基于CFD技术的离心泵优化设计

基于CFD技术的离心泵优化设计
文章对目前泵设计方法如模型换算法、速度系数法和面积比原理进行详细介绍，并应用相似换算法和速度系数法对参数为Q=1400m3/h，H=15m，n=990r/min 的离心泵进行设计，通过CFD数值模拟，获得了内部流场较好的泵。

标签：离心泵；叶轮；设计
1 叶轮设计方法
在叶片式流体机械中，叶轮是叶片式流体机械中直接进行能量转换的部件，是叶片式流体机械最关键的部件。

由于泵内部流动非常复杂，对其流动规律的认识还不够全面，因此泵的水力设计还需建立在半理论、半经验和试验验证的基础上进行。

目前泵设计方法有几种形式，一般分为模型换算法、速度系数法、面积比原理[1]。

1.1 模型换算法
邹滋祥[2]系统的叙述了相似理论的具体内容，包括几何相似、物理现象相似以及两个体系之间相似的必要和充分条件，同时通过具体的例子来阐述叶轮机械模型设计过程中的具体应用方法。

陈凤军[3]针对集中空调系统试运行中出现的循环泵电机发热严重、能耗高、实际效果差等问题，提出了运用相似原理、按功率匹配进行叶轮切割的技术改造方案。

经实践证明，实现了优化运行，满足了设计要求，提高了经济效益。

应用模型换算法的首要前提条件，必须具有一个优秀的水力模型库，这样才会使得水力设计方便、可靠。

1.2 速度系数法
Stepanoff[4]早在1984年就提出利用比速规律进行水力设计的设计系数法，在统计大量实测资料的基础上提出了著名的Stepanoff速度图。

国内于80年代初曾经对部分优秀模型进行统计。

1985年陈次昌[5]应用多元逐步回归分析法对离心泵叶轮主要几何尺寸进行了总结与统计，得出了一些具有参考价值的计算公式。

90年代初，张俊达[6]和何希杰[7]等对近年来的优秀模型进行了重新统计，提出了一些系数和规律。

白小榜[8]等对6个混流泵优秀水力模型统计分析基础上，对叶轮和蜗室的主要几何参数：叶轮进口速度U0、叶轮外径D2（D2a，D2e）、出口宽度b2及蜗室几何参数计算公式中的速度系数进行了公式拟合，给出了混流泵的水力参数计算方法。

同时应用设计实例验证设计方法的准确性。

沙毅[9]等利用叶片泵能量方程和相似理论，推导出离心泵叶轮外径D2，出口叶片宽度b2和进口直径D0的速度系数法水力计算公式。

在IS系列泵参数回归统计基础上，利用最小二乘法拟合速度系数与比转数的关系方程式。

并用ns=87和ns=118两泵型的设计实例验证了设计计算方法的准确性和先进性。

模型换算法和速度系数法具有可靠、简便和实用的优点，但都受现有模型和系数的局限。

1.3 面积比原理
英国著名泵专家Anderson[10]于1938年首次提出了离心泵的面积比原理。

他指出，叶轮出口过流面积与泵体喉部面积之比是泵扬程、流量和轴功率等特性的主要决定因素。

Worster R C[11]于1963年首次用数学方法从理论上证明了Anderson所提出的面积比原理的科学性。

80年代初，Anderson[12]对15000台泵的试验资料进行了分析，结果用面积比原理预测的泵性能与实际的泵性能相当吻合。

从此，面积比原理逐步成为有效水力设计方法之一。

国内对面积比原理研究始于上世纪80年代。

郭自杰[13]在Worster R C证明的面积比原理的基础上，推导出比转数与面积比的近似表达式，用该式直接计算和分析比转数与面积比的相互关系。

计算方法简单，同时也适用于计算不遵循Anderson面积比与比转数关系图的低比转数泵。

张俊达[14]对国内166种泵的水力模型面积比系数进行了统计和回归，统计工作涉及双吸泵、节段式多级泵、混流泵、单级单吸离心泵，并绘制出了面积比系数与泵比转数的关系曲线。

袁寿其等[15]对面积比进行了理论分析和试验研究，用面积比绘制的扬程系数和流量系数的形式来修正标准化的设计数据，从整体上把叶轮和泵体两大水力部件联系在一起，具有其科学性和发展前途。

