各参数对多级离心泵性能的影响及优化_张文浩.pdf

各参数对多级离心泵性能的影响及优化张文浩（华阳新材料科技集团有限公司新能源蓄能新材料事业部，山西阳泉045000）摘要：为解决基于传统思路所设计的多级离心泵性能无法满足实际生产需求的问题，基于 SolidWorks 软件构建三维模型，并根据仿真需求对模型进行网格划分后，通过 FULENT 软件对叶片数量、出口角度、出口直径和进口直径等结构参数对多级离心泵的效率、扬程、H-Q 曲线及内部流场的影响进行对比，得出多级离心泵最佳性能对应的结构参数。关键词：多级离心泵；叶片；出口角度；效率；扬程中图分类号：TH311文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0045-020引言多级离心泵主要应用于工业、暖通、排污以及建筑给排水等领域中，其内部流场特征将直接影响设备的工作性能。传统多级离心泵的设计主要通过理论计算和经验相结合的方式完成，在实际生产中存在多级离心泵工作性能无法满足生产需求的问题1-5。因此，针对多级离心泵工作性能的预测，掌握不同参数对多级离心泵工作性能的影响机理，并基于相关算法结合实际生产需求对其关键参数进行优化是保证最终生产效率的关键。本文将重点对各参数影响多级离心泵的机理展开研究，并对其结构进行优化设计。1多级离心泵模型构建采用 SolidWorks 软件建立多级离心泵的三维模型（见图 1），并将模型导入 FLUENT 软件对内部流场进行分析。基于 SolidWorks 软件建立模型时应重点关注叶轮区域中的叶轮、叶片、叶轮流道和导叶流道等，导叶区域中的正导叶、反导叶和环形空间等。根据表1 中所示的多级离心泵的结构参数构建仿真模型。基于 SolidWorks 软件所建立的三维仿真模型如图 1 所示。鉴于多级离心泵的结构尺寸较大且复杂，而且在实际结构内部存在大量尖角位置，不利于模型的网格划分。因此，针对多级离心泵的特点，本模型采用结构体网格和非结构体网格对其进行划分，以保证最终仿真结果的准确性。其中，采用“圆周阵列”对叶轮的结构体网格进行划分，确定网格数量为 201 457；在导叶段、进水段和出水段等部件采用非结构体网格进行划分，确定网格数量为 733 609。模型构建的准确性对于后续数值模拟分析结论的准确性尤为重要。基于上述所构建的模型对不同流量下多级离心泵的扬程的仿真结果与试验值进行对比。经比对可知，二者之间的相对平均误差仅为0.602%。由此说明，所构建的模型相对可靠且准确，可用于后续对离心泵结构参数的优化。2不同结构参数对多级离心泵的性能影响基于上述所构建的多级离心泵的数值模拟仿真模型，重点研究叶片数量、叶片出口角度、叶轮出口直径以及叶轮进口直径对离心泵的性能影响，包括多级离心泵的设计点效率、设计点内流场以及 H-Q 曲线等，为后续多级离心泵结构优化奠定基础。2.1叶片数量对多级离心泵性能的影响以叶片数量对多级离心泵设计点效率的影响为例。不同叶片数量对应多级离心泵的扬程和效率仿真结果如下页表 2 所示。由表 2 可知，随着叶片数量的增加，对应多级离心泵的扬程和效率呈现先增大后减小的变化趋势。其收稿日期：2022-08-11作者简介：张文浩（1989），男，山西寿阳人，本科，毕业于中北大学信息商务学院测控技术与仪器专业，电气工程师，研究方向为电气。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.018参数名称参数值额定流量/（m3 h-1）280扬程/m173效率/%78额定转速/（r min-1）1 480比转速89叶轮进口外径/m0.15叶轮出口外径/m0.366 9叶片出口安装角度/（）30叶片数量7 个级数4 级表 1多级离心泵关键技术参数图 1多级离心泵数值模拟仿真模型出口导叶叶轮进口试验研究机械管理开发第 38 卷中，当叶片数量为 7 个时，对应的多级离心泵的扬程最大。但是，当叶片数量为 6 个时，对应的多级离心泵的效率最大；而且当叶片数量为 6 个和 7 个时，对应的多级离心泵的扬程相近。因此，单纯考虑叶片数量对多级离心泵扬程和效率的影响，应将叶片数量控制在 6 个或 7 个。同理得出，随着叶片数量的增加，多级离心泵内流场分布逐渐均匀；同时，当叶片数量较少时，可有效消除 H-Q 曲线中的驼峰现场。因此，综合考虑不同叶片数量对多级离心泵设计点扬程、效率、内部流场压力分布以及 H-Q 曲线的影响，应将叶片数量控制在 6 个为最佳。2.2叶片出口角度对多级离心泵性能的影响以叶片出口角度对多级离心泵设计点扬程和效率的影响为例。不同叶片出口角度对应多级离心泵的扬程和效率仿真结果如表 3 所示。如表 3 所示，随着叶片出口角度的增加，对应多级离心泵的扬程呈现增大的变化趋势，而多级离心泵效率呈现先减小后增大的趋势。但是，单纯分析叶片出口角对多级离心泵效率的影响，不同叶片出口角对应的多级离心泵效率相近。同理得出，随着叶片出口角度的增加，容易在 H-Q 曲线上出现驼峰；而且，随着出口角度的增加，多级离心泵内部流场的相对速度减小，从而减缓内部流场的冲击力。因此，综合考虑不同叶片出口角对多级离心泵设计点扬程、效率、内部流场压力分布以及 H-Q 曲线的影响，应将叶片出口角控制在 21。2.3叶片进出口直径对多级离心泵性能的影响以叶片出口直径对多级离心泵设计点扬程和效率的影响为例。不同叶片出口直径对应多级离心泵的扬程和效率仿真结果如表 4 所示。如表 4 所示，随着叶片出口直径的增加，对应多级离心泵的扬程增大，对应多级离心泵的效率变化不明显。同理得出，当叶片出口直径较大时，对应多级离心泵的出口压力越大，同时 H-Q 曲线相对陡峭不容易产生驼峰。因此，综合考虑不同叶片出口直径对多级离心泵设计点扬程、效率、内部流场压力分布以及 H-Q 曲线的影响，应将叶片出口直径取较大值，取值为0.3709mm。