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《排灌機(jī)械工程學(xué)報》2014年第五期

1正交試驗設(shè)計

BQS35－200／2－55／N型礦用潛水泵設(shè)計流量Q＝35m3／h，設(shè)計揚程H＝200m，轉(zhuǎn)速n＝2980r／min，采用兩級葉輪，配套功率55kW．葉輪主要水力尺寸：外徑D2＝280mm，出口寬度b2＝10mm，葉片出口安放角β2＝27°，葉片數(shù)Z＝4．導(dǎo)葉主要水力尺寸：基圓D3＝290mm，外徑D4＝370mm，正導(dǎo)葉葉片數(shù)為5．泵的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示．徑向?qū)?/a>葉中關(guān)鍵的幾何參數(shù)主要有正導(dǎo)葉進(jìn)口安放角α3、喉部面積F3、擴(kuò)散角、反導(dǎo)葉進(jìn)口安放角α5、反導(dǎo)葉高度b5、反導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2、反導(dǎo)葉出口安放角α6等。由于該泵運行流量較小，因而出口絕對液流角較小，應(yīng)當(dāng)設(shè)計較小的正導(dǎo)葉進(jìn)口安放角，而對于喉部面積的設(shè)計，通常根據(jù)面積比原理來確定，Anderson針對普通離心泵定義面積比系數(shù)Y：但根據(jù)文獻(xiàn)［17］中所統(tǒng)計得到的面積比系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系來確定導(dǎo)葉喉部面積仍有一定的不確定性，故文中首先將喉部面積F3（徑向高度×寬度）作為試驗研究因素之一；流體流經(jīng)擴(kuò)散段時，過流斷面面積增大，因而流速相應(yīng)地逐漸降低，增加壓能，擴(kuò)散角的大小則可能對于流動水力損失有較大影響，故將擴(kuò)散角作為試驗研究因素之二；反導(dǎo)葉進(jìn)口安放角通常可由進(jìn)口液流角求得，出于對礦用潛水泵的軸向尺寸特別是正反導(dǎo)葉過渡面積比值的考慮，故將反導(dǎo)葉高度b5作為試驗因素之三；反導(dǎo)葉葉片數(shù)對于消除流場內(nèi)旋渦、降低流動損失同樣起到重要作用，但其具體數(shù)量的優(yōu)劣尚未有依據(jù)可循，故將反導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2作為試驗因素之四．考慮到反導(dǎo)葉出口安放角α6對次級葉輪的進(jìn)口流場產(chǎn)生的影響，為了降低次級葉輪進(jìn)口預(yù)旋，按照常規(guī)選取為90°．現(xiàn)選取F3，，b5，Z2作為試驗因素，且分別用代號A，B，C，D表示，選擇因素水平如表1所示．根據(jù)L9（34）正交表，確定試驗方案如表2所示．

2水力模型與數(shù)值計算

2.1導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)圖2為徑向?qū)~結(jié)構(gòu)圖．依據(jù)設(shè)計參數(shù)對徑向?qū)~分別進(jìn)行水力設(shè)計，在UG中進(jìn)行三維造型，其水力模型與實體造型如圖2所示．其中，b3為導(dǎo)葉進(jìn)口軸面寬度；b4為正導(dǎo)葉葉片出口寬度；b5為反導(dǎo)葉葉片寬度；a3為導(dǎo)葉喉部平面寬度；a4為導(dǎo)葉出口平面寬度；L為擴(kuò)散長度．?dāng)U散段進(jìn)口喉部面積F3＝a3b3，擴(kuò)散段出口面積F4＝a4b4，擴(kuò)散角按式（2）［6］確定。

2.2CFD分析方法根據(jù)兩級泵具體的結(jié)構(gòu)尺寸與形式完成整泵水體的造型．由于該泵為內(nèi)裝式隔爆式潛水泵，流體經(jīng)蝸室流出后充滿隔爆外殼與電動機(jī)的間隙，最終流出出水法蘭，該部分水體較多，但其流速較小，因而水力損失較小，且其對計算結(jié)果的影響較小，故將該部分水體省略．最終全流場包括進(jìn)口段水體、首級和末級的葉輪水體、泵腔水體、口環(huán)間隙水體、雙蝸殼水體以及末端泄壓水體．圖3為模擬該泵的計算區(qū)域，為了得到穩(wěn)定的進(jìn)口和出口流動狀態(tài)，對進(jìn)口部分和出口部分水體進(jìn)行了適當(dāng)延伸．網(wǎng)格的數(shù)量與質(zhì)量對于計算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著重要的影響，利用ICEMCFD軟件對全流場進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對固體壁面處網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，總體網(wǎng)格質(zhì)量在03以上；通過增加網(wǎng)格數(shù)量的方法降低網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，但過多的網(wǎng)格數(shù)會相應(yīng)地增加計算機(jī)的計算時間，因此也不宜選用過多的網(wǎng)格數(shù)．文中以額定工況點的外特性作為指標(biāo)，對比不同網(wǎng)格數(shù)下的計算結(jié)果，作為對計算準(zhǔn)確性的判斷．圖4為網(wǎng)格節(jié)點數(shù)對外特性的影響，從圖中可看出，當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點數(shù)N在400萬以上時，泵的揚程和模擬效率（未考慮機(jī)械效率）的變化較小，文中選取總網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為420萬，圖5為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分結(jié)果．將網(wǎng)格導(dǎo)入CFX軟件中進(jìn)行數(shù)值計算，設(shè)定整個流道內(nèi)部的流場為三維不可壓穩(wěn)態(tài)黏性湍流流場，建立相對坐標(biāo)系下時均連續(xù)方程和動量方程．采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型，全隱式耦合算法，設(shè)定葉輪旋轉(zhuǎn)速度為2980r／min，葉輪水體處于運動坐標(biāo)系，其余水體均處于固定坐標(biāo)系，兩者在交界面耦合，其中泵腔水體中與葉輪前后蓋板接觸面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)面，轉(zhuǎn)速同葉輪轉(zhuǎn)速．邊界條件設(shè)為速度進(jìn)口，壓力出口，并假設(shè)出口流動為充分發(fā)展．固體壁面為無滑移邊界條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，設(shè)定收斂精度為10－5．

