基于離心泵參數(shù)優(yōu)化設(shè)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(shù)進行了優(yōu)化分析，其中包括：離心葉輪CAD參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、內(nèi)流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計以及響應(yīng)曲面參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計為得到高性能運行穩(wěn)定的離心泵研發(fā)提供了保證，也將會創(chuàng)造不可估計的社會效益和經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：離心泵；優(yōu)化設(shè)計；水斷面；流體半徑

引言

原有離心泵在設(shè)計結(jié)構(gòu)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(xiàn)有模式中通過對離心泵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，不但解決了揚程短、功率小的缺陷，而且在離心泵葉輪設(shè)計結(jié)構(gòu)上也有了一定的突破，提高了設(shè)備的運行效率。

1 離心泵葉片設(shè)計優(yōu)化

近年來，國內(nèi)針對離心泵葉片設(shè)計的研究有了一定的突破，其中針對葉片安放角、葉片數(shù)量以及葉片出口寬度等進行了優(yōu)化設(shè)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(chǎn)生的流體壓強便越大；設(shè)計優(yōu)化過程中對葉片安放角采用極限最大值算法，數(shù)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(shù)值，該數(shù)值便為葉片安放角的角度，即 。

葉片數(shù)的優(yōu)化設(shè)計需要根據(jù)葉輪的半徑進行制定，假設(shè)在模擬過程中，設(shè)定葉輪半徑維數(shù)變量為n，則在優(yōu)化設(shè)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(shù)值。針對葉片出口寬度方面的優(yōu)化設(shè)計，葉片寬度根據(jù)葉片包角和葉片數(shù)量進行選定，設(shè)定葉片的包角為&、比轉(zhuǎn)數(shù)為ns、z為葉片數(shù)，一般包角&的取值在90-120°，比轉(zhuǎn)數(shù)固定，根據(jù)參數(shù)代換便可求出葉片出口寬度。這種方案在現(xiàn)如今離心泵優(yōu)化設(shè)計中較為普遍，并取得了較好的試驗成果。

2 離心泵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

2.1 離心葉輪CAD參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

離心葉輪CAD設(shè)計采用的是三維模式，但是由于傳統(tǒng)設(shè)定的設(shè)計參數(shù)較為復(fù)雜，所以給葉輪流動結(jié)構(gòu)的設(shè)計加大了難度。如圖1所示，在葉輪流體半徑設(shè)計中，通過改變外側(cè)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(xiàn)有技術(shù)中一般通過改變?nèi)~輪前后的軸面曲線實現(xiàn)流道中線長度參數(shù)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(shù)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(shù)，f為離心泵曲面向徑、u為離心葉輪動態(tài)參數(shù)。在對動態(tài)方程進行求解時，在求解過程中需要對動態(tài)方程進行導(dǎo)數(shù)進行分析，查看曲線的變化規(guī)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(jié)果為C1和C2，二階結(jié)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(nèi)流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

該優(yōu)化設(shè)計類型運用了流體力學(xué)的優(yōu)化設(shè)計類型，渦殼內(nèi)流道處于截面內(nèi)部，具體分布如圖2所示，在優(yōu)化內(nèi)流參數(shù)中，需要對葉輪內(nèi)流道及渦殼內(nèi)流道的動量方程進行求解，分別求出不同狀態(tài)下平均運動及脈動運動的參數(shù)值。經(jīng)過動量方程轉(zhuǎn)化，得出最后平均流動解析式，離心泵內(nèi)流參數(shù)便可根據(jù)解析式進行相關(guān)數(shù)據(jù)的套用，完成內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化。

2.3 離心葉輪響應(yīng)曲面參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

響應(yīng)曲面參數(shù)的設(shè)計是優(yōu)化離心葉輪的水利性能，從而提高設(shè)備的利用率。在原來的二維圖形設(shè)計時，工程師難以計算曲面的測量值，造成葉輪水力結(jié)構(gòu)布局不完善。在優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)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(yīng)曲面的繪制，CAD制圖系統(tǒng)自動計算軸截面與工作面之間的夾角。在優(yōu)化旋轉(zhuǎn)曲面求取交叉曲線的設(shè)計流程中，需要定位葉輪重心輪廓線的坐標，這樣在優(yōu)化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)組成模塊

3.1 組成模塊結(jié)構(gòu)

離心泵CAD結(jié)構(gòu)組成模塊由三部分構(gòu)成，分別是：葉輪水力結(jié)構(gòu)模塊、葉輪軸面內(nèi)流道模塊以及葉輪三維立體建模結(jié)構(gòu)模塊，離心泵葉輪水力結(jié)構(gòu)模塊涉及離心泵的揚程、運行功率、電機轉(zhuǎn)速、水流量等。葉輪軸面內(nèi)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(wěn)定狀態(tài)。葉輪三維立體建模結(jié)構(gòu)模塊，能夠優(yōu)化前后蓋板的三維立體結(jié)構(gòu)，完善立體旋轉(zhuǎn)剖面圖。

3.2 組成模塊功能

葉輪水力結(jié)構(gòu)模塊主要功能是完成對流量、揚程、轉(zhuǎn)數(shù)、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(zhuǎn)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(nèi)流道模塊能夠設(shè)定中線各點的坐標值，設(shè)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(jié)構(gòu)模塊是通過數(shù)據(jù)排布陣列完成葉輪三維立體圖的旋轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語

通過對離心泵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計分析，這種參數(shù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)不但降低了離心泵的故障率，而且還提高了設(shè)備的機械效率。這種CAD參數(shù)優(yōu)化設(shè)計不單單適用于機械方面，在當今電子行業(yè)也具有廣泛的應(yīng)用，以此帶動國內(nèi)各個產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展。

參考文獻

[1]張人會，楊軍虎.基于曲面迭代的離心泵數(shù)值葉片模型[J].機械工程學(xué)報，2006，42（10）：70-72.

[2]鐘紹湘.離心泵葉輪圓弧形軸面流線分點方法[J].流體機械，2007，37（23）：19-20.

[3]姜小放.離心泵渦殼和葉輪的網(wǎng)格劃分[J].煤礦機械，2010，31（8）：14-15.

[4]王福軍.現(xiàn)代CAD的技術(shù)特點與水泵CAD[J].水泵技術(shù)，2008，13（76）：55-56.