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摘 要：双吸离心泵具有流量大、扬程高、性能稳定等特点，且应用范围广泛。但是吸离心泵又是一种高能耗设备，效率普遍不高，因此设计出高效率的双吸泵水力模型对于泵制造企业尤为重要。对现有某S型双吸离心泵进行优化设计，基于Ansys Fluent软件，采用正交试验法对叶轮的出口宽度、出口安放角、叶片包角和叶片数进行改进，从而提高效率。
关键词：双吸离心泵 效率 叶轮 优化设计
双吸离心泵由于所配备的功率较大，是一种高耗能的设备，使用单位对其基本的要求是能够使用高效率的双吸泵，然而国内生产的双吸泵效率不高已经是普遍现象。本文对现有某S型双吸泵离心泵进行优化设计，从而提高效率。现有S型泵的扬程为44.5m，效率为78.9%，双吸泵的目标性能参数为流量Q=280m3/h，扬程H=45m，转速n=2950 r/min，效率η=79.2%，功率Pa=43.5 kW。
1 改进设计方案的确定
叶轮是泵的核心部件，其结构设计影响着双吸泵的外部特性参数。通过改变叶轮的结构参数，来达到提高扬程和效率的目的，具体影响因素如下：（1）叶轮出口宽度[1]。适当增加宽度，有利于减少压水室的水力损失。（2）叶片出口角[2]。适当增加出口安放角，减小圆盘摩擦损失。（3）叶片包角[3]。增加包角能获得更好的水力性能。（4）叶片数[4]。较多的叶片数可以强有力地控制着过流流体。叶轮的主要结构参数为叶轮出口宽度b2=40mm，叶片出口角β2=29°，叶片包角φ=101°，叶片数Z=5。
正交试验[5]是常用的优化设计方法之一，其主要研究多因素及多水平对优化对象的影响。本文基于Ansys Fluent软件，改变叶轮结构通过数值模拟分析寻找最佳的组合。实验不考察交互作用选用L9（34）正交表，拟定9种方案，表1为9种优化方案。
2 改进设计后的水力模型
根据扬程和效率的计算公式，计算出9种方案在6种不同工况下的扬程和效率值。9种方案的扬程和效率值由表2和表3给出。
通过扬程值看出在工况点上方案2、4、6、7和8达到设计要求的45m，过设计工况点后扬程下降速率较快，其中方案8扬程最高，但是出现驼峰曲线。
通过效率值看出在工况点上效率普遍都有提高，且高效区范围比较广，在0.8Q至1.2Q的运行区间内效率多数提高，增强了双吸泵运行的稳定性，大部分方案的最高效率点都在设计工况点上。除方案1和8外，其余方案均达到设计要求的79.2 %，其中方案2和4效率最高。
综合考虑效率、扬程选择方案4为优化后的叶轮水力模型。
图1和图2分别为方案4的z=18 mm叶轮静压云图和叶轮速度矢量图。
从叶轮静压云图中看出，压力分布比较合理，整体压差值差别不大。入口低压区较少，整个叶轮中压力梯度变化均匀，几乎是等半径递增，表明叶轮内部压力分布较为均匀。
從叶轮速度矢量图中看出，速度场变化比较好，无回流、尾迹等不良现象，流动趋势非常相似，流速变化均匀。
通过效率正交试验结果极差分析，得出影响效率的主次因素为：叶片包角、叶轮出口宽度、叶片数、叶片出口角。对优选的水力模型进行样机的试验验证。
3 试验验证与分析
水力模型试验是通过国家工业泵质量监督检验中心的闭式试验台，按照GB/ T 3216-2016《回转动力泵水力性能验收试验 1级、2级和3级》中的规定进行试验。表4为试验数据结果换算到规定转速下的值。
4 数值模拟结果与试验数据的对比分析
试验结果数值在小流量区低于模拟数值，而在大流量区略高于模拟数值，且效率最高点出现在工况点与大流量点之间，是因为数值模拟中虽然考虑了容积损失和圆盘摩擦损失，但是双吸泵的实际运行情况较为复杂，存在着轴承与密封的损失，而且过流部件壁面的粗糙程度对双吸泵的性能也会有一定的影响。其差值都在可接受范围内，且试验结果和模拟结果均满足性能设计指标的要求。
5 结语
本文采用正交试验的方法，通过对叶轮结构的优化，以满足对效率和扬程的设计要求，选取最佳的水力模型。通过对数据及内部流场的分析，得出影响效率的主次因素，为以后的研究提供理论依据，并且双吸泵内部流场流动的分布合理，也影响着外部性能参数的优良。最终选择方案4为最佳的水力模型，作为样机进行后续的试验验证。通过试验验证，方案4的水力模型试验结果满足性能设计指标的要求。
参考文献
[1] 冯喆.离心泵叶轮内部流场模拟及其结构改进设计[J]. 机械设计与制造，2015，5（5）：16-20.
[2] 谈明高，刘厚林，袁寿其，等.离心泵出口角对能量性影响的CFD研究[J].中国农村水利电， 2008（11）：104-106.
[3] 黄茜，袁寿其，张金凤，等.叶片包角对高比转数离心泵性能的影响[J].排灌机械工程学报，2016，9（9）：742-747.
