離心泵葉輪設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀與發(fā)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(tǒng)設(shè)計(jì)理論的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上敘述基于CFD分析的水泵葉輪設(shè)計(jì)方法以及它的優(yōu)缺點(diǎn)。對于我國較少研究的全三元反設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，對它的設(shè)計(jì)方法和理念進(jìn)行介紹。通過分析得出離心泵未來的發(fā)展趨勢是借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：離心泵；葉輪；優(yōu)化設(shè)計(jì)；發(fā)展趨勢

國家相關(guān)部門經(jīng)過統(tǒng)計(jì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(jī)械的能量消耗主要發(fā)生在葉輪中，因此在設(shè)計(jì)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(jié)能工作開展具有重要意義。隨著世界計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在離心泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也逐漸，現(xiàn)在的CFD技術(shù)能夠?qū)﹄x心泵流場進(jìn)行分析計(jì)算，所得結(jié)果有效可靠，與實(shí)際相符合。本文主要介紹傳統(tǒng)離心泵設(shè)計(jì)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并且對現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算設(shè)計(jì)的方式做了介紹，體現(xiàn)CFD在離心泵設(shè)計(jì)中的重要性。

1 現(xiàn)有優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

離心泵葉片傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)是一元設(shè)計(jì)理論，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性。在設(shè)計(jì)過程中利用假設(shè)的方法將流體流動(dòng)問題進(jìn)行簡化，例如可以假設(shè)葉輪中的流體被葉輪分為多層，流體互不混雜地沿層流動(dòng)。研究單個(gè)旋轉(zhuǎn)流面流動(dòng)時(shí)，可以假設(shè)有無限個(gè)葉片，這樣就可以求出流面上的流線，把相對流線進(jìn)行疊加之后，形成了葉片表面，把這個(gè)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(gè)回轉(zhuǎn)面上的相對流線就是對葉片的線性設(shè)計(jì)。離心泵中流體流動(dòng)是復(fù)雜的三維流動(dòng)，所以其設(shè)計(jì)并不簡單，一般會(huì)做簡化處理，利用一元流動(dòng)設(shè)計(jì)理論，使得計(jì)算變簡單，具體的方法為，假設(shè)葉輪中流體都是軸對稱流動(dòng)，這樣同一個(gè)截面上軸面流動(dòng)就會(huì)均勻分布，流速只會(huì)隨著一個(gè)坐標(biāo)變化而變化。具體三個(gè)步驟為：（1）繪制葉輪的軸面圖形；（2）生成回流轉(zhuǎn)面；（3）繪制葉輪葉片的模型。這三個(gè)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(jié)合的一種方法，對一元設(shè)計(jì)理論具有重要作用。

一元設(shè)計(jì)理論當(dāng)然也會(huì)存在許多的缺點(diǎn)，它比較明顯的五個(gè)缺點(diǎn)是：（1）不能準(zhǔn)確計(jì)算葉片前方的流速，導(dǎo)致沖角過大；（2）無法控制葉片表面的流體負(fù)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(nèi)部相對流速會(huì)受到許多因素的影響；（5）無法確定最優(yōu)的葉片設(shè)計(jì)方案。所以必須改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，才能夠克服以上的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)更優(yōu)良的水泵葉片。

我們要注意的是，雖然一元葉片設(shè)計(jì)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(gè)方法，要保留其中優(yōu)良的部分，與新的方法相結(jié)合，提升水泵的設(shè)計(jì)方法。

現(xiàn)代較常用的設(shè)計(jì)法是基于CFD的設(shè)計(jì)方法，由于傳統(tǒng)的方式要進(jìn)行反復(fù)多次計(jì)算，比較麻煩，所以在科技飛速發(fā)展的今天，我們結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，各類的CFD軟件不斷涌現(xiàn)，避免了繁雜的人工計(jì)算，CFD技術(shù)正被大量運(yùn)用于三維流場分析。

如同流體力學(xué)的正、反問題一樣，離心泵的水力計(jì)算也是如此。正問題是流體流動(dòng)的全部邊界條件都已知，求解流動(dòng)的參數(shù)，也叫做流體分析。反問題就是設(shè)計(jì)離心泵的問題，如果設(shè)計(jì)它的水力結(jié)構(gòu)，求出幾何邊界，就是需要解決的問題。

所以分析可知，CFD設(shè)計(jì)對于葉片性能的控制能力很差，這成為了目前學(xué)者們共同努力研究的問題。通過不斷地努力發(fā)現(xiàn)，全三元反問題分析法能夠提高可控性，更加地高了葉輪設(shè)計(jì)的優(yōu)良性。

2 離心泵葉輪設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢

2.1 多目標(biāo)優(yōu)化

通過對優(yōu)化模型進(jìn)行綜合分析可以建立一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化模型，這個(gè)模型的目標(biāo)函數(shù)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(jìn)行分析修改，可以得到最佳的模型，解決許多實(shí)際問題。

2.2 遺傳算法

遺傳算法是借鑒生物學(xué)進(jìn)化規(guī)律進(jìn)行搜索與尋優(yōu)的計(jì)算方法，這種算法結(jié)合達(dá)爾文的物競天擇、適者生存的理論，能夠做到全局搜索，達(dá)到了求解問題的新高度，是一種十分優(yōu)良的計(jì)算方式，解決傳統(tǒng)方法不能解決的問題，達(dá)到全局最優(yōu)。

Wahba和Toudidakis在離心泵的設(shè)計(jì)優(yōu)化中引入遺傳算法，可以建立損失最小和揚(yáng)程最大的計(jì)算模型，建立多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，二維流場計(jì)算中用有限差分法計(jì)算，對適應(yīng)值函數(shù)通過流場計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，這樣的計(jì)算方式能夠得到最佳的計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化水泵。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿人腦的工作性質(zhì)的工具，通過大量簡單處理的單元相互連接，形成一個(gè)人工網(wǎng)絡(luò)，能夠進(jìn)行計(jì)算、分析、學(xué)習(xí)等的工具，具有計(jì)算精度高、推算清楚等優(yōu)點(diǎn)。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與三維粘性流動(dòng)分析可以對水泵的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)論

利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行“數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)”可以真實(shí)模擬三維離心泵中流場的分布情況，認(rèn)識(shí)離心泵內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)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(yōu)化技術(shù)，這是我國進(jìn)行水泵自主研發(fā)的主要技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]朱榮生.離心泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法研究[D].江蘇大學(xué)，2011.