楊溢

摘? ?要：雙吸離心泵具有流量大、揚(yáng)程高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，且應(yīng)用范圍廣泛。但是吸離心泵又是一種高能耗設(shè)備，效率普遍不高，因此設(shè)計(jì)出高效率的雙吸泵水力模型對(duì)于泵制造企業(yè)尤為重要。對(duì)現(xiàn)有某S型雙吸離心泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于Ansys Fluent軟件，采用正交試驗(yàn)法對(duì)葉輪的出口寬度、出口安放角、葉片包角和葉片數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，從而提高效率。

關(guān)鍵詞：雙吸離心泵? 效率? 葉輪? 優(yōu)化設(shè)計(jì)

雙吸離心泵由于所配備的功率較大，是一種高耗能的設(shè)備，使用單位對(duì)其基本的要求是能夠使用高效率的雙吸泵，然而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的雙吸泵效率不高已經(jīng)是普遍現(xiàn)象。本文對(duì)現(xiàn)有某S型雙吸泵離心泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高效率?，F(xiàn)有S型泵的揚(yáng)程為44.5m，效率為78.9%，雙吸泵的目標(biāo)性能參數(shù)為流量Q=280m3/h，揚(yáng)程H=45m，轉(zhuǎn)速n=2950 r/min，效率η=79.2%，功率Pa=43.5 kW。

1? 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的確定

葉輪是泵的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響著雙吸泵的外部特性參數(shù)。通過改變?nèi)~輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，來達(dá)到提高揚(yáng)程和效率的目的，具體影響因素如下：（1）葉輪出口寬度[1]。適當(dāng)增加寬度，有利于減少壓水室的水力損失。（2）葉片出口角[2]。適當(dāng)增加出口安放角，減小圓盤摩擦損失。（3）葉片包角[3]。增加包角能獲得更好的水力性能。（4）葉片數(shù)[4]。較多的葉片數(shù)可以強(qiáng)有力地控制著過流流體。葉輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為葉輪出口寬度b2=40mm，葉片出口角β2=29°，葉片包角φ=101°，葉片數(shù)Z=5。

正交試驗(yàn)[5]是常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法之一，其主要研究多因素及多水平對(duì)優(yōu)化對(duì)象的影響。本文基于Ansys Fluent軟件，改變?nèi)~輪結(jié)構(gòu)通過數(shù)值模擬分析尋找最佳的組合。實(shí)驗(yàn)不考察交互作用選用L9（34）正交表，擬定9種方案，表1為9種優(yōu)化方案。

2? 改進(jìn)設(shè)計(jì)后的水力模型

根據(jù)揚(yáng)程和效率的計(jì)算公式，計(jì)算出9種方案在6種不同工況下的揚(yáng)程和效率值。9種方案的揚(yáng)程和效率值由表2和表3給出。

通過揚(yáng)程值看出在工況點(diǎn)上方案2、4、6、7和8達(dá)到設(shè)計(jì)要求的45m，過設(shè)計(jì)工況點(diǎn)后揚(yáng)程下降速率較快，其中方案8揚(yáng)程最高，但是出現(xiàn)駝峰曲線。

通過效率值看出在工況點(diǎn)上效率普遍都有提高，且高效區(qū)范圍比較廣，在0.8Q至1.2Q的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)效率多數(shù)提高，增強(qiáng)了雙吸泵運(yùn)行的穩(wěn)定性，大部分方案的最高效率點(diǎn)都在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)上。除方案1和8外，其余方案均達(dá)到設(shè)計(jì)要求的79.2 %，其中方案2和4效率最高。

綜合考慮效率、揚(yáng)程選擇方案4為優(yōu)化后的葉輪水力模型。

圖1和圖2分別為方案4的z=18 mm葉輪靜壓云圖和葉輪速度矢量圖。

從葉輪靜壓云圖中看出，壓力分布比較合理，整體壓差值差別不大。入口低壓區(qū)較少，整個(gè)葉輪中壓力梯度變化均勻，幾乎是等半徑遞增，表明葉輪內(nèi)部壓力分布較為均勻。

從葉輪速度矢量圖中看出，速度場(chǎng)變化比較好，無回流、尾跡等不良現(xiàn)象，流動(dòng)趨勢(shì)非常相似，流速變化均勻。

通過效率正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析，得出影響效率的主次因素為：葉片包角、葉輪出口寬度、葉片數(shù)、葉片出口角。對(duì)優(yōu)選的水力模型進(jìn)行樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

3? 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

水力模型試驗(yàn)是通過國(guó)家工業(yè)泵質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的閉式試驗(yàn)臺(tái)，按照GB/ T 3216-2016《回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)》中的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。表4為試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果換算到規(guī)定轉(zhuǎn)速下的值。

4? 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值在小流量區(qū)低于模擬數(shù)值，而在大流量區(qū)略高于模擬數(shù)值，且效率最高點(diǎn)出現(xiàn)在工況點(diǎn)與大流量點(diǎn)之間，是因?yàn)閿?shù)值模擬中雖然考慮了容積損失和圓盤摩擦損失，但是雙吸泵的實(shí)際運(yùn)行情況較為復(fù)雜，存在著軸承與密封的損失，而且過流部件壁面的粗糙程度對(duì)雙吸泵的性能也會(huì)有一定的影響。其差值都在可接受范圍內(nèi)，且試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果均滿足性能設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

5? 結(jié)語

本文采用正交試驗(yàn)的方法，通過對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以滿足對(duì)效率和揚(yáng)程的設(shè)計(jì)要求，選取最佳的水力模型。通過對(duì)數(shù)據(jù)及內(nèi)部流場(chǎng)的分析，得出影響效率的主次因素，為以后的研究提供理論依據(jù)，并且雙吸泵內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)的分布合理，也影響著外部性能參數(shù)的優(yōu)良。最終選擇方案4為最佳的水力模型，作為樣機(jī)進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)驗(yàn)證。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，方案4的水力模型試驗(yàn)結(jié)果滿足性能設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

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