技术领域
[0001] 本
发明涉及一种低比转速离心
泵叶轮切割设计方法。
背景技术
[0002] 低比转速
离心泵由于具有扬程高、流量小的特点而广泛应用于各个领域。离心泵的轴功率特性决定离心泵在大流量运行时易发生过载甚至烧毁
原动机。
[0003] 低比转速离心泵轴功率曲线随流量增加不断上升，并且比转速越低，轴功率曲线随流量增加上升越快。而在引入ISO国际标准后，由于泵的尺寸受到限制，以及为了提高泵效率，人们普遍采用的方法是通过改变叶轮而加大流量，这就使得离心泵(特别是低比转速离心泵)轴功率更具有不饱和性引起原动机过载。
[0004] 传统的改善轴功率过载的措施如选择较小的叶轮出口安放
角和较小的出口宽度，但过小的出口安放角和出口宽度不便于叶轮制造加工，也不利于
水力性能的提高。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于解决
现有技术存在的上述问题而提供一种多低比转速离心泵叶轮切割设计方法，采用试验设计方法(Design of Experiment、DOE)安排一系列不同的切削方案；对各个方案进行CFX计算，建立叶轮参数与外特性性能的函数关系，采用回归分析建立函数模型，从而得到最优的设计参数，在满足离心泵基本外特性性能的前提下，通过切削叶轮外径、前盖板和后盖板，减小叶轮圆盘摩擦损失，从而降低轴功率，实现低比转速离心泵无过载的目的。
[0006] 本发明的上述技术目的主要是通过以下技术方案解决的：低比转速离心泵叶轮切割设计方法，其特征在于，其步骤包括：
[0007] S1、选取初始几何参数：选取叶轮外径、叶轮前盖板、叶轮后盖板的切削参数，并确定切削参数的取值范围；
[0008] S2、进行方案设计：采用试验设计方法设计复数组切削方案；
[0009] S3、确定各参数方案的叶轮外特性：对各组方案的叶轮进行计算，得到各个方案的外特性；
[0010] S4、进行三维造型：采用回归分析，建立各参数与外特性之间的函数关系，对函数赋值进行外特性的计算预测，得到最优解参数的叶轮模型；
[0011] S5、对S4的函数赋值寻优得到的最优解参数进行试验验证，以确定切削参数满足外特性性能。
[0012] 采用试验设计方法(Design of Experiment、DOE)安排一系列不同的切削方案，通常情况下以12组左右为较优方案；在S2步骤中，对各个方案进行CFX计算(采用ANSYS CFX
软件)，采用回归分析建立函数模型，对S4的函数赋值寻优得到的最优解参数进行试验验证，以确定切削参数(参数为叶轮外径、前盖板外径和后盖板外径)满足外特性性能，确定最优方案的叶轮，使得在不影响离心泵外特性性能的
基础上，大大降低轴功率，实现低比转速离心泵无过载的目的。
[0013] 作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用如下技术措施：
[0014] S4步骤中需对所述三维造型进行网格划分，然后进行函数赋值计算。
[0015] 确定所述叶轮的出口外径为D2，根据切削参数对所述叶轮进行切削，使所述叶轮的
叶片直径为d1，d1＝[0，D2-3]；使所述叶轮的前盖板直径为d2，d2＝[0，D2-3]；使所述叶轮的后盖板直径为d3，d3＝[0，D2-3]。
[0016] 所述叶轮的叶片、前盖板和后盖板的切削量均不大3mm。
[0017] 采用回归分析，建立各参数与各个方案的外特性之间的函数关系，所建立的函数模型为：
[0018]
[0019]
[0020] +204.0752×d3。
[0021] 对所述函数模型进行赋值寻优，得到最优解参数为d1＝135，d2＝132，d3＝132。
[0022] 本发明具有的有益效果：采用试验设计方法(Design of Experiment、DOE)安排一系列不同的切削方案，进行多目标优化设计。对各个方案采用ANSYS CFX软件进行CFX计算，建立叶轮参数与外特性性能的函数关系，采用回归分析建立函数模型，最函数模型预测寻优，从而得到最优的设计参数，在满足离心泵基本外特性性能的前提下，通过切削叶轮外径、前盖板和后盖板，减小叶轮圆盘摩擦损失，从而降低轴功率，实现低比转速离心泵无过载的目的。
附图说明
[0024] 图2是本发明涉及的叶轮的各参数示意图。
具体实施方式
[0025] 下面通过
实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0026] 实施例：如图1所示。低比转速离心泵叶轮切割设计方法，其特征在于，其步骤包括：
[0027] S1、选取初始几何参数(基于传统水力设计方法得到的初始几何参数)：选取叶轮外径、叶轮前盖板、叶轮后盖板的切削参数，并确定切削参数的取值范围；
[0028] S2、进行方案设计：采用试验设计方法设计复数组切削方案；
[0029] S3、确定各参数方案的叶轮外特性：对各组方案的叶轮进行计算，得到各个方案的外特性；
