前伸式雙葉片環保用泵的正交優化設計

宋冬梅，胡興濤，劉雪垠，陳小明，曾夢瑋，譚祺鈺

(1.四川省機械研究設計院(集團)有限公司，四川 成都 610063； 2.四川航天烽火伺服控制技術有限公司， 四川 成都 611130； 3.西華大學 能源與動力工程學院，四川 成都 610039)

環保用泵主要包括離心泵、螺桿泵、深井泵等，但其效率低、壽命短、抗堵塞性差[1-3]。近年來，高效無堵塞的前伸式雙葉片環保用泵成為污水處理廠的關鍵設備之一。前伸式雙葉片環保用泵是一類用于抽送含有氣體、固體顆粒懸浮物或纖維狀懸浮物液體的新型高效無堵塞泵[4-8]，其葉片較常規葉片前伸較多，具有效率高、污水污物通過能力強等優點，故在市政、環保、污水處理、礦山、輕工、造紙、化工、水利等行業有巨量需求。如污水處理和環保基礎設施建設中需要巨量抽送污水污物的葉片泵，在造紙工藝流程中需要大量的抽送紙漿的葉片泵等。前伸式雙葉片泵葉輪形狀特殊、內部流動復雜，水力設計方法還不成熟[9-10]。因此，成為近年來國內外的研究熱點。

正交試驗設計法是一種較為成熟的多因素多水平優選法[11-12]，具有高效率、快速、經濟等特點，可用于水泵設計中的多參數優化。文獻[11-12]提出了一種前伸式雙葉片葉輪的設計方法，本文采用該方法對某典型的WQ400-14-30型前伸式雙葉片環保用泵進行初步水力設計，再采用正交試驗設計法對該泵進行研究。本文探索了葉輪主要幾何參數對泵性能的影響規律，從而設計出同時具有較高效率和抗堵塞性能好的泵，并將優化模型進行樣機生產和試驗，驗證了該方法的可行性和準確性。

1 葉輪的水力設計

WQ400-14-30型前伸式雙葉片環保用泵的基本設計參數：流量Q=400m3/h，揚程H=14m，功率P=30 kW，轉速n=1 470 r/min。經計算得，比轉速ns=247。參照文獻[11-12]葉輪水力設計方法初步確定：雙葉片葉輪輪轂直徑Dh=57.5 mm，葉輪出口寬度b2=86 mm，葉輪進口直徑Dj=180～220 mm，葉輪出口直徑D2=260～280 mm，葉片出口安放角β2b=15°～25°，葉片包角θ=220°～250°等幾何參數。前伸式雙葉片潛污泵水力如圖1所示。

圖1 前伸式雙葉片潛污泵水力示意Fig.1 Hydraulic schematic of forward-reaching double-blade submersible sewage pump

2 正交試驗

2.1 試驗目的

本文以WQ400-14-30型雙葉片環保用泵為研究對象進行優化，研究葉輪各幾何參數對泵性能(揚程、效率)的影響規律，并提出優化設計方案[13-15]。

2.2 試驗因素和試驗方案

2.2.1 因素水平及正交設計

根據前伸式雙葉片環保用泵特殊的結構設計要求，取Dj、D2、β2b、θ為試驗因素[16-17]，具體見表1。

表1 試驗因素水平Tab.1 Orthogonal experimental factors

2.2.2 CFD數值模擬

用SolidWorks軟件對設計出的葉輪和蝸殼進行建模，所得葉輪三維模型如圖2所示。通過ICEM進行四面體網格劃分，并對9組設計方案下的環保用泵進行全流場數值計算，選擇時均N-S方程為基本控制方程、標準k-ε雙方程為湍流模型，通過壓力耦合方程組的半隱式方法(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)實現壓力、速度的耦合求解。在迭代過程中，當收斂精度達到10-4且揚程、效率、軸功率等趨于平穩，認為計算收斂[18-20]。

圖2 葉輪三維模型Fig.2 3D model of impeller

3 正交試驗結果與分析

按照L9(34)正交表進行前伸式雙葉片環保用泵的正交設計，對正交表中的9組試驗方案進行額定工況下的CFD計算，得到每組方案的揚程H、效率η和軸功率P(表2)。對9組方案進行的極差分析見表3。

表2 試驗方案及結果Tab.2 Test plan and results

表3 試驗結果分析Tab.3 Analysis of experiment results

從表3分析得到葉輪幾何參數對性能影響的主次順序，對揚程H的影響順序為：D2>β2b>Dj>θ；對效率η的影響順序為：D2>β2b>θ>Dj。水平對單個因素影響的順序見表2。

要提高泵的效率，就需要提高泵的揚程，同時降低軸功率。然而，泵的最高效率點會隨著額定揚程的增加向大流量工況偏移，不能滿足基本設計要求。綜合考慮高效率和較高揚程，最佳方案組合為A2B1C1D2。

4 樣機試驗與分析

按照GB/T 3216—2016《回轉動力泵 水力性能驗收試驗1級、2級和3級》，利用新達泵閥股份有限公司水泵測試試驗臺對設計出的前伸式雙葉片環保用泵樣機進行了性能試驗。

污水泵產品樣機和試驗結果如圖3、圖4所示。試驗結果顯示，樣機在額定流量點的泵效率為75.15%，揚程為14.1 m。從圖4性能曲線還可以看出，該型泵高效區寬廣，最高效率點在額定流量點附近。數值模擬和樣機試驗結果基本吻合，驗證了該水力設計方法的準確性。

圖3 試驗樣機Fig.3 Model pump to be tested

圖4 數值模擬與樣機試驗值對比Fig.4 Comparison diagram between numerical simulation and prototype test result

5 結論

采用基于數值模擬的正交試驗設計方法，對影響環保用泵性能的關鍵幾何參數進行了分析，分析了前伸式雙葉片葉輪主要幾何參數對雙葉片泵效率、揚程的影響規律，并提出了優化設計方案。

(1)葉輪出口直徑D2是影響前伸式雙葉片環保用泵效率、揚程的最大因素。

(2)數值模擬和樣機試驗結果基本吻合，驗證了數值模擬方法預測性能、正交試驗水力設計方法的準確性。

(3)本文基于數值模擬的正交試驗設計方法，為類似泵的水力設計提供了一種新的思路和參考。