离心泵叶轮轴面图的优化设计

离心泵叶轮轴面中间流线绘制的二分法吕春峰（中国电子科技集团公司第十八研究所）摘要本文介绍了一种用二分法绘制叶轮轴面中间流线方法。

当给出叶轮轴面图中各过流截面形成线的端点坐标、过端点坐标切线的交点坐标、过流截面形成线圆弧半径及过流截面积后即可绘制数目为n（包含前后盖板流线。

一般取n为奇数）的任意条中间流线，可大大提高叶轮绘型的效率和精度。

关键词离心泵叶轮流线1 引言按一元理论进行离心泵设计时，轴面流线的绘制是叶轮绘型的关键步骤。

传统的流线绘制方法是在对叶轮的进出口边进行分点后，凭经验画出各条轴面流线（见图1），然后沿整个流道取若干组过流截面，检查同一过流断面上两流线间的小过流截面是否相等。

如不相等则应予以修改，直到相等或相差不多为止[1]。

图1用传统方法绘制轴面流线由上可见用传统的方法进行流线绘制需要有一定设计经验，且修改量大精度难以保证，为此本文提出一种方便快捷的二分法用以绘制中间流线。

2 轴面中间流线绘制的二分法当按文[2]所述方法绘制出叶轮的轴面图后即可得到叶轮轴面图中各过流截面形成线的端点坐标,()ak aka x y,()bk bkb x y、过端点切线的交点坐标,()wk wkw x y、过流截面形成线圆弧半径kR及过流断面面积(见图2)。

根据中间流线定义在各过流断面形成线的圆弧上截取若干个截点(,)ji jij x y，将该圆弧分割为若干个小圆弧段(小过流截面形成线)并使这若干个小圆弧段形成的过流截图2 叶轮轴面图面面积相等，平滑连接各(,)ji jij x y点，即得叶轮流道的中间流线。

图3 图2的局部放大图具体方法如下：确定流线数n (包括叶轮前后盖板), 从i=2开始，将第k 条过流截面形成线作n -1等分以第k 条过流截面形成线始末端点为初始 区间，取其中点(,)ji ji j x y ，得该过流截面形成线上第i 段的过流截面积(见图2、3)2i w i mi f R y πθ=计算 mk i f f -如果mk i f f ε-≤(ε为任意较小数，可取351010ε--=～)，则在余下的过流断面形成线上继续取点j ，重复上述步骤，直到i =n -1。

第50卷第5期农业工程与装备2023年10月V ol.50No.5 AGRICULTURAL ENGINEERING AND EQUIPMENT Oct. 2023韩业翔1，杨文敏1*，陈冰2，冯少生2(1.湖南农业大学机电工程学院，湖南长沙410128；2.湖南天一奥星泵业有限公司，湖南平江410400)摘要：为提高离心泵叶轮扭曲叶片的曲面质量，改善离心泵的水力性能，以TSY150-200型单级双吸离心泵的叶轮为例，采用保角变换法的逆向思维，利用SolidWorks的3D草图功能，直接绘制叶片的空间流线和空间截线，利用曲线和曲面质量检测、调整工具，检查其曲率、拐点等参数，并通过控标进行调整，以保证曲线和曲面的质量。

