多級離心泵葉輪葉片刃口設計驗證及應用

蔣雄強

（南方泵業股份有限公司，浙江 杭州 310000）

水泵是應用最廣的通用機械，與人們的生活息息相關，但又是耗電耗能大戶，每年要消耗全球約10%的能源，因而提高泵本身的效率和泵的使用效率對節約能源至關重要。國內水泵目前在質量上與國外同類產品仍存在著不小的差距。隨著生產、生活和科技水平的不斷提高，要求泵具有較高的綜合性能，然而綜合性能較高的泵在我國尚屬空白，主要依靠進口，這樣使得國內很多企業只能用不夠理想的泵維持生產，這樣既限制了工業水平的提升，又造成了能源的浪費，這種差距直接削弱了國內水泵產品的競爭力，一般國內水泵設備的價格只有同類進口設備的50%左右，而備品配件的價格差異更大。國內廠商要提高自身的生產力與競爭力，首要任務就是在提高水泵效率上做文章，而水泵存在機械損失、容積損失、水力損失，降低容積及水力損失需要設計從業人員擁有豐富的水泵理論基礎進行大量的模擬分析及計算，機械損失可以較簡單地借鑒國外同類產品的尺寸配合公差、過流部件中的沿程損失等設計。

1 性能模擬分析

2019 年南方泵業股份有限公司研究院產品部在對格蘭富水泵進行常規的競品分析時發現，葉輪葉片的進水口處均做了葉片刃口處理。離心泵是指靠葉輪旋轉時產生的離心力來輸送液體的一種葉片泵，依靠旋轉的葉輪在旋轉過程中，由于葉片和液體的相互作用，葉片將機械能傳給液體，使液體的壓力能增加，達到輸送液體的目的，即是利用葉輪旋轉而使水發生離心運動來工作的。其中，葉輪是水泵的核心部件，是工作效率的主要影響因素，推測其設計的初衷為增強進口過流能力，改善汽蝕，減少水利損失，提高效率，即降低流體在葉輪的沿程損失。近年來，隨著計算機硬件技術及軟件技術的進步，計算流體動力學技術得到了快速的發展，計算流體動力學（CFD）與理論分析和實驗研究一起成為流體機械內部復雜流動研究的三種主要手段[1]。工程實踐證明，采用CFD 技術可以較為準確地預測離心泵的揚程和效率，并且能夠描述水泵流道內部的大尺度流道結構。為了探究刃口設計的具體優勢及水力性能的提升量，以型號CDM125-3 為原型機，依托深度合作的西班牙設計公司，運用CFD 水力模擬分析軟件進行模擬水力測算，模擬數據如表1 所示。

表1 模擬分析數據表

通過模擬分析，同等條件下刃口葉輪的泵效率預計提升1%~3%。

為了驗證模擬數據的準確性，縮短產品的開發周期，故采用3D 打印葉輪進行原型機測試。3D 打印即快速成型技術的一種[2]，又稱增材制造，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。借助3D 打印技術，制造產品不再需要設計或制造昂貴的模具，設計者的創意可以直接通過3D 打印機成為現實，極大地減少了成本和時間，本次采用進口樹脂，打印精度等級為100 mm±0.1，進行葉輪的3D 打印測試，樣機測試數據如表2所示。

表2 樣機測試結果

考慮打印葉輪的流道粗糙度較差，葉輪表面粗糙度Ra實際測量值為1.6，按照以往生產工藝經驗，不銹鋼板的表面粗糙度Ra值僅為0.2，沖壓件葉輪的流道粗糙度更好，水力性能更優，決定直接開展工業化設計，進行樣機的制作。

2 工藝設計驗證

2.1 葉片工藝分析驗證

現有多級離心泵葉輪葉片前后端為直角邊，為取得刃口葉輪葉片可采用兩種加工工藝模式，方案一為焊接葉輪數控加工，方案二為單葉片沖壓成型過程中的刃口壓扁化，對兩種方案進行了QCD（質量、成本、交付期）分析[3]，初步評估對比后優選方案二。

2.2 可行性分析驗證

沖壓模具采用簡單沖裁模，因CDM125 葉片為雙曲面設計，葉片為過流部件，對工作面的尺寸要求高，故需采用導柱式簡單沖裁模，模具準確可靠，能保證沖裁間隙的均勻，沖裁的工件精度較高，模具使用壽命長，而且在沖床上安裝使用方便。

