基于正交设计法的中比转速泵无过载优化设计

以D82-19-2型中比转速离心泵为研究对象,选取导叶喉部面积、叶片数、叶片包角、叶轮出口直径、叶轮出口宽度、叶片出口角、叶轮进口直径7个参数为变量,运用正交设计法制定七因素三水平正交方案L18(37),借助数值模拟方法对泵的性能进行预测,通过分析得到了几何参数对中比转速离心泵性能影响的主次顺序:叶片数对扬程和效率的影响起主要作用,叶片包角对轴功率的影响起主要作用;正交优化方案的数值模拟结果表明,该方案既满足无过载性能的要求,又保持了较高的效率,可为中比转速离心泵无过载设计提供参考。     

包角对中比转速泵流场及无过载性能的影响

以D82-19-2型中比转速离心泵为研究对象,根据无过载叶轮约束公式确定叶轮设计方案,选取四种叶轮包角（150°、170°、190°和210°）开展中比转速泵流场及无过载性能的模拟研究。与实验结果相比,模拟所得扬程、效率和功率值误差不超过9%,模拟方法可行。结果表明：当叶片包角由150°增大到210°时,叶轮进口压力提高24%,低速区面积扩大至整个叶轮流道的1/3,叶片对流体的约束能力及抗汽蚀性能增强,但叶轮出口压力降低,大包角下导叶的湍流损失加剧了动能损耗;功率备用系数由1.145减小至1.025,且功率曲线出现极大值,泵的无过载特性更显著,但扬程和效率分别下降了15.4%和4.48%。研究结果为中比转速离心泵的无过载设计提供了理论依据。     

基于二次回归正交组合设计低比转速离心泵叶轮的优化设计

为改善某低比转速离心泵的水力性能,运用二次回归正交组合方法设计试验方案,选取7个主要的叶轮几何参数作为研究因素,包括叶轮出口直径D_2、叶片出口宽度b_2、叶片出口角β_2、叶片包角ψ、叶片数Z、短叶片前缘周向偏置度θ_1和短叶片尾缘相对周向偏置度τ_1,利用CFX对试验设计方案进行定常数值模拟计算,基于试验方案模拟结果建立以扬程和效率2个响应的二次多项式回归预测数学模型。分析结果表明:叶片数对该离心泵扬程和效率影响最大,叶轮出口直径的变化相比其他因素对泵扬程和效率的综合影响更加突出,基于二次多项式回归数学模型频率分析法筛选出的最佳优化方案达到了预期的优化效果。     

低比转速双吸泵叶轮的几何参数对外特性的影响

对某比转速为56的双吸离心泵叶轮进行改进,并利用CFD软件分析不同的改进方案对水泵外特性的影响。具体是通过改变叶轮进口直径Dj、出口直径D2、出口宽度b2、叶片出口角β2以及叶片数Z等参数设计了6个方案,采用SSTk-ω湍流模型对各方案进行不同工况下的定常数值模拟。模拟得到各方案的外特性曲线,并对扬程、效率进行比较分析,同时分析泵内部流场的压力和速度分布规律。     

离心泵S形叶片流动特性及水力性能分析

对离心泵而言，叶片出口角β₂是影响泵性能的一个重要参数。基于Fluent离心泵全流场数值模拟，对某型号低比转数离心泵进行了大出口角叶形的改形设计，研究了不同大出口角对离心泵水力性能的影响，并对比分析了原模型泵与S形叶片离心泵水力特性及流动特性。结果表明：离心泵扬程随着出口角的增大而增大，在出口角为90°时达到最大值。当出口角为90°时，S形叶片的水力性能最佳，在设计工况下及大流量工况泵扬程显著提升且效率有小幅度提升，但小流量工况下泵效率略有下降。S形叶片可以有效抑制离心泵叶轮内的边界层分离现象，且随着流量的增大抑制效果越明显。     