[0030] S4、采用CREO对叶轮进行三维造型：采用回归分析，建立各参数与外特性之间的函数关系，对函数赋值进行外特性的计算预测，得到最优解参数的叶轮模型；
[0031] S5、对S4的函数赋值寻优得到的最优解参数进行试验验证，以确定切削参数满足外特性性能。
[0032] 采用试验设计方法(Design of Experiment、DOE)安排一系列不同的切削方案，通常情况下以12组左右为较优方案；在S2步骤中，对各个方案进行CFX计算(采用ANSYS CFX软件)，采用回归分析建立函数模型，对S4的函数赋值寻优得到的最优解参数进行试验验证，以确定切削参数(参数为叶轮外径、前盖板外径和后盖板外径)满足外特性性能，确定最优方案的叶轮，使得在不影响离心泵外特性性能的基础上，大大降低轴功率，实现低比转速离心泵无过载的目的。
[0033] S4步骤中需对所述三维造型进行网格划分(采用ICED对叶轮进行非结构网格划分)，然后导入CFX，进行函数赋值计算，。
[0034] 如图2所示，确定所述叶轮的出口外径为D2，根据切削参数对所述叶轮进行切削，使所述叶轮的叶片直径为d1，d1＝[0，D2-3]；使所述叶轮的前盖板直径为d2，d2＝[0，D2-3]；使所述叶轮的后盖板直径为d3，d3＝[0，D2-3]。
[0035] 所述叶轮的叶片、前盖板和后盖板的切削量均不大3mm。
[0036] 采用回归分析，建立各参数与各个方案的外特性之间的函数关系，所建立的函数模型为：
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] 对所述函数模型进行赋值寻优，得到最优解参数为d1＝135，d2＝132，d3＝132。
[0041] 下面以一台低比转速离心泵IS3-28-0.75为例，泵的设计工况流量为3m3/h，扬程为28m，效率为21％，
电机配套功率0.75Kw，叶轮外径D2＝138mm。该泵在大流量时最大轴功率为1330w，大于国标电机规定的Pmax＝1285w，因此采用本技术方案涉及的设计方法，进行改进，具体步骤如下：
[0042] 步骤1、叶轮叶片切削后直径d1，叶轮前盖板切削后直径d2，叶轮后盖板切削后直径d3，并确定切削参数的设计范围，分别为d1＝{132、135、138}，d2＝{132、134、136、138}，d3＝{132、134、136、138}，采用DOE试验设计方法，得到12组设计方案；
[0043] 对各组方案的叶轮进行
流体域建模，划分网格并与原始泵体流体域网格装配，将网格导入到CFX进行定常和非定常数值模拟计算，得到离心泵外特性的扬程、效率、轴功率数据。
[0044] 对计算得到的扬程、效率、轴功率与流量进行回归分析并进行函数拟合，得到函数模型。
[0045] 下表1为各组方案设计参数及数值模拟得到的外特性数据。
[0046]d1 d2 d3 Q(m3/h) H(m) η(％) P(w)
132 132 132 3 30.16 34.31 377.82
132 138 138 3 29.72 34.83 366.05
132 136 134 3 29.82 35.62 358.98
138 136 138 3 31.67 37.9 357.01
138 132 136 3 31.43 37.6 357.38
135 132 138 3 31.6 36.48 370.42
135 138 132 3 30.67 35.11 375.2
138 138 134 3 31.85 35.93 378.6
138 134 132 3 31.54 36.28 371.5
132 134 136 3 30.29 36.64 354.25
135 136 136 3 30.97 37.96 349.13
135 134 134 3 30.94 35.71 370.95
[0047] 表1
[0048] 对上表1数据进行回归分析，得到拟合函数模型为
[0049]
[0050]
[0051]
[0052] 对函数模型进行赋值寻优，得到最优解参数为d1＝135，d2＝132，d3＝132。
[0053] 根据最优参数进行叶轮的切割，并进行样机试验测试性能，下表2是测试数据：
[0054]
[0055]
[0056] 表2
[0057] 由上表2可以看出，最大轴功率较设计要求降低了101w，且其他外特性扬程和效率也满足设计要求。
[0058] 表1中模拟的效率仅为水力效率，功率为水功率；而表2中测试的效率为机组效率(即电机效率与泵效率的乘积)，功率为电机输入功率。故而CFX模拟的扬程数据可以真实反应电泵的扬程，而效率和功率的数值仅作为参考，但也可以预测其效率(即功率)的趋势。
[0059] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。在上述实施例中，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
