CN110929389A - 一种水力设计方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水力设计方法及***，方法包括：根据实际需求选取泵的类型并扫描所述泵获取所述泵的三维模型；所述泵包括泵壳，所述泵壳内有叶轮，所述叶轮与泵轴连接，所述泵轴用于驱动所述叶轮转动；根据所述泵的所述三维模型的截取二维图形，所述二维图形的面与所述转轴的面垂直；在所述二维图形上进行二维水力计算；把所述二维水力计算的结果串联起来得到水力模型，所述水力模型包括运动状态和能量转换状态；通过仿真技术检验所述水力模型，根据检验结果调整所述水力模型；确定所述水力模型。使泵的设计参数能够更逼近实际运行需要，设备选型更贴合实际运行的需求，从而实现提高工作效率，降低能耗的需求。

Description

一种水力设计方法及***

技术领域

本发明涉及水力设计技术领域，尤其涉及一种水力设计方法及***。

背景技术

在目前工业选型方面，常规的选型方式是由设计院根据最终用户的运行需求进行水泵***设计，由泵厂根据设计院提供的***参数进行配型供货。在这个过程中，有两个主要的区间导致泵的实际运行参数和设计需求参数产生明显差距。1.***设计提供的***设计参数与实际运行需求的差距；2.泵厂的配型与***设计参数的差距。

1.***设计提供的***设计参数与实际运行需求的差距

国内传统的水力设计方法采用上个世纪七十年代出现的泵二元设计方法。通过将水泵叶轮流道和泵体流道在一个曲面上进行分析，简化水力工作环境，把叶轮流道的流体流态作为一个变量。在此基础上，进行整个叶轮水力模型设计。鉴于其简化的工作条件数据，其设计过程中采用较多经验数据，即参考系数，然后通过迭代计算产生模型。这样的设计方法产生出的水力模型和实际水力模型存在一定差距，对叶轮内及叶轮出口漩涡等三维空间内的环境影响考虑较少。因此，基于这种方法进行***设计，从而提供的***设计参数与实际运行需求具有一定差距。

2.泵厂的配型与***设计参数的差距

泵厂在设计泵的型号和适用范围时，针对泵的最佳运行区间，定义泵的适用范围。根据泵的性能曲线，泵的效率曲线是一段抛物线，最佳运行区间是这个抛物线的顶端的一个区间。

泵厂在接收到***设计参数后，根据***设计参数判断哪种型号的泵的适用范围，能够包括该设计参数，然后根据***设计参数确定泵的型号。根据这个方法选择的泵的型号，***设计参数可能处于最佳运行区间的中段，即泵的运行效率最高的区间，泵在该段运行工况下运行时，运行效率最高；设计参数也有可能处于最佳运行区间的边缘，距离两种不同型号的泵的最佳工作点均有一定距离。假设***设计参数能够体现运行现场对泵的运行的需求，那么该泵的运行工作效率，将低于正常出力水平。如果考虑到***设计参数与实际运行需求的偏差，很有可能该泵的运行区间已经完全偏离最佳运行区间。

泵高效工作区是一个有限的区间，一偏再偏，就造成了效率低了又低，能耗浪费惊人。

所以采用现有技术进行水力设计，设备使用效率低，功耗大。

发明内容

本发明为了解决现有的问题，提供一种水力设计方法及***。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

一种水力设计方法，包括如下步骤：S1：根据实际需求选取泵的类型并扫描所述泵获取所述泵的三维模型；所述泵包括泵壳，所述泵壳内有叶轮，所述叶轮与泵轴连接，所述泵轴用于驱动所述叶轮转动；S2：根据所述泵的所述三维模型的截取二维图形，所述二维图形的面与所述转轴的面垂直；S3：在所述二维图形上进行二维水力计算；S4：把所述二维水力计算的结果串联起来得到水力模型，所述水力模型包括运动状态和能量转换状态；S5：通过仿真技术检验所述水力模型，根据检验结果调整所述水力模型；S6：确定所述水力模型。

优选地，所述三维模型的所述叶轮的尺寸变化超过所述叶轮的尺寸的2％时即截取新的二维图形。

优选地，所述泵的类型包括容积式泵、叶轮式泵或喷射式泵。

优选地，所述检验结果包括不可压缩流体的流量、扬程、效率和能耗。

优选地，采用三维激光扫描设备扫描所述泵。

优选地，还包括：S7：根据所述水力模型确定泵的材料。

本发明还提供一种水力设计***，包括：第一模块：根据实际需求选取泵的类型并扫描所述泵获取所述泵的三维模型；所述泵包括泵壳，所述泵壳内转动连接有叶轮，所述泵壳上安装有后盖，所述后盖上转动连接有转轴，所述转轴与所述叶轮连接用于驱动所述叶轮转动；第二模块：根据所述泵的所述三维模型的截取二维图形，所述二维图形的面与所述转轴的面垂直；第三模块：在所述二维图形上进行二维水力计算；第四模块：把所述二维水力计算的结果串联起来得到水力模型，所述水力模型包括运动状态和能量转换状态；第五模块：通过仿真技术检验所述水力模型，根据检验结果调整所述水力模型；第六模块：确定所述水力模型。