對方案二單葉片沖壓成型刃口化展開驗證，根據現有葉片的沖壓工藝流程：a.剪板→b.落料→c.成型三道工序進行可行性分析，存在壓扁工序的工藝流程布局選擇問題，因分析CDM125 葉輪葉片為雙曲面扭轉葉片且考慮到沖壓過程中會產生不可避免的回彈，成型后進行葉片壓扁刃口化屬于沖壓的二次成型。雖然二次成型時會使葉輪葉片的最終形態更加穩定，但是對壓扁模具的加工精度及定位設計要求更高，考慮工廠現有的生產模式及成本投入，經研討及評審決定優選落料后進行葉片壓扁。

2.3 焊接定位分析驗證

葉輪焊接工藝流程：葉片定位→后蓋壓緊定位→焊接，焊接工裝的定位設計涉及出水口高度、葉片內外徑等重要過流部件的尺寸，考慮到葉片一端已經壓扁刃口化無法進行有效的定位，需對焊接工裝重新進行定位分析，原則上采用321 定位法則[4]來確認焊接工裝的定位設計是否合理。因葉輪葉片為扭曲葉片且需考慮焊接作業時的裝卸效率，故葉片擺放無法定位精準，對后蓋板壓緊工序進行定位補償，原有工裝增加葉片外徑及出水高度限位尺寸定位。

焊接工藝是葉輪成型的最終工藝，焊接前首先要選取合適的焊接方法，這關系到焊接后葉輪的表面質量、流道光滑度及焊接位置的強度。制作不銹鋼沖壓泵葉片所用的不銹鋼板的厚度較小，焊接時容易產生變形，為了使葉片焊接設計一致性高，需考慮焊接過程變量。因葉片設計雙曲面與蓋板貼合，弧形貼合一致性要求高，當葉輪葉片與后蓋板間存在間隙時，葉輪內易形成二次回流，造成泵內較大的水力損失，且間隙值越大，水力損失也越大。隨著葉輪葉片與后蓋板間間隙值的增大，葉輪出口到導葉出口的整體靜壓值不斷下降，葉輪的增壓作用下降，沖壓泵的單級揚程和效率急劇下降。當間隙值為1 mm左右時，揚程和效率下降幅度最大，所以應提高沖壓成型的精度，減小焊接間隙或采用激光焊接代替點焊接。采用激光的方式進行熔接焊接，焊接成品的精度要求高，需選擇合適的工藝參數，如功率密度、激光脈沖波形、離焦量、焊接速度等[5]，且考慮到葉片分布結構需保持對稱，應選擇對稱焊法，焊縫相對集中，可通過跳焊法來解決集中受熱的問題，長焊縫的長度超過80 mm，選擇分段焊接的方式，保證葉輪焊接成品的一致性。

321 定位法則簡單說明即是6 點定位，3 點定平面（如XY平面），2點定線（如X軸），1點定點（如原點）。定了XY平面，再定X軸，則可確定Y軸，Z軸自動確定，再定原點（X、Y、Z軸的O點），即可確定坐標系。

3 工業化設計

3.1 葉片沖壓開模

葉輪葉片成型過程中不可避免會產生沖壓回彈[6]，指不銹鋼板料在力的作用下產生變形，當壓力釋放時所產生的還原或近還原狀態的物理變化。當代汽車和現代模具設計制造技術都表明，模具的設計制造離不開有效的板成形模擬軟件，開發與模具制造都要借助于一種或幾種板成形模擬軟件來提高其成功率和確保模具制造周期。本次葉片沖壓開模運用AutoForm 軟件進行動態分析[7]，其不需要大的硬件投資及資深模擬分析專家，高質量的結果亦能很快用來評估，在縮短產品和模具的開發驗證時間、降低產品開發和模具成本、提高產品質量上效果顯著，為沖壓成型的評估提供了量的概念，其偏移功能很快地從凸模（或凹模）生成凹模（或凸模），更能很方便地定義修邊輪廓等功能曲線。

實際生產應用過程中，因板料的厚薄不一，工廠內部不銹鋼鋼板偏差達到了0.1 mm 的偏差，以理論設計的模具進行初次沖壓生產，根據葉輪葉片的掃描結果進行修模微調，保證葉片成品尺寸與設計要求偏差﹤0.2 mm。

3.2 葉片展開圖修改

葉片的展開圖分為兩種情況：如果是直葉片，相對來說比較簡單，用投影法就能完成；而本次驗證的葉片為扭曲葉片，運用UG 及SolidWorks 軟件對三維葉片進行展開圖的繪制。因沖壓過程中板料的厚薄不一，其延伸狀態不穩定，葉片在進行彎曲時，材料同時發生彈性變形與塑性變形，很難獲取準確的葉片形狀，導致葉片成型后與后蓋板為點線式分段接觸。如果葉片與后蓋板存在間隙，葉輪內容易形成二次回流，造成泵內較大的水力損失，其設計要求葉輪葉片與后蓋板為連續面接觸，除了靠模具來保證外，可通過紅丹法確認接觸位置，通過反復對比修改，完成葉片展開圖的定型。

