前伸式双叶片环保用泵的正交优化设计

宋冬梅，胡兴涛，刘雪垠，陈小明，曾梦玮，谭祺钰

(1.四川省机械研究设计院(集团)有限公司，四川 成都 610063； 2.四川航天烽火伺服控制技术有限公司， 四川 成都 611130； 3.西华大学 能源与动力工程学院，四川 成都 610039)

环保用泵主要包括离心泵、螺杆泵、深井泵等，但其效率低、寿命短、抗堵塞性差[1-3]。近年来，高效无堵塞的前伸式双叶片环保用泵成为污水处理厂的关键设备之一。前伸式双叶片环保用泵是一类用于抽送含有气体、固体颗粒悬浮物或纤维状悬浮物液体的新型高效无堵塞泵[4-8]，其叶片较常规叶片前伸较多，具有效率高、污水污物通过能力强等优点，故在市政、环保、污水处理、矿山、轻工、造纸、化工、水利等行业有巨量需求。如污水处理和环保基础设施建设中需要巨量抽送污水污物的叶片泵，在造纸工艺流程中需要大量的抽送纸浆的叶片泵等。前伸式双叶片泵叶轮形状特殊、内部流动复杂，水力设计方法还不成熟[9-10]。因此，成为近年来国内外的研究热点。

正交试验设计法是一种较为成熟的多因素多水平优选法[11-12]，具有高效率、快速、经济等特点，可用于水泵设计中的多参数优化。文献[11-12]提出了一种前伸式双叶片叶轮的设计方法，本文采用该方法对某典型的WQ400-14-30型前伸式双叶片环保用泵进行初步水力设计，再采用正交试验设计法对该泵进行研究。本文探索了叶轮主要几何参数对泵性能的影响规律，从而设计出同时具有较高效率和抗堵塞性能好的泵，并将优化模型进行样机生产和试验，验证了该方法的可行性和准确性。

1 叶轮的水力设计

WQ400-14-30型前伸式双叶片环保用泵的基本设计参数：流量Q=400m3/h，扬程H=14m，功率P=30 kW，转速n=1 470 r/min。经计算得，比转速ns=247。参照文献[11-12]叶轮水力设计方法初步确定：双叶片叶轮轮毂直径Dh=57.5 mm，叶轮出口宽度b2=86 mm，叶轮进口直径Dj=180～220 mm，叶轮出口直径D2=260～280 mm，叶片出口安放角β2b=15°～25°，叶片包角θ=220°～250°等几何参数。前伸式双叶片潜污泵水力如图1所示。

图1 前伸式双叶片潜污泵水力示意Fig.1 Hydraulic schematic of forward-reaching double-blade submersible sewage pump

2 正交试验

2.1 试验目的

本文以WQ400-14-30型双叶片环保用泵为研究对象进行优化，研究叶轮各几何参数对泵性能(扬程、效率)的影响规律，并提出优化设计方案[13-15]。

2.2 试验因素和试验方案

2.2.1 因素水平及正交设计

根据前伸式双叶片环保用泵特殊的结构设计要求，取Dj、D2、β2b、θ为试验因素[16-17]，具体见表1。

表1 试验因素水平Tab.1 Orthogonal experimental factors

2.2.2 CFD数值模拟

用SolidWorks软件对设计出的叶轮和蜗壳进行建模，所得叶轮三维模型如图2所示。通过ICEM进行四面体网格划分，并对9组设计方案下的环保用泵进行全流场数值计算，选择时均N-S方程为基本控制方程、标准k-ε双方程为湍流模型，通过压力耦合方程组的半隐式方法(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)实现压力、速度的耦合求解。在迭代过程中，当收敛精度达到10-4且扬程、效率、轴功率等趋于平稳，认为计算收敛[18-20]。

图2 叶轮三维模型Fig.2 3D model of impeller

3 正交试验结果与分析

按照L9(34)正交表进行前伸式双叶片环保用泵的正交设计，对正交表中的9组试验方案进行额定工况下的CFD计算，得到每组方案的扬程H、效率η和轴功率P(表2)。对9组方案进行的极差分析见表3。

表2 试验方案及结果Tab.2 Test plan and results

表3 试验结果分析Tab.3 Analysis of experiment results

从表3分析得到叶轮几何参数对性能影响的主次顺序，对扬程H的影响顺序为：D2>β2b>Dj>θ；对效率η的影响顺序为：D2>β2b>θ>Dj。水平对单个因素影响的顺序见表2。

要提高泵的效率，就需要提高泵的扬程，同时降低轴功率。然而，泵的最高效率点会随着额定扬程的增加向大流量工况偏移，不能满足基本设计要求。综合考虑高效率和较高扬程，最佳方案组合为A2B1C1D2。

4 样机试验与分析

按照GB/T 3216—2016《回转动力泵 水力性能验收试验1级、2级和3级》，利用新达泵阀股份有限公司水泵测试试验台对设计出的前伸式双叶片环保用泵样机进行了性能试验。

污水泵产品样机和试验结果如图3、图4所示。试验结果显示，样机在额定流量点的泵效率为75.15%，扬程为14.1 m。从图4性能曲线还可以看出，该型泵高效区宽广，最高效率点在额定流量点附近。数值模拟和样机试验结果基本吻合，验证了该水力设计方法的准确性。

图3 试验样机Fig.3 Model pump to be tested

图4 数值模拟与样机试验值对比Fig.4 Comparison diagram between numerical simulation and prototype test result

5 结论

采用基于数值模拟的正交试验设计方法，对影响环保用泵性能的关键几何参数进行了分析，分析了前伸式双叶片叶轮主要几何参数对双叶片泵效率、扬程的影响规律，并提出了优化设计方案。

(1)叶轮出口直径D2是影响前伸式双叶片环保用泵效率、扬程的最大因素。

(2)数值模拟和样机试验结果基本吻合，验证了数值模拟方法预测性能、正交试验水力设计方法的准确性。

(3)本文基于数值模拟的正交试验设计方法，为类似泵的水力设计提供了一种新的思路和参考。