基于数据库的离心泵智能化设计方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010746713.8 (22)申请日 2020.07.29 (71)申请人 上海凯泉泵业 （集团） 有限公司 地址 201804 上海市嘉定区曹安公路4255 号、 4287号 (72)发明人 王凡芦洪钟靳雪松刘亮亮 杨维硕 (74)专利代理机构 上海天翔知识产权代理有限 公司 31224 代理人 严义秀 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) F04D 29/22(2006.01) F04D 29/42(2。

2、006.01) (54)发明名称 一种基于数据库的离心泵智能化设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于数据库的离心泵智能 化设计方法； 包括以下步骤： 对现存的离心泵， 建 立标准的参数化数据， 主要包括几何参数和水力 参数， 形成样本的原型空间， 记为Sp。 将离心泵 参数转换到统一的流量Q、 转速n下， 形成样本的 标准空间， 记为Sd。 对样本的原型空间Sp和 标准空间Sd建立数据库， 对标准空间Sd的子 空间建立代理模型。 将设计需求Dd的输入参数 转换至标准空间。 建立匹配度评价方法， 从数据 库中筛选最符合设计要求的样本。 反算几何参数 得到设计方案， 对设计方案进行评估。 如果。

3、筛选 的方案不能满足要求， 则通过代理模型和遗传算 法的配合， 迭代寻优， 得到设计结果。 本发明设计 速度快、 可靠性高、 可扩展性强。 权利要求书2页 说明书8页 附图1页 CN 111832137 A 2020.10.27 CN 111832137 A 1.一种基于数据库的离心泵智能化设计方法； 其特征在于： 所述方法包括如下步骤： 步骤1： 对现存的离心泵， 建立标准的参数化数据； 离心泵几何分为叶轮和蜗壳两部分； 其中， 叶轮的几何要素包括叶片数量、 子午面流道 形状、 叶片中弧线、 叶片厚度； 蜗壳的几何要素包括若干断面面积、 断面的形状、 隔舌； 离心 泵的性能数据， 包括最有效。

4、率工况下的流量Q、 扬程H、 转速n、 效率 、 轴功率P； 为了描述方 便， 将泵样本以真实数据描述的几何、 性能参数作为样本的原型空间， 记为Sp； 步骤2： 将离心泵参数按照一定的规则， 转换到统一的流量Q、 转速n下； 为了描述方便， 下文中以下标p表示泵原型参数， 以下标d表示转换后的泵参数； 为了描述方便， 将泵样本以 转换后数据描述的几何、 性能等参数作为样本的标准空间， 记为Sd； 步骤3： 建立智能化的数据库和子空间代理模型； 步骤4： 对设计需求Dd的输入参数， 即流量Q、 扬程H、 转速n、 效率要求 进行处理， 将其 转换为与数据库一致的流量Q和转速n下； 为了描述方便。

5、， 下文以下标dp表示设计需求的原 始参数， 以下标dd表示设计需求转换后的参数； 转换方法与步骤2的公式一致； 步骤5： 建立数据库中样本与设计需求的检索和匹配度评价方法； 设计需求与数据库样 本的匹配度， 通过最有效率点水力参数来评价； 步骤6： 按照步骤2的计算方法， 反算出样本在设计需求的转速、 流量下的缩放比例， 得 到设计方案的几何参数， 作为设计结果Sr； 通过可靠手段进行评估， 以确认是否满足设计 需求； 评估手段可以是数值模拟、 试验测试等的一种或几种合用； 步骤7： 若Sr中没有满足设计需求的方案， 则通过各组标准空间的代理模型， 采用遗传 算法进行迭代寻优； 得到新的设计。

6、结果Srai， 并对Srai进行评估。 2.根据权利要求1所述的基于数据库的离心泵智能化设计方法， 其特征在于， 所述步骤 2的转换方法如下： 步骤2.1： 求解Hd， 计算公式为： 步骤2.2： 求解Pd， 计算公式为： 步骤2.3： 求解长度缩放系数 1， 计算公式为： 其中L表示泵的长度尺寸参数， 例如叶轮的轮毂 直径、 入口直径、 出口直径、 出口宽度、 蜗壳的基圆直径、 出口直径等。 这样， 即可计算转换后 离心泵的各种长度尺寸； 步骤2.4： 保持离心泵的角度尺寸， 即叶片安放角、 叶片包角、 隔舌安放角不变， 得到转 换后离心泵的各种角度尺寸； 步骤2.5： 计算水力效率 d， 。

