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)千歐元的功耗費用。

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。

快速、低成本的開發(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)計團隊認為標準的產(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一步確定流道的橫截面面積,以實現(xiàn)對流體特征的評估。

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,并對各種方案進行比較和驗證。

圖2 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)團隊很快就意識到蝸室與葉輪之間的相互影響遠遠比最初的想象要重要。只對其中一部分進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(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進行仿真所需的硬件、軟件和人員成本是相當高的。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械負載實現(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。

圖3 所示數(shù)據(jù)為CP Pumps公司根據(jù)EN ISO 9906 An.A標準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2930min–1)

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如果說在進行修改之前,泵的效率可以接受,那么改進后泵的效率已經(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的客戶實現(xiàn)可持續(xù)性目標。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)千歐元的功耗費用。