基于正交试验的离心式消防泵优化设计.pdf

2023年第5期16：小原楼术基于正交试验的离心式消防泵优化设计刘洁琼1.2吕忠斌1，2曹镁钰?高超尤保健（1一上海凯泉泵业（集团）有限公司，上海201804;2江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江212013)摘要：为研究叶轮、泵体几何参数及叶轮和泵体匹配性对消防泵最大轴功率值及其位置的影响，选取对最大轴功率值及其位置有特殊设计要求的某型离心式消防泵为研究对象。基于加大流量设计法和无过载设计法，选取1.2 5Q，为新设计点，按照新设计点设计叶轮、泵体几何参数。采用正交试验设计法找出影响最大轴功率值及其位置的主要因素：叶片出口宽度bz和泵体喉部面积F，优化得出最佳的取值范围，并进行了试验验证。研究结果为精确控制消防泵最大轴功率值及其位置的优化研究提供了参考。关键词：消防泵优化最大轴功率 新设计点正交试验中图分类号：TH311文献标识码：A消防泵是消防供水系统中最重要的核心部件之一。在实际使用中，为应对紧急情况，消防泵通常开阀启动，这就要求在全流量工况下，最大轴功率小于配套功率，且最大功率值越小、对应位置越靠前，越有利于消防系统的稳定运行。因此，研究如何精确控制最大轴功率值及其位置，对于消防泵的进一步发展及应用具有重要意义。施卫东等1 采取增加分流叶片和增大喉部面积等措施，对低比速离心式消防泵进行了优化改进，结果表明分流叶片可以有效控制消防泵内的轴向旋涡，增大喉部面积有利于获得平坦的扬程曲线。黄志辉等2 对大流量消防泵进行了正交试验研究，得出大流量消防泵的效率与叶片数和包角呈正相关，与进口直径呈负相关。目前，消防泵的研究3-5 多集中在采用各种设计方法得到平坦的扬程曲线，保证在大流量区运行时扬程不会有较大的下降，同时保证轴功率在全流量范围内都小于等于原动机的配套功率；而对于精确控制消防泵最大轴功率值及其位置方面的研究较少，需要进一步研究。选取某型离心式消防泵为研究对象，分析叶轮、泵体几何参数及叶轮和泵体匹配性对最大轴功率值及其位置的影响，找出主要因素，并对其进行*基金项目：江苏省自然科学基金（BK20210761）优化，为精确控制消防泵最大轴功率值及其位置提供参考。1计算模型及设计思路1.1计算模型离心式消防泵主要设计参数为：额定流量Q.=90m/h，额定扬程Hon=38.8m，转速n=2960r/min，比转速n。=112，功率P=15kW。设计要求为：关死点扬程H。1.4Ho n，额定扬程Hon容差系数为0 +5%，1.5Q工况点扬程H1.50n0.65Hon，最大轴功率值Pmax15kW，对应位置Qmx在1.5Q以内。因消防泵通常在全流量工况下运行，为了保证大流量工况下能正常工作，叶轮进口当量直径系数ko通常选取4.8 以上，满足汽蚀需求，所以主要关注消防泵的扬程、效率和最大轴功率。1.2设计思路1.2.1加大流量设计研究对象对额定扬程Hon、1.5Q，工况点扬程H1.5Qn最大轴功率值Pmax及对应位置Qmax都有要求。而要同时满足Pmx15kW和Qmax在1.5Q，以内这两项要求，必须兼顾大流量区的扬程和效率，这就要求消防泵具有陡降的扬程曲线和宽高效区，172023年第5期小原楼术需要保证1.5Q，工况点效率尽可能高、扬程在大于27.2m的前提下尽可能小。所以，本文以1.5Q工况点扬程和效率为考察指标。为了保证1.5Q，的效率，需要采用加大流量设计法重新确定设计点，并按照新设计点设计叶轮和泵体的几何参数。根据关死点、额定点和1.5Q，工况点3 个点绘制目标曲线，如图1所示，新设计点必须在目标曲线上选取。为了兼顾额定点和1.5Q工况点的扬程和效率，新设计点选取为1.2 5Qm，即新设计点额定流量Qa=112.5m/h，额定扬程Ha=34.2m。1.2.2无过载设计根据无过载设计理论，任一台离心泵的Pmax和2mx由式(1)、式(2)6 预估：P4mmP-K,uimD,b2pzhitan2(1)maxQK,hotan2nTD,bzP2u2(2)max2式中，p为液体密度（kg/m）；u 为叶片出口圆周速度（m/s）；D z 为叶轮外径（mm）；b 为叶片出口宽度（mm）；$2 为叶片出口排挤系数；为叶片出口安放角（）；ho为斯托道拉滑移系数；mm为泵机械效率（%）；n为泵容积效率（%）；K，、K4为修正系数。由式(1）、式（2)可以看出，离心泵的Pmax和Qmax受到ho、2、D2、b 及2 的影响。其中h。的大小与叶片数Z成正相关。目前对Z、2、D2、P2的研究较多，设计方法已趋于成熟。而对于b2，主要研究得出的是bz与D,之间的关系。当8 0 n。0.65，Pma x=14.3kW15kW，Q ma x 在1.4Q.工况点左右，满足设计要求，验证了正交试验最优水平组合的准确性。4.2分析当离心式消防泵有Pmax和Qmax的特殊要求时，D2、Z、2和D，可以按照无过载理论设计，需要考虑的是F,和bz两个主要因素的取值，和D。