利用流體仿真優(yōu)化泵的能耗.doc

作者：Thomas Folsche，CP Pumpen AG公司技術(shù)總監(jiān)，瑞士Zofingen利用流體仿真優(yōu)化泵的能耗工廠經(jīng)營者在購置泵類產(chǎn)品時越來越重視降低功耗，希望實現(xiàn)更高的效率和較低的維護(hù)成本。CP Pumpen（CP Pumps）公司位于瑞士，是業(yè)界領(lǐng)先的優(yōu)質(zhì)離心泵供應(yīng)商之一，為了在競爭激烈的市場中取得優(yōu)勢，該公司在工程仿真軟件方面進(jìn)行了大量投資，用于提高產(chǎn)品的性能 。很多年來，公司一直致力于幫助客戶改進(jìn)流體處理系統(tǒng)的可持續(xù)性。泵運轉(zhuǎn)的能耗成本可能高達(dá)泵生命周期總成本的85%。因此，通過改善液壓性能、提升總體效率，能顯著降低泵的功耗，節(jié)約大量運行成本?？焖佟⒌统杀镜拈_發(fā)過程幾年前，CP Pumps 需要對原有的金屬化學(xué)磁耦合泵（MKP）產(chǎn)品系列進(jìn)行修改。在嘗試使用公司內(nèi)部的開發(fā)工具之后，設(shè)計團(tuán)隊認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品開發(fā)方法耗時過長而且成本過高。初始設(shè)計方案只能通過實驗數(shù)據(jù)來比較，這需要為每種方案單獨開發(fā)原型，并在液壓測試臺中分別進(jìn)行測試。在尋找替代方案過程中，公司了解到了ANSYS CFX 和ANSYS BladeModeler軟件。BladeModeler 使CP Pumps 的工程師能夠快速、方便地對葉輪的幾何外形進(jìn)行建模。用戶可利用該工具設(shè)計子午線流道和葉片形狀，包括葉片厚度分布。在確定了葉片幾何外形之后，就可以利用該軟件進(jìn)一步確定流道的橫截面面積，以實現(xiàn)對流體特征的評估。 ANSYS CFX仿真可提供輸出壓頭、功耗和效率信息；也可為設(shè)計者提供泵內(nèi)部的流場視圖。接下來，工程師在ANSYS Workbench平臺中啟動CFX 計算流體動力學(xué)（CFD）仿真分析。CFX 可以計算出完整的三維流場，其中包括流體壓力和速度，這樣可以對葉輪輸出壓頭和效率進(jìn)行評估。CP Pumps 公司針對特定泵型號優(yōu)化了多個葉輪設(shè)計方案，然后在公司內(nèi)部的泵試驗臺中執(zhí)行測試。工程師還開發(fā)了一種實驗測試方法，允許將這些原型與必要金屬連接部件（例如軸承或磁力傳動）配合使用，然后在現(xiàn)有的蝸室中對它們進(jìn)行測試。利用仿真技術(shù)，公司能夠以低成本快速創(chuàng)建多個設(shè)計方案，并對各種方案進(jìn)行比較和驗證。 葉輪周圍壓力分布有價值的投資利用CFD 設(shè)計的很多葉輪設(shè)計方案都可以顯著改善泵的液壓特性，這一點已經(jīng)在試驗臺中得到了證實。但其他一些最初看起來很有前景的設(shè)計方案經(jīng)CFD 評估后，被證明并不是理想的方案，因此無需對其進(jìn)行原型構(gòu)建，從而節(jié)約了相應(yīng)成本。最初，葉輪是新產(chǎn)品設(shè)計方案的重點。但是，開發(fā)團(tuán)隊很快就意識到蝸室與葉輪之間的相互影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)比最初的想象要重要。只對其中一部分進(jìn)行孤立的仿真是不夠的，相反，仿真過程應(yīng)該涵蓋整個單元。CP Pumps 公司根據(jù)市場調(diào)研以及對ANSYS 軟件的正面體驗，決定在其泵設(shè)計過程中系統(tǒng)地采用仿真軟件。最初，開發(fā)團(tuán)隊只能在穩(wěn)態(tài)下計算仿真分析，因為那時候公司沒有充足的資源，不具備執(zhí)行瞬態(tài)分析的計算能力。瞬態(tài)計算能提供更為詳細(xì)的結(jié)果，但計算密集程度也更高。為了獲得瞬態(tài)計算的優(yōu)勢，公司投資購置了具有多處理器和超大工作內(nèi)存的高性能計算機(jī)（HPC）集群，并帶有多個軟件許可。工程小組首先勸說管理層，告訴他們這項投資的價值所在；僅僅幾個月后第一款泵就開發(fā)成功并完成了測試工作，使得管理層徹底被事實說服。CP Pumps 公司利用HPC 進(jìn)行仿真所需的硬件、軟件和人員成本是相當(dāng)高的。但是，如果公司每年利用CFD 開發(fā)4 套泵產(chǎn)品即可快速收回成本，因為無需針對泵的型號變化而改變模式。最短時間內(nèi)完成優(yōu)化瞬態(tài)計算除了提供液壓數(shù)據(jù)（輸出壓頭、功耗和效率）外，還可以為用戶提供泵內(nèi)的瞬態(tài)壓力分布信息。公司利用仿真改善了其MKP 模型中全部18 款泵的液壓性能，而且將葉輪軸承的機(jī)械負(fù)載實現(xiàn)最小化，從而延長了泵的使用壽命。優(yōu)化液壓性能的另一個優(yōu)勢是降低泵的噪聲。如果不使用CFD，公司需花費3 倍以上的時間才能開發(fā)出同等產(chǎn)品。 所示數(shù)據(jù)為CP Pumps公司根據(jù)EN ISO 9906 An.A標(biāo)準(zhǔn)利用泵試驗臺測試得出，測試時間2008年2月，地點Zofingen。測試中的運行水溫是20攝氏度。測試用的泵型號為MKP 65-40-160,葉輪直徑180mm，轉(zhuǎn)速2930 min1。立即回報如果說在進(jìn)行修改之前，泵的效率可以接受，那么改進(jìn)后泵的效率已經(jīng)變得非常出色。在最終分析中，流體流動仿真將效率提高了50%。對于客戶來說，泵消耗的電量更少，需要的維護(hù)費用更低。CP Pumps 董事長表示：“去年，我們更換了兩臺大型熱交換機(jī)油泵。這可以顯著節(jié)約能源，以至于在一年之內(nèi)就收回了成本?！彪S著泵液壓效率的