離心式長(zhǎng)軸泵優(yōu)化設(shè)計(jì)論文

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1離心式長(zhǎng)軸泵葉輪水力設(shè)計(jì)

根據(jù)500GJC-32.3×3型離心式長(zhǎng)軸泵的運(yùn)行要求，確定泵的主要參數(shù)，基于傳統(tǒng)離心泵水力設(shè)計(jì)方法，初步確定葉輪幾何參數(shù).

2正交試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算

2.1試驗(yàn)因素及方案的確定

根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)和研究經(jīng)驗(yàn)[7-13]，選取葉輪參數(shù)中對(duì)離心式長(zhǎng)軸泵的效率和揚(yáng)程影響較大的因素作為優(yōu)化對(duì)象，分別是：葉輪進(jìn)口直徑Dj、葉片數(shù)Z、葉片包角Φ、葉片出口安放角β2、葉片出口寬度b2、葉輪出口平均直徑D2以及葉輪出口傾斜角γ。每個(gè)因素選擇3個(gè)水平，選用L18（37）正交表進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2數(shù)值計(jì)算

基于設(shè)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用Pro/E軟件對(duì)離心式長(zhǎng)軸泵進(jìn)行三維建模.

2.2.1計(jì)算域及網(wǎng)格運(yùn)用ICEM軟件對(duì)模型各部分水體進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析[14-16]，當(dāng)葉輪網(wǎng)格數(shù)達(dá)到110萬、導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)達(dá)到140萬以后，計(jì)算得到的泵效率相差小于0.12%，揚(yáng)程變化不超過0.1%，故模型共需約900萬個(gè)網(wǎng)格單元可滿足計(jì)算要求，為減小計(jì)算量，正交計(jì)算針對(duì)單級(jí)全流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.2.2計(jì)算方法及邊界條件運(yùn)用ANSYSCFX軟件進(jìn)行模擬，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，SIMPLEC算法。邊界條件為：總壓進(jìn)口和質(zhì)量流出口，壁面設(shè)置為無滑移邊界條件，壁面粗糙度設(shè)置為12.5μm，計(jì)算精度為10-4。

2.3正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果及分析

2.3.1試驗(yàn)方案通過CFD數(shù)值模擬，得到18組正交試驗(yàn)的模擬結(jié)果。在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)Qn=1958m3/h，各試驗(yàn)方案離心式長(zhǎng)軸泵的揚(yáng)程和效率計(jì)算。

2.3.2極差分析為了評(píng)價(jià)各因素不同水平對(duì)離心式長(zhǎng)軸泵性能的影響，引入平均值，計(jì)算出各因素不同水平時(shí)模擬結(jié)果的平均值，以此來評(píng)價(jià)某一因素各水平的好壞；運(yùn)用極差法分析各因素對(duì)離心式長(zhǎng)軸泵性能影響的主次順序，極差越大，表明該因素隨水平的變化揚(yáng)程和效率變化越大，為主要因素，即可得到最優(yōu)方案。對(duì)離心式長(zhǎng)軸泵設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能的提高其效率，同時(shí)也要滿足設(shè)計(jì)揚(yáng)程，當(dāng)揚(yáng)程低于工作所需揚(yáng)程時(shí)離心式長(zhǎng)軸泵不能滿足運(yùn)行要求；當(dāng)揚(yáng)程過高效率不變時(shí)，會(huì)增加軸功率，即增大配套電機(jī)功率和成本。因此各因素各水平是否合適的判斷標(biāo)準(zhǔn)是：對(duì)于效率以額定點(diǎn)效率最高為最佳，對(duì)于揚(yáng)程以額定點(diǎn)的揚(yáng)程等于或略大于設(shè)計(jì)揚(yáng)程為最佳。結(jié)合最終確定較優(yōu)組合。A、B、C3個(gè)因素對(duì)效率和揚(yáng)程的影響一致，其較優(yōu)水平為A3B3C2。對(duì)于D因素（葉輪中間流線出口安放角β2），當(dāng)β2為25°時(shí)，泵效率最高，也滿足設(shè)計(jì)揚(yáng)程，故取此值，即取D2。對(duì)于E因素（葉片出口寬度b2），當(dāng)b2為75mm時(shí)，泵效率最高，也滿足設(shè)計(jì)揚(yáng)程，故取此值，即取E3。對(duì)于F因素（葉輪出口平均直徑D2），當(dāng)D2為545mm時(shí)，泵效率最高，但揚(yáng)程小于設(shè)計(jì)揚(yáng)程，當(dāng)D2為550mm時(shí)，效率與最高效率相差僅為0.109，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)揚(yáng)程，故取此值，即取F2。對(duì)于G因素（葉片出口傾斜角γ），當(dāng)γ為25°時(shí)，泵效率最高，也滿足設(shè)計(jì)揚(yáng)程，故取此值，即取G2。綜上所述，最終的較優(yōu)組合是：A3B3C2D2E3F2G2，即Dj取345mm，Z取6個(gè)，Φ取105°，β2取25°,b2取75mm，D2取550mm，γ取25°。