3.3 激光焊接調試

激光從20 世紀60 年代開始在焊接領域得到應用，最初在航天航空及汽車領域應用較多。近年來，國外一些大型水泵生產公司開始把激光焊接應用到水泵生產中，并取得了良好的效果，運用Fanuc 焊接機器人編程軟件對已定位葉片進行激光走徑初步的繪制，對其實施焊接后，需根據焊接結果人為調整工藝參數及激光走徑。

4 測試對比

4.1 尺寸量測

同批次板材以壓扁工序為唯一變量進行葉片沖壓及葉輪焊接，量測數據如表3所示。

表3 葉輪量測數據表

量測數據符合圖紙設計要求，且常規葉輪與刃口葉輪尺寸誤差小，葉片壓扁對整體葉輪組焊成型影響小。

4.2 掃描分析

常規尺寸量測無法探測葉輪內部流道結構、葉片弧形及出水口角度等，采用三維掃描進行再次分析。因焊接工裝為同一個且尺寸量測分析誤差小，故只掃描刃口葉輪半成品，運用Geomagic 軟件[8]進行設計尺寸確認。

4.2.1 葉片弧形

沖壓泵的葉輪葉片分為兩種：直葉片和扭曲葉片，在額定流量較小時大多設計成直葉片，在額定流量較大時一般設計成扭曲葉片，扭曲葉片相對比較復雜，對水泵的性能影響大，成型困難且檢測難度高。

4.2.2 出水口角度

葉片出口角度是離心泵葉輪的重要幾何參數之一，對泵的揚程、效率以及性能曲線形狀等都有比較重要的影響[9]。

掃描結果分析葉片弧形偏差﹤0.1 mm，出水口角度偏差﹤1.5°，符合圖紙設計要求。

4.3 裝配一致性分析

裝配過程中，只進行變量葉輪的更換，不涉及其他零件的一致性要求，但是需要管控裝配過程中部分參數：1）葉輪的軸向高度，增加泵軸定位工裝，保證葉輪裝配過程中的軸向位置偏移﹤0.1 mm；2）增加定扭數顯扳手，規范葉輪螺母、拉帶及拉桿的鎖付扭力值，提高裝配過程一致性。

4.4 測試對比

經尺寸量測及掃描分析，確認常規葉輪與刃口葉輪除葉片壓扁刃口化外，其余零部件尺寸均在合格范圍內且誤差小，可進行單因素變量測試對比分析，性能測試對比數據如表4所示。

試驗結果驗證確認了刃口化葉片對水泵的水力性能有良好的提升作用，滿足同等條件下刃口葉輪的泵效率預計提升1%~3%的模擬。

4.5 測試誤差分析

能量性能試驗和汽蝕性能試驗是水泵性能測試中最基本也最重要的兩個試驗。能量性能試驗是為了確定泵的揚程、軸功率、效率與流量之間的關系；汽蝕性能試驗主要是為了確定泵的汽蝕余量。測試臺因溫度、水質及電纜損耗等一些原因，可能存在測試誤差，為了能更好地確認測試臺測試數據的準確性，通過對比公司內部量產成熟產品的復測數據進行分析。經過驗證，測試臺測試結果的誤差基本可以忽略不計，符合國標GB/T 3216—2016 中的1 級精度要求。

5 結語

近年來，碳達標、碳中和、碳達峰等一些節能減排術語時常出現，汽車行業已經率先開始了碳配額[10]，為了應對日后更加嚴苛的排放要求，提高泵本身的效率及泵的使用效率已經刻不容緩。通過本次多級離心泵葉輪葉片刃口設計驗證及應用，提高了多級離心水泵的運行效率。本次測試結果表明，對比同批次的普通葉輪性能測試，刃口葉輪泵效率提升1.53%，如果將全國總發電量的20%記為泵的耗電量，泵效率每提高1%，就相當于每年多建一座裝機容量為60 萬kW 的發電廠。本次研究在設計階段運用新技術縮短開發周期，并且在工業化階段利用新工藝方法解決了沖壓、焊接問題，確認了葉輪葉片刃口化的量產可行性。作為泵設計制造從業人員，應本著大膽假設小心求證的精神，不放過任一微小的效率損失，努力提升國內水泵在國際市場的競爭力。