低比速离心泵优化设计方法

　　流量较小扬程高，致使轴面流逍狭长圆盘摩擦损失大，因此效率低。同时低比速泵的输入功率随流量增大快速上升，大轴功率与设计点功率之比远大于般离心泵的相应值，这使其比大流量低扬程工况运行时极易过载烧毁电动机。在中高比转速离心泵中，为取得较高的效率值和较小的大轴功率，己有比较丰富的设计经验和设计理论来保证。但低比速泵自身的特性决定了要取得这两项较好的效果并不太容易。目前，低比速泵的主要设计方法有加大流量设计法无过载设计法优化设计法复合叶轮设计法等。文献1对上述方法有较详细的论述。本文拟对现有各种优化设计方法及数学模型作简要评述，并指出其优缺点及改进方以。

　　所谓优化是指从所可能的解决方案选择个适合的，以使预先规定的目标达到优。用优化设1法设汁低比速泵大邡适多目标优化设计，多目标优化的数学梭型可以4为求尤叫办弓使得tmnF p其中1=12，心7为设变地为维欧氏空间义兄幻为目标函数=，为等式约束，私为不等式约束，也可以写成。设计变量尤目标函数1.厂工，凡，义和约束条件姿0勾九，是构造优化数学模型的要素。

　　3低比速离心泵的优化设计方法3.1速度系数法优化设计速度系数法是泵设计中常用的方法，通过对己有模型进行归纳统计而得。目前己有批经过优化了的先进水力模型，如型13型贾8型和段型等泵模型。计算机技术的发展和应用给速度系数法优化设计带来了方便，人们建立了优秀水力模型库可随时吸收先进模型入库及时优化各种速度系数，跟随当前水泵的先进水平，其不足是所设计栗的性能难以超过现有水平。

　　3.2损失极值法优化设计如何提栗的效率历来是水泵工作者们的重要课。而效率是与损失紧密联系的，高效率应该与小损失相对应。因此，优化设计的种思路自然便是建立各种损失故与泵的几何形状之间的关系，即3本文研宄系江苏省应用基础基金资助项目，2000006总损失为这种优化方法是在保证设计工况点要求的扬程丹与流量的条件下通过七的不同组合，使得总损失，以，取得小值，被称为损火极值法。这种厅法在茯高效离心泵性能面是较为成熟的，也是应用普遍的。但它也有不足之处。因为从理论上讲，每项具体损失的计算是难以估计准确的；代次。在实际优化过程中除了优化设计变量外。其它参数就需按经验赋价。这又加大了优化设计的局限性。另外，上式只强调了损失与有关几何矣数之间的关系，而忽略广叶轮流道开勿犬前后盖板形状和叶片形状等付离心泵性能的影响，因而也有其局限性。

　　3.3反正反准则筛选法优化设计反正反准则筛选法坫在对离心叶轮内流机，分析的基咄建立备种优化准则州域小损失与控制性能指标的目标函数，寻求泵结构参数及相应流道形状的各种组合，并从中筛选出佳方案。这种方法是针对损失极值法的不足提出依靠定性分析和经验参数，如正问计算反映不出流动的真实效应，因此这种方法本身还需要完善，目前，低比速泵的优化设计思想正朝着两个方面发展，即专用泵优化思想和综合优化思想。

　　由于低比速泵的基本构造己发展得相当完善，今后的主要任5发城为特1况设计的各种；泵，如特殊的水力设计无过载设计，加大流量设计等和特殊的结构材料和密封等。专用泵优化以想现为根据不同的工况和设计要求农用不数较多，而且各种参数对性能的影响技目2联系的，各种水力性能之间既相互矛盾又相互统。