冲压泵水力参数对性能的影响

在其他参数和测试条件相同的情况下,通过调整冲压泵叶轮和导叶的单个水力参数,验证其对泵性能的影响。测试分析让我们掌握了泵扬程和效率会随着叶轮叶片出口角β2、叶轮出口宽度b2、叶轮叶片数Z、叶轮叶片进口角β1以及导叶出口角的不同而产生变化的规律。在设计时合理的设计参数有益于泵扬程、效率的提高,可优化泵的整体性能,降低对电动机功率的要求。选用冲压泵产品来验证各项参数对泵性能的影响,主要是基于冲压焊接制作工艺快捷方便,试样模具费用低,有利于样机的快速成形。     

一体可配多轮的离心泵设计思路

为了节省制作模型和工装的成本,笔者提出对于流量、扬程差距在一定范围内的泵可以采用一个泵体配用多个叶轮的设计思路,以满足不同的性能要求。笔者分析叶轮的几何参数包括叶轮进口直径D_j、叶片数Z、叶片包角Ψ、出口角β_2和叶轮出口宽度b_2对泵性能的影响,同时通过设计实例来验证一体可配用多轮设计的可行性。     

应用灰色理论分析深井离心泵几何参数对流量的综合影响

本文应用灰色理论分析了深井离心泵几何参数对流量的综合影响。通过大量计算得出这些几何参数对泵流量Q的影响排序结果。计算结果表明，在这些几何参数中，叶轮出口宽度b2对流量影响最大，转速n影响最小，进口直径D0、叶轮出口直径D2、叶片包角Φ、叶片数Z和叶片出口角β2依次位于它们之间。这种方法对其它工程项目方案的研究也具有示范参考意义。     

混装不同叶轮的多级离心泵驼峰性能研究

针对多级离心泵小流量区域的扬程易产生驼峰、运行不稳定的问题,提出了一种不同水力的叶轮进行混装的改进方案,并通过对比试验对改善扬程驼峰的有效性进行了验证,结果表明：通过叶片数为5、出口宽度为23.7 mm的A叶轮与叶片数为3、出口宽度为33.6 mm的B叶轮进行混装,较好地改善了多级离心泵小流量区域的扬程驼峰;效率为76%的A叶轮与效率为75%的B叶轮混装后泵效率为75.7%,不会因改善驼峰而牺牲泵的效率;相较传统的通过改变单个叶轮水力模型的叶片数、叶片出口角、叶轮出口宽度等参数来改善扬程驼峰的方法,更加方便灵活,且不会因改善驼峰而牺牲泵的效率。研究结论可为改善多级离心泵扬程驼峰的设计方法提供参考。     

不同叶片出口角下离心泵压力脉动及径向力分析

在试验结果和数值模拟吻合良好的基础上,开展叶片出口角对离心泵压力脉动以及径向力影响的研究。本文以两级矿用潜水离心泵为研究对象,建立4组不同叶片出口角叶轮模型,通过数值模拟获得离心泵外特性,叶轮、导叶、蜗壳的压力脉动分布及叶轮径向力特性,并进行对比分析。结果表明:离心泵内压力脉动呈周期性,当β2=16°和20°时叶轮出口压力脉动强度较大。随着叶片出口角增大,导叶和蜗壳内压力脉动均逐渐增强,且导叶内压力脉动强度大于蜗壳,不同叶片出口角下,导叶及蜗壳内脉动主频均为叶频。叶片出口角的改变也会对叶轮径向力矢量分布产生一定影响,随着β2增大,叶轮径向力逐渐增大,且首级叶轮轴向力大于次级叶轮,蜗壳比导叶有更好地改善叶轮轴向力的作用。     