对于叶片进口直径而言，该项结构参数对多级离心泵内部流场压力无影响；随着叶片进口直径的增加，其对应多级离心泵的扬程和效率呈现先增大后减小的变化趋势，而且拐点均位于进口直径为 0.15 mm的情况。3结论传统多级离心泵在设计时主要依据相关理论计算并参照相关应用经验进行，常导致多级离心泵在实际应用中表现为性能无法满足需求的问题。因此，本着提升多级离心泵的目的，本文通过数值模拟手段对其关键结构参数进行优化。具体总结如下：1）所构建的模型对不同流量下多级离心泵的扬程的仿真结果与试验值之间的相对平均误差仅为0.602%。说明，所构建的模型相对可靠且准确，可用于后续对离心泵结构参数的优化。2）经仿真分析，将多级离心泵的叶片数量控制在6 个，叶片出口角控制在 21，叶片出口直径控制在0.370 9 mm，叶片进口直径为 0.15 mm。3）实践表明，对多级离心泵叶片数量、出口角度、进口直径和出口直径进行优化后，多级离心泵的扬程增加 7 mm，效率增加 5%。参考文献1吴大转，孙幼波，陈涛，等.多级离心泵半开式叶轮参数优化的数值研究J.工程热物理学报，2013，34（1）：75-78.2张炎，李双喜，蔡纪宁，等.多级离心泵平衡装置的性能研究及结构优化J.流体机械，2015，43（10）：16-20；78.3周岭，杨阳，王伟，等.叶轮结构对多级离心泵性能及噪声的影响J.水电能源科学，2016，34（11）：178-181.4戴晓春，赵德清.多级离心泵轴向浮动支撑结构的研究与设计J.流体机械，2017，45（5）：42-45；35.5陈红军，张铁罕，王昌荣.SDZ310 型超高压多级离心泵的结构特性J.排灌机械工程学报，2018，36（7）：567-572.（编辑：李俊慧）参数叶片数量5 个6 个7 个8 个扬程/m148.85174.42175.23167.90效率/%68.2776.8076.2973.34表 2不同叶片数量对应多级离心泵的扬程和效率参数叶片出口角/（）21243035扬程/m169.84170.92175.23180.24效率/%76.5176.1976.2975.34表 3不同叶片出口角度对应多级离心泵的扬程和效率参数叶片出口直径/mm0.362 90.364 90.366 90.370 9扬程/m169.84170.92175.23180.24效率/%76.7075.9576.2976.63表 4不同叶片出口直径对应多级离心泵的扬程和效率（下转第 49 页）462023 年第 6 期分析方法进行匹配对比后发现，此种方法更符合当前大型带式输送机轻量化设计相关要求，所以可在后续轻量化设计中进行参考应用。参考文献1贺金虎，廉自生.基于 ADAMS 的带式输送机输送带动特性仿真分析J.制造业自动化，2014，36（7）：91-93.2张建国，寇子明，吴娟，等.基于 ADAMS/Hydraulic 的带式输送机断带抓捕机架动力学仿真J.煤矿机械，2012，33（8）：40-42.3石浩.大型波状挡边带式输送机系统动力学特性及驱动装置研究D.青岛：山东科技大学，2020.4樊伟.带式输送机跑偏原因分析及调心托辊纠偏特性研究J.中国矿山工程，2021（4）：54-56；64.5余浩，田俊杰，姚庆，等.偏载工况下带式输送机输送带跑偏及纠偏研究J.机电工程，2022，39（7）：996-1 003.（编辑：李俊慧）ADAMS Modelling and Performance Study of Large Belt ConveyorsLiu Ruijun（Huozhou Coal and Electric Group Xinju Coal Machinery Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,HuozhouShanxi 031400）Abstract:An ADAMS model simulation analysis method for large belt conveyors is introduced.The method first uses SolidWorks softwareto build a three-dimensional model,then generates a rigid-flexible coupling model through ADAMS software,and uses this as the basis formodel simulation analysis of large belt conveyors.Afterwards,the method is applied to engineering practice to confirm the application valueof the model simulation analysis method.Key words:large belt conveyor;ADAMS;3D modelling;performance;simulation analysisInfluence of Each Parameter on the Performance of Multistage Centrifugal Pumps andOptimizationZhang Wenhao（New Energy Storage New Materials Division,Huayang New Materials Technology Group Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi 045000）Abstract:In order to solve the problem that the performance of multistage centrifugal pumps designed based on traditional ideas cannotmeet the actual production requi