淺析三元設(shè)計法在緊湊型水泵設(shè)計中的應(yīng)用

摘 要：水泵設(shè)計與應(yīng)用要充分運用創(chuàng)新技術(shù)和成熟技術(shù)，以提升水泵的整體質(zhì)量。我國國內(nèi)的水泵設(shè)計組裝技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比較，缺乏足夠競爭力，水泵核心技術(shù)有所欠缺。本次研究將充分運用三元設(shè)計法，圍繞緊湊型水泵設(shè)計展開，以期獲取理想的研究效果。

關(guān)鍵詞：三元設(shè)計；緊湊型水泵；葉輪

引言

隨著科技的不斷發(fā)展進步，緊湊型水泵設(shè)計優(yōu)化水平持續(xù)提升。在實際應(yīng)用中，泵的三元設(shè)計理論與試驗相結(jié)合方式已經(jīng)取得一定成果，有效提升了緊湊型水泵設(shè)計的效果。利用三元設(shè)計理論，水泵在尺寸和重量方面得到有效控制，進而確保緊湊型水泵能夠滿足于實用要求，同時相應(yīng)的制造成本也得到有效控制。總體來看，三元設(shè)計技術(shù)在水泵機械性能分析、設(shè)計優(yōu)化等方面均得到更為廣泛的應(yīng)用。

本次研究主要探索的問題是在不考慮粘性反問題計算等相關(guān)情況基礎(chǔ)上，運用三元設(shè)計理論實現(xiàn)高性能緊湊型水泵設(shè)計。研究過程中以高比轉(zhuǎn)數(shù)泵作為研究對象，采取必要計算，分析該泵內(nèi)部流動性能，利用試驗方式驗證計算模型的實效性。在查找和發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題后，研究將嘗試采用軸流式水泵外形結(jié)構(gòu)對案例水泵進行優(yōu)化設(shè)計。就研究實際效果而言，本次研究兼具理論和實際雙重意義，研究成果具有一定可借鑒價值。

1 三元流理論

三元流動含義是指在實際的流動當(dāng)中，所有流動參數(shù)都是空間坐標(biāo)系上三方向變量的函數(shù)。這一理論將難以求解的三元流動分解成為兩組相交的相對流面上較簡單的二元流動，進而使設(shè)計者能夠更加快捷準(zhǔn)確獲取到三元流場近似解，同時使用兩組流面進行計算，則可以得到三元流動的完整解。采用三元流動理論能夠設(shè)計出性能更高、組裝空間更加合理的三元葉輪，進而更好地適應(yīng)氣流參數(shù)，滿足于大流量、高壓力、高效率等實際要求。

2 水泵三元設(shè)計數(shù)學(xué)模型

實際研究當(dāng)中，第一步應(yīng)利用二元方法，對泵流量及軸面形態(tài)等在相應(yīng)轉(zhuǎn)速軸面速度分布情況下進行估算，使設(shè)計人員有效掌握到初始葉片的基本形狀；第二步則是進行假設(shè)，假設(shè)水泵內(nèi)部流動處于無粘性和不壓縮流動，同時設(shè)計將不會直接考慮葉片厚度，實現(xiàn)相應(yīng)的假設(shè)后，研究將采用單一渦片代表葉片在已經(jīng)確定的初始葉片及軸面流場分布基礎(chǔ)上，實現(xiàn)葉片表面渦分布計算，達(dá)到對葉輪內(nèi)流場三維速度分布的有效優(yōu)化計算；第三步則是將水泵三維流動分解為周向平均流動和脈動流動，周向平均流動方程則通過Euler方程直接求出平均值。周向脈動流動方程則通過Clebsch變換有效建立方程。

水泵內(nèi)部整個流場的流動性通過對周向平均流動二維泊松方程和周向脈動三維泊松方程求解，這一計算方式更加簡單高效，只需要計算時取有效項即可達(dá)到預(yù)期效果。

模型構(gòu)建的關(guān)鍵是要采用有限差分法和坐標(biāo)系，進一步求得水泵流場速度分布的實際數(shù)據(jù)，還要通過壁面邊界情況求得合理的葉片形狀。總體來看，本次研究屬于循環(huán)計算形態(tài)，通過不間斷計算分析最終確保前后兩次葉片形狀誤差處于標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)。

