案例分享 | 用流體仿真優(yōu)化泵的能耗

2018-02-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

本文講述了CP Pumpen公司利用ANSYS CFX優(yōu)化的液壓組件能確保高效性,與特殊的無(wú)渦流容器單元配合使用,每年可節(jié)約數(shù)千歐元的功耗費(fèi)用。

工廠經(jīng)營(yíng)者在購(gòu)置泵類產(chǎn)品時(shí)越來(lái)越重視降低功耗,希望實(shí)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(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中取得優(yōu)勢(shì),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(lái),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(yùn)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(guò)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(yùn)行成本。

快速、低成本的開發(fā)過(guò)程

幾年前,CP Pumps需要對(duì)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(jì)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品開發(fā)方法耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)而且成本過(guò)高。初始設(shè)計(jì)方案只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)比較,這需要為每種方案單獨(dú)開發(fā)原型,并在液壓測(cè)試臺(tái)中分別進(jìn)行測(cè)試。在尋找替代方案過(guò)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(duì)葉輪的幾何外形進(jìn)行建模。用戶可利用該工具設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)流體特征的評(píng)估。

圖1 ANSYS CFX仿真可提供輸出壓頭、功耗和效率信息;

也可為設(shè)計(jì)者提供泵內(nèi)部的流場(chǎng)視圖

接下來(lái),工程師在ANSYS Workbench平臺(tái)中啟動(dòng)CFX計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真分析。CFX可以計(jì)算出完整的三維流場(chǎng),其中包括流體壓力和速度,這樣可以對(duì)葉輪輸出壓頭和效率進(jìn)行評(píng)估。CP Pumps公司針對(duì)特定泵型號(hào)優(yōu)化了多個(gè)葉輪設(shè)計(jì)方案,然后在公司內(nèi)部的泵試驗(yàn)臺(tái)中執(zhí)行測(cè)試。工程師還開發(fā)了一種實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng))配合使用,然后在現(xiàn)有的蝸室中對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試。利用仿真技術(shù),公司能夠以低成本快速創(chuàng)建多個(gè)設(shè)計(jì)方案,并對(duì)各種方案進(jìn)行比較和驗(yàn)證。

圖2 葉輪周圍壓力分布

有價(jià)值的投資

利用CFD設(shè)計(jì)的很多葉輪設(shè)計(jì)方案都可以顯著改善泵的液壓特性,這一點(diǎn)已經(jīng)在試驗(yàn)臺(tái)中得到了證實(shí)。但其他一些最初看起來(lái)很有前景的設(shè)計(jì)方案經(jīng)CFD評(píng)估后,被證明并不是理想的方案,因此無(wú)需對(duì)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(jì)方案的重點(diǎn)。但是,開發(fā)團(tuán)隊(duì)很快就意識(shí)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(duì)其中一部分進(jìn)行孤立的仿真是不夠的,相反,仿真過(guò)程應(yīng)該涵蓋整個(gè)單元。CP Pumps公司根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研以及對(duì)ANSYS軟件的正面體驗(yàn),決定在其泵設(shè)計(jì)過(guò)程中系統(tǒng)地采用仿真軟件。

最初,開發(fā)團(tuán)隊(duì)只能在穩(wěn)態(tài)下計(jì)算仿真分析,因?yàn)槟菚r(shí)候公司沒(méi)有充足的資源,不具備執(zhí)行瞬態(tài)分析的計(jì)算能力。瞬態(tài)計(jì)算能提供更為詳細(xì)的結(jié)果,但計(jì)算密集程度也更高。為了獲得瞬態(tài)計(jì)算的優(yōu)勢(shì),公司投資購(gòu)置了具有多處理器和超大工作內(nèi)存的高性能計(jì)算機(jī)(HPC)集群,并帶有多個(gè)軟件許可。工程小組首先勸說(shuō)管理層,告訴他們這項(xiàng)投資的價(jià)值所在;僅僅幾個(gè)月后第一款泵就開發(fā)成功并完成了測(cè)試工作,使得管理層徹底被事實(shí)說(shuō)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?yàn)闊o(wú)需針對(duì)泵的型號(hào)變化而改變模式。

最短時(shí)間內(nèi)完成優(yōu)化

瞬態(tài)計(jì)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(shí)現(xiàn)最小化,從而延長(zhǎng)了泵的使用壽命。優(yōu)化液壓性能的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是降低泵的噪聲。如果不使用CFD,公司需花費(fèi)3倍以上的時(shí)間才能開發(fā)出同等產(chǎn)品。

圖3 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(yàn)臺(tái)測(cè)試得出,測(cè)試時(shí)間2008年2月,地點(diǎn)Zofingen(測(cè)試中的運(yùn)行水溫是20攝氏度;測(cè)試用的泵型號(hào)為MKP 65-40-160,葉輪直徑180mm,轉(zhuǎn)速2930min–1)

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如果說(shuō)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(dòng)仿真將效率提高了50%。對(duì)于客戶來(lái)說(shuō),泵消耗的電量更少,需要的維護(hù)費(fèi)用更低。CP Pumps董事長(zhǎng)表示:“去年,我們更換了兩臺(tái)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著泵液壓效率的提高,能耗也得到相應(yīng)降低,能幫助CP Pumps的客戶實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性目標(biāo)。利用ANSYS CFX優(yōu)化的液壓組件能確保高效性,與特殊的無(wú)渦流容器單元配合使用,每年可節(jié)約數(shù)千歐元的功耗費(fèi)用。