離心式長軸泵優(yōu)化設(shè)計論文

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1離心式長軸泵葉輪水力設(shè)計

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

2正交試驗與數(shù)值計算

2.1試驗因素及方案的確定

根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)和研究經(jīng)驗[7-13]，選取葉輪參數(shù)中對離心式長軸泵的效率和揚程影響較大的因素作為優(yōu)化對象，分別是：葉輪進口直徑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。每個因素選擇3個水平，選用L18（37）正交表進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2數(shù)值計算

基于設(shè)計參數(shù)，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(wǎng)格運用ICEM軟件對模型各部分水體進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并進行網(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(wǎng)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，SIMPLEC算法。邊界條件為：總壓進口和質(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，計算精度為10-4。

2.3正交試驗?zāi)M結(jié)果及分析

2.3.1試驗方案通過CFD數(shù)值模擬，得到18組正交試驗的模擬結(jié)果。在設(shè)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(jié)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(yōu)方案。對離心式長軸泵設(shè)計時應(yīng)該盡可能的提高其效率，同時也要滿足設(shè)計揚程，當(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計揚程為最佳。結(jié)合最終確定較優(yōu)組合。A、B、C3個因素對效率和揚程的影響一致，其較優(yōu)水平為A3B3C2。對于D因素（葉輪中間流線出口安放角β2），當(dāng)β2為25°時，泵效率最高，也滿足設(shè)計揚程，故取此值，即取D2。對于E因素（葉片出口寬度b2），當(dāng)b2為75mm時，泵效率最高，也滿足設(shè)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(dāng)D2為545mm時，泵效率最高，但揚程小于設(shè)計揚程，當(dāng)D2為550mm時，效率與最高效率相差僅為0.109，同時滿足設(shè)計揚程，故取此值，即取F2。對于G因素（葉片出口傾斜角γ），當(dāng)γ為25°時，泵效率最高，也滿足設(shè)計揚程，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，Φ取105°，β2取25°,b2取75mm，D2取550mm，γ取25°。

3不等揚程優(yōu)化

3.1不等揚程理論方法

基于正交試驗結(jié)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(shù)進一步優(yōu)化。忽略葉片數(shù)的影響，選擇6葉片數(shù)，運用不等揚程設(shè)計理論對葉片出口安放角β2進一步優(yōu)化設(shè)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?；舅悸罚簜鹘y(tǒng)水力設(shè)計方法假設(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程Ht不相同。然而在葉輪水力設(shè)計時，只有當(dāng)各流線有限葉片理論揚程Ht相等時，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程Ht相等?；痉椒ǎ簩㈦x心泵葉輪分為3條流線來設(shè)計，假設(shè)葉片出口處的無窮葉片數(shù)理論揚程Ht∞呈直線形分布，結(jié)合產(chǎn)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(wěn)定運行?？紤]到大流量時，前蓋板做功能力弱于后蓋板做功能力。

3.2數(shù)值計算及結(jié)果分析

對不同情況進行數(shù)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(dāng)λ一定時，隨著流量的減小，揚程變化率減小。當(dāng)Q≥0.9Qn時，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，揚程變化率最??；當(dāng)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(guī)律?；诓坏葥P程方法優(yōu)化設(shè)計的葉輪，在各個工況下其效率均高于常規(guī)方法所設(shè)計的葉輪，在大流量時尤為明顯。采用常規(guī)方法設(shè)計的葉輪最高效率出現(xiàn)在1.1Qn，隨著λ的增加，高效點向大流量偏移，當(dāng)λ≥1.15時，高效點偏移至1.2Qn。當(dāng)Q＜0.9Qn時，不同λ下，各流量工況的效率基本相同；當(dāng)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(dāng)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??；當(dāng)λ=1.15，各流量工況效率達(dá)到最高，但在1.4Qn時，其效率出現(xiàn)陡降趨勢；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(dǎo)葉中的水力損失增加，從而使得效率下降?；诓坏葥P程設(shè)計的葉輪，其軸功率均高于常規(guī)方法設(shè)計的葉輪，且隨著λ的增加，軸功率逐漸增加。當(dāng)λ≤1.1時，在Q＜1.4Qn范圍內(nèi)（該泵的運行范圍為（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,軸功率曲線隨著λ的增加出現(xiàn)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(xiàn)過載現(xiàn)象。綜上可知：基于不等揚程理論優(yōu)化設(shè)計的葉輪具有較好的水力性能，選擇適當(dāng)后蓋板揚程系數(shù)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(dāng)λ取1.1時，水力性能較優(yōu)。

4優(yōu)化方案的流場分析及試驗驗證

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。對離心式長軸泵在（0.5～1.4）Qn工況下進行三級全流場數(shù)值模擬。作為性能預(yù)測的基礎(chǔ)，取0.8Qn、1.0Qn、1.2Qn3個工況進行分析，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(dǎo)葉，經(jīng)過導(dǎo)葉的導(dǎo)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(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(shù)據(jù)可知，優(yōu)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(dāng)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(dāng)Q=2248.07m3/h時，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)計要求。

5結(jié)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(yōu)化，得到以下結(jié)論。

1）根據(jù)傳統(tǒng)方法估算離心式長軸泵葉輪參數(shù)，通過正交試驗方法對葉輪參數(shù)進行初步了優(yōu)化，并對正交試驗結(jié)果進行極差分析，得到了各參數(shù)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(shù)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(shè)計理論，采用控制變量法對葉輪進行多方案優(yōu)化設(shè)計，并對各方案進行了數(shù)值模擬，對比模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于不等揚程理論優(yōu)化設(shè)計的葉輪具有較好的水力性能，選擇適當(dāng)后蓋板揚程系數(shù)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(dāng)λ取1.1時，離心式長軸泵水力性能較優(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(jié)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(shù)據(jù)可知：在設(shè)計流量點時揚程大于97m，效率高于82%，最高效率點出現(xiàn)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(qū)和無過載特性。因此，該泵能夠滿足設(shè)計要求，在豐水期和枯水期均能高效穩(wěn)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(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心 江蘇國泉泵業(yè)制造有限公司