7、计算公式为： 权利要求书 1/2 页 2 CN 111832137 A 2 步骤2.6： 计算雷诺数Re， 计算公式为： 得到原型和转换后的离心泵雷诺数。 3.根据权利要求1所述的基于数据库的离心泵智能化设计方法， 其特征在于， 所述步骤 3的数据库和代理模型的建立方法如下： 步骤3.1： 将所有泵样本在样本空间和标准空间中的几何、 性能参数作为元素， 建立数 据库； 步骤3.2： 数据库按照Hd的值， 分为具有一定重叠度的若干组； 对每组的标准空间建立代 理模型， 映射关系以几何参数作为变量， 以水力性能作为函数。 4.根据权利要求1所述的基于数据库的离心泵智能化设计方法， 其特征在于， 步。

8、骤4中 的几种评价指标如下： a.扬程差： 标准空间中样本扬程与转换后的设计需求扬程的相对差值， KH(Hd-Hdd)/ Hdd100； 扬程比应处于可接受的范围内， 尽量接近常数1； b.效率差： 标准空间中样本的水力效率与转换后的设计需求的保证效率之差， d- dd； 效率差应处于可接受的范围内， 尽量接近大值； c.功率差： 标准空间中样本轴功率与转换后设计需求轴功率的相对差值KP(Pd-Pdd)/ Pdd100； 功率差应处于可接受的范围内， 尽量接近小值； 对上述三个指标， 可根据具体的设计任务， 任意选择； 当设计需求无法给定目标效率 和/或轴功率时， 采用效率和轴功率的绝对值作为。

9、考核指标。 5.根据权利要求1所述的基于数据库的离心泵智能化设计方法， 其特征在于， 步骤5中 的多个指标的作用逻辑， 为层次递进结构或是加权并用结构； 在样本空间中， 根据评价方法 检索并推荐至少3个样本。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111832137 A 3 一种基于数据库的离心泵智能化设计方法 技术领域 0001 本发明涉及一种设计方法， 具体涉及一种通过统一的参数体系， 充分吸纳已有的 泵产品性能数据， 在实测结果的支撑下， 建立样本空间和数据库和相应的代理模型， 通过直 接取样和代理模型优化的方式， 得到设计结果的基于数据库的离心泵智能化设计方法。 背景技术 0002 泵是一。

10、种在农业、 化工、 航天、 市政、 冶金、 水利等领域中广泛应用的流体增压、 输 送设备。 0003 与世界顶尖的水泵设计水平相比， 我国的泵设计、 制造还有一定的提升空间， 尤其 是在水泵的能效方面。 也正因如此， 泵的设计、 制造、 运行有着显著的节能减排优化空间。 此 外， 在泵的消费端， 有越来越多的需求案例不能直接从系列产品中选型， 需要按照性能保证 值进行新的水力设计。 发明内容 0004 针对上述问题， 本发明的主要目的在于提供一种通过统一的参数体系， 充分吸纳 已有的泵产品性能数据， 在实测结果的支撑下， 建立样本空间和数据库和相应的代理模型， 通过直接取样和代理模型优化的方式。

11、， 得到设计结果的基于数据库的离心泵智能化设计方 法。 0005 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的： 一种基于数据库的离心泵智 能化快速设计方法， 包括如下步骤： 0006 步骤1： 对现存的离心泵， 建立标准的参数化数据。 离心泵几何分为叶轮和蜗壳两 部分。 其中， 叶轮的几何要素包括叶片数量、 子午面流道形状、 叶片中弧线、 叶片厚度等； 蜗 壳的几何要素包括若干断面面积、 断面的形状、 隔舌等。 离心泵的性能数据， 主要包括最有 效率工况下的流量Q、 扬程H、 转速n、 效率 、 轴功率P等。 为了描述方便， 将泵样本以真实数据 描述的几何、 性能等参数作为样本的原型空间， 。

