離心泵葉輪設計方法現狀與發展趨勢

徐宏偉 劉莉

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720101

摘要：本文著重介紹水泵傳統設計理論的優缺點，在此基礎上敘述基于CFD分析的水泵葉輪設計方法以及它的優缺點。對于我國較少研究的全三元反設計方法進行了探討，對它的設計方法和理念進行介紹。通過分析得出離心泵未來的發展趨勢是借助于計算機輔助設計。

關鍵詞：離心泵；葉輪；優化設計；發展趨勢

國家相關部門經過統計調查發現，我國年耗電量的10%是由離心泵工作消耗，這就說明離心泵的工作耗電量較大，需要得到改善。離心泵這一類葉輪機械的能量消耗主要發生在葉輪中，因此在設計過程中，提高葉輪的工作效率就可以降低離心泵的能量消耗，對于我國普及節能工作開展具有重要意義。隨著世界計算機的飛速發展，計算機在離心泵設計中的應用也逐漸，現在的CFD技術能夠對離心泵流場進行分析計算，所得結果有效可靠，與實際相符合。本文主要介紹傳統離心泵設計方式的優缺點，并且對現代計算機輔助計算設計的方式做了介紹，體現CFD在離心泵設計中的重要性。

1 現有優化設計方法

離心泵葉片傳統設計方法的理論基礎是一元設計理論，傳統設計方法具有較強的經驗性。在設計過程中利用假設的方法將流體流動問題進行簡化，例如可以假設葉輪中的流體被葉輪分為多層，流體互不混雜地沿層流動。研究單個旋轉流面流動時，可以假設有無限個葉片，這樣就可以求出流面上的流線，把相對流線進行疊加之后，形成了葉片表面，把這個圖形加厚之后，就能夠得到葉片的壓力面和吸力面。所以畫出各個回轉面上的相對流線就是對葉片的線性設計。離心泵中流體流動是復雜的三維流動，所以其設計并不簡單，一般會做簡化處理，利用一元流動設計理論，使得計算變簡單，具體的方法為，假設葉輪中流體都是軸對稱流動，這樣同一個截面上軸面流動就會均勻分布，流速只會隨著一個坐標變化而變化。具體三個步驟為：（1）繪制葉輪的軸面圖形；（2）生成回流轉面；（3）繪制葉輪葉片的模型。這三個步驟中，最為重要的是葉輪葉片繪型，它是由作圖法和解析法相結合的一種方法，對一元設計理論具有重要作用。

一元設計理論當然也會存在許多的缺點，它比較明顯的五個缺點是：（1）不能準確計算葉片前方的流速，導致沖角過大；（2）無法控制葉片表面的流體負荷；（3）雖然葉片表面能夠滿足角度光滑，但是葉片表面的相對流速卻不能保證光滑；（4）葉輪流道的內部相對流速會受到許多因素的影響；（5）無法確定最優的葉片設計方案。所以必須改變傳統的設計方式，才能夠克服以上的缺點，設計更優良的水泵葉片。

我們要注意的是，雖然一元葉片設計方式存在許多問題，需要拓展新方式，但是我們不能完全地拋棄這個方法，要保留其中優良的部分，與新的方法相結合，提升水泵的設計方法。

現代較常用的設計法是基于CFD的設計方法，由于傳統的方式要進行反復多次計算，比較麻煩，所以在科技飛速發展的今天，我們結合計算機進行分析計算，各類的CFD軟件不斷涌現，避免了繁雜的人工計算，CFD技術正被大量運用于三維流場分析。

如同流體力學的正、反問題一樣，離心泵的水力計算也是如此。正問題是流體流動的全部邊界條件都已知，求解流動的參數，也叫做流體分析。反問題就是設計離心泵的問題，如果設計它的水力結構，求出幾何邊界，就是需要解決的問題。

所以分析可知，CFD設計對于葉片性能的控制能力很差，這成為了目前學者們共同努力研究的問題。通過不斷地努力發現，全三元反問題分析法能夠提高可控性，更加地高了葉輪設計的優良性。

2 離心泵葉輪設計發展趨勢

2.1 多目標優化

通過對優化模型進行綜合分析可以建立一個多目標的優化模型，這個模型的目標函數為：

f1：D22=（nπ60）2gH1+nQ160b2ψ2tgβ21-πsinβ2z

f2：N=ρ2ω4R42（1-πψ2zsinβ2）ωctgβ2（πb2ψ2）+ΔN

f3=NPSHr=0.0283ω4/3（1+γ21-γ2）2/3×（Qψ1ηv）2/3[λ22（λ1ψ21+λ2）]1/3

通過對模型進行分析修改，可以得到最佳的模型，解決許多實際問題。

2.2 遺傳算法

遺傳算法是借鑒生物學進化規律進行搜索與尋優的計算方法，這種算法結合達爾文的物競天擇、適者生存的理論，能夠做到全局搜索，達到了求解問題的新高度，是一種十分優良的計算方式，解決傳統方法不能解決的問題，達到全局最優。

Wahba和Toudidakis在離心泵的設計優化中引入遺傳算法，可以建立損失最小和揚程最大的計算模型，建立多目標優化函數，二維流場計算中用有限差分法計算，對適應值函數通過流場計算結果進行分析，這樣的計算方式能夠得到最佳的計算結果，優化水泵。

2.3 神經網絡

神經網絡是一種模仿人腦的工作性質的工具，通過大量簡單處理的單元相互連接，形成一個人工網絡，能夠進行計算、分析、學習等的工具，具有計算精度高、推算清楚等優點。通過神經網絡與三維粘性流動分析可以對水泵的設計進行優化。

3 結論

利用計算機進行“數值仿真實驗”可以真實模擬三維離心泵中流場的分布情況，認識離心泵內部的流動狀態以及判斷該水力模型是否滿足要求。提高泵效率、降低成本的最有效方式就是基于三維流場仿真分析的離心泵水力模型優化技術，這是我國進行水泵自主研發的主要技術。

參考文獻：

[1]任蕓.離心泵內不穩定流動的試驗及數值模型研究[D].江蘇大學，2013.

[2]朱榮生.離心泵葉輪不等揚程水力設計方法研究[D].江蘇大學，2011.