离心式长轴泵优化设计论文

1离心式长轴泵叶轮水力设计

根据500GJC-32.3×3型离心式长轴泵的运行要求，确定泵的主要参数，基于传统离心泵水力设计方法，初步确定叶轮几何参数.

2正交试验与数值计算

2.1试验因素及方案的确定

根据相关参考文献和研究经验[7-13]，选取叶轮参数中对离心式长轴泵的效率和扬程影响较大的因素作为优化对象，分别是：叶轮进口直径Dj、叶片数Z、叶片包角Φ、叶片出口安放角β2、叶片出口宽度b2、叶轮出口平均直径D2以及叶轮出口倾斜角γ。每个因素选择3个水平，选用L18（37）正交表进行优化设计。

2.2数值计算

基于设计参数，运用Pro/E软件对离心式长轴泵进行三维建模.

2.2.1计算域及网格运用ICEM软件对模型各部分水体进行非结构化网格划分，并进行网格无关性分析[14-16]，当叶轮网格数达到110万、导叶网格数达到140万以后，计算得到的泵效率相差小于0.12%，扬程变化不超过0.1%，故模型共需约900万个网格单元可满足计算要求，为减小计算量，正交计算针对单级全流场进行数值计算。

2.2.2计算方法及边界条件运用ANSYSCFX软件进行模拟，采用标准k-ε湍流模型，SIMPLEC算法。边界条件为：总压进口和质量流出口，壁面设置为无滑移边界条件，壁面粗糙度设置为12.5μm，计算精度为10-4。

2.3正交试验模拟结果及分析

2.3.1试验方案通过CFD数值模拟，得到18组正交试验的模拟结果。在设计流量点Qn=1958m3/h，各试验方案离心式长轴泵的扬程和效率计算。

2.3.2极差分析为了评价各因素不同水平对离心式长轴泵性能的影响，引入平均值，计算出各因素不同水平时模拟结果的平均值，以此来评价某一因素各水平的好坏；运用极差法分析各因素对离心式长轴泵性能影响的主次顺序，极差越大，表明该因素随水平的变化扬程和效率变化越大，为主要因素，即可得到最优方案。对离心式长轴泵设计时应该尽可能的提高其效率，同时也要满足设计扬程，当扬程低于工作所需扬程时离心式长轴泵不能满足运行要求；当扬程过高效率不变时，会增加轴功率，即增大配套电机功率和成本。因此各因素各水平是否合适的判断标准是：对于效率以额定点效率最高为最佳，对于扬程以额定点的扬程等于或略大于设计扬程为最佳。结合最终确定较优组合。A、B、C3个因素对效率和扬程的影响一致，其较优水平为A3B3C2。对于D因素（叶轮中间流线出口安放角β2），当β2为25°时，泵效率最高，也满足设计扬程，故取此值，即取D2。对于E因素（叶片出口宽度b2），当b2为75mm时，泵效率最高，也满足设计扬程，故取此值，即取E3。对于F因素（叶轮出口平均直径D2），当D2为545mm时，泵效率最高，但扬程小于设计扬程，当D2为550mm时，效率与最高效率相差仅为0.109，同时满足设计扬程，故取此值，即取F2。对于G因素（叶片出口倾斜角γ），当γ为25°时，泵效率最高，也满足设计扬程，故取此值，即取G2。综上所述，最终的较优组合是：A3B3C2D2E3F2G2，即Dj取345mm，Z取6个，Φ取105°，β2取25°,b2取75mm，D2取550mm，γ取25°。

3不等扬程优化

3.1不等扬程理论方法

基于正交试验结果，综合考虑各因素对扬程和效率影响的主次顺序，采用控制变量法，选择对泵性能有较大影响的参数进一步优化。忽略叶片数的影响，选择6叶片数，运用不等扬程设计理论对叶片出口安放角β2进一步优化设计，使该型离心式长轴泵能够在多个工况下安全高效地运行。基本思路：传统水力设计方法假设叶轮中每条流线没有差异，叶轮中各流线的滑移系数μ相同，实际叶轮中每条流线存在差异，各流线的滑移系数μ不相同，各流线有限叶片理论扬程Ht不相同。然而在叶轮水力设计时，只有当各流线有限叶片理论扬程Ht相等时，所产生的水力损失最小。根据上述理论，基于无限叶片理论扬程Ht∞不等，通过修改叶轮几何参数，以调整滑移系数，使叶轮有限叶片理论扬程Ht相等。基本方法：将离心泵叶轮分为3条流线来设计，假设叶片出口处的无穷叶片数理论扬程Ht∞呈直线形分布，结合产品实际运行工况，要求离心式长轴泵能够在额定工况和偏大流量工况长期高效稳定运行。考虑到大流量时，前盖板做功能力弱于后盖板做功能力。

