【案例分析】利用流體仿真優(yōu)化泵的能耗

關(guān)鍵字:ANSYS CFX ANSYS BladeModeler 仿真

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(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。

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(dú)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。如下所示的葉輪周圍壓力分布圖。

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。

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(fèi)3倍以上的時間才能開發(fā)出同等產(chǎn)品。

下圖所示數(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(yùn)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2930min–1)

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(fèi)用更低。完成后的泵見下圖。

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。”隨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。