作为次要因素可以根据实际需要调整。（1）b 最优水平为17.5mm，明显不满足无过载离心泵式(3)的约束方程。为了保证约束方程的适用性，按照正交试验结果，需要对其进行修正，引人修正系数k，将b=17.5代人式（3）反算求得系数k的取值范围。当8 0 n。2 50 时，约束方程修正为：bz=0.000147knsD2(5)6032710055n-Q(CFD)90H-Q(测试)285080704524H-Q(CFD)n-Q（测试)60W/H40MVd2050354030P-Q（测试)1630251220P-Q(CFD)2010815020406080100120140160Q/(me/h)图6试验结果与计算结果对比（收稿日期2023-04-03)（本文编辑陈丽霞）上接第19 页）（收稿日期2023-06-02)（本文编辑陈丽霞）2023年第5期24小原枝术（3）采用新型导流锥方案进行优化后，自由液面涡消失，流线分布更为均匀，流态更为平稳。在3.18 m低水位时，速度加权平均偏流角减小明显，轴向速度分布均匀度亦有提升。与进水伞方案相比，新型导流锥方案进水流道综合性能改善程度更大。因此对本文提及的泵站项目，最终确定方案M3为最终实施的方案。参考文献1陶东，周冬蒙，刘子金基于Realizable k湍流模型的泵站进水池水流流态研究J人民黄河，2 0 2 0，42（11)：2 730,47.2吴鹏飞进水池表面吸气涡动态过程及机理研究D武汉：式中，修正系数k推荐0.8 5 0.9。（2）F,最优水平为3 6 10 mm，此时面积比Y=0.73，不满足无过载离心泵1.0 Y2.0的取值范围。按照正交试验结果，F小于3 2 2 0 mm时，m1.50n下降较快，Qmx右移。而当F,大于3 6 10 mm时，H1.5Qn大幅度提升，Pmax随之增大。因此，F,的取值需要控制在3 2 2 0 3 6 10 mm之间，面积比取值范围相应修正为0.7 Y0.9。5结论通过对Pmax和Qmax有特殊要求的离心式消防泵进行正交分析和外特性试验，得出以下结论：（1）采用加大流量设计法重新确定设计点，按照新设计点1.2 5Q.设计叶轮、泵体的几何参数。（2）确定F，和bz是影响Pmax及Qmx的主要因素。（3）正交试验得出的最优水平组合为：b2=17.5 mm、F,=3 6 10 mm、D。=9 6.5 mm、=17 5。（4）试验验证了最优水平组合的准确性，最终方案降低了最大轴功率值，并且使最大轴功率对应位置前移至1.4Q，工况点，最大限度减小消防泵启动时对消防管网的冲击，对保证管网系统的稳定运行具有重要意义。（5）引入修正系数，对b的约束方程和Y的取值范围进行修正，保证其适用性，为精确控制消防泵最大轴功率值及其位置方面的研究提供了参考。武汉大学，2 0 18.3孔德谦，韩灵杰，李见阳水平吸水管悬空高对泵站进水池进水特性影响J人民长江，2 0 17，48（5）：8 7 9 0，10 0.4张弛，李彦军，蒋红樱，等肘形进水流道水力优化仿真计算与试验J排灌机械工程学报，2 0 16，3 4（10）：8 6 0-866.5杲东彦，牛兵泵站进水池进口边界条件处理方法的研究J南京工程学院学报：自然科学版，2 0 0 7，5（4）：3 337.6朱文辰责家集泵站进水池流态改善及开机组合优化D.扬州：扬州大学，2 0 2 1.参考文献1】施卫东，张德胜，陆伟刚，等。低比速离心式消防泵的设计与试验研究J中国机械工程，2 0 0 9，2 0（5）：514-517.2黄志辉，邹晔，魏昌洲，等基于正交试验及CFD的消防泵叶轮优化设计J排灌机械工程学报，2 0 16，3 4（12：1040-1044.3王玥，芦鑫，王凯，等离心式消防泵内流特性J排灌机械工程学报，2 0 2 2，40（9）：8 6 5-8 7 3.4杨秀鑫，宋文武，魏立超，等高速消防泵的设计及分析J排灌机械工程学报，2 0 17，3 5（12）：10 3 6-10 41.5张金凤，金成明，杨志军，等叶轮倾斜出口对长轴消防泵内流特性的影响J排灌机械工程学报，2 0 2 2，40（11)：1081 1088,1096.6袁寿其，施卫东，刘厚林，等泵理论与技术M北京：机械工业出版社，2 0 14.7关醒凡现代泵理论与设计M北京：中国宇航出版社，2011.8 Anderson H H.The area ratio systemJ.World Pumps,1984(June):201-211.9 LAI Zhou-nian,LI Qian,ZHOU Wen-jie,et al.Improving relia-bility of pumps in parallel pump systems using particle swam optimi-zation approachJ.leee Access,2020,99（8):58 42 7-58434.10吴贤芳，冯进升，刘厚林，等单流道离心泵定常非定常性能预测及流模型工况适用性J农业工程学报，2 0 17，3 3(S1):85-91.