案例:格兰富如何开发高效离心泵

简介
格兰富于1945年在丹麦成立，目前年营业额达26亿英镑，年产量超过1600万台泵，使格兰富成为世界领先的泵制造商之一。采暖和空调用循环泵以及其他工业、供水、污水和加药用离心泵是主要产品。如今，格兰富是世界上最大的循环器制造商，约占全球循环器市场的50%。格兰富集团在全球55多个国家拥有80多家分支机构。

格兰富一直是在泵和电机的设计、开发和制造过程中使用计算机辅助工程(CAE)的先驱。他们从1980年开始使用CAD, 1992年首次引入CFD。在过去的10年里，格兰富采用了基于ANSYS/CFX进行结构和流体流动分析，TURBOdesign1进行流体动力设计的集成CAE和设计系统。格兰富之所以选择TURBOdesign1作为液压设计系统，是因为TURBOdesign1的应用显著提高了各种泵的效率和吸入性能。另一个重要的优势是TURBOdesign1和基于逆向设计的方法提供了快速和准确的3D自动优化的可能性。

在本案例研究中，分别介绍了多级泵导叶的再设计和多点优化的应用。

案例1 -多级泵的导叶
在图1所示的多级泵中，许多常规设计的导叶的流场都存在角分离，这不仅影响了级的性能，而且对后续级也有不利影响。图2显示了基线导叶的流量预测，在轮毂/吸力面角处可以观察到拐角分离。

对导叶进行了重新设计，在轮毂处采用前载分布，在叶冠处采用后载分布，大大减小了转角分离。所采用的荷载分布如图3所示。这种类型的加载消除了轮毂处的正压梯度，还导致从叶冠到轮毂的二次流，将低动量流体从端壁移走。TURBOdesign1设计的导叶内的流量预测结果如图4所示。这表明拐角分离的实质性减少。图5将采用重新设计的导叶的级预测性能与基线进行比较。在整个流量范围内效率显著提高，峰值效率提高了4%点。

案例2:叶轮多点/多学科自动优化
泵制造商面临的主要问题之一是要求满足排放法规，如欧盟的生态设计指令。这些规定考虑了泵的生命周期排放，因此意味着泵的设计必须考虑到多个工作点的性能。为了有效地满足这些要求，格兰富开发了一种基于实验设计的自动优化策略，使用克里格进行代理建模，然后在代理模型上运行优化，如多目标遗传算法。该系统原理图如图6所示。在该系统中，主要的尺寸标注是使用内部的平均线代码完成的，三维几何图形的生成是使用TURBOdesign1完成的。

对DOE表中叶轮的各个几何形状进行CFD自动网格划分。然后在多个工作点进行CFD计算，并对各个工作点的效率、扬程和功率等相关信息进行后期处理。此外，还计算了给定制造方法下叶轮几何形状的生产适合度。典型运行包括TURBOdesign1生成的约40种叶轮配置。得到的代理模型通常非常准确。这种精度是可能的，因为TURBOdesign1可以维护DOE表中不同几何图形的欧拉头。此外，利用逆向设计方法，只需几个与叶片负荷相关的设计参数就可以覆盖很大的设计空间。

该方法的应用结果导致了产品性能的显著改善，降低了设计成本和交货时间。它使泵的水力效率提高了1-2%，同时在更大的流量范围内扩展了最大效率水平，如图7所示。

作者:Nicholas Pedersen，格兰富总工程师
由优创科技有限公司提供的个案