最后使用ANSYS CFX对离心泵的全流域进行CFD分析，内部流动状态表明使用该造型方法得到的叶轮叶片具有良好的曲面质量。

关键词：离心泵叶轮；扭曲叶片；保角变换法；数值模拟中图分类号：TH311文献标志码：A文章编号：2096–8736(2023)05–0014–04Establishment and hydraulic analysis of a three-dimensional hydraulic model for the impeller of a single stage double suction centrifugal pump HAN Yexiang1，YANG Wenmin1*，CHEN Bing2，FENG Shaosheng2(1.College of Mechcmical and Electrical Engineering, Hunan Agriculture University, Changsha,Hunan 410128, China;Hunan Tianyi Aoxing Pump Industry Co., Ltd, Pingjiang, Hunan 410400, China) Abstract: In order to improve the surface quality of the twisted blades of a centrifugal pump and enhance its hydraulic performance, the impeller of the TSY150-200 single-stage double-suction centrifugal pump was studied. This paper uses the reverse thinking of conformal transformation method and the 3D sketch function of SolidWorks to draw the spatial streamline and spatial transect of the blade. The curvature, inflection point and other parameters of curves and surfaces are checked by means of quality detection and adjustment tools to ensure the quality of curves and surfaces. Finally, the entire flow field of the centrifugal pump is analyzed using ANSYS CFX for CFD analysis, and the internal flow state indicates that the impeller blades obtained through this shaping method have excellent surface quality.Keywords: centrifugal pump impeller; twisted blades; conformal transformation method; numerical simulation叶轮是离心泵进行能量转换的核心部件， 叶片曲面的光顺程度与叶轮的过水能力息息相关，进而直接影响着离心泵的水力性能[1]。

离心泵叶轮的优化建议1、改善吸入性能叶轮叶片有两种弯曲型式：前弯曲和后弯曲。

由于后弯叶片叶轮在最大化动力、赋予流体高旋转力及防止脱流方面更有效，因此离心泵通常均采用后弯曲叶片叶轮。

对于泵本体来说，泵的汽蚀行为和吸入性能在很大程度上受叶轮入口的几何形状及面积的影响。

叶轮入口处的许多几何因素都会影响汽蚀，例如入口和轮毂直径、叶片进口角和上游液流的入射角、叶片数量和厚度、叶片流道喉部面积、表面粗糙度、叶片前缘轮廓等。

另外，还与叶轮叶片外径和导叶（对于导叶式泵）或蜗舌（对于蜗壳式泵）之间的间隙大小相关。

1）叶轮入口直径/入口面积为了改善离心泵的吸入性能，设计人员普遍通过加大叶轮入口直径的方法来实现。

今天，这种设计方法在离心泵的工程设计中还在一直使用。

在轴径相同、叶轮口环处的直径间隙相同的情况下，吸入性能越好（叶轮入口面积越大，吸入比转速值越高），则叶轮口环处的间隙面积越大，这意味着泄漏量越大，而泵的效率就越低。

不过，对于通过加大叶轮入口直径来改善吸入性能的方法，必须特别注意：不能导致吸入比转速值严重超出相关标准规范（如UOP 5-11-7）规定的值，否则将导致泵的稳定运行区间变得很窄。

2）叶片前缘形状不同的叶轮叶片前缘形状进行了研究，结果表明，只要满足前缘叶片厚度的机械和制造约束，采用抛物线轮廓可以提高叶轮的吸入性能。

椭圆轮廓的吸入性能次之，该形状是前缘的默认轮廓选择，因为此轮廓可以轻松满足叶片前缘厚度的机械和制造限制。

3）叶轮盖板进口部分的曲率半径由于叶轮进口部分的液流在转弯处受到离心力作用的影响，靠前盖板处压力低、流速高，造成叶轮进口速度分布不均匀。

适当增加盖板进口部分的曲率半径，有利于减小前盖板处（叶片进口稍前）的绝对速度和改善速度分布的均匀性，减小泵进口部分的压力降，从而降低NPSHR，提高泵的抗汽蚀性能。

4）叶片进口边位置和进口部分形状叶片进口边轮毂侧向吸入口方向延伸，即采用后掠式的叶片进口边（进口边不在同一轴面，外缘向后错开一定的角度），可使轮毂侧液体流能够提前接受叶片的作用、并增加压力。

