離心式長軸泵優化設計論文

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1離心式長軸泵葉輪水力設計

根據500GJC-32.3×3型離心式長軸泵的運行要求，確定泵的主要參數，基于傳統離心泵水力設計方法，初步確定葉輪幾何參數.

2正交試驗與數值計算

2.1試驗因素及方案的確定

根據相關參考文獻和研究經驗[7-13]，選取葉輪參數中對離心式長軸泵的效率和揚程影響較大的因素作為優化對象，分別是：葉輪進口直徑Dj、葉片數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。每個因素選擇3個水平，選用L18（37）正交表進行優化設計。

2.2數值計算

基于設計參數，運用Pro/E軟件對離心式長軸泵進行三維建模.

2.2.1計算域及網格運用ICEM軟件對模型各部分水體進行非結構化網格劃分，并進行網格無關性分析[14-16]，當葉輪網格數達到110萬、導葉網格數達到140萬以后，計算得到的泵效率相差小于0.12%，揚程變化不超過0.1%，故模型共需約900萬個網格單元可滿足計算要求，為減小計算量，正交計算針對單級全流場進行數值計算。

2.2.2計算方法及邊界條件運用ANSYSCFX軟件進行模擬，采用標準k-ε湍流模型，SIMPLEC算法。邊界條件為：總壓進口和質量流出口，壁面設置為無滑移邊界條件，壁面粗糙度設置為12.5μm，計算精度為10-4。

2.3正交試驗模擬結果及分析

2.3.1試驗方案通過CFD數值模擬，得到18組正交試驗的模擬結果。在設計流量點Qn=1958m3/h，各試驗方案離心式長軸泵的揚程和效率計算。

2.3.2極差分析為了評價各因素不同水平對離心式長軸泵性能的影響，引入平均值，計算出各因素不同水平時模擬結果的平均值，以此來評價某一因素各水平的好壞；運用極差法分析各因素對離心式長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程和效率變化越大，為主要因素，即可得到最優方案。對離心式長軸泵設計時應該盡可能的提高其效率，同時也要滿足設計揚程，當揚程低于工作所需揚程時離心式長軸泵不能滿足運行要求；當揚程過高效率不變時，會增加軸功率，即增大配套電機功率和成本。因此各因素各水平是否合適的判斷標準是：對于效率以額定點效率最高為最佳，對于揚程以額定點的揚程等于或略大于設計揚程為最佳。結合最終確定較優組合。A、B、C3個因素對效率和揚程的影響一致，其較優水平為A3B3C2。對于D因素（葉輪中間流線出口安放角β2），當β2為25°時，泵效率最高，也滿足設計揚程，故取此值，即取D2。對于E因素（葉片出口寬度b2），當b2為75mm時，泵效率最高，也滿足設計揚程，故取此值，即取E3。對于F因素（葉輪出口平均直徑D2），當D2為545mm時，泵效率最高，但揚程小于設計揚程，當D2為550mm時，效率與最高效率相差僅為0.109，同時滿足設計揚程，故取此值，即取F2。對于G因素（葉片出口傾斜角γ），當γ為25°時，泵效率最高，也滿足設計揚程，故取此值，即取G2。綜上所述，最終的較優組合是：A3B3C2D2E3F2G2，即Dj取345mm，Z取6個，Φ取105°，β2取25°,b2取75mm，D2取550mm，γ取25°。

3不等揚程優化

3.1不等揚程理論方法

基于正交試驗結果，綜合考慮各因素對揚程和效率影響的主次順序，采用控制變量法，選擇對泵性能有較大影響的參數進一步優化。忽略葉片數的影響，選擇6葉片數，運用不等揚程設計理論對葉片出口安放角β2進一步優化設計，使該型離心式長軸泵能夠在多個工況下安全高效地運行。基本思路：傳統水力設計方法假設葉輪中每條流線沒有差異，葉輪中各流線的滑移系數μ相同，實際葉輪中每條流線存在差異，各流線的滑移系數μ不相同，各流線有限葉片理論揚程Ht不相同。然而在葉輪水力設計時，只有當各流線有限葉片理論揚程Ht相等時，所產生的水力損失最小。根據上述理論，基于無限葉片理論揚程Ht∞不等，通過修改葉輪幾何參數，以調整滑移系數，使葉輪有限葉片理論揚程Ht相等。基本方法：將離心泵葉輪分為3條流線來設計，假設葉片出口處的無窮葉片數理論揚程Ht∞呈直線形分布，結合產品實際運行工況，要求離心式長軸泵能夠在額定工況和偏大流量工況長期高效穩定運行。考慮到大流量時，前蓋板做功能力弱于后蓋板做功能力。

