基于ANSYS的离心泵叶轮优化设计.pdf

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1、第37卷第2期化工机械165基于ANSYS的离心泵叶轮优化设计周玉丰卑燕杰春方毅(四川信息职业技术学院)摘要在对原设计泵试验性能曲线分析的基础上，建立了以减小圆盘摩擦损失、提高离心泵效率为目标的叶轮优化设计数学模型，利用有限元分析软件ANSYS对离心泵的叶轮直径和出口几何参数进行优化设计。结果表明，优化后叶轮的圆盘摩擦损失有较为显著的下降，泵的效率有所提高。关键词离心泵叶轮优化设计中图分类号TQ051．21文献标识码A文章编号0254-．6094(2010)02-0165-05传统的离心泵设计方法是建立在一元理论和相似理论基础上的模型换算法

2、和速度系数法，速度系数法和模型换算法实质上是相同的。目前国内资料大多基于Stepnnoff早期统计结果¨J。国外目前应用较多的是Lobanoff在20世纪90年代发表的回归曲线心J，但国内还缺乏相关介绍与分析。本文以离心泵叶轮转子原设计参数为基础建立有限元计算模型，在对原设计泵试验性能曲线分析的基础上，建立了以减小圆盘摩擦损失、提高离心泵效率为目标的叶轮优化设计数学模型，对LB50—160型离心泵的叶轮直径和出口几何参数进行了优化设计，实现从静态分析向动态分析、从按经验设计向优化设计的转变。1原设计泵性能曲线的分析LB50—160型离心泵原

3、设计泵性能试验曲线(试验室为B级)如图l所示po。由图1可以看出，H—Q曲线为稳定的平坦曲线。在设计点(Q=20m3／h)附近，效率曲线'，一Q的高效区较宽，轴功率曲线Ⅳ-Q随流量的增大而上升，对应设计点的效率为“％。按B级试验要求，泵对应于设计点的效率应不低于规定值的0．972，即LB50—160泵对应设计点的效率应不低于0．972×64％=62％。因此，原设计泵的主要问题为效率较低，达不到设计要求。N怄嘲4321O0102080Q／m3·h‘1图1LB50-160型离心泵原设计泵性能试验曲线泵的特性曲线的差别是液体在泵内不同运动状态的外

4、部表现形式，而运动状态是由泵过流部件的几何形状决定的。下面就叶轮出口几何参数对泵特性曲线及效率的影响进行分析。1．1叶片出El角口：的影响叶片出13角岛对泵性能曲线的影响如图2所示。图中珥为理论扬程，Q，为理论流量。尻从很小的角度起逐渐增大时，特性曲线H-Q由陡降变为平坦，当皮过了某个区间后，再增大时，特性曲线出现驼峰如图2b、C所示。选择大的岛以增加扬程，减小D：，从而减小圆盘摩擦损失，提高泵的效率。但增大芦：角，在相同流量下叶轮出口速度增加，压水室的水力损失增加，并且在非设计流量下冲击损失增加，容易使特性曲线出现驼峰。因此，为获得下降的

5、特性曲线，不宜选过大的伤角。综合考虑，泵叶片出口角可取22．5～38“引。·周玉丰，男，1973年12月生，副教授。四川省广元市，628017。166化工机械2010年0Q曩．JBz<90。b．岛=90。c．岛>90。图2叶片出口角伤对泵性能的影响1．2叶轮出口宽度b：的影响叶轮出口宽度b：对泵性能曲线的影响如图3所示[5】。如果改变b：，会使性能曲线变得倾斜或平坦。理论扬程曲线呈水平线，实际扬程曲线就容易出现驼峰。为获得稳定的性能曲线，应减小出口宽度b2。图3叶轮出口宽度b，对泵性能曲线的影响2叶轮优化设计数学模型的建立由上分析可知，离心

6、泵存在的主要问题是泵的效率较低。因此，本文对叶轮的优化设计以提高泵效率为目标。为了提高泵的效率，就必须尽量减小泵中的各种能量损失。泵在把机械能转化为液体能量的过程中，伴有水力损失、容积损失和机械损失。水力损失是指发生在整个泵内(从泵进口到出口)过流部件的能量损失；容积损失是指由于泵内存在着许多间隙，而且间隙两端的压力不同，液体通过间隙从高压侧向低压侧泄漏造成的能量损失；机械损失包括轴承损失功率、密封损失功率和圆盘摩擦损失功率，其中圆盘摩擦损失功率是指用于克服叶轮前、后盖板表面与液体及盖板表面与泵腔中液体之间的摩擦而消耗的功率。在低比转数泵的

7、损失中，水力损失目前尚无法计算。容积效率仇随比转数下降而下降，比较精确的计算表明，即使n。低到20左右时，仇一般也不低于0．9，与机械效率相比，泵的容积效率是不低的。在机械损失中，轴承和密封损失功率所占比重不大，而且泵的比转数越低，其轴承和密封损失越小。目前圆盘摩擦损失％常采用下式估算：‰：号等之Ⅱ獗(1)式中心——叶轮出I=I圆周速度。D2订凡，^、屹21矿Lz，由此可知，圆盘摩擦损失‰正比于叶轮直径的5次方，因此叶轮直径的微小增加也会引起圆盘摩擦损失的迅速上升。为了使低比转数泵产生较高的扬程，叶轮直径必须较大，则圆盘摩擦损失较大，这正是

8、造成低比转数泵效率过低的主要原因。在其它条件不变的情况下，尽量减小圆盘摩擦损失，并使其最小是改善低比转数泵性能的唯一办法旧J。2．1函数的确定为了提高泵的效率，本文以圆盘摩擦损失