２０２３年１２月水 利 学 报ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ第５４卷　第１２期文章编号：０５５９－９３５０（２０２３）１２－１４５２－１２收稿日期：２０２３－０８－０２；网络出版日期：２０２３－１２－２１网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３１２２０．１１０４．００１．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金项目（５１９０９０９４）作者简介：张自超（１９８７－），博士，副教授，主要从事流体机械两相流体动力学研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｚｉｃｈａｏｚｚｃ＠１２６．ｃｏｍ通信作者：李延频（１９７３－），教授，博士生导师，主要从事流体机械优化设计研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｙａｎｐｉｎ＠ｎｃｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ基于反问题设计的离心泵叶轮泥沙磨损特性优化研究张自超１，２，李　君３，关婷月２，３，李延频２，３，张兰金３（１．华北水利水电大学工程训练中心，河南郑州　４５００４５；２．华北水利水电大学河南省流体机械工程技术研究中心，河南郑州　４５００４５；３．华北水利水电大学能源与动力工程学院，河南郑州　４５００４５）摘要：离心泵被广泛应用于我国黄河沿岸的提灌泵站中。

黄河水中的泥沙对离心泵造成的泥沙磨损问题严重影响离心泵的安全高效运行。

反问题设计是离心泵叶轮优化设计的常用方法，但作为其关键设计参数的叶片载荷加载方式对离心泵磨损性能的影响尚不清楚。

针对叶片载荷加载方式对离心泵叶轮泥沙磨损特性影响的问题，采用固液两相流数值计算的方法，研究了前盖板前加载后盖板后加载、前后盖板均偏中加载以及前后盖板均偏后加载３种不同叶片载荷加载方式对离心泵水力性能、叶轮磨损特性和固液两相流流场特性的影响。

结果表明：相比于其它方案，前后盖板均偏中加载方案得到的离心泵具有较优的水力性能。

在各工况下，相比于原叶轮，前后盖板均偏中加载方案的叶片最大磨损率减小２５％～７３％，小流量工况下可减小７３％，大流量工况下可减小２５％，明显提高了叶片的磨损性能。

某泵组合部件的优化设计及性能分析泵是一种常见的机械设备，广泛应用于各个领域，如水利、石油化工、环保等。

一般而言，泵的基本结构包括进口、出口、叶轮、轴等部件，而泵的性能和效率往往取决于各部件的设计和行业标准要求。

本文将针对某种泵组合部件进行优化设计及性能分析。

1. 优化设计首先看一下泵的结构图。

我们可以发现，泵的进口和出口部分十分关键，直接影响泵的进出水量和速度，因此，针对此部分进行优化是十分必要的。

1.1. 进口设计在原有进口结构的基础上，我们采用了更大的进口面积和更优质的材料，从而大大减小了进口阻力，提高了进口流量和效率。

同时，我们还在进口处添加了一定的角度，使得液体能够更加平稳地进入到泵内，不会有冲击状况。

1.2. 出口设计出口结构的设计也同样重要。

我们在原有结构的基础上，进一步加大了出口管道的直径，并且对其采用了三段式结构，从而减小了出口的阻力。

同时，我们还选择了更好的出口阀门，能够更加有效地控制流量和压力。

2. 性能分析优化后的泵组合部件大大提高了泵的性能和效率，可以在实际应用中产生更好的效果。

2.1. 流量流量是泵的重要性能指标之一，指泵每单位时间内所能输送的液体体积。

经过优化设计后，我们可以发现泵的流量会相应地增大一些，同时，流量输出的平稳度也有所提高，不太容易出现液体波动或者漏流的情况。

2.2. 压力压力也是另一个重要的性能指标，指泵对于液体的推力。

通过实验数据，我们可以发现，泵的输出压力也有所增加，能够更加有效地推动液体的流动，从而实现更好的输送效果。

2.3. 效率效率则是综合性能的指标，指泵的能效比，即输入能量和输出能量的比值。

据统计，优化后的泵能够更加有效地利用输入能量，产生更多的动力和输出，因此，其效率也有所提高。

3. 反思与展望以上是我们针对泵组合部件进行的优化设计和性能分析，总体而言，优化后的泵能够满足更高级别的要求和标准，具有更高的性价比和经济效益，符合未来市场发展的需求。