优选地，所述三维模型的所述叶轮的尺寸变化超过2％时即截取新的二维图形。

优选地，所述泵的类型包括容积式泵、叶轮式泵或喷射式泵。

优选地，所述检验结果包括不可压缩流体的流量、扬程、效率和能耗。

本发明的有益效果为：提供一种水力设计方法及***，通过面向对象的取样方法，直接采集运行工况中对水力设备的需求，避开***设计参数造成的模糊空间；同时以三维模型为设计基准，水力模型更贴近现实，从针对性设置水力参数、建立水力模型、到输出水力部件的全过程，提高最终用户端的水力效率。

附图说明

图1是本发明实施例中一种水力设计方法的示意图。

图2是本发明实施例中又一种水力设计方法的示意图。

图3是本发明实施例中水力设计***的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

泵是一种能量转换装置；在能量转换过程中存在有用和无用两种功率。有用功即为被转换或传递的能够充分利用的能量，而无用功则为损耗。一般情况下，效率最大化是能量转换过程中追求的主要目标。因此，如何降低损耗、提高效率，就成为设计者最为关注的问题之一。按工作原理分：

容积式泵，靠工作部件的运动造成工作容积周期性地增大和缩小而吸排液体，并靠工作部件的挤压而直接使液体的压力能增加。根据运动部件运动方式的不同又分为：往复泵和回转泵两类。根据运动部件结构不同有：活塞泵和柱塞泵，有齿轮泵、螺杆泵、叶片泵和水环泵。

叶轮式泵，叶轮式泵是靠叶轮带动液体高速回转而把机械能传递给所输送的液体。根据泵的叶轮和流道结构特点的不同叶轮式又可分为：离心泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵。

喷射式泵，是靠工作流体产生的高速射流引射流体，然后再通过动量交换而使被引射流体的能量增加。

泵还可以按泵轴位置分为：立式泵、卧式泵；按吸口数目分为：单吸泵、双吸泵；按驱动泵的原动机来分：电动泵、汽轮机泵、柴油机泵、气动隔膜泵。

可以理解的是，本发明的水力设计方法适用于如上所述的所有泵，即是一种通用的方法。叶轮安装在泵壳内，并紧固在泵轴上，泵轴由电机直接带动。泵壳中央有液体吸管。液体经底阀和吸入管进入泵内。泵壳上的液体排出口与排出管连接。

在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

如图1所示，本发明提供一种水力设计方法，包括如下步骤：

S1：根据实际需求选取泵的类型并扫描所述泵获取所述泵的三维模型；所述泵包括泵壳，所述泵壳内有叶轮，所述叶轮与泵轴连接，所述泵轴用于驱动所述叶轮转动；

S2：根据所述泵的所述三维模型的截取二维图形，所述二维图形的面与所述转轴的面垂直；

S3：在所述二维图形上进行二维水力计算；

S4：把所述二维水力计算的结果串联起来得到水力模型，所述水力模型包括运动状态和能量转换状态；

S5：通过仿真技术检验所述水力模型，根据检验结果调整所述水力模型；

S6：确定所述水力模型。

本发明的方法是弥补了现有技术中的差距，使设计参数能够更逼近实际运行需要，设备选型更贴合实际运行的需求，从而实现提高工作效率，降低能耗的需求。先获取泵的三维模型，然后切除二维图像，三维模型提供的信息本身比较丰富，本申请创造的将三维模型切片，然后通过对二维图像水力计算得到的二维水力计算的结果串联起来得到水力模型；采用面向对象的取样方法，直接采集运行工况中对水力设备的需求，避开***设计参数造成的模糊空间；同时以三维模型为设计基准，水力模型更贴近现实，从针对性设置水力参数、建立水力模型、到输出水力部件的全过程，提高最终用户端的水力效率。

可以理解的是，建立在三维模型的基准上的水力设计，如同把叶轮和压水室之间的三位立体空间无限分割，通过对流道内各工作点的分析，建立起完整、真实的流体流动的数学模型。与传统设计工作原理的对比，类似于医学影像CT与传统拍片的工作原理对比。CT技术针对目标对象进行无数次切片，每份切片均相当于一次拍片，以此来达到准确的目标。