12、记为Sp。 0007 步骤2： 将离心泵参数按照一定的规则， 转换到统一的流量Q、 转速n下。 为了描述方 便， 下文中以下标p表示泵原型参数， 以下标d表示转换后的泵参数。 0008 其转换方法描述如下： 0009 步骤2.1： 求解Hd， 计算公式为： 0010 0011 步骤2.2： 求解Pd， 计算公式为： 0012 0013 步骤2.3： 求解长度缩放系数 1， 计算公式为： 说明书 1/8 页 4 CN 111832137 A 4 0014其中L表示泵的长度尺寸参数， 例如叶轮的 轮毂直径、 入口直径、 出口直径、 出口宽度、 蜗壳的基圆直径、 出口直径等。 这样， 即可计算转 换。

13、后离心泵的各种长度尺寸。 0015 步骤2.4： 保持离心泵的角度尺寸， 即叶片安放角、 叶片包角、 隔舌安放角不变， 得 到转换后离心泵的各种角度尺寸。 0016 步骤2.5： 计算水力效率 d， 计算公式为： 0017 0018 步骤2.6： 计算雷诺数Re， 计算公式为： 0019得到原型和转换后的离心泵雷诺数。 0020 为了描述方便， 将泵样本以转换后数据描述的几何、 性能等参数作为样本的标准 空间， 记为Sd 0021 步骤3： 建立智能化的数据库和子空间代理模型。 0022 步骤3.1： 将所有泵样本在样本空间和标准空间中的几何、 性能等参数作为元素， 建立数据库。 0023 步。

14、骤3.2： 数据库按照Hd的值， 分为具有一定重叠度的若干组。 对每组的标准空间 建立代理模型， 映射关系以几何参数作为变量， 以水力性能作为函数。 0024 步骤4： 对设计需求Dd的输入参数， 即流量Q、 扬程H、 转速n、 效率要求 等进行处 理， 将其转换为与数据库一致的流量Q和转速n下。 为了描述方便， 下文以下标dp表示设计需 求的原始参数， 以下标dd表示设计需求转换后的参数。 转换方法与步骤2的公式一致。 0025 步骤5： 建立数据库中样本与设计需求的检索和匹配度评价方法。 设计需求与数据 库样本的匹配度， 主要通过最有效率点水力参数来评价。 几种评价指标如下： 0026 a。

15、.扬程差： 标准空间中样本扬程与转换后的设计需求扬程的相对差值， KH(Hd- Hdd)/Hdd100。 扬程比应处于可接受的范围内， 优选设计的要求是尽量接近常数1。 0027 b.效率差： 标准空间中样本的水力效率与转换后的设计需求的保证效率之差， d- dd。 效率差应处于可接受的范围内， 优选设计的要求是尽量接近大值。 0028 c.功率差： 标准空间中样本轴功率与转换后设计需求轴功率的相对差值KP(Pd- Pdd)/Pdd100。 功率差应处于可接受的范围内， 优选设计的要求是尽量接近小值。 0029 对上述三个指标， 可根据具体的设计任务， 任意选择。 当设计需求无法给定目标效 率。

16、和/或轴功率时， 也可以采用效率和轴功率的绝对值作为考核指标， 他们在很大程度上是 等效的。 多个指标的作用逻辑， 可以是层次递进结构， 也可以是加权并用结构。 在样本空间 中， 根据评价方法检索并推荐至少3个样本。 0030 步骤6： 按照步骤2的计算方法， 反算出样本在设计需求的转速、 流量下的缩放比 例， 得到设计方案的几何参数， 作为设计结果Sr。 通过可靠手段进行评估， 以确认是否满 说明书 2/8 页 5 CN 111832137 A 5 足设计需求。 评估手段可以是数值模拟、 试验测试等的一种或几种合用。 0031 步骤7： 若Sr中没有满足设计需求的方案， 则通过各组标准空间的。

