基于離心泵參數優化設計及分析

顏成剛　夏美珍　林榮

摘 要：為了解決離心泵揚程短、功率小的問題，文章對離心泵的參數進行了優化分析，其中包括：離心葉輪CAD參數優化設計、內流參數優化設計以及響應曲面參數優化設計。優化設計為得到高性能運行穩定的離心泵研發提供了保證，也將會創造不可估計的社會效益和經濟效益。

關鍵詞：離心泵；優化設計；水斷面；流體半徑

引言

原有離心泵在設計結構上存有一定的缺陷因素，無論是在揚程方面還是在電機運行功率方面都難以達到實際要求。而現有模式中通過對離心泵參數的優化設計，不但解決了揚程短、功率小的缺陷，而且在離心泵葉輪設計結構上也有了一定的突破，提高了設備的運行效率。

1 離心泵葉片設計優化

近年來，國內針對離心泵葉片設計的研究有了一定的突破，其中針對葉片安放角、葉片數量以及葉片出口寬度等進行了優化設計分析，葉片安放角指的是葉輪葉片進口與出口之間的夾角，若出口與進口的夾角越大，運行時產生的流體壓強便越大；設計優化過程中對葉片安放角采用極限最大值算法，數值取無窮大時，該極限值會趨于0；取0時，該極限值會趨于無窮大；取定某一值時，便會趨于一個特定的數值，該數值便為葉片安放角的角度，即 。

葉片數的優化設計需要根據葉輪的半徑進行制定，假設在模擬過程中，設定葉輪半徑維數變量為n，則在優化設計過程中需要進行2n次的流場計算，才能得到較為合理的葉數值。針對葉片出口寬度方面的優化設計，葉片寬度根據葉片包角和葉片數量進行選定，設定葉片的包角為&、比轉數為ns、z為葉片數，一般包角&的取值在90-120°，比轉數固定，根據參數代換便可求出葉片出口寬度。這種方案在現如今離心泵優化設計中較為普遍，并取得了較好的試驗成果。

2 離心泵參數優化設計

2.1 離心葉輪CAD參數優化設計

離心葉輪CAD設計采用的是三維模式，但是由于傳統設定的設計參數較為復雜，所以給葉輪流動結構的設計加大了難度。如圖1所示，在葉輪流體半徑設計中，通過改變外側半徑Rc以及流道中線的長度增大離心葉輪過水斷面的面積F，但是隨著長度L的增加，該面積便會趨于一定峰值。因此，在現有技術中一般通過改變葉輪前后的軸面曲線實現流道中線長度參數的變化，以此控制過水斷面的面積。作者對前后軸面制定了參數方程，其中i為軸面流線的曲率，曲率越小葉輪軸體運行的壓強便越大。n為離心葉輪控制曲線的階數，f為離心泵曲面向徑、u為離心葉輪動態參數。在對動態方程進行求解時，在求解過程中需要對動態方程進行導數進行分析，查看曲線的變化規律。求出一、二次變化方程為：

Gm（m）m=0=n（m1-m0），Gum（u）u=0=n（n-1）（m0-2m1+m2），得出一階結果為C1和C2，二階結果Q1和Q2。在分析CAD變化曲線時，（0，Q1）為上升階段，（Q1，Q2）為下降階段，（Q2，+∞）為上升階段，便可得知在（0，Q1）與（Q1，Q2）曲線變化時，C1為曲線的最大值。（Q1，Q2）與（Q2，+∞）曲線變化時，C2為曲線的最小值。

2.2 離心泵內流參數優化設計

該優化設計類型運用了流體力學的優化設計類型，渦殼內流道處于截面內部，具體分布如圖2所示，在優化內流參數中，需要對葉輪內流道及渦殼內流道的動量方程進行求解，分別求出不同狀態下平均運動及脈動運動的參數值。經過動量方程轉化，得出最后平均流動解析式，離心泵內流參數便可根據解析式進行相關數據的套用，完成內部參數的優化。

2.3 離心葉輪響應曲面參數優化設計

響應曲面參數的設計是優化離心葉輪的水利性能，從而提高設備的利用率。在原來的二維圖形設計時，工程師難以計算曲面的測量值，造成葉輪水力結構布局不完善。在優化設計結構中，需要測量離心泵的軸向、葉片包角以及葉輪寬度，保證軸垂面與葉片之間處于同一平行線，葉片包角范圍34-38°，上葉片與下葉片寬度差值±4cm，以利于捕捉軸面截線的中心。然后通過計算機三維立體模擬的方式，進行響應曲面的繪制，CAD制圖系統自動計算軸截面與工作面之間的夾角。在優化旋轉曲面求取交叉曲線的設計流程中，需要定位葉輪重心輪廓線的坐標，這樣在優化結構中才能對葉輪的軸截面、軸垂面、工作面以及交叉單進行定位選取，提高離心葉輪的水利性能。

3 離心泵CAD結構組成模塊

3.1 組成模塊結構

離心泵CAD結構組成模塊由三部分構成，分別是：葉輪水力結構模塊、葉輪軸面內流道模塊以及葉輪三維立體建模結構模塊，離心泵葉輪水力結構模塊涉及離心泵的揚程、運行功率、電機轉速、水流量等。葉輪軸面內流道模塊主要計算流道中線各點的坐標值，保證各個程序的運行處于穩定狀態。葉輪三維立體建模結構模塊，能夠優化前后蓋板的三維立體結構，完善立體旋轉剖面圖。

3.2 組成模塊功能

葉輪水力結構模塊主要功能是完成對流量、揚程、轉數、葉輪進口直徑、軸功率以及葉輪出口寬度的計算，若離心泵的揚程在200m，轉子速率1300rad/min，葉輪進口直徑為18cm，則配置的軸功率為11kW，葉輪出口寬度25cm。葉輪內流道模塊能夠設定中線各點的坐標值，設定的坐標值是以流道中線的端點為起始點。葉輪三維立體建模結構模塊是通過數據排布陣列完成葉輪三維立體圖的旋轉。

4 結束語

通過對離心泵參數優化設計分析，這種參數優化設計結構不但降低了離心泵的故障率，而且還提高了設備的機械效率。這種CAD參數優化設計不單單適用于機械方面，在當今電子行業也具有廣泛的應用，以此帶動國內各個產業的經濟發展。

參考文獻

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