[4] 梁润东.双吸离心泵叶片数及叶轮形式对泵性能影响的研究[D].兰州理工大学，2014.
[5] 任露泉.回归设计及其优化[M].北京：科学出版社，2009.
关键词：双吸离心泵 效率 叶轮 优化设计
双吸离心泵由于所配备的功率较大，是一种高耗能的设备，使用单位对其基本的要求是能够使用高效率的双吸泵，然而国内生产的双吸泵效率不高已经是普遍现象。本文对现有某S型双吸泵离心泵进行优化设计，从而提高效率。现有S型泵的扬程为44.5m，效率为78.9%，双吸泵的目标性能参数为流量Q=280m3/h，扬程H=45m，转速n=2950 r/min，效率η=79.2%，功率Pa=43.5 kW。
1 改进设计方案的确定
叶轮是泵的核心部件，其结构设计影响着双吸泵的外部特性参数。通过改变叶轮的结构参数，来达到提高扬程和效率的目的，具体影响因素如下：（1）叶轮出口宽度[1]。适当增加宽度，有利于减少压水室的水力损失。（2）叶片出口角[2]。适当增加出口安放角，减小圆盘摩擦损失。（3）叶片包角[3]。增加包角能获得更好的水力性能。（4）叶片数[4]。较多的叶片数可以强有力地控制着过流流体。叶轮的主要结构参数为叶轮出口宽度b2=40mm，叶片出口角β2=29°，叶片包角φ=101°，叶片数Z=5。
正交试验[5]是常用的优化设计方法之一，其主要研究多因素及多水平对优化对象的影响。本文基于Ansys Fluent软件，改变叶轮结构通过数值模拟分析寻找最佳的组合。实验不考察交互作用选用L9（34）正交表，拟定9种方案，表1为9种优化方案。
2 改进设计后的水力模型
根据扬程和效率的计算公式，计算出9种方案在6种不同工况下的扬程和效率值。9种方案的扬程和效率值由表2和表3给出。
通过扬程值看出在工况点上方案2、4、6、7和8达到设计要求的45m，过设计工况点后扬程下降速率较快，其中方案8扬程最高，但是出现驼峰曲线。
通过效率值看出在工况点上效率普遍都有提高，且高效区范围比较广，在0.8Q至1.2Q的运行区间内效率多数提高，增强了双吸泵运行的稳定性，大部分方案的最高效率点都在设计工况点上。除方案1和8外，其余方案均达到设计要求的79.2 %，其中方案2和4效率最高。
综合考虑效率、扬程选择方案4为优化后的叶轮水力模型。
图1和图2分别为方案4的z=18 mm叶轮静压云图和叶轮速度矢量图。
从叶轮静压云图中看出，压力分布比较合理，整体压差值差别不大。入口低压区较少，整个叶轮中压力梯度变化均匀，几乎是等半径递增，表明叶轮内部压力分布较为均匀。
從叶轮速度矢量图中看出，速度场变化比较好，无回流、尾迹等不良现象，流动趋势非常相似，流速变化均匀。
通过效率正交试验结果极差分析，得出影响效率的主次因素为：叶片包角、叶轮出口宽度、叶片数、叶片出口角。对优选的水力模型进行样机的试验验证。
3 试验验证与分析
水力模型试验是通过国家工业泵质量监督检验中心的闭式试验台，按照GB/ T 3216-2016《回转动力泵水力性能验收试验 1级、2级和3级》中的规定进行试验。表4为试验数据结果换算到规定转速下的值。
4 数值模拟结果与试验数据的对比分析
试验结果数值在小流量区低于模拟数值，而在大流量区略高于模拟数值，且效率最高点出现在工况点与大流量点之间，是因为数值模拟中虽然考虑了容积损失和圆盘摩擦损失，但是双吸泵的实际运行情况较为复杂，存在着轴承与密封的损失，而且过流部件壁面的粗糙程度对双吸泵的性能也会有一定的影响。其差值都在可接受范围内，且试验结果和模拟结果均满足性能设计指标的要求。
5 结语
本文采用正交试验的方法，通过对叶轮结构的优化，以满足对效率和扬程的设计要求，选取最佳的水力模型。通过对数据及内部流场的分析，得出影响效率的主次因素，为以后的研究提供理论依据，并且双吸泵内部流场流动的分布合理，也影响着外部性能参数的优良。最终选择方案4为最佳的水力模型，作为样机进行后续的试验验证。通过试验验证，方案4的水力模型试验结果满足性能设计指标的要求。
参考文献
[1] 冯喆.离心泵叶轮内部流场模拟及其结构改进设计[J]. 机械设计与制造，2015，5（5）：16-20.
[2] 谈明高，刘厚林，袁寿其，等.离心泵出口角对能量性影响的CFD研究[J].中国农村水利电， 2008（11）：104-106.
[3] 黄茜，袁寿其，张金凤，等.叶片包角对高比转数离心泵性能的影响[J].排灌机械工程学报，2016，9（9）：742-747.
[4] 梁润东.双吸离心泵叶片数及叶轮形式对泵性能影响的研究[D].兰州理工大学，2014.
[5] 任露泉.回归设计及其优化[M].北京：科学出版社，2009.