17、代理模型， 采 用遗传算法进行迭代寻优。 得到新的设计结果Srai， 并对Srai进行评估。 0032 本发明的积极进步效果在于： 本发明提供的基于数据库的离心泵智能化设计方法 具有如下优点： 0033 1.可靠性高。 本发明的几何参数和最优效率点参数均来自于实测泵样本数据， 基 于此建立的数据库和设计结果具有高度的可靠性。 0034 2.设计速度快。 通过本发明， 工程师在输入设计参数至得到设计结果， 仅需数秒至 数十秒。 0035 3.可扩展性强。 本方法定义了标准空间的数据格式， 在企业不断积累的过程中， 新 的泵产品样本可以持续不断的加入到数据库中。 此外， 在样本评价方法中可以灵活选。

18、择层 次递进或加权并用结构， 这使得本方法可以完成多工况、 多目标的泵设计任务。 附图说明 0036 图1为本发明技术方案的总体流程图； 0037 表1为样本空间的数据库结构； 0038 表2为标准空间的数据库结构； 具体实施方式 0039 下面结合附图给出本发明较佳实施例， 以详细说明本发明的技术方案。 0040 图1为本发明技术方案的总体流程图； 。 如图1所示： 本发明提供的一种基于数据库 的离心泵智能化快速设计方法， 包括如下步骤： 0041 步骤1： 对现存的离心泵， 建立标准的参数化数据。 离心泵几何分为叶轮和蜗壳两 部分。 其中， 叶轮的几何要素包括叶片数量、 子午面流道形状、 。

19、叶片中弧线、 叶片厚度等； 蜗 壳的几何要素包括若干断面面积、 断面的形状、 隔舌等。 离心泵的性能数据， 主要包括最有 效率工况下的流量Q、 扬程H、 转速n、 效率 、 轴功率P等。 为了描述方便， 将泵样本以真实数据 描述的几何、 性能等参数作为样本的原型空间， 记为Sp 0042 步骤2： 将离心泵参数按照一定的规则， 转换到统一的流量Q、 转速n下。 为了描述方 便， 下文中以下标p表示泵原型参数， 以下标d表示转换后的泵参数。 0043 其转换方法描述如下： 0044 步骤2.1： 求解Hd， 计算公式为： 0045 0046 步骤2.2： 求解Pd， 计算公式为： 0047 00。

20、48 步骤2.3： 求解长度缩放系数 1， 计算公式为： 说明书 3/8 页 6 CN 111832137 A 6 0049其中L表示泵的长度尺寸参数， 例如叶轮的 轮毂直径、 入口直径、 出口直径、 出口宽度、 蜗壳的基圆直径、 出口直径等。 这样， 即可计算转 换后离心泵的各种长度尺寸。 0050 步骤2.4： 保持离心泵的角度尺寸， 即叶片安放角、 叶片包角、 隔舌安放角不变， 得 到转换后离心泵的各种角度尺寸。 0051 步骤2.5： 计算水力效率 d， 计算公式为： 0052 0053 步骤2.6： 计算雷诺数Re， 计算公式为： 0054得到原型和转换后的离心泵雷诺数。 0055 。

21、为了描述方便， 将泵样本以转换后数据描述的几何、 性能等参数作为样本的标准 空间， 记为Sd 0056 步骤3： 建立智能化的数据库和子空间代理模型。 0057 步骤3.1： 将所有泵样本在样本空间和标准空间中的几何、 性能等参数作为元素， 建立数据库。 0058 步骤3.2： 数据库按照Hd的值， 分为具有一定重叠度的若干组。 对每组的标准空间 建立代理模型， 映射关系以几何参数作为变量， 以水力性能作为函数。 0059 步骤4： 对设计需求Dd的输入参数， 即流量Q、 扬程H、 转速n、 效率要求 等进行处 理， 将其转换为与数据库一致的流量Q和转速n下。 为了描述方便， 下文以下标dp表。

