【摘要】目前國内設計制造的大(dà)流量雙吸泵轉速普遍較低，無法滿足市場的需求。針對這一(yī)現狀，大(dà)耐泵業有限公司成功研制出高轉速、大(dà)流量、高揚程的雙吸泵。該類型泵設計難度極大(dà)，對制造和裝配工(gōng)藝要求較高。本文基于三維設計和CFD技術，詳細介紹了設計及優化過程。樣機經試驗驗證，确認效率等關鍵參數達到國際領先水平。

【關鍵詞】 大(dà)流量 高轉速 高揚程 雙吸泵 數值模拟 效率 國際領先

一(yī)、前言

管線增壓泵是一(yī)種水平中(zhōng)開(kāi)、單級雙吸、大(dà)流量、高轉速的化工(gōng)泵，API610标準BB1型泵。目前市場上該類型泵，大(dà)部分(fēn)采用四級或六級轉速。低轉速泵設計難度低，但泵頭尺寸比較大(dà)，制造成本高。大(dà)耐泵業有限公司研制的該類型泵爲二級轉速，在相同的流量下(xià)，具有更高的單級揚程。由于對泵效率的要求極其嚴苛，必須達到國标A線标準，使得該泵的水力設計成爲難點中(zhōng)的難點。

如今，CFD技術已經廣泛應用于水泵性能的預測、水力部件的設計和優化。本文基于數值模拟技術，結合大(dà)耐泵業雙吸泵設計制造的成熟經驗，對某規格的管線增壓泵進行水力設計并提出優化方案。經試驗驗證，确認綜合性能達到國際領先水平。

二、葉輪設計與性能預測

設計參數如下(xià)

流量Q：3600 m3/h 揚程H：230 m 轉速r：2990 rpm 必需汽蝕餘量NPSHr：35m

1.葉輪設計

計算比轉速，并且比照已有成熟高效的水力模型，決定通過相似換算的方法來設計葉輪。

對通過相似換算得出的葉輪進行三維造型，如圖1所示。之後使用網格生(shēng)成軟件ICEM 對葉輪三維模型進行網格劃分(fēn)，如圖2所示。葉輪采用非結構四面體(tǐ)網格，對葉片工(gōng)作面、背面和葉片入口這樣流動參數變化劇烈的位置進行網格加密。自動生(shēng)成網格，自動或手動修改網格，使網格整體(tǐ)質量達到0.4以上，最終網格數量爲602681。将網格導入CFX-pre 軟件，設置葉輪入口面屬性爲inlet流速v=13.7m/s，葉輪出口面屬性爲open，轉速n=2980rpm，使用标準k-ε湍流模型，單獨模拟葉輪，計算在100步内收斂。

計算數據導入CFX-post軟件中(zhōng)進行分(fēn)析。觀察葉片與前後蓋闆壓力分(fēn)布情況，葉輪流線，如圖3、4。可以确定葉輪整體(tǐ)性能良好，壓力均勻變化，流線穩定無漩渦。利用CFX-POST軟件中(zhōng)自帶Liquid Pump Performance模塊，得到葉輪效率爲96.9%。由于單獨對葉輪進行模拟，隻觀察流場和壓力分(fēn)布情況，得到的揚程外(wài)特性并不準确，在此忽略。

三、泵體(tǐ)水力設計與性能預測
1.壓出室設計
基圓直徑D3
參考模型泵體(tǐ)水力模型相似換算，并由結構參數選取
基圓D3=1.1×D2=1.1×470=517 mm，圓整後取520mm。
壓水室進口寬度
經相似換算後，取渦室截面寬度b3=146mm
渦室各斷面面積的計算
因該規格泵體(tǐ)需要配0.5 Q、0.7 Q、Q、1.25 Q 四種規格轉子，故在相似換算的基礎上，适當放(fàng)大(dà)了喉部截面的面積，以适應大(dà)流量轉子的性能要求。根據D3、b3及各斷面面積就可以算得各斷面徑向尺寸。由起始截面開(kāi)始，每45°取一(yī)個截面，保證渦殼斷面面積均勻變化。泵體(tǐ)初步水力設計結束。
2.泵體(tǐ)水力性能預測
爲了驗證泵體(tǐ)水力性能，對泵體(tǐ)部件進行三維造型。将已設計的葉輪與泵體(tǐ)部件配合後以*.stp格式輸出，導入ICEM軟件中(zhōng)進行網格劃分(fēn)，如圖5。進出口管道流體(tǐ)區域采用結構化網格，葉輪、渦殼、半螺旋型吸入室采用非結構四面體(tǐ)網格，并對渦殼隔舌處進行加密處理，手動修改網格使網格整體(tǐ)質量達到0.4以上。整體(tǐ)網格數量爲2486227，其中(zhōng)出水段爲98400，葉輪563092，進口段141825，渦殼917451，吸入室417790。

網格導入CFX-pre軟件，使用标準k-ε湍流模型，進口邊界按流量設置進口速度，出口邊界設置爲open，目标壓力設23atm。每兩個相鄰模型體(tǐ)間設置交接面（interface），非旋轉體(tǐ)與非旋轉體(tǐ)間interface models設置爲general connection，frame change model設置爲none，非旋轉體(tǐ)與旋轉體(tǐ)間interface models設置爲general connection，frame change model設置爲frozen rotor。該模型在0.6Q，0.8Q 0.9Q，1.0Q，1.1Q，1.2Q這6個流量點進行模拟計算。計算2000步，雖然計算不收斂但是進出口壓力長時間穩定，計算數據可以使用。
計算數據導入CFX-post軟件中(zhōng)進行分(fēn)析。使用Liquid pump performance模塊得出外(wài)特性參數，結果低于設計要求，對渦殼内壓力分(fēn)布和流線進行分(fēn)析，如圖6。

流體(tǐ)在擴散管處産生(shēng)了很大(dà)的漩渦，從第Ⅵ斷面開(kāi)始，壓力分(fēn)布沒有均勻變化。也就是說，渦殼水力設計存在缺陷，造成大(dà)量能量損失，這是該水力設計效率偏低的直接原因。
四、泵體(tǐ)水力優化與預測
基于對流場的分(fēn)析，決定改變渦殼第Ⅳ斷面以後的斷面面積，并且增大(dà)隔舌螺旋角，以提高能量回收效率。重新設計渦殼後，用同樣的方法對新方案進行模拟分(fēn)析，優化後的渦殼壓力分(fēn)布和流線情況如圖7所示。渦殼的壓力分(fēn)布明顯變得均勻，沒有出現明顯漩渦，可見能量高效的由速度能轉化爲壓能，效率提高。外(wài)特性參數與優化前對比，如圖8示。優化方案已經達到設計要求。

五、性能試驗及對比分(fēn)析
經過全尺寸樣機的試制及試驗，實測結果與理論計算的對比如下(xià)表：

六、結語
試驗結果表明，本文所述的設計和優化方法，對大(dà)流量、高揚程、高轉速雙吸泵的設計有一(yī)定的指導作用，并且得出以下(xià)幾點結論：
1.額定點揚程比設計值高。是因爲設計時人爲增大(dà)相似系數和放(fàng)大(dà)喉部面積導緻的；
2.以相似換算爲基礎的設計方法，在一(yī)定範圍内，可以保證實型泵效率達到或超過模型泵的效率，這需要依據實型泵的流量範圍而定。
3.CFD技術在對泵的水力設計有較大(dà)的促進作用，但如何選擇合适的湍流模型，尚需要進一(yī)步摸索。