顏成剛　夏美珍　林榮

摘 要：為了解決離心泵揚(yáng)程短、功率小的問題，文章對(duì)離心泵的參數(shù)進(jìn)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(jì)、內(nèi)流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及響應(yīng)曲面參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)為得到高性能運(yùn)行穩(wěn)定的離心泵研發(fā)提供了保證，也將會(huì)創(chuàng)造不可估計(jì)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：離心泵；優(yōu)化設(shè)計(jì)；水?dāng)嗝妫涣黧w半徑

引言

原有離心泵在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上存有一定的缺陷因素，無論是在揚(yáng)程方面還是在電機(jī)運(yùn)行功率方面都難以達(dá)到實(shí)際要求。而現(xiàn)有模式中通過對(duì)離心泵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但解決了揚(yáng)程短、功率小的缺陷，而且在離心泵葉輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上也有了一定的突破，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率。

1 離心泵葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化

近年來，國內(nèi)針對(duì)離心泵葉片設(shè)計(jì)的研究有了一定的突破，其中針對(duì)葉片安放角、葉片數(shù)量以及葉片出口寬度等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，葉片安放角指的是葉輪葉片進(jìn)口與出口之間的夾角，若出口與進(jìn)口的夾角越大，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的流體壓強(qiáng)便越大；設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中對(duì)葉片安放角采用極限最大值算法，數(shù)值取無窮大時(shí)，該極限值會(huì)趨于0；取0時(shí)，該極限值會(huì)趨于無窮大；取定某一值時(shí)，便會(huì)趨于一個(gè)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(jì)需要根據(jù)葉輪的半徑進(jìn)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(jì)過程中需要進(jìn)行2n次的流場(chǎng)計(jì)算，才能得到較為合理的葉數(shù)值。針對(duì)葉片出口寬度方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，葉片寬度根據(jù)葉片包角和葉片數(shù)量進(jìn)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(jì)中較為普遍，并取得了較好的試驗(yàn)成果。

2 離心泵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 離心葉輪CAD參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

離心葉輪CAD設(shè)計(jì)采用的是三維模式，但是由于傳統(tǒng)設(shè)定的設(shè)計(jì)參數(shù)較為復(fù)雜，所以給葉輪流動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加大了難度。如圖1所示，在葉輪流體半徑設(shè)計(jì)中，通過改變外側(cè)半徑Rc以及流道中線的長(zhǎng)度增大離心葉輪過水?dāng)嗝娴拿娣eF，但是隨著長(zhǎng)度L的增加，該面積便會(huì)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(shí)現(xiàn)流道中線長(zhǎng)度參數(shù)的變化，以此控制過水?dāng)嗝娴拿娣e。作者對(duì)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(yùn)行的壓強(qiáng)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(dòng)態(tài)參數(shù)。在對(duì)動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行求解時(shí)，在求解過程中需要對(duì)動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行導(dǎo)數(shù)進(jìn)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(shí)，（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(shí)，C1為曲線的最大值。（Q1，Q2）與（Q2，+∞）曲線變化時(shí)，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(jì)

該優(yōu)化設(shè)計(jì)類型運(yùn)用了流體力學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)葉輪內(nèi)流道及渦殼內(nèi)流道的動(dòng)量方程進(jìn)行求解，分別求出不同狀態(tài)下平均運(yùn)動(dòng)及脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)值。經(jīng)過動(dòng)量方程轉(zhuǎn)化，得出最后平均流動(dòng)解析式，離心泵內(nèi)流參數(shù)便可根據(jù)解析式進(jìn)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(jì)

響應(yīng)曲面參數(shù)的設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)，工程師難以計(jì)算曲面的測(cè)量值，造成葉輪水力結(jié)構(gòu)布局不完善。在優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，需要測(cè)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(jì)算機(jī)三維立體模擬的方式，進(jìn)行響應(yīng)曲面的繪制，CAD制圖系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)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(jì)流程中，需要定位葉輪重心輪廓線的坐標(biāo)，這樣在優(yōu)化結(jié)構(gòu)中才能對(duì)葉輪的軸截面、軸垂面、工作面以及交叉單進(jìn)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(yáng)程、運(yùn)行功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、水流量等。葉輪軸面內(nèi)流道模塊主要計(jì)算流道中線各點(diǎn)的坐標(biāo)值，保證各個(gè)程序的運(yùn)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(duì)流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)數(shù)、葉輪進(jìn)口直徑、軸功率以及葉輪出口寬度的計(jì)算，若離心泵的揚(yáng)程在200m，轉(zhuǎn)子速率1300rad/min，葉輪進(jìn)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(diǎn)的坐標(biāo)值，設(shè)定的坐標(biāo)值是以流道中線的端點(diǎn)為起始點(diǎn)。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(duì)離心泵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，這種參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)械效率。這種CAD參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)不單單適用于機(jī)械方面，在當(dāng)今電子行業(yè)也具有廣泛的應(yīng)用，以此帶動(dòng)國內(nèi)各個(gè)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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