本发明的方法直接针对有限叶片数的设计过程，建立空间坐标(R、X、Z)的函数，真实反应流体运动的过程。流体在有限叶片数的环境中的运动，有主要部分接近于无限叶片数的运动(即传统设计中假设的理想环境)进行等速运动，部分受到摩擦力、惯性等影响形成回流，造成出口漩涡等。实际的流体流动不仅沿流线变化，沿横截面任一点都可能是不相同的，特别在接近叶片的区域，运动方式和理论状态差异比较明显。依据这种方法设计出来的叶片形状为不规则曲面形状，叶轮叶片的结构可适应流体的真实流态，控制叶轮内部流体质点的速度分布。不同于传统的水力设计，是假定水力条件全都是一样的，叶片之间液体的流动也都是一样的，从根本上解决了造成泵的实际出力效率低下的问题。

本发明的方法是从整个***的角度，计算流体分布情况，监测装置中的所有工艺管线性能，分析水力效率特性，研究***对水力效率的需求和分配，逐步细分到具体设备，识别工艺管线中水力性能的不良因素。

通过将当前***运行工况的数据输入，在***中建模，再现***水力特性，量化分析***的能量损耗。然后，针对能量损耗根源，调整水力平衡，降低***阻力，提高水泵效率等，消除高能耗现象，达到节能优化的效果。

具体的，在本发明的一种实施例中，可以采用维激光扫描设备扫描所述泵，比如Faro三维激光扫描仪；然后将扫描图像输入到三维软件中获取泵的三维模型。三维软件可以是Solidworks。

然后在三维模型中根据叶轮的结构截取二维图形，判断叶轮中的尺寸变化超过叶轮尺寸的2％时即截取新的二维图形，进行新的计算。以此来实现水力计算与三维数据的逼近。而不是简单地以经验数据靠近。

在二维图形上进行二维水力计算；把二维水力计算的结果串联起来得到水力模型，本发明的水力模型考虑了叶轮的实际情况构建的，而不是基于粗糙的假设，所以比现有技术的水力模型的效率提升很多。

现有技术一般采用实验室模拟进行模型检测，但是实验室模拟的工况与现有技术存在差距，所以模拟的工况不能代表实际工况，其检验的效果自然不能代表实际的运行效果。本发明流体动力学的仿真(CFD计算流体动力学)以便对水力模型进行虚拟模型检验，检验结果包括不可压缩流体的流量、扬程、效率和能耗。

借助于仿真软件各种后处理图形显示诸如液流速度、压力、湍流和质量分布率等重要结果的分布情况，利用流体轨迹检验模型的内部特性及其外部特性。核心部分是一个功能强大的CFD求解器，能够求解不可压缩流体流动、传热、湍流、空化等物理现象。计算流体流动和热传导模型(包括自然对流、定常和非定常流动，层流，湍流，紊流等)，对每一种物理问题的流动特点，进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。在此基础上，提供泵的专用模块用于泵的网格生成，参数设定。对泵设计原型的多种工况，进行准确的数值预测。对实际应用中的复杂问题进行细致准确的数值分析诊断，提出合理的改造方案。

在确定改造方案后，进行效能验证，确保预知现场运行的运行状态，为安全投运保驾护航。

如图2所示，本发明提供的水力设计方法，还包括：

S7：根据所述水力模型确定泵的材料。

不同工况条件，要求不同的材料。比如有些材料有腐蚀性、长期浸水、挥发性等。越了解对象，对材料的要求越具体，设计出来的产品就越好。是精益求精的过程。收集或测试常用材料的性能数据对比分析；进行定转子电磁场分析，得到定转子铁损、绕组铜耗等数据；通过为分配热导率、热容等多项物理属性来定义材料，进行传热分析、计算壁内热量的流动、判断不同类型的发热体及发热量、对材料进行材质配型；同时，检验流体对结构部件温度的影响。均衡温度分布和应力分析，确定最佳的材料和模型尺寸。

泵的损耗主要包括铜耗、铁耗、附加损耗、机械损耗等。铁耗是由电机中产生的各种磁场在铁芯中发生变化时产生的，是电机中主要损耗之一，一般在总损耗中所占比例较大。因此，研究铁芯损耗的形成机理及铁耗各种成份构成及其比重，对其进行较准确地预测、计算和测试，将对提高效率、找出其局部发热点、合理改变结构设计、提高材料利用率和整体设计水平都具有极为重要的意义。