3結(jié)果與分析

經(jīng)CFD數(shù)值計算，得到表2設(shè)定的9個試驗方案的模擬結(jié)果，將揚程和效率作為試驗指標(biāo)，在額定工況Q＝35m3／h時，9個導(dǎo)葉方案的揚程、效率的數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示．為了確定所選因素對泵性能的影響，找到主要因素及優(yōu)化方案，對正交試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表4所示，其中H為揚程；η為模擬效率（未考慮機(jī)械效率）；K1，K2，K3分別為相應(yīng)水平下的試驗指標(biāo)之和；珔K1，珔K2，珔K3分別為相應(yīng)水平下試驗指標(biāo)的平均值。從表4極差分析中可看出，各列的極差R是不相等的，這說明所選試驗因素的水平改變對試驗結(jié)果的影響是不相同的．極差越大，表示該列因素的數(shù)值在試驗范圍內(nèi)的變化會導(dǎo)致試驗指標(biāo)在數(shù)值上有更大的變化，因此極差最大的一列，即因素的水平對試驗結(jié)果影響最大的因素，就是最主要的因素．經(jīng)極差分析，對比得到了所選水力幾何參數(shù)對多級泵的揚程和效率影響的主次順序，分別為F3，b5，，Z2和F3，b5，Z2，．各因素下的水平對于多級泵的性能的影響按主次順序自上而下列出，如表5所示．從表5中可看出，因素A對于多級泵的揚程和效率的影響主次順序一致，同為A1，A2，A3，故可選擇水平A1作為優(yōu)化結(jié)果，而因素B對多級泵的揚程和效率的影響規(guī)律卻不一致，因素C對于多級泵的揚程和效率的影響主次順序一致，同為C2，C3，C1，故可選擇水平C1作為優(yōu)化結(jié)果，而因素D對多級泵的揚程和效率的影響規(guī)律卻不一致．為了分析某一因素對于多級泵揚程和效率的相對影響程度，現(xiàn)定義相對影響指數(shù)。

4試驗驗證

為進(jìn)一步驗證優(yōu)化方案的效果，根據(jù)正交試驗所得到的優(yōu)化方案制作新的徑向?qū)~，進(jìn)行外特性試驗．由于礦山中裝置揚程較高，故將流量為21～49m3／h的5個相對較小流量運行工況下的數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果作對比．對比結(jié)果如圖6所示．優(yōu)化后多級泵額定工況下試驗的揚程為20545m，機(jī)組效率為3403％；數(shù)值計算所得額定工況的揚程為21170m，泵效率為4763％，數(shù)值計算與試驗的揚程相對誤差為304％．對于效率而言，由于試驗所得的為機(jī)組效率，若按照標(biāo)準(zhǔn)MT671—2006規(guī)定配套潛水電動機(jī)效率約為85．00％，機(jī)組效率模擬值為4048％，但此時依然未考慮內(nèi)裝式的電泵結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的水力損失以及模擬誤差等，數(shù)值模擬結(jié)果略高于試驗值，但性能曲線趨勢基本一致．優(yōu)化之前的原始方案為第5組方案，數(shù)值計算額定工況的揚程為21046m，泵效率為4363％，文中的優(yōu)化使得多級泵揚程提高了124m，泵效率提高了4．00％．5結(jié)論以兩級葉輪的潛水泵為研究對象，經(jīng)數(shù)值模擬和試驗驗證，綜合得到徑向?qū)~中所選各參數(shù)對于多級泵能量特性的影響．1）所選參數(shù)對多級泵揚程影響的主次順序依次為：喉部面積、反導(dǎo)葉高度、擴(kuò)散角、反導(dǎo)葉數(shù)；所選參數(shù)對于多級泵效率影響的主次順序依次為：喉部面積、反導(dǎo)葉高度、反導(dǎo)葉數(shù)、擴(kuò)散角。2）喉部面積對于徑向?qū)~的水力性能有重要的影響，在徑向?qū)~的設(shè)計中需尤為重視．正交數(shù)值計算試驗對于徑向?qū)~的優(yōu)化設(shè)計具有一定參考價值．

作者：曹衛(wèi)東劉光輝劉冰單位：江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心