利用流体仿真优化泵的能耗

赵龙腾 · 发表于 2016-1-3 02:34:31

本文讲述了CP Pumpen公司利用ANSYS CFX优化的液压组件能确保高效性，与特殊的无涡流容器单元配合使用，每年可节约数千欧元的功耗费用。

工厂经营者在购置泵类产品时越来越重视降低功耗，希望实现更高的效率和较低的维护成本。CP Pumpen（CP Pumps）公司位于瑞士，是业界领先的优质离心泵供应商之一，为了在竞争激烈的市场中取得优势，该公司在工程仿真软件方面进行了大量投资，用于提高产品的性能。

　很多年来，公司一直致力于帮助客户改进流体处理系统的可持续性。泵运转的能耗成本可能高达泵生命周期总成本的85%。因此，通过改善液压性能、提升总体效率，能显著降低泵的功耗，节约大量运行成本。

快速、低成本的开发过程

　几年前，CP Pumps需要对原有的金属化学磁耦合泵（MKP）产品系列进行修改。在尝试使用公司内部的开发工具之后，设计团队认为标准的产品开发方法耗时过长而且成本过高。初始设计方案只能通过实验数据来比较，这需要为每种方案单独开发原型，并在液压测试台中分别进行测试。在寻找替代方案过程中，公司了解到了ANSYS CFX和ANSYS BladeModeler软件。BladeModeler使CP Pumps的工程师能够快速、方便地对叶轮的几何外形进行建模。用户可利用该工具设计子午线流道和叶片形状，包括叶片厚度分布。在确定了叶片几何外形之后，就可以利用该软件进一步确定流道的横截面面积，以实现对流体特征的评估。

图1 ANSYS CFX仿真可提供输出压头、功耗和效率信息；也可为设计者提供泵内部的流场视图

接下来，工程师在ANSYS Workbench平台中启动CFX计算流体动力学（CFD）仿真分析。CFX可以计算出完整的三维流场，其中包括流体压力和速度，这样可以对叶轮输出压头和效率进行评估。CP Pumps公司针对特定泵型号优化了多个叶轮设计方案，然后在公司内部的泵试验台中执行测试。工程师还开发了一种实验测试方法，允许将这些原型与必要金属连接部件（例如轴承或磁力传动）配合使用，然后在现有的蜗室中对它们进行测试。利用仿真技术，公司能够以低成本快速创建多个设计方案，并对各种方案进行比较和验证。

图2 叶轮周围压力分布

有价值的投资

　利用CFD设计的很多叶轮设计方案都可以显著改善泵的液压特性，这一点已经在试验台中得到了证实。但其他一些最初看起来很有前景的设计方案经CFD评估后，被证明并不是理想的方案，因此无需对其进行原型构建，从而节约了相应成本。最初，叶轮是新产品设计方案的重点。但是，开发团队很快就意识到蜗室与叶轮之间的相互影响远远比最初的想象要重要。只对其中一部分进行孤立的仿真是不够的，相反，仿真过程应该涵盖整个单元。CP Pumps公司根据市场调研以及对ANSYS软件的正面体验，决定在其泵设计过程中系统地采用仿真软件。

最初，开发团队只能在稳态下计算仿真分析，因为那时候公司没有充足的资源，不具备执行瞬态分析的计算能力。瞬态计算能提供更为详细的结果，但计算密集程度也更高。为了获得瞬态计算的优势，公司投资购置了具有多处理器和超大工作内存的高性能计算机（HPC）集群，并带有多个软件许可。工程小组首先劝说管理层，告诉他们这项投资的价值所在；仅仅几个月后第一款泵就开发成功并完成了测试工作，使得管理层彻底被事实说服。CP Pumps公司利用HPC进行仿真所需的硬件、软件和人员成本是相当高的。但是，如果公司每年利用CFD开发4套泵产品即可快速收回成本，因为无需针对泵的型号变化而改变模式。

lzclovekk · 发表于 2016-1-3 02:34:56

最短时间内完成优化

　瞬态计算除了提供液压数据（输出压头、功耗和效率）外，还可以为用户提供泵内的瞬态压力分布信息。公司利用仿真改善了其MKP模型中全部18款泵的液压性能，而且将叶轮轴承的机械负载实现最小化，从而延长了泵的使用寿命。优化液压性能的另一个优势是降低泵的噪声。如果不使用CFD，公司需花费3倍以上的时间才能开发出同等产品。

图3 所示数据为CP Pumps公司根据EN ISO 9906 An.A标准利用泵试验台测试得出，测试时间2008年2月，地点Zofingen(测试中的运行水温是20摄氏度；测试用的泵型号为MKP 65-40-160，叶轮直径180mm，转速2930min–1)

立即回报

　如果说在进行修改之前，泵的效率可以接受，那么改进后泵的效率已经变得非常出色。在最终分析中，流体流动仿真将效率提高了50%。对于客户来说，泵消耗的电量更少，需要的维护费用更低。CP Pumps董事长表示：“去年，我们更换了两台大型热交换机油泵。这可以显著节约能源，以至于在一年之内就收回了成本。”随着泵液压效率的提高，能耗也得到相应降低，能帮助CP Pumps的客户实现可持续性目标。利用ANSYS CFX优化的液压组件能确保高效性，与特殊的无涡流容器单元配合使用，每年可节约数千欧元的功耗费用。