　　因此。个优秀和成功的水力设计必然足个泣合优化设计，这今1低比速泵的研允重点之遍被采用的低比速离心泵的优化设计，型是以提高栗效率为主要目标的。

　　在低比速栗的损失中，水力损失目前尚无法计算。容积效率随比转速下降而下降，比较低于0.9，与机械效率相比，泵的容积效率是不低大，泵的比转速越低损失越小，而圆盘摩擦损失正比于叶轮半径或直径的5次方，因此叶轮半径的微小增长也会引起圆盘损失的迅速上升。为了使低比速泵产生较高的扬程，叶轮直径必须较大，这以造成低比转速效率过低的主要原因。1七在其它条件不变的情况下，尽量减小圆盘摩擦损失，即缩小叶轮直径，并使其小是改善低比速泵这种优化设计的目标函数即叶轮出口几何参数之间的函数关系，是利用5有限叶片数修正公式且假定叶轮进口无预旋时，从叶片泵的基木方程推得Q，理论流量II，理论扬程排挤系数n转速P2叶片出口安放角力加，度In叶宽投从上式可以看出，在给定设计叶轮的性能参数设计流量0和设计扬程，及转速的条件下，采用某种比较可靠的方法确定设计点处的水力效率和容积效率后，式中的2，和从也将和样成为常数。这样，叶轮半径，是叶片出口安放角心叶轮出口宽度62叶轮出口排挤系数央及叶片数2等叶轮出口几何参数的多元函数，这函数即为目标函数。心624和2是个待求4低比速离心泵的优化设计模型4.1叶轮的优化设计模型4.1.1以提高效率为标的优化模型种方法般还考虑压水室内的水力损失，因此还要对的取值作定的限制作为约，条忭。闪为仅以宵极小值作为尬求1标当钉极小值时。圆盘摩，损失小，叶轮出口速度，mimMmmnmm.mn率不利。而过小会起叶轮出口相付，役的过大，增大了叶轮内的水力损失，所以有必要对进行限制，文献46即采用此种方法。然而设计变量的数目越多，问的规模就越大，求解就越困难。因此可以减少设计变量的数目来减小问而文献7足以作为设变试文献8付述两种方法进行了比较。

　　4.1.2以轴功率有极值为目标的优化模型在某鸣条件下。叫户在给定设参数战及的同时，还希望选用额定功率尽量小的电动机，以降低机组成本并提高电动机工作效率。这时，叶轮几何参数的确定就应当以减小泵的大轴功率为基本目标，同时尽可能兼顾泵的效率，其设计的目标函数为叶轮转动角速度R叶轮十径屯排挤系数P叶轮出口安放角V机械损火上式的优解是将，人水功率降到低，能值，又在定条件下求出了小值及2，优化了圆盘摩擦损失，从而将大轴功率降低到小。

　　这时叶轮理论流量恰好等于设计给定点的理论流量，大水功率恰好等于设计点给定的水功率值，这种轴功率特性称为饱和的特性，而这种特性正妃无过载设汁方法的。标文献10称这种方法为无过载泵的优化设所讥尤过载设计方法对运行工况多变的农用和工程用泵是有意义4.2叶轮入口的优化设计颊型泵汽蚀性能的好坏也是评价泵性能的重要指标。泵的汽蚀汽泡发生条件主要与叶轮入口几何参数及结构有关。上述两类优化方法为提高泵的效率值和降低泵的大轴功率值，主要考虑了叶轮出口的几何参数，没有考虑叶轮入口的几何参数。当全面考虑泵的优化时，还要对叶轮的入口进行优化。提高泵的汽蚀性能文献以泵的汽蚀性能为标数考虑了泵的容积效丰。对和叶片数2为设计变量，其目标函数为入入4+入1古这种方法将入1优化和出口优化耦合起来。