如图3所示，本发明还提供一种水力设计***，，包括：

第一模块：根据实际需求选取泵的类型并扫描所述泵获取所述泵的三维模型；所述泵包括泵壳，所述泵壳内转动连接有叶轮，所述泵壳上安装有后盖，所述后盖上转动连接有转轴，所述转轴与所述叶轮连接用于驱动所述叶轮转动；

第二模块：根据所述泵的所述三维模型的截取二维图形，所述二维图形的面与所述转轴的面垂直；

第三模块：在所述二维图形上进行二维水力计算；

第四模块：把所述二维水力计算的结果串联起来得到水力模型，所述水力模型包括运动状态和能量转换状态；

第五模块：通过仿真技术检验所述水力模型，根据检验结果调整所述水力模型；

第六模块：确定所述水力模型。

通过对山西某集团热网循环***的能耗分析，经详细计算，可通过本发明的水力设计犯法进行优化节能改造，节能效果达30％，每年单台泵可节省用电约为874,435度。

通过对山西某集团脱硫浆液泵的能耗分析，经详细计算，可通过本发明的水力设计方法进行优化节能改造，节能效果达25％，每年单台泵可节省用电约为672,435度。

在一种具体的水力设计中，假定A为原设计工况点：流量Q1，扬程H1，轴功率N1，水泵效率η1。实测***的实际工况点为B，流量Q2，扬程H2，轴功率N2，水泵效率η2。

与原设计相比，实习运行工况为低扬程，大流量，低效率，高能耗状况运行。

通过对实际运行工况的检测分析，获得***的管路特性曲线，曲线上的流量为设计流量Q2的C点即为水***最佳工况(Q2，H3)运行点，***最佳工况为流量Q2，扬程H3，轴功率N3，水泵效率η3。

根据现场实际运行需要，通过调整水力效率曲线，将最佳工况点移至实际运行区间，提高水泵效率；并调节扬程至实际运行需求范围，达到降低轴功率并进而降低输入功率，实现节能的效果。

可以理解的是，上述仅仅示例性的，实际上优化的方法不仅限于上述示例。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水力设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据实际需求选取泵的类型并扫描所述泵获取所述泵的三维模型；所述泵包括泵壳，所述泵壳内有叶轮，所述叶轮与泵轴连接，所述泵轴用于驱动所述叶轮转动；

S2：根据所述泵的所述三维模型的截取二维图形，所述二维图形的面与所述转轴的面垂直；

S3：在所述二维图形上进行二维水力计算；

S4：把所述二维水力计算的结果串联起来得到水力模型，所述水力模型包括运动状态和能量转换状态；

S5：通过仿真技术检验所述水力模型，根据检验结果调整所述水力模型；

S6：确定所述水力模型。

2.如权利要求1所述的水力设计方法，其特征在于，所述三维模型的所述叶轮的尺寸变化超过所述叶轮的尺寸的2％时即截取新的二维图形。

3.如权利要求1所述的水力设计方法，其特征在于，所述泵的类型包括容积式泵、叶轮式泵或喷射式泵。

4.如权利要求1所述的水力设计方法，其特征在于，所述检验结果包括不可压缩流体的流量、扬程、效率和能耗。

5.如权利要求1所述的水力设计方法，其特征在于，采用三维激光扫描设备扫描所述泵。

6.如权利要求1-5任一所述的水力设计方法，其特征在于，还包括：

S7：根据所述水力模型确定所述泵的材料。

7.一种水力设计***，其特征在于，包括：

第一模块：根据实际需求选取泵的类型并扫描所述泵获取所述泵的三维模型；所述泵包括泵壳，所述泵壳内转动连接有叶轮，所述泵壳上安装有后盖，所述后盖上转动连接有转轴，所述转轴与所述叶轮连接用于驱动所述叶轮转动；

第二模块：根据所述泵的所述三维模型的截取二维图形，所述二维图形的面与所述转轴的面垂直；

第三模块：在所述二维图形上进行二维水力计算；

第四模块：把所述二维水力计算的结果串联起来得到水力模型，所述水力模型包括运动状态和能量转换状态；

第五模块：通过仿真技术检验所述水力模型，根据检验结果调整所述水力模型；

第六模块：确定所述水力模型。

8.如权利要求7所述的水力设计***，其特征在于，所述三维模型的所述叶轮的尺寸变化超过2％时即截取新的二维图形。

9.如权利要求7所述的水力设计***，其特征在于，所述泵的类型包括容积式泵、叶轮式泵或喷射式泵。

10.如权利要求7所述的水力设计***，其特征在于，所述检验结果包括不可压缩流体的流量、扬程、效率和能耗。

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