长短叶片叶轮双吸离心泵径向力数值仿真

将1200S56型单级双吸离心泵原型叶轮改型为长短叶片复合叶轮,以该改型双吸长短叶片复合叶轮离心泵为研究对象,基于CFD理论对该离心泵内部流场进行数值仿真。通过改变边界条件获得不同工况下叶轮出口与蜗壳耦合面的静压、速度分布。采用叶轮出口压力法分析该离心泵在不同工况下的径向力,并与原型叶轮离心泵径向力分析结果对比。结果表明:采用长短叶片复合叶轮使叶轮出口的静压力及绝对速度变大,增加了离心泵的扬程,有效的提高了泵的整体水力性能;短叶片的增加使该泵径向力的最小值点向大流量偏移,出现在1.2倍额定流量工况,最小值由原型叶轮的5574N减小到1494N;采用长短叶片复合叶轮改善了泵在大流量工况下的径向受力情况。     

叶片曲率半径变化对离心泵叶轮水力性能的影响

为了探究叶片曲率半径变化对离心泵叶轮内部流动特性以及对叶轮水力性能的影响，采用基于RNG k-ε湍流模型对某型号离心泵进行定常数值计算。在原模型的基础上，将叶片出口角在17°～23°区间内进行变化以改变叶片中后部的曲率半径大小，并在分析叶轮内速度场和压力场变化的基础上探讨叶轮水力性能发生变化的原因。结果表明：减小叶片出口角，能够有效地减小叶片中后部的曲率半径，但对叶轮扬程减小的幅度有限，最低扬程仅比原模型计算值减小了0.43%;而叶片中后部曲率半径的减小，能够有效地减小叶片两侧压差，从而进一步降低叶轮的轴功率，最小轴功率比原模型计算值降低了1.12%,最终可使叶轮的水力效率提高0.61个百分点。     

叶片参数对离心泵关死点性能影响的试验分析

一直以来离心泵关死点扬程和功率都无法通过理论计算获得。以某比转数为92.7的离心泵为研究对象,试验测试了不同叶片出口角、叶片出口宽度和叶片数下关死点扬程和功率的变化规律。试验结果表明关死点扬程随着叶片出口角的增大变化较小,随着片出口宽度的增加一直增加,随着叶片数增加先减小后增大;3个参数对关死点功率的影响都比较复杂;3个参数对关死点性能的影响大小顺序为叶片出口宽度最大,叶片数次之,叶片数最小。研究结果对于现代离心泵的设计具有比较重要的参考意义。     

人工心脏泵水力及溶血性能多目标优化设计

为了优化人工心脏泵的水力性能和降低血液损伤,通过计算流体力学分析了人工心脏泵主要结构参数对效率、扬程和溶血值的影响规律,并使用单变量特征选择方法选取出口直径D₂、叶片包角ψ、出口宽度b₂为设计变量,以人工心脏泵的效率、扬程和溶血性能为目标函数,使用响应面法拟合设计变量与目标函数的多元回归模型,最后联合NSGA-Ⅱ遗传算法进行了多目标优化。确定最优叶轮出口尺寸:D₂=41.68 mm,ψ=101.8°,b₂=2.4 mm。心脏泵性能参数:效率为0.753 6,扬程为100.219 mmHg,溶血值为0.018 1 g/100L。与原始模型相比,在扬程满足设计要求的同时,水力效率和溶血性能均优于原始模型。     

低比转速复合离心叶轮设计探讨

对低比转速复合离心叶轮的设计方法进行了探讨，给出了其滑移系数、理论扬程、叶片数、叶轮外径、叶片出口宽度、叶片出口安放角及短叶片起始处直径的计算公式，并对两台带诱导轮的复合叶轮离心泵进行了试验验证，结果表明复合叶轮能够提高杨程系数、效率和改善小流量工况下的工作稳定性，是设计高性能高速诱导轮离心泵的关键之一。     

提高低比速离心泵扬程探讨

为适应化工厂增容的要求，需对原反应器进料卧式二级离心泵进行改造。改造采用了两种方案：一是传统模型换算法；一是叶轮短叶片偏置方法，试验表明，后种方法提高了泵的扬程，叶轮短叶片的偏置可避免性能曲线驼峰的产生，并提高了泵效率。     