22、示设计需 求的原始参数， 以下标dd表示设计需求转换后的参数。 转换方法与步骤2的公式一致。 0060 步骤5： 建立数据库中样本与设计需求的检索和匹配度评价方法。 设计需求与数据 库样本的匹配度， 主要通过最有效率点水力参数来评价。 几种评价指标如下： 0061 a.扬程差： 标准空间中样本扬程与转换后的设计需求扬程的相对差值， KH(Hd- Hdd)/Hdd100。 扬程比应处于可接受的范围内， 优选设计的要求是尽量接近常数1。 0062 b.效率差： 标准空间中样本的水力效率与转换后的设计需求的保证效率之差， d- dd。 效率差应处于可接受的范围内， 优选设计的要求是尽量接近大值。 0。

23、063 c.功率差： 标准空间中样本轴功率与转换后设计需求轴功率的相对差值KP(Pd- Pdd)/Pdd100。 功率差应处于可接受的范围内， 优选设计的要求是尽量接近小值。 0064 对上述三个指标， 可根据具体的设计任务， 任意选择。 当设计需求无法给定目标效 率和/或轴功率时， 也可以采用效率和轴功率的绝对值作为考核指标， 他们在很大程度上是 等效的。 多个指标的作用逻辑， 可以是层次递进结构， 也可以是加权并用结构。 在样本空间 中， 根据评价方法检索并推荐至少3个样本。 0065 步骤6： 按照步骤2的计算方法， 反算出样本在设计需求的转速、 流量下的缩放比 例， 得到设计方案的几何。

24、参数， 作为设计结果Sr。 通过可靠手段进行评估， 以确认是否满 说明书 4/8 页 7 CN 111832137 A 7 足设计需求。 评估手段可以是数值模拟、 试验测试等的一种或几种合用。 0066 步骤7： 若Sr中没有满足设计需求的方案， 则通过各组标准空间的代理模型， 采 用遗传算法进行迭代寻优。 得到新的设计结果Srai， 并对Srai进行评估。 0067 下面是一个具体的实施例： 一个离心泵的设计任务 0068 设计需求中， 规定了离心泵的流量为0.882m3/h， 扬程为3.372m， 转速为5621rpm， 工质的密度为1082kg/m3， 轴功率不超过13W。 0069 步。

25、骤1-3： 建立现存离心泵数据的数据库， 这一步对所有设计任务来说是相同的， 按照表1表2的格式， 对每一个样本的数据进行标签和分类， 然后存放即可。 本实施例应用的 数据库中， 将标准空间的流量Q定为300m3/h， 转速定为1500rpm。 0070 步骤4： 将设计需求转换为与数据库一致的流量和转速下， 计算得到Hdd28.23m。 0071 步骤5： 确定优化设计的检索条件： 0072 条件1： 扬程差的范围为1,1.1， 以接近1为佳； 0073 条件2： 在满足条件1的基础上， 轴功率尽量低。 0074 本次检索策略使用层次递进结构。 输出5个匹配度最高的方案。 0075 步骤6：。

26、 反算得到设计方案的几何参数， 主要参数如下dH1.3mm、 Dj14.14mm、 D2 29.5mm、 b22.8mm、 120 、 1为25-40 随着翼展方向均布、 126 。 经过评估， 叶轮水 力效率为82.99。 而用传统的设计方法， 得到的叶轮水力效率为81.64。 快速设计结果的 轴功率计算值为11.53W。 符合设计需求， 至此设计过程结束。 0076 表1 说明书 5/8 页 8 CN 111832137 A 8 0077 0078 表2 说明书 6/8 页 9 CN 111832137 A 9 0079 0080 上述表1和2中： 几何参数包括长度尺寸和角度尺寸。 长度尺。

27、寸包括轮毂直径dH到 叶片厚度t， 角度尺寸包括叶片进口安放角 1到隔舌安放角0。 0081 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。 本行业的技术 说明书 7/8 页 10 CN 111832137 A 10 人员应该了解， 本发明不受上述实施例的限制， 上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理， 在不脱离本发明精神和范围的前提下， 本发明还会有各种变化和改进， 这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内， 本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。 说明书 8/8 页 11 CN 111832137 A 11 图1 说明书附图 1/1 页 12 CN 111832137 A 12 。