3.2数值计算及结果分析

对不同情况进行数值计算：随着λ的增加，各流量点下泵的扬程均有所增加，但增加趋势不同。当λ一定时，随着流量的减小，扬程变化率减小。当Q≥0.9Qn时，各流量下扬程变化率ΔH/H随着λ的增加先减小后增加，在λ=1.15时，扬程变化率最小；当Q＜0.9Qn时，随着流量的减小，不同λ下的扬程变化率趋于一致，其变化曲线近似一条水平线。这主要是由于选取较大的λ，增大了β2b，在β2a不变的情况下，增加了β2m，使得扬程增加；而在大流量时，后盖板做功能力强于前盖板，增大λ，即增大了后盖板的做功能力，从而使得扬程有以上变化规律。基于不等扬程方法优化设计的叶轮，在各个工况下其效率均高于常规方法所设计的叶轮，在大流量时尤为明显。采用常规方法设计的叶轮最高效率出现在1.1Qn，随着λ的增加，高效点向大流量偏移，当λ≥1.15时，高效点偏移至1.2Qn。当Q＜0.9Qn时，不同λ下，各流量工况的效率基本相同；当Q≥0.9Qn时，随着λ的增加，各流量工况的效率均有所变化但变化趋势不同，当λ＜1.15，随着λ的增加，各流量工况的效率增加，增加趋势逐渐减小；当λ=1.15，各流量工况效率达到最高，但在1.4Qn时，其效率出现陡降趋势；当λ＞1.15，随着λ的增加，各流量工况的效率开始下降，且流量越大效率下降较快，高效区逐渐变窄，这主要是由于选取过大的λ，虽增加了叶轮后盖板的工作能力，但是过大的增加了β2b，在叶轮出口出现紊流，同时过大的增加了β2，使得叶轮出口绝对速度v2增加，v2增加，动扬程增大，液体在叶轮和导叶中的水力损失增加，从而使得效率下降。基于不等扬程设计的叶轮，其轴功率均高于常规方法设计的叶轮，且随着λ的增加，轴功率逐渐增加。当λ≤1.1时，在Q＜1.4Qn范围内（该泵的运行范围为（0.8～1.4）Qn），轴功率曲线均出现最大值，有无过载特性；当λ＞1.1时,轴功率曲线随着λ的增加出现陡增趋势，且随着流量的增加这种陡增趋势越明显，在大流量下容易出现过载现象。综上可知：基于不等扬程理论优化设计的叶轮具有较好的水力性能，选择适当后盖板扬程系数λ，可使叶轮水力性能趋于最佳。对于该型离心式长轴泵叶轮当λ取1.1时，水力性能较优。

4优化方案的流场分析及试验验证

根据优化参数建立叶轮，以及相关过流部件的三维模型。对离心式长轴泵在（0.5～1.4）Qn工况下进行三级全流场数值模拟。作为性能预测的基础，取0.8Qn、1.0Qn、1.2Qn3个工况进行分析，为最优方案的不同工况下叶轮流道内速度矢量分布，为不同工况下离心式长轴泵中间截面静压分布。可以看出：液体从叶轮获得能量后进入导叶，经过导叶的导流扩压作用，其压力进一步增加，同时进入下一级叶轮。3个不同流量工况下液体压力从叶轮进口到出口逐渐升高，整个流道内未出现局部高压区域；液体在叶轮流道内流速及流线分布均匀，均未出现漩涡，偏小流量时叶轮出口流速分布不均匀，靠近叶片压力面以及吸力面流速高，随着流量增大这种不均匀性逐渐消失，有利于泵在大流量高效运行。通过试验数据可知，优化后500GJC-32.3×3型离心式长轴泵在Q=2089.88m3/h时，最高效率η=83.22%，H=93.23m，且当Q=1968.25m3/h时，η=82.57%，H=97.78m，因此，该泵可在丰水期和枯水期高效运行。同时其大流量时具有无过载特性，当Q=2248.07m3/h时，轴功率最大P=642.09kW，η=82.76%，H=86.81m，在满足生产需求的条件下，综合考虑安全与成本投入，可将配套电机功率降低至670kW，从而降低了一次投入。由上可知，该泵满足设计要求。

5结论

为使离心式长轴泵能够在不同工况下高效运行，该文以500GJC-32.3×3型离心式长轴泵为例，对其进行了优化，得到以下结论。

1）根据传统方法估算离心式长轴泵叶轮参数，通过正交试验方法对叶轮参数进行初步了优化，并对正交试验结果进行极差分析，得到了各参数对离心式长轴泵扬程和效率影响的主次顺序。

2）综合考虑各参数对离心式长轴泵性能的影响，选取重要因素，基于不等扬程设计理论，采用控制变量法对叶轮进行多方案优化设计，并对各方案进行了数值模拟，对比模拟结果发现，基于不等扬程理论优化设计的叶轮具有较好的水力性能，选择适当后盖板扬程系数λ，可使叶轮水力性能趋于最佳。对于该型离心式长轴泵叶轮当λ取1.1时，离心式长轴泵水力性能较优。

3）通过上述优化得到了一组较佳的叶轮参数组合，根据较优参数建立三维模型，采用数值计算方法对离心式长轴泵的三级全流场进行模拟计算，对比试验与计算结果，二者变化趋势相同，扬程、效率、轴功率的最大误差分别为4.02%、5.58%、3.59%，在（0.8～1.2）Qn工况下，扬程、效率、轴功率的误差相对小。同时由试验数据可知：在设计流量点时扬程大于97m，效率高于82%，最高效率点出现在1.1Qn附近为83.22%，扬程为93.23m满足枯水期运行条件，同时具有较宽的高效区和无过载特性。因此，该泵能够满足设计要求，在丰水期和枯水期均能高效稳定的运行，同时降低了电机配套功率，减少了一次成本投入。

作者：朱荣生 贺博 付强 王秀礼 张亮亮 单位：江苏大学流体机械工程技术研究中心 江苏国泉泵业制造有限公司