一种计算低比转速离心泵加大系数的方法

依据离心泵叶轮出口宽度、比转速的计算式推导得出了计算低比转速离心泵流量、扬程及比转速放大系数的计算公式,公式体现了放大系数和叶轮水力参数间的关系。提出了建立在离心泵性能预测基础上的理论计算低比转速离心泵最佳流量、扬程及比转速放大系数的方法,解决了泵行业一直依据经验统计值确定其放大系数不能使低比转速离心泵在设计点效率最高这一问题。实例表明:提出的方法能够提高低比转速离心泵在设计工况点的效率,充实了低比转速离心泵的设计理论。     

小流量高扬程液氢泵水力优化和抗空化的结构设计

针对液氢在低温系统或低温储罐中输送的应用需求，依靠泵设计经验参数取值而设计的小流量高扬程液氢泵，相似定律转换为模型泵，试验测试其外特性得到：在额定工况下，与理论扬程相比，泵内存在6 m水力损失，同时，液氢总是处于近饱和状态，特别当泵前低温流体的进口压力降低或波动时，离心式液氢泵极易发生空化，造成扬程下降。以提高液氢泵的抗空化特性和提高泵水力效率为目标，建立小流量高扬程液氢泵的多目标优化设计方法，依据小流量高扬程液氢泵模型泵的外特性测试结果，对泵头的几何结构参数进行优化设计，结果表明：叶轮入口直径增大1.5 mm、直角的叶片进、出口安放角减小为60°、叶轮出口直径减小0.5 mm、叶片进口宽度减小0.1 mm,叶片出口宽度减小0.3 mm,减小流体出口间隙，有利于泵减小水力损失，提高泵效率，并改善泵的空化性能。本研究采用的计算方法为小流量高扬程液氢泵高效水力模型的优化设计提供参考，研究结果为小流量高扬程液氢泵的结构优化和获得工作特性的实验研究提供理论依据。     

叶片包角对高比转速离心泵空化性能的影响研究

为了研究叶片包角对高比转速离心泵空化性能的影响,本文基于CFturbo和UG软件,利用CFX中的RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,对比转速为185的离心泵分别探讨其叶片包角为90°、95°、100°、105°、110°时该离心泵的空化特性。结果表明,叶片包角对高比转速离心泵外特性有显著的影响,其泵的扬程随叶片包角的增大而减小,且小流量时随包角的增大效率增加,大流量时则反之;同时随叶片包角增大,进口低压区的面积增大,进口空泡体积分数减小,离心泵的内部流动更加平顺光滑,叶片背面的旋涡消失,叶轮流道内的流线越趋于叶片的形状;叶片包角大小与离心泵的进口湍动能呈负相关;说明包角越大,高比转速离心泵的抗空蚀性能越好。     

带分流叶片低比转速无过载离心泵优化设计

针对TS65-40-250离心泵易过载和出现驼峰等问题,采用无过载设计法并添置分流叶片,重新选取叶轮设计参数,设计3种优化方案。采用Pro/E和ICEM分别对3种方案进行三维造型和结构化网格划分,网格总数为150万。利用商业软件CFX12.1对优化方案进行数值模拟,边界条件设定为速度进口、压力出口和无滑移壁面。采用标准k-ε模型,预测了3种方案下的外特性,分析了不同设计方案下叶轮内的压力、流线、湍动能、速度分布。通过数值模拟,得出叶轮1的水力性能和内部流动状态均较好。利用快速成型法加工叶轮1并进行试验。试验结果表明,叶轮1扬程最高高出设计参数的15%,试验效率高于国家标准2%～6%,而且有很好的无过载性能。模拟结果和实验结果表明,采用无过载设计并添置分流叶片优化方法是可行的,这种设计方法可以为低比转速无过载离心泵优化设计提供参考。