基于正交實驗及CFD 的低比轉速離心泵優化設計

沈海軍，吳宏飛

（1.南方泵業股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.南方中金環境股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

低比轉速離心泵葉輪出口寬度小，葉輪外徑大，因而其軸面流道窄而長，葉輪流道擴散嚴重[1]，泵效率較低且性能曲線易出現駝峰。在國內眾多學者對低比轉速離心泵進行了大量的研究后[2-8]，現對于低比轉速離心泵優秀的設計方法已有多種。從以往的設計經驗來看，離心泵各結構參數對性能都能夠產生影響，王玉勤等[9]利用正交試驗對離心泵空化性能進行優化設計，黃志輝等[10]使用正交試驗對消防泵葉輪進行優化設計，叢小青等[11]利用正交試驗對深井泵導葉進行優化設計。目前，對與結構參數對低比轉速離心泵性能產生多大的影響的研究較少。所以，為探明結構參數的改變對低比轉速離心泵性能影響的大小，并得出最佳參數組合。利用商用軟件CFturbo，基于正交實驗法，利用CFD 技術進行數值模擬及性能預測，分析不同葉輪參數對低比轉速離心泵的影響，提出較優設計方案。

1 離心泵水力設計

NIS80-50-200 型泵的基本參數為Q =50 m3/h，揚程H= 55 m，轉速n= 2950 r/min，比轉速ns=62.8。

采用速度系數法設計離心泵葉輪[12]，葉輪主要結構參數見表1。

表1 葉輪的主要結構參數

2 試驗因素和實驗方案

根據結構設計要求，選取影響揚程和效率的主要因素，包括葉輪出口寬度b2，葉輪直徑D2，葉片出口安放角β2，葉片包角φ，選擇的因素水平如表2 所示。

表2 因素水平

根據標準正交表，選用L9（34）正交表，由因素水平表和正交表得出表3 中的9 種優化方案，通過試驗可以得出上述幾何因素對揚程、效率的影響規律。

表3 試驗方案

3 數值模擬計算

利用商用軟件CFturbo 和三維建模軟件Solidworks 完成蝸殼、葉輪流道的建模和裝配，并對離心泵進出口做相應的延伸，計算域如圖1 所示。

圖1 建模與裝配

將計算域模型導入前處理軟件ICEM 進行網格劃分，因為葉輪采用扭曲葉片，泵的內部流場結構較為復雜，所以采用適應性較好的四面體非結構化網格，同時對葉片，葉輪和蝸殼交界處，隔舌等部位進行局部加密，同時保證9 種方案網格劃分方法一致，網格總數為340 ～380 萬，網格質量均≥0.36，滿足計算的要求。

定常計算時介質選擇25 ℃水，湍流模型采用廣泛應用的標準k-e 模型。設置葉輪水體為旋轉域，其余水體為靜止域。進口邊界條件設置為總壓進口，出口邊界條件根據該離心泵設計流量，設置出口質量流量為13.89 kg/s，邊壁采用無滑移壁面，交界面處設置為動靜交界面，迭代計算時，收斂精度設為10-5。

4 正交實驗結果及分析

使用CFX 軟件數值模擬，得到9 組正交實驗方案的數值模擬結果。選取揚程和效率為評價指標，在額定工況（Q= 50 m3/h），9 組方案的揚程、效率的數值模擬結果見表4。

表4 模擬結果

為了確定試驗因素的主次、各因素的優水平及最佳組合，依據正交表的綜合可比性，利用極差分析法分析實驗結果，確定因素的主次和最優組合，結果見表5。

表5 極差分析

極差R反映了因素水平變動時試驗指標的變動幅度，R越大，說明該因素對試驗指標的影響越大。因此，依據極差R的大小可以判斷各幾何參數對額定點效率影響由大到小的順序分別為葉片出口安放角、葉輪出口寬度、葉輪直徑、葉片包角，對額定點揚程影響由大到小的順序分別為葉輪出口寬度，葉輪直徑，葉片出口安放角，葉片包角。

為了更清楚的表達各因素水平變化對性能的影響，做出因素水平變化與對應性能指標關系圖。各因素與揚程的關系如圖2 所示，各因素與效率的關系如圖3 所示。

圖2 揚程-因素關系

圖3 效率-因素關系

從圖2、圖3 中可以看出，隨著葉輪出口寬度和葉輪直徑的增加，揚程顯著上升，說明其是主要的兩個影響因素；對效率影響最大的因素是葉片出口安放角，效率隨著出口安放角的增大而降低。

由于正交表的均衡分散性和綜合可比性，各因素最好的水平組合在一起被認為是最優組合，但在實際科研和生產中，最優組合往往是靈活的，即對主要因素一定要選取最優水平，對次要因素則根據實際情況綜合考慮，選取適當水平[13]。考慮到鑄造工藝性，消除駝峰，以及經濟效益，確定組合為葉輪出口寬度10 mm，葉輪直徑208 mm，葉片出口安放角為24°，葉片包角為140°。

5 樣機試制與試驗

利用確定組合參數重新設計葉輪進行數值模擬，并制造樣機進行試驗。

通過數值模擬獲得不同流量下的揚程和效率，并按照一定方法換算后與樣機試驗獲得的數據進行對比，如圖4 所示。可以看出，數值模擬換算后的結果比試驗實測的揚程和效率略高，但總體趨勢基本保持一致，說明本文使用正交實驗方法和換算方法預測泵性能的可行性和準確性。

圖4 不同試驗情況下的揚程和效率圖

利用CFX-Post 后處理軟件做出優化設計前后的葉輪內部速度分布云圖。由圖5～8 可以看出優化前葉輪內部流動不穩定，并有脫流現象。優化設計后的葉輪內部流動穩定，速度場有較大改善，效率也有所提升。

圖5 優化前葉輪前蓋板速度分布云

圖6 優化后葉輪前蓋板速度分布云

圖7 優化前葉輪后蓋板速度分布云

圖8 優化后葉輪后蓋板速度分布云

6 結論

（1）本文利用正交實驗，結合數值模擬的方法，通過極差分析確定影響離心泵性能的主要參數，得出影響揚程的主要因素為葉輪出口寬度b2和葉輪直徑D2，影響效率的主要因素為葉片出口安放角β2。

（2）數值模擬數據通過換算后與實際試驗數據接近，優化設計后的葉輪內部流場也得到改善，說明使用數值模擬方法預測性能具有一定的可靠性。

（3）按最優參數組合設計的樣機試驗性能達到節能水平，驗證了正交實驗方法的可行性和準確性，可以為低比轉速離心泵的設計優化提供參考。