3不等揚(yáng)程優(yōu)化

3.1不等揚(yáng)程理論方法

基于正交試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮各因素對(duì)揚(yáng)程和效率影響的主次順序，采用控制變量法，選擇對(duì)泵性能有較大影響的參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。忽略葉片數(shù)的影響，選擇6葉片數(shù)，運(yùn)用不等揚(yáng)程設(shè)計(jì)理論對(duì)葉片出口安放角β2進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，使該型離心式長(zhǎng)軸泵能夠在多個(gè)工況下安全高效地運(yùn)行?；舅悸罚簜鹘y(tǒng)水力設(shè)計(jì)方法假設(shè)葉輪中每條流線沒有差異，葉輪中各流線的滑移系數(shù)μ相同，實(shí)際葉輪中每條流線存在差異，各流線的滑移系數(shù)μ不相同，各流線有限葉片理論揚(yáng)程Ht不相同。然而在葉輪水力設(shè)計(jì)時(shí)，只有當(dāng)各流線有限葉片理論揚(yáng)程Ht相等時(shí)，所產(chǎn)生的水力損失最小。根據(jù)上述理論，基于無限葉片理論揚(yáng)程Ht∞不等，通過修改葉輪幾何參數(shù)，以調(diào)整滑移系數(shù)，使葉輪有限葉片理論揚(yáng)程Ht相等?；痉椒ǎ簩㈦x心泵葉輪分為3條流線來設(shè)計(jì)，假設(shè)葉片出口處的無窮葉片數(shù)理論揚(yáng)程Ht∞呈直線形分布，結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行工況，要求離心式長(zhǎng)軸泵能夠在額定工況和偏大流量工況長(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)行?？紤]到大流量時(shí)，前蓋板做功能力弱于后蓋板做功能力。

3.2數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

對(duì)不同情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算：隨著λ的增加，各流量點(diǎn)下泵的揚(yáng)程均有所增加，但增加趨勢(shì)不同。當(dāng)λ一定時(shí)，隨著流量的減小，揚(yáng)程變化率減小。當(dāng)Q≥0.9Qn時(shí)，各流量下?lián)P程變化率ΔH/H隨著λ的增加先減小后增加，在λ=1.15時(shí)，揚(yáng)程變化率最??；當(dāng)Q＜0.9Qn時(shí)，隨著流量的減小，不同λ下的揚(yáng)程變化率趨于一致，其變化曲線近似一條水平線。這主要是由于選取較大的λ，增大了β2b，在β2a不變的情況下，增加了β2m，使得揚(yáng)程增加；而在大流量時(shí)，后蓋板做功能力強(qiáng)于前蓋板，增大λ，即增大了后蓋板的做功能力，從而使得揚(yáng)程有以上變化規(guī)律。基于不等揚(yáng)程方法優(yōu)化設(shè)計(jì)的葉輪，在各個(gè)工況下其效率均高于常規(guī)方法所設(shè)計(jì)的葉輪，在大流量時(shí)尤為明顯。采用常規(guī)方法設(shè)計(jì)的葉輪最高效率出現(xiàn)在1.1Qn，隨著λ的增加，高效點(diǎn)向大流量偏移，當(dāng)λ≥1.15時(shí)，高效點(diǎn)偏移至1.2Qn。當(dāng)Q＜0.9Qn時(shí)，不同λ下，各流量工況的效率基本相同；當(dāng)Q≥0.9Qn時(shí)，隨著λ的增加，各流量工況的效率均有所變化但變化趨勢(shì)不同，當(dāng)λ＜1.15，隨著λ的增加，各流量工況的效率增加，增加趨勢(shì)逐漸減??；當(dāng)λ=1.15，各流量工況效率達(dá)到最高，但在1.4Qn時(shí)，其效率出現(xiàn)陡降趨勢(shì)；當(dāng)λ＞1.15，隨著λ的增加，各流量工況的效率開始下降，且流量越大效率下降較快，高效區(qū)逐漸變窄，這主要是由于選取過大的λ，雖增加了葉輪后蓋板的工作能力，但是過大的增加了β2b，在葉輪出口出現(xiàn)紊流，同時(shí)過大的增加了β2，使得葉輪出口絕對(duì)速度v2增加，v2增加，動(dòng)揚(yáng)程增大，液體在葉輪和導(dǎo)葉中的水力損失增加，從而使得效率下降?；诓坏葥P(yáng)程設(shè)計(jì)的葉輪，其軸功率均高于常規(guī)方法設(shè)計(jì)的葉輪，且隨著λ的增加，軸功率逐漸增加。當(dāng)λ≤1.1時(shí)，在Q＜1.4Qn范圍內(nèi)（該泵的運(yùn)行范圍為（0.8～1.4）Qn），軸功率曲線均出現(xiàn)最大值，有無過載特性；當(dāng)λ＞1.1時(shí),軸功率曲線隨著λ的增加出現(xiàn)陡增趨勢(shì)，且隨著流量的增加這種陡增趨勢(shì)越明顯，在大流量下容易出現(xiàn)過載現(xiàn)象。綜上可知：基于不等揚(yáng)程理論優(yōu)化設(shè)計(jì)的葉輪具有較好的水力性能，選擇適當(dāng)后蓋板揚(yáng)程系數(shù)λ，可使葉輪水力性能趨于最佳。對(duì)于該型離心式長(zhǎng)軸泵葉輪當(dāng)λ取1.1時(shí)，水力性能較優(yōu)。