3 緊湊型水泵的水力設(shè)計

常見水泵類型有離心泵、軸流泵、混流泵等。一般情況下對不同類型泵劃分標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)是比轉(zhuǎn)速。比轉(zhuǎn)速ns為500是混流泵與軸流泵的分界點。比轉(zhuǎn)數(shù)介于300至500之間則屬于混流泵，高于500則是軸流泵。上述標(biāo)準(zhǔn)是一個基本標(biāo)準(zhǔn)，從應(yīng)用效果來看，軸流泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、組裝操作簡單等優(yōu)勢，據(jù)此本研究將對ns為450的軸流式結(jié)構(gòu)水泵進行水力設(shè)計，在壓縮水泵尺寸情況下，實現(xiàn)水泵性能的提升。

3.1 軸面形狀設(shè)計

實踐證明，水泵的軸面形狀對水泵的實際過流效果、效率等都有影響。為了能夠切實突出研究的整體性、科學(xué)性，本次研究將采用五點四次Bezier曲線繪制葉輪和導(dǎo)葉的軸面輪廓曲線。這一選擇能夠使水泵軸面流線光滑度得到保證，同時還能夠通過控制點位置優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)對軸面輪廓曲線的修正、修改。如圖1所示，新設(shè)計出的緊湊型水泵尺寸小于之前的混流泵，水泵直徑壓縮比例為近40%，可見采用三元設(shè)計的實效性非常突出。

3.2 葉片負(fù)載分布規(guī)律分析

葉片正面與背面的實際壓力差與速度矩在軸面流線上的偏導(dǎo)數(shù)密切關(guān)聯(lián)，給定的沿流線分布規(guī)律即為載荷分布規(guī)律。而合理確定沿流線分布規(guī)律也成為緊湊型水泵優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵所在。現(xiàn)有研究中對葉輪負(fù)載分布進行了細(xì)化科學(xué)研究，文章采用了葉生海研究中所推薦的葉片負(fù)載分布方式，該類負(fù)載分布方式能夠確保葉輪葉片吸力面壓力預(yù)先增加，而后在一定弦長處開始穩(wěn)定，最后則在根部位置緩慢減小，這種設(shè)計有助于提升葉輪的實際工作效率，同時可以進一步降低能耗。

3.3 實現(xiàn)緊湊型水泵設(shè)計

在葉片輪轂、外殼截面負(fù)載分布情況確定后，進而求得軸面壓力數(shù)據(jù)，應(yīng)用三元設(shè)計法進一步繪制出水泵葉片中心面的形狀。在確定中心面性質(zhì)基礎(chǔ)上，采用流體動力性較好的NACA系列翼型厚度分布規(guī)律對葉片進行加厚設(shè)計，實現(xiàn)對葉片導(dǎo)邊和隨邊的修正，使葉片質(zhì)量得到保證，穩(wěn)步提升水泵運行效率。

3.4 緊湊型水泵設(shè)計效果分析

運用三元理論和方法實現(xiàn)緊湊型水泵設(shè)計后，可見重新優(yōu)化設(shè)計后的緊湊型水泵具有幾方面優(yōu)勢：其一是結(jié)構(gòu)更為緊湊，質(zhì)量更輕。傳統(tǒng)混流式水泵軸面流道沿著徑向延伸并逐漸過渡流向噴口，這種設(shè)計方式使得水泵過流通道效率要低于軸流式，同時也使得混流式水泵的徑向尺寸較軸流式要大。通過優(yōu)化設(shè)計后，緊湊型水泵最大直徑比傳統(tǒng)混流式水泵減小近40%，尺寸縮小，相應(yīng)的重量也就下降了，有利于水泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。其二是水泵性能得以提升。采用三元設(shè)計法進行水泵葉片設(shè)計，能夠使水泵性能得到提升。通過計算可以得知緊湊型水泵運行效率要高于傳統(tǒng)水泵近3%。同時由于新型水泵的葉片面積大，因此葉輪徑向尺寸就能夠得到更好控制，使得軸流式水泵的抗空化性能得到提升，同時徑向尺寸變小，使得水泵葉稍空化機率下降，確保水泵運行的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

三元設(shè)計法有助于提升水泵設(shè)計的實際效果，通過科學(xué)設(shè)計，進一步調(diào)整水泵結(jié)構(gòu)，確保水泵工作效率的前提條件下，壓縮空間，使水泵經(jīng)濟性得到體現(xiàn)。總體來看，三元設(shè)計法在緊湊型水泵設(shè)計中具有實用性。

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