基于离心泵参数优化设计及分析

颜成刚　夏美珍　林荣

摘 要：为了解决离心泵扬程短、功率小的问题，文章对离心泵的参数进行了优化分析，其中包括：离心叶轮CAD参数优化设计、内流参数优化设计以及响应曲面参数优化设计。优化设计为得到高性能运行稳定的离心泵研发提供了保证，也将会创造不可估计的社会效益和经济效益。

关键词：离心泵；优化设计；水断面；流体半径

引言

原有离心泵在设计结构上存有一定的缺陷因素，无论是在扬程方面还是在电机运行功率方面都难以达到实际要求。而现有模式中通过对离心泵参数的优化设计，不但解决了扬程短、功率小的缺陷，而且在离心泵叶轮设计结构上也有了一定的突破，提高了设备的运行效率。

1 离心泵叶片设计优化

近年来，国内针对离心泵叶片设计的研究有了一定的突破，其中针对叶片安放角、叶片数量以及叶片出口宽度等进行了优化设计分析，叶片安放角指的是叶轮叶片进口与出口之间的夹角，若出口与进口的夹角越大，运行时产生的流体压强便越大；设计优化过程中对叶片安放角采用极限最大值算法，数值取无穷大时，该极限值会趋于0；取0时，该极限值会趋于无穷大；取定某一值时，便会趋于一个特定的数值，该数值便为叶片安放角的角度，即 。

叶片数的优化设计需要根据叶轮的半径进行制定，假设在模拟过程中，设定叶轮半径维数变量为n，则在优化设计过程中需要进行2n次的流场计算，才能得到较为合理的叶数值。针对叶片出口宽度方面的优化设计，叶片宽度根据叶片包角和叶片数量进行选定，设定叶片的包角为&、比转数为ns、z为叶片数，一般包角&的取值在90-120°，比转数固定，根据参数代换便可求出叶片出口宽度。这种方案在现如今离心泵优化设计中较为普遍，并取得了较好的试验成果。

2 离心泵参数优化设计

2.1 离心叶轮CAD参数优化设计

离心叶轮CAD设计采用的是三维模式，但是由于传统设定的设计参数较为复杂，所以给叶轮流动结构的设计加大了难度。如图1所示，在叶轮流体半径设计中，通过改变外侧半径Rc以及流道中线的长度增大离心叶轮过水断面的面积F，但是随着长度L的增加，该面积便会趋于一定峰值。因此，在现有技术中一般通过改变叶轮前后的轴面曲线实现流道中线长度参数的变化，以此控制过水断面的面积。作者对前后轴面制定了参数方程，其中i为轴面流线的曲率，曲率越小叶轮轴体运行的压强便越大。n为离心叶轮控制曲线的阶数，f为离心泵曲面向径、u为离心叶轮动态参数。在对动态方程进行求解时，在求解过程中需要对动态方程进行导数进行分析，查看曲线的变化规律。求出一、二次变化方程为：

Gm（m）m=0=n（m1-m0），Gum（u）u=0=n（n-1）（m0-2m1+m2），得出一阶结果为C1和C2，二阶结果Q1和Q2。在分析CAD变化曲线时，（0，Q1）为上升阶段，（Q1，Q2）为下降阶段，（Q2，+∞）为上升阶段，便可得知在（0，Q1）与（Q1，Q2）曲线变化时，C1为曲线的最大值。（Q1，Q2）与（Q2，+∞）曲线变化时，C2为曲线的最小值。

2.2 离心泵内流参数优化设计

该优化设计类型运用了流体力学的优化设计类型，涡壳内流道处于截面内部，具体分布如图2所示，在优化内流参数中，需要对叶轮内流道及涡壳内流道的动量方程进行求解，分别求出不同状态下平均运动及脉动运动的参数值。经过动量方程转化，得出最后平均流动解析式，离心泵内流参数便可根据解析式进行相关数据的套用，完成内部参数的优化。

2.3 离心叶轮响应曲面参数优化设计

响应曲面参数的设计是优化离心叶轮的水利性能，从而提高设备的利用率。在原来的二维图形设计时，工程师难以计算曲面的测量值，造成叶轮水力结构布局不完善。在优化设计结构中，需要测量离心泵的轴向、叶片包角以及叶轮宽度，保证轴垂面与叶片之间处于同一平行线，叶片包角范围34-38°，上叶片与下叶片宽度差值±4cm，以利于捕捉轴面截线的中心。然后通过计算机三维立体模拟的方式，进行响应曲面的绘制，CAD制图系统自动计算轴截面与工作面之间的夹角。在优化旋转曲面求取交叉曲线的设计流程中，需要定位叶轮重心轮廓线的坐标，这样在优化结构中才能对叶轮的轴截面、轴垂面、工作面以及交叉单进行定位选取，提高离心叶轮的水利性能。

3 离心泵CAD结构组成模块

3.1 组成模块结构

离心泵CAD结构组成模块由三部分构成，分别是：叶轮水力结构模块、叶轮轴面内流道模块以及叶轮三维立体建模结构模块，离心泵叶轮水力结构模块涉及离心泵的扬程、运行功率、电机转速、水流量等。叶轮轴面内流道模块主要计算流道中线各点的坐标值，保证各个程序的运行处于稳定状态。叶轮三维立体建模结构模块，能够优化前后盖板的三维立体结构，完善立体旋转剖面图。

3.2 组成模块功能

叶轮水力结构模块主要功能是完成对流量、扬程、转数、叶轮进口直径、轴功率以及叶轮出口宽度的计算，若离心泵的扬程在200m，转子速率1300rad/min，叶轮进口直径为18cm，则配置的轴功率为11kW，叶轮出口宽度25cm。叶轮内流道模块能够设定中线各点的坐标值，设定的坐标值是以流道中线的端点为起始点。叶轮三维立体建模结构模块是通过数据排布阵列完成叶轮三维立体图的旋转。

4 结束语

通過对离心泵参数优化设计分析，这种参数优化设计结构不但降低了离心泵的故障率，而且还提高了设备的机械效率。这种CAD参数优化设计不单单适用于机械方面，在当今电子行业也具有广泛的应用，以此带动国内各个产业的经济发展。

参考文献

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