雙吸泵葉輪結構的廣義優化設計

楊溢

摘? ?要：雙吸離心泵具有流量大、揚程高、性能穩定等特點，且應用范圍廣泛。但是吸離心泵又是一種高能耗設備，效率普遍不高，因此設計出高效率的雙吸泵水力模型對于泵制造企業尤為重要。對現有某S型雙吸離心泵進行優化設計，基于Ansys Fluent軟件，采用正交試驗法對葉輪的出口寬度、出口安放角、葉片包角和葉片數進行改進，從而提高效率。

關鍵詞：雙吸離心泵? 效率? 葉輪? 優化設計

雙吸離心泵由于所配備的功率較大，是一種高耗能的設備，使用單位對其基本的要求是能夠使用高效率的雙吸泵，然而國內生產的雙吸泵效率不高已經是普遍現象。本文對現有某S型雙吸泵離心泵進行優化設計，從而提高效率。現有S型泵的揚程為44.5m，效率為78.9%，雙吸泵的目標性能參數為流量Q=280m3/h，揚程H=45m，轉速n=2950 r/min，效率η=79.2%，功率Pa=43.5 kW。

1? 改進設計方案的確定

葉輪是泵的核心部件，其結構設計影響著雙吸泵的外部特性參數。通過改變葉輪的結構參數，來達到提高揚程和效率的目的，具體影響因素如下：（1）葉輪出口寬度[1]。適當增加寬度，有利于減少壓水室的水力損失。（2）葉片出口角[2]。適當增加出口安放角，減小圓盤摩擦損失。（3）葉片包角[3]。增加包角能獲得更好的水力性能。（4）葉片數[4]。較多的葉片數可以強有力地控制著過流流體。葉輪的主要結構參數為葉輪出口寬度b2=40mm，葉片出口角β2=29°，葉片包角φ=101°，葉片數Z=5。

正交試驗[5]是常用的優化設計方法之一，其主要研究多因素及多水平對優化對象的影響。本文基于Ansys Fluent軟件，改變葉輪結構通過數值模擬分析尋找最佳的組合。實驗不考察交互作用選用L9（34）正交表，擬定9種方案，表1為9種優化方案。

2? 改進設計后的水力模型

根據揚程和效率的計算公式，計算出9種方案在6種不同工況下的揚程和效率值。9種方案的揚程和效率值由表2和表3給出。

通過揚程值看出在工況點上方案2、4、6、7和8達到設計要求的45m，過設計工況點后揚程下降速率較快，其中方案8揚程最高，但是出現駝峰曲線。

通過效率值看出在工況點上效率普遍都有提高，且高效區范圍比較廣，在0.8Q至1.2Q的運行區間內效率多數提高，增強了雙吸泵運行的穩定性，大部分方案的最高效率點都在設計工況點上。除方案1和8外，其余方案均達到設計要求的79.2 %，其中方案2和4效率最高。

綜合考慮效率、揚程選擇方案4為優化后的葉輪水力模型。

圖1和圖2分別為方案4的z=18 mm葉輪靜壓云圖和葉輪速度矢量圖。

從葉輪靜壓云圖中看出，壓力分布比較合理，整體壓差值差別不大。入口低壓區較少，整個葉輪中壓力梯度變化均勻，幾乎是等半徑遞增，表明葉輪內部壓力分布較為均勻。

從葉輪速度矢量圖中看出，速度場變化比較好，無回流、尾跡等不良現象，流動趨勢非常相似，流速變化均勻。

通過效率正交試驗結果極差分析，得出影響效率的主次因素為：葉片包角、葉輪出口寬度、葉片數、葉片出口角。對優選的水力模型進行樣機的試驗驗證。

3? 試驗驗證與分析

水力模型試驗是通過國家工業泵質量監督檢驗中心的閉式試驗臺，按照GB/ T 3216-2016《回轉動力泵水力性能驗收試驗 1級、2級和3級》中的規定進行試驗。表4為試驗數據結果換算到規定轉速下的值。

4? 數值模擬結果與試驗數據的對比分析

試驗結果數值在小流量區低于模擬數值，而在大流量區略高于模擬數值，且效率最高點出現在工況點與大流量點之間，是因為數值模擬中雖然考慮了容積損失和圓盤摩擦損失，但是雙吸泵的實際運行情況較為復雜，存在著軸承與密封的損失，而且過流部件壁面的粗糙程度對雙吸泵的性能也會有一定的影響。其差值都在可接受范圍內，且試驗結果和模擬結果均滿足性能設計指標的要求。

5? 結語

本文采用正交試驗的方法，通過對葉輪結構的優化，以滿足對效率和揚程的設計要求，選取最佳的水力模型。通過對數據及內部流場的分析，得出影響效率的主次因素，為以后的研究提供理論依據，并且雙吸泵內部流場流動的分布合理，也影響著外部性能參數的優良。最終選擇方案4為最佳的水力模型，作為樣機進行后續的試驗驗證。通過試驗驗證，方案4的水力模型試驗結果滿足性能設計指標的要求。

參考文獻

[1] 馮喆.離心泵葉輪內部流場模擬及其結構改進設計[J]. 機械設計與制造，2015，5（5）：16-20.

[2] 談明高，劉厚林，袁壽其，等.離心泵出口角對能量性影響的CFD研究[J].中國農村水利電， 2008（11）：104-106.

[3] 黃茜，袁壽其，張金鳳，等.葉片包角對高比轉數離心泵性能的影響[J].排灌機械工程學報，2016，9（9）：742-747.

[4] 梁潤東.雙吸離心泵葉片數及葉輪形式對泵性能影響的研究[D].蘭州理工大學，2014.

[5] 任露泉.回歸設計及其優化[M].北京：科學出版社，2009.