　　从总体上对栗进行优化。文献12提出了另种可控包角的逐点计算法，用于离心泵叶轮叶片进口角和包角的优化设计。实际上也是把叶轮进口和出统1考虑了。

　　4.3蜗壳的优化设计模型在泵的设计中，蜗壳压水室作为泵的重要过流部件，其设汁的好坏讨泵性能有着很人的影响。文献13以水力损失为目标函数，以断面面积为寻求变量，建立了栗蜗壳第8断面和所有断面的优化数学模型，其目标函数为，Rf 2尺上式建立了蜗壳损火4与任1断面面积间的关系式，作者将其应用于混流泵蜗壳的设计中，取得了良好的效果。但由于在泵蜗壳优化设计方面的研究还不多，所以上述方法在应用到低比速泵时，还需要通过大量的计算和实验来检验=用优化设计方法设计低比速泵时，还要注意优值是否使付0产生驼峰。具有极大值或蛇峰的扬程流量特性曲线是泵在运行中出现工况不稳定的主要原因，些设计不良的低比速栗特别易出现蛇峰曲线。特性曲线的驼峰与多种因素有关，很难建立个目标函数。但是，可以从两方面手消除肋线驼1控制叶轮蜗壳的几何参数，使直线乐企的倾斜程度加大；2减小栗在小流量区的水力损失，提尚泵在关死点及其附近的扬程。在低比速离心泵的优化设计方法中把对驼峰的考虑放在约束条件中。

　　加人流量设计方法也足设计低比速泵的常方法。文，141的作1！7大量的设汁实践基础T叶轮进出口相对违度比Y血积比这种优化，法用叶轮进门相对速度比7技制叶轮内的流动，使用面积比控制叶轮与泵体匹配。作者用这种方法设计的低比速泵获得了满意的效果。这种方法虽然提1了的效率。似也带来了可能使扬程线更易产生驼峰和使轴功，曲线更陡，在大流+区运行极过我等问，4.5无过载设计法的优化颊型七过载设计方法是设计低比，泵的另种屯要方法，在满足无过载约束方拟1.1的条件下，对心和7进行优化。这种方法也优化了7，保证了叶轮和泵体的相互匹配。这种方法的优点是在录运行期间内无过载，但与优秀水力模型相比，无过载泵的效率偏低，这主要是由水力效率引起的。

　　因此对无过载离心泵叶轮内部流动进行数值模拟，改善其水力效率1高七过我泵效率的主要途仫，迓叶轮进于设计的小1列，说明优化设汁方法也可以应用厂短叶片偏置泵的设计中5结束语叶轮的入口出1和，1优化设计的方法和数学模型作了简要评述，指出了优缺点。同时，也评述了加大流量法和七过载法的优化投咽。

　　由于目前泵内部流动情况尚未完全掌握，水力设计仍以大量的经验系数为基础。因此，各种次成功的优化设计往往要经过多次反复计算修改和试验才能完成。为缩短产品开发周期，近几年来，人们说相采目汁算机进行辅助设汁，以便进行快速多方案的优化选择。0设计的发展也正在从零件的细节设计向产品的原理方案设计阶段转变=大量的流体机械内部流场计算的成熟商用软件的推出，使建立在元流场计算基础之上低比速泵的优化设计终将走向以流场计算为基础，根据泵内部的流动状况使用，氚技术进行快速开发的道路。

　　I袁寿其。低比速离心泵理论与设计。北京机械工业出版社，1997 2汪树玉等编著。优化原理方法与工程应用。杭州浙江大学出版社，1991 3沈天耀编著。离心叶轮的内流理论基础。杭州浙江大学出版社，1986 4汪建华。低比转速离心泵叶轮的优化设计。水5严敬。再论饫比转违叶轮的优化设计。水，技，6汪建华。离心泵叶轮参数的优化设计。排灌机1王春林。低比转速离心式渣浆泵叶轮的优化设8严敬等。对低比转速叶轮参数优化模型的深9严敬编著。低比转速离心泵原理。参数优化及绘形。成都科学技术出版社，1998汪建华等。无过载栗优化设计。江汉石油学院何希杰。中低比转速离心泵叶轮优化设计方法。水栗技术，199232932 12王江祥。离心泵叶轮叶片进口角和包角的优化13钱涵欣等。泵蜗壳的种优化设计方法。水利14袁寿其，高良润。离心泵的优化设计。排灌机15王乐勤等。低比转速两级复合叶轮高速离心栗