孙德明[16]等归纳总结了部分流泵喉部和叶轮的匹配公式，面积比与流量系数、扬程系数以及比转数的关系式。

杨虎军[17，18]等依据离心泵的面积比原理，推导得出了计算离心泵面积比的计算公式，提出建立在面积比原理基础上、低比转速离心泵在加大流量设计后的面积比、蜗壳第八断面面积的计算方法及公式，使得面积比及蜗壳的第八断面面积和泵的流量加大系数、比转速加大系数得到了联系。

总的来说，面积比原理的基本特点是用对面积比绘制的扬程系数和流量系数的形式来修正标准化的设计数据。

这种方法从整体上把叶轮和泵体这两大水力部件联系在一起，是有其科学性核发展前途的。

在以上几种泵设计方法和设计理论中，应用最多的是相似换算法和速度系数法。

应用相似换算法设计出来的泵性能很大程度上依赖水力模型的技术水平。

2 叶轮设计
2.1 叶轮基本参数的确定
主泵设计参数如表1。

3 流场分析
图3为泵设计工况下的速度流线，从图中可以看出，泵的内部流线分布均匀，并无明显的涡结构，流线较流畅，本文设计的具有较好的流场。

从进口开始，流速不断增加，这是因为叶轮不断对流体做功，机械能转化为动能。

而当流体从叶轮进入蜗壳流道，流速开始降低，主要是因为蜗壳的扩压作用，动能逐渐转化为压力能。

4 结束语
本文对目前泵设计方法如模型换算法、速度系数法、面积比原理和自由漩涡理论进行详细介绍，并应用相似换算法和速度系数法对参数为Q=1400m3/h，H=15m，n=990r/min的离心泵进行设计，通过CFD数值模拟，获得了内部流场较好的泵。

参考文献
[1]袁寿其.低比转速离心泵理论与设计[M].北京：机械工业出版社. 1997.[2]邹滋祥.相似理论在叶轮机械模型研究中的应用[M].北京：科学出版社，1984.
[3]陈凤军.相似原理在循环泵技术改造中的应用[J].节能技术，2003，21（121）：38-39.
[4]Stepanoff A J.Centrifugal and axial flow pumps theory design and application[M].John wilay and sons，New York，1957.
[5]陈次昌.离心泵叶轮主要几何尺寸的计算[J].排灌机械，1985，3（1）：34-40.
[6]张俊达，薛国富.速度系数法[J].水泵技术，1990（1）：19-23.
[7]何希杰，钟振.单级离心泵设计规律与趋势[J].排灌机械，1991，9（2）：4-8.
[8]白小榜，沙毅，李金磊.混流泵速度系数法水力设计探讨[J].水泵技术，2008，5：11-15.
[9]沙毅，康灿，陈燕.基于IS系列离心泵速度系数法水力设计[J].水泵技术，2005（4）：20-23.
[10]Anderson H H.Mine pumps[J]. Journal of Mining Society，1938.
[11]Worster R C. The flow in volutcs and its effects on centrifugal pump performance[J].Proc. I Mech. E. 1963，177（31）.
[12]Anderson H H .The area ratio system[J].Word Pumps，1984（6）：201-211.
[13]郭自杰.涡壳泵面积比原理讨论[J].排灌机械，1989，7（2）：1-4.
[14]张俊达.面积比系数的统计[J].水泵技术，1991（2）：28-29.
[15]袁寿其，曹武陵，陈次昌.面积比原理和泵的性能[J].农业机械学报，1993，24（2）：36-41.
[16]孙德明，范宗霖.面积比原理在部分流泵中的应用[J].水泵技术，2002（5）：3-5.
[17]杨虎军，张人会，王春龙，等.低比转速离心泵的面积比原理[J]，兰州理工大学学报，2006，32（5）：53-55.
[18]杨虎军，张人会，王春龙，等.计算离心泵面积比和蜗壳面积的方法[J]，机械工程学报，2006，42（9）：67-70.
作者简介：郑玉彬（1975-），男，工程师，主要从来事火力发电厂相关技术研究工作。