4優(yōu)化方案的流場(chǎng)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化參數(shù)建立葉輪，以及相關(guān)過流部件的三維模型。對(duì)離心式長(zhǎng)軸泵在（0.5～1.4）Qn工況下進(jìn)行三級(jí)全流場(chǎng)數(shù)值模擬。作為性能預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，取0.8Qn、1.0Qn、1.2Qn3個(gè)工況進(jìn)行分析，為最優(yōu)方案的不同工況下葉輪流道內(nèi)速度矢量分布，為不同工況下離心式長(zhǎng)軸泵中間截面靜壓分布?？梢钥闯觯阂后w從葉輪獲得能量后進(jìn)入導(dǎo)葉，經(jīng)過導(dǎo)葉的導(dǎo)流擴(kuò)壓作用，其壓力進(jìn)一步增加，同時(shí)進(jìn)入下一級(jí)葉輪。3個(gè)不同流量工況下液體壓力從葉輪進(jìn)口到出口逐漸升高，整個(gè)流道內(nèi)未出現(xiàn)局部高壓區(qū)域；液體在葉輪流道內(nèi)流速及流線分布均勻，均未出現(xiàn)漩渦，偏小流量時(shí)葉輪出口流速分布不均勻，靠近葉片壓力面以及吸力面流速高，隨著流量增大這種不均勻性逐漸消失，有利于泵在大流量高效運(yùn)行。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后500GJC-32.3×3型離心式長(zhǎng)軸泵在Q=2089.88m3/h時(shí)，最高效率η=83.22%，H=93.23m，且當(dāng)Q=1968.25m3/h時(shí)，η=82.57%，H=97.78m，因此，該泵可在豐水期和枯水期高效運(yùn)行。同時(shí)其大流量時(shí)具有無過載特性，當(dāng)Q=2248.07m3/h時(shí)，軸功率最大P=642.09kW，η=82.76%，H=86.81m，在滿足生產(chǎn)需求的條件下，綜合考慮安全與成本投入，可將配套電機(jī)功率降低至670kW，從而降低了一次投入。由上可知，該泵滿足設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

為使離心式長(zhǎng)軸泵能夠在不同工況下高效運(yùn)行，該文以500GJC-32.3×3型離心式長(zhǎng)軸泵為例，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，得到以下結(jié)論。

1）根據(jù)傳統(tǒng)方法估算離心式長(zhǎng)軸泵葉輪參數(shù)，通過正交試驗(yàn)方法對(duì)葉輪參數(shù)進(jìn)行初步了優(yōu)化，并對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到了各參數(shù)對(duì)離心式長(zhǎng)軸泵揚(yáng)程和效率影響的主次順序。

2）綜合考慮各參數(shù)對(duì)離心式長(zhǎng)軸泵性能的影響，選取重要因素，基于不等揚(yáng)程設(shè)計(jì)理論，采用控制變量法對(duì)葉輪進(jìn)行多方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)各方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于不等揚(yáng)程理論優(yōu)化設(shè)計(jì)的葉輪具有較好的水力性能，選擇適當(dāng)后蓋板揚(yáng)程系數(shù)λ，可使葉輪水力性能趨于最佳。對(duì)于該型離心式長(zhǎng)軸泵葉輪當(dāng)λ取1.1時(shí)，離心式長(zhǎng)軸泵水力性能較優(yōu)。

3）通過上述優(yōu)化得到了一組較佳的葉輪參數(shù)組合，根據(jù)較優(yōu)參數(shù)建立三維模型，采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)離心式長(zhǎng)軸泵的三級(jí)全流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果，二者變化趨勢(shì)相同，揚(yáng)程、效率、軸功率的最大誤差分別為4.02%、5.58%、3.59%，在（0.8～1.2）Qn工況下，揚(yáng)程、效率、軸功率的誤差相對(duì)小。同時(shí)由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)時(shí)揚(yáng)程大于97m，效率高于82%，最高效率點(diǎn)出現(xiàn)在1.1Qn附近為83.22%，揚(yáng)程為93.23m滿足枯水期運(yùn)行條件，同時(shí)具有較寬的高效區(qū)和無過載特性。因此，該泵能夠滿足設(shè)計(jì)要求，在豐水期和枯水期均能高效穩(wěn)定的運(yùn)行，同時(shí)降低了電機(jī)配套功率，減少了一次成本投入。

作者：朱榮生 賀博 付強(qiáng) 王秀禮 張亮亮 單位：江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心 江蘇國(guó)泉泵業(yè)制造有限公司