浅谈离心泵优化设计发展趋势

詹志明　强沛沛　刘东儒

摘 要：离心泵是一种将电能转化为机械能，主要通过离心力的作用将液体从低水位处输送至高水位处的水力机械，应用十分广泛从大到航空航海、能源工程等领域，小到城市供水、农林灌溉等等。随着我国城镇化、工业化的飞速发展其应用范围正在迅速的扩大，然而据统计国内泵站的用电量占全国用电总量的20%，但当前用泵运行效率很低不超过50%，恰恰是这种落后的产品深深的影响着国民的日常生活和工业发展，因此，需要探索新的离心泵优化设计的方法[1]。

关键词：离心泵；飞速发展；设计方法

1.国内外研究现状

目前，国际上对离心泵的工作机能探究，可以大致分为：科学试验阶段，科学理论阶段和固液两相流理论的阶段。可是磨损性能的探究和内部介质流体流场的研究是现代的固液两相流主要的研究方向。初始阶段，一般都是以科学的实验设计，借助高精密仪器的去观测固液混合物中的固体的运动，并以此来分析因为它的存在对离心泵的工作产生什么样的影响，因此提出了其性能参数和离心泵设计的公式究[2]。在科学理论的阶段，通过一般性的科学实验以及科学理论，对于离心泵内小颗粒建立模型和方程式，通过相机逐帧摄制的测试方法观测小颗粒混合流体介质中的运动情况，用来验证上述结论的科学性。在对固液两相流的理论研究阶段，早在上上个世纪，OBrien根据实验的方法研究了混合物异物的大小对泵工作的影响，并说明了关于此种固液混合形态体离心泵内的运动情况。与此同时，Fairbank对此种固液混合形态体的自身属性的研究，对其浓度、质量比和容积等因素的离心泵对输送固液混合物时关于离心泵扬程的方程进行了研究[3]。

中国国内对离心泵的探索非常落后，因此，相关的科学理论也没有完整的体系，随着最近几十年科研人员的不断努力和创新，也取得了一定的成绩，中国经历了引入外国科学技术、融合国外技术和开发自主的技术方法这几个重要时期。

优化设计是以最优化理论为基础，以计算机软件为手段，建立目标函数并在满足各种约束条件下，寻找最优设计方案，优化设计也是是工程设计的重要问题之一[4]。在过去的水力机械优化设计中，一方面仅仅只是针对离心泵叶片的翼型、叶栅进行参数优化，而且实现优化的过程很繁琐准确性不高，另一方面对于离心泵内部其他零部件的研究往往都是通过實验手段，在其他参数不变的条件下改变其主要的几何参数，然后在不同的流动条件下来研究水动力特性，取得全面系统的资料作为寻优依据，这不仅受到实验条件等各方面的局限，而且工作量巨大，产品研究周期太长。

随着计算机技术的诞生和发展，20世纪后半叶，借助计算机技术和最优化理论知识，开始从理论上求出叶片的最优速度分布进行来叶栅设计。我国华耀南院士确定最优速度分布的方法和邹兹祥教授建立的以动量损失厚度最小为目标的优化问题的泛函在任意可压缩流动的任意回转面上的应用[5]，为现在的离心泵优化设计提供了良好的基础，从20世纪80年代中期开始，国内外专家学者对离心泵优化设计的研究主要围绕以下几方面：

（1）基于速度系数法的优化设计。速度系数法即建立在对大量的优秀的水力模型统计结果的基础上的一种相似性换算方法，基于改方法的优化设计也就是是对已有的水力模型和速度系数进行修正和完善。随着计算机技术的不断发展和应用，可以更加便捷的建立各种优秀水力模型库，并随时可以吸收先进的模型，同时可以及时优化各种系数。

（2）基于准则筛选法的优化设计。准则筛选法是一种对离心泵叶轮内流体流场机理分析的基础上，建立各种优化法则，而后寻求离心泵结构参数以及相应流道形状的各种组合，再从中筛选出最佳方案。但该方法各项准则受到定性分析与经验参数的制约，同时也受到内部流场测试水平的限制。

（3）基于CFD的优化设计。基于CFD的优化设计的一般思想是：根据离心泵内CFD分析结果，调整离心泵的几何参数，使得离心泵内的流态趋于接近理想流态，从而达到对对离心泵优化设计的目的[6]。

2.发展趋势

离心泵叶轮和蜗壳的内部流动是三维湍流流动，然而三维湍流流动是流变学里面最为复杂的流动，古今中外概莫能外，国内外众多专家学者对其进行了长期研究。国外一些专家学者早在20世纪50年代初就开始尝试使用数值计算方法来预测叶轮中的流动情况，受制于科学技术和实验条件等因素进展缓慢，直到70年代后期随着计算机技术的快速发展及计算流体力学软件CFD的诞生，尤其是大量商用CFD软件在离心泵内流流场数值模拟上的应用，离心泵的优化设计取得了长足的进展，然而在实验测试手段还不十分完善的今天，研究采用CFD软件方法来数值模拟离心泵叶轮和蜗壳的内流机理和特点，是现代泵技术进行叶轮和蜗壳造型、设计和参数优化的重要研究方法。

通过对离心泵优化设计现状的分析，可以发现离心泵优化设计是一个古老且需不断创新的课题，对其研究一直是关注的焦点。其主要发展趋势：

（1）构建多个目标、多个参数的优化设计的各种计算模型；

（2）综合考虑零件之间的匹配关系，优化设计对象逐步从单个过流部件到多个或整机；

（3）参数设计与基于CFD分析的改型设计更加紧密结合；

（4）离心泵叶片型线的优化设计研究，以及叶型与几何参数优化相结合；

（5）新型优化算法（如：遗传算法等）在离心泵各种参数优化设计中的应用。

另外，随着科技的发展，一些高新技术，包括计算机分析技术、智能化、自动化控制技术等得到了长足的发展，可以说，未来的离心泵参数优化应该是由计算机智能控制的高科技产品，它将为未来的水力水电、工矿企业、给排水公司等等的现代化做出新的、更大的贡献。（作者单位：池州职业技术学院机电系）