前伸式雙葉片環(huán)保用泵的正交優(yōu)化設(shè)計

宋冬梅，胡興濤，劉雪垠，陳小明，曾夢瑋，譚祺鈺

(1.四川省機械研究設(shè)計院(集團)有限公司，四川 成都 610063； 2.四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司， 四川 成都 611130； 3.西華大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

環(huán)保用泵主要包括離心泵、螺桿泵、深井泵等，但其效率低、壽命短、抗堵塞性差[1-3]。近年來，高效無堵塞的前伸式雙葉片環(huán)保用泵成為污水處理廠的關(guān)鍵設(shè)備之一。前伸式雙葉片環(huán)保用泵是一類用于抽送含有氣體、固體顆粒懸浮物或纖維狀懸浮物液體的新型高效無堵塞泵[4-8]，其葉片較常規(guī)葉片前伸較多，具有效率高、污水污物通過能力強等優(yōu)點，故在市政、環(huán)保、污水處理、礦山、輕工、造紙、化工、水利等行業(yè)有巨量需求。如污水處理和環(huán)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)中需要巨量抽送污水污物的葉片泵，在造紙工藝流程中需要大量的抽送紙漿的葉片泵等。前伸式雙葉片泵葉輪形狀特殊、內(nèi)部流動復(fù)雜，水力設(shè)計方法還不成熟[9-10]。因此，成為近年來國內(nèi)外的研究熱點。

正交試驗設(shè)計法是一種較為成熟的多因素多水平優(yōu)選法[11-12]，具有高效率、快速、經(jīng)濟等特點，可用于水泵設(shè)計中的多參數(shù)優(yōu)化。文獻[11-12]提出了一種前伸式雙葉片葉輪的設(shè)計方法，本文采用該方法對某典型的WQ400-14-30型前伸式雙葉片環(huán)保用泵進行初步水力設(shè)計，再采用正交試驗設(shè)計法對該泵進行研究。本文探索了葉輪主要幾何參數(shù)對泵性能的影響規(guī)律，從而設(shè)計出同時具有較高效率和抗堵塞性能好的泵，并將優(yōu)化模型進行樣機生產(chǎn)和試驗，驗證了該方法的可行性和準確性。

1 葉輪的水力設(shè)計

WQ400-14-30型前伸式雙葉片環(huán)保用泵的基本設(shè)計參數(shù)：流量Q=400m3/h，揚程H=14m，功率P=30 kW，轉(zhuǎn)速n=1 470 r/min。經(jīng)計算得，比轉(zhuǎn)速ns=247。參照文獻[11-12]葉輪水力設(shè)計方法初步確定：雙葉片葉輪輪轂直徑Dh=57.5 mm，葉輪出口寬度b2=86 mm，葉輪進口直徑Dj=180～220 mm，葉輪出口直徑D2=260～280 mm，葉片出口安放角β2b=15°～25°，葉片包角θ=220°～250°等幾何參數(shù)。前伸式雙葉片潛污泵水力如圖1所示。

圖1 前伸式雙葉片潛污泵水力示意Fig.1 Hydraulic schematic of forward-reaching double-blade submersible sewage pump

2 正交試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

本文以WQ400-14-30型雙葉片環(huán)保用泵為研究對象進行優(yōu)化，研究葉輪各幾何參數(shù)對泵性能(揚程、效率)的影響規(guī)律，并提出優(yōu)化設(shè)計方案[13-15]。

2.2 試驗因素和試驗方案

2.2.1 因素水平及正交設(shè)計

根據(jù)前伸式雙葉片環(huán)保用泵特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，取Dj、D2、β2b、θ為試驗因素[16-17]，具體見表1。

表1 試驗因素水平Tab.1 Orthogonal experimental factors

2.2.2 CFD數(shù)值模擬

用SolidWorks軟件對設(shè)計出的葉輪和蝸殼進行建模，所得葉輪三維模型如圖2所示。通過ICEM進行四面體網(wǎng)格劃分，并對9組設(shè)計方案下的環(huán)保用泵進行全流場數(shù)值計算，選擇時均N-S方程為基本控制方程、標準k-ε雙方程為湍流模型，通過壓力耦合方程組的半隱式方法(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)實現(xiàn)壓力、速度的耦合求解。在迭代過程中，當(dāng)收斂精度達到10-4且揚程、效率、軸功率等趨于平穩(wěn)，認為計算收斂[18-20]。

圖2 葉輪三維模型Fig.2 3D model of impeller

3 正交試驗結(jié)果與分析

按照L9(34)正交表進行前伸式雙葉片環(huán)保用泵的正交設(shè)計，對正交表中的9組試驗方案進行額定工況下的CFD計算，得到每組方案的揚程H、效率η和軸功率P(表2)。對9組方案進行的極差分析見表3。

表2 試驗方案及結(jié)果Tab.2 Test plan and results

表3 試驗結(jié)果分析Tab.3 Analysis of experiment results

從表3分析得到葉輪幾何參數(shù)對性能影響的主次順序，對揚程H的影響順序為：D2>β2b>Dj>θ；對效率η的影響順序為：D2>β2b>θ>Dj。水平對單個因素影響的順序見表2。

要提高泵的效率，就需要提高泵的揚程，同時降低軸功率。然而，泵的最高效率點會隨著額定揚程的增加向大流量工況偏移，不能滿足基本設(shè)計要求。綜合考慮高效率和較高揚程，最佳方案組合為A2B1C1D2。

4 樣機試驗與分析

按照GB/T 3216—2016《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗收試驗1級、2級和3級》，利用新達泵閥股份有限公司水泵測試試驗臺對設(shè)計出的前伸式雙葉片環(huán)保用泵樣機進行了性能試驗。

污水泵產(chǎn)品樣機和試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。試驗結(jié)果顯示，樣機在額定流量點的泵效率為75.15%，揚程為14.1 m。從圖4性能曲線還可以看出，該型泵高效區(qū)寬廣，最高效率點在額定流量點附近。數(shù)值模擬和樣機試驗結(jié)果基本吻合，驗證了該水力設(shè)計方法的準確性。

圖3 試驗樣機Fig.3 Model pump to be tested

圖4 數(shù)值模擬與樣機試驗值對比Fig.4 Comparison diagram between numerical simulation and prototype test result

5 結(jié)論

采用基于數(shù)值模擬的正交試驗設(shè)計方法，對影響環(huán)保用泵性能的關(guān)鍵幾何參數(shù)進行了分析，分析了前伸式雙葉片葉輪主要幾何參數(shù)對雙葉片泵效率、揚程的影響規(guī)律，并提出了優(yōu)化設(shè)計方案。

(1)葉輪出口直徑D2是影響前伸式雙葉片環(huán)保用泵效率、揚程的最大因素。

(2)數(shù)值模擬和樣機試驗結(jié)果基本吻合，驗證了數(shù)值模擬方法預(yù)測性能、正交試驗水力設(shè)計方法的準確性。

(3)本文基于數(shù)值模擬的正交試驗設(shè)計方法，為類似泵的水力設(shè)計提供了一種新的思路和參考。