佳设计模式。一般来说,封闭区域充满了静压分布涡轮的输出功率成正比24的封闭区域,优化设计如图略有减少12。因此,这个结果说明了减少领先者的涡轮效率模式相比,参考设计,如图11。此外,后缘附近的静态压力的压力面优化设计改善轻微的跨越。此外,负压的吸力面组件优化设计略有减少,因为入射角度变化的优化。

图13显示了静压分布的位置跨越回水区5年中,95%的吸力和压力面后跑步者有五个叶片的参考和最优设计。上游地区的气流角超越领先者的优化设计改变,因为优化相比,参考设计。因此,封闭的区域在后面选手的优化设计一般除了增加5%的进口侧,特别是在压力面。这些结果有助于提高涡轮效率。

图14展示了速度分布在机翼后缘前后跑步者的参考和优化设计。图(14日)显示了观赏点。如图14 (b)中心之间的距离,速度分布的领先者优化设计均匀改变相比,参考设计。基于流稳定的领先者,速度分布在后面跑步者大都是统一的,而本地高速区域附近的降低了如图14 (c)。这些结果证明提高涡轮效率由于优化。

图15显示了水泵和涡轮机的总体效率曲线模式的参考和最佳设计counter-rotating-type涡轮泵单元。如图(15日)泵的分析模式,整个效率分布的优化设计相比,显著地改善了参考设计,特别是在高流量。涡轮的模式下,涡轮模式的效率优化设计增加通常在高流速区域包括设计流量,相比,参考设计。相反,效率在低流量显示相反的结果,如图15 (b)。因此,水泵和涡轮机模式优化设计的效率同时改善整体的流量范围,除了低涡轮的流量模式。因此,可以看出,这项工作中提出的设计技术是非常有用的为提高水泵和涡轮机的效率counter-rotating-type涡轮泵单元。

6。结论

在这项研究中,一个counter-rotating-type涡轮泵单元进行优化水泵和涡轮机模式效率最大化同时使用RBNN代理模型通过三维稳态运行模拟。使用加权和的多目标优化方法进行了两个设计变量基于叶轮的叶片角度/跑步者有四个叶片。水泵和涡轮机模式优化设计的效率提高了1.01%和0.52%,分别在设计流量,而参考设计的效率。此外,泵的效率和涡轮优化设计的模式大大增强在整个流量,除了低涡轮的流量模式。必然地,改善泵模式效率大约是两倍的涡轮机模式效率。作为一个涡轮泵单元的总体设计侧重于泵性能,这项研究的结果对涡轮泵系统的设计非常有用。最后,这项工作的结果可以作为一个指导方针建议设计高效counter-rotating-type涡轮泵单元。

命名法

CFD:	计算流体动力学
:	叶片直径(毫米)
杰夫:	特定的目标函数值
:	重力加速度(m / s2]
:	总压头[m]
lh:	拉丁超立方抽样
:	总转速(rpm)
11:	系数与转速有关
PS:	压力面
:	权力[N]
11:	相关系数的力量
:	体积流率[m3/秒)
RBNN:	径向基神经网络
参考:	参考设计
风场:	剪切应力运输
SS:	吸力面
SQP:	序列二次规划
:	叶片扭矩(Nm)
TE:	后缘
, :	正交坐标系
:	4 b_hub变量(°)
:	4 b_tip变量(°)
:	无量纲的效率
:	泵效率(%)
:	涡轮效率(%)
4 b:	叶轮/跑步者有四个叶片
5 b:	五叶片叶轮/跑步者
4 b_hub:	中心简介四刮刀叶轮叶片角/跑步者
4 b_tip:	提示配置文件四刮刀叶轮叶片角/跑步者
:	密度(公斤/米3]
:	权重因素泵模式
:	涡轮的权重因素模式。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的资助Demand-Based-Platform韩国工业技术研究院的研发项目(JA180011),由科技部、ICT和未来规划(MSIP)。作者欣然承认这种支持。

引用

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