3.2數值計算及結果分析

對不同情況進行數值計算：隨著λ的增加，各流量點下泵的揚程均有所增加，但增加趨勢不同。當λ一定時，隨著流量的減小，揚程變化率減小。當Q≥0.9Qn時，各流量下揚程變化率ΔH/H隨著λ的增加先減小后增加，在λ=1.15時，揚程變化率最小；當Q＜0.9Qn時，隨著流量的減小，不同λ下的揚程變化率趨于一致，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，使得揚程增加；而在大流量時，后蓋板做功能力強于前蓋板，增大λ，即增大了后蓋板的做功能力，從而使得揚程有以上變化規律。基于不等揚程方法優化設計的葉輪，在各個工況下其效率均高于常規方法所設計的葉輪，在大流量時尤為明顯。采用常規方法設計的葉輪最高效率出現在1.1Qn，隨著λ的增加，高效點向大流量偏移，當λ≥1.15時，高效點偏移至1.2Qn。當Q＜0.9Qn時，不同λ下，各流量工況的效率基本相同；當Q≥0.9Qn時，隨著λ的增加，各流量工況的效率均有所變化但變化趨勢不同，當λ＜1.15，隨著λ的增加，各流量工況的效率增加，增加趨勢逐漸減小；當λ=1.15，各流量工況效率達到最高，但在1.4Qn時，其效率出現陡降趨勢；當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，在葉輪出口出現紊流，同時過大的增加了β2，使得葉輪出口絕對速度v2增加，v2增加，動揚程增大，液體在葉輪和導葉中的水力損失增加，從而使得效率下降。基于不等揚程設計的葉輪，其軸功率均高于常規方法設計的葉輪，且隨著λ的增加，軸功率逐漸增加。當λ≤1.1時，在Q＜1.4Qn范圍內（該泵的運行范圍為（0.8～1.4）Qn），軸功率曲線均出現最大值，有無過載特性；當λ＞1.1時,軸功率曲線隨著λ的增加出現陡增趨勢，且隨著流量的增加這種陡增趨勢越明顯，在大流量下容易出現過載現象。綜上可知：基于不等揚程理論優化設計的葉輪具有較好的水力性能，選擇適當后蓋板揚程系數λ，可使葉輪水力性能趨于最佳。對于該型離心式長軸泵葉輪當λ取1.1時，水力性能較優。

4優化方案的流場分析及試驗驗證

根據優化參數建立葉輪，以及相關過流部件的三維模型。對離心式長軸泵在（0.5～1.4）Qn工況下進行三級全流場數值模擬。作為性能預測的基礎，取0.8Qn、1.0Qn、1.2Qn3個工況進行分析，為最優方案的不同工況下葉輪流道內速度矢量分布，為不同工況下離心式長軸泵中間截面靜壓分布。可以看出：液體從葉輪獲得能量后進入導葉，經過導葉的導流擴壓作用，其壓力進一步增加，同時進入下一級葉輪。3個不同流量工況下液體壓力從葉輪進口到出口逐漸升高，整個流道內未出現局部高壓區域；液體在葉輪流道內流速及流線分布均勻，均未出現漩渦，偏小流量時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行。通過試驗數據可知，優化后500GJC-32.3×3型離心式長軸泵在Q=2089.88m3/h時，最高效率η=83.22%，H=93.23m，且當Q=1968.25m3/h時，η=82.57%，H=97.78m，因此，該泵可在豐水期和枯水期高效運行。同時其大流量時具有無過載特性，當Q=2248.07m3/h時，軸功率最大P=642.09kW，η=82.76%，H=86.81m，在滿足生產需求的條件下，綜合考慮安全與成本投入，可將配套電機功率降低至670kW，從而降低了一次投入。由上可知，該泵滿足設計要求。

5結論

為使離心式長軸泵能夠在不同工況下高效運行，該文以500GJC-32.3×3型離心式長軸泵為例，對其進行了優化，得到以下結論。

1）根據傳統方法估算離心式長軸泵葉輪參數，通過正交試驗方法對葉輪參數進行初步了優化，并對正交試驗結果進行極差分析，得到了各參數對離心式長軸泵揚程和效率影響的主次順序。

2）綜合考慮各參數對離心式長軸泵性能的影響，選取重要因素，基于不等揚程設計理論，采用控制變量法對葉輪進行多方案優化設計，并對各方案進行了數值模擬，對比模擬結果發現，基于不等揚程理論優化設計的葉輪具有較好的水力性能，選擇適當后蓋板揚程系數λ，可使葉輪水力性能趨于最佳。對于該型離心式長軸泵葉輪當λ取1.1時，離心式長軸泵水力性能較優。

3）通過上述優化得到了一組較佳的葉輪參數組合，根據較優參數建立三維模型，采用數值計算方法對離心式長軸泵的三級全流場進行模擬計算，對比試驗與計算結果，二者變化趨勢相同，揚程、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，揚程、效率、軸功率的誤差相對小。同時由試驗數據可知：在設計流量點時揚程大于97m，效率高于82%，最高效率點出現在1.1Qn附近為83.22%，揚程為93.23m滿足枯水期運行條件，同時具有較寬的高效區和無過載特性。因此，該泵能夠滿足設計要求，在豐水期和枯水期均能高效穩定的運行，同時降低了電機配套功率，減少了一次成本投入。

作者：朱榮生 賀博 付強 王秀禮 張亮亮 單位：江蘇大學流體機械工程技術研究中心 江蘇國泉泵業制造有限公司