離心葉輪設計的案例
漫談離心泵葉輪的優(yōu)化設計
吉林省宇琦泵業(yè)有限公司
摘 要：葉輪是影響離心泵性能的主要水力零件，涉及到人們關注的泵的整體能效和運行可靠性。本文從定性的角度、結合經(jīng)驗及同行們的研究成果來簡要談一談如何通過優(yōu)化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能，僅供參考。
關鍵詞：離心泵 葉輪 優(yōu)化 吸入性能 水力性能
引言
有朋友希望我談一談離心泵葉輪的優(yōu)化設計。為此，首先必須要弄清楚優(yōu)化的目的：改善吸入性能？提高泵的效率？調整Q-H曲線的上升幅度……其次再根據(jù)具體需要進行優(yōu)化。
影響離心泵性能的主要水力零件是葉輪，另外，還包括與其配合的蝸殼/導葉等過流零件。其實，對于離心泵葉輪的優(yōu)化設計，作者在微信公眾號《泵沙龍》里不少文章中都有部分涉及，如：《全面理解汽蝕及其對離心泵的影響》、《全面理解離心泵吸入比轉速》、《葉輪幾何參數(shù)對離心泵性能的影響》等等。
流體機械屬于一門半理論、半經(jīng)驗的學科，還存在很多無法準確設計/模擬/預測的地方，例如不同結構、不同溫度、不同泵送介質下無法準確地模擬出流體真實的流態(tài)及其對泵性能的影響。因此，本文只能從定性的角度、結合經(jīng)驗及同行們的研究成果來簡要談一談如何優(yōu)化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能。僅供參考。
改善吸入性能
經(jīng)常會看到來自各種專家的期刊文章，介紹汽蝕所造成損傷的類型、原因和解決方案。然而，對于普通工程師和現(xiàn)場操作人員來說，汽蝕現(xiàn)象的診斷及避免/消除并不簡單，往往很難糾正。
葉輪葉片有兩種彎曲型式：前彎曲和后彎曲。由于后彎葉片葉輪在最大化動力、賦予流體高旋轉力及防止脫流方面更有效，因此離心泵通常均采用后彎曲葉片葉輪。
對于泵本體來說，泵的汽蝕行為和吸入性能在很大程度上受葉輪入口（eye處）的幾何形狀及面積的影響。
展開 FC部件|基于 CFD 仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優(yōu)化設計
常用的空壓機類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等。其中離心空壓機具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高等特點,比較適合燃料電池。離心空壓機通過葉輪的高速旋轉對工質進行做功,持續(xù)輸出壓縮空氣,離心空壓機的性能主要由其中的葉輪決定。燃料電池空壓機葉輪與傳統(tǒng)車用渦輪增壓器葉輪的設計需求差別較大,傳統(tǒng)渦輪增壓器葉輪需要較寬的流量范圍;而燃料電池所需要的離心空壓機需要較高的壓比,不需要過寬的流量范圍。
1 葉輪的設計
1.1 設計方法
高性能葉輪的葉片是復雜的三維結構,在設計時不僅要考慮到氣動性能與結構強度,還要考慮加工工藝,以便于進行側銑加工,總體設計難度較大。葉輪設計基本有兩種方式:(1)根據(jù)設計目標全新設計;(2)對現(xiàn)有葉輪進行設計優(yōu)化。
全新設計葉輪需要根據(jù)設計目標,首先從一維設計軟件中預測基本的幾何參數(shù),再通過三維設計軟件對性能進行優(yōu)化。全新設計葉輪需要很長的時間周期,而且設計難度較大。在工程開發(fā)上多采用第二種方式,即對現(xiàn)有葉輪重新設計并進行優(yōu)化。
展開 應用CFD數(shù)值模擬對離心通風機葉輪進行設計分析
為了設計出高性能的通風機，傳統(tǒng)的設計方法已滿足不了需要，必須采用現(xiàn)代設計理論和方法。這就要求設計者必須詳細掌握流體機械性能和內部流動狀況，從而給流體機械內部流動理論和試驗研究提出了新的課題。而大型商用CFD軟件的出現(xiàn)給風機的數(shù)值模擬帶來了極大的便利，使人們對風機內部流場有了更深入地了解。
在設計制造流體機械時，一般的過程為設計、樣機性能試驗、制造。如果采用CFD方法通過計算機進行樣機性能試驗，能夠很好地在圖紙設計階段，預測流體機械的性能和內部流動產(chǎn)生的漩渦、二次流、邊界層分離、尾流、葉片顫振等不良現(xiàn)象，力求將可能發(fā)生故障的隱患消滅在圖紙設計階段，在一定程度上取代了試驗，以達到降低成本、縮短研制周期的目的。
本次優(yōu)化設計，采用FloWorks軟件對公司老產(chǎn)品9-26系列外徑為1120mm的葉輪內部流體運動進行全三維的數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬計算結果與試驗結果進行了對比，同時對葉輪內部流場進行了分析，為改進流體機械提供依據(jù)。
展開 CAESES建模經(jīng)驗介紹
CAESES進行離心葉輪設計的時候，有一套專門的Y-ZX坐標系方便用戶使用，使用此種坐標系的時候，盡量把葉輪的hub和shroud曲線制作成下圖中的樣式，而且曲線的方向最好也從左至右，以免后續(xù)創(chuàng)建葉片的時候因為方向錯亂導致葉片生成錯誤；
2. 使用創(chuàng)建出來的hub曲線和shroud曲線旋轉生成相應的曲面，隨后在hub和shroud曲線上創(chuàng)建葉片的起止位置曲線；
3. 使用CAESES自帶的stream section曲線或meridional camber曲線創(chuàng)建葉片曲面的中弧線，以stream section為例，輸入設置如下；
4. 使用中弧線位置控制的參數(shù)，創(chuàng)建meta surface使曲線形成為曲面；
5. 在曲面上提取surface curve，基于surface curve創(chuàng)建參數(shù)化控制的offset曲線，可以創(chuàng)建葉片的截面輪廓線，通過這一步方法創(chuàng)建的截面輪廓線的前緣更圓潤，比直接用中弧線創(chuàng)建截面輪廓線的效果要好；
6. 再次使用meta surface創(chuàng)建葉片曲面，CAESES創(chuàng)建的葉片曲面處在hub和shroud區(qū)間內，因為偏移，導致有一側不會和hub或shroud曲面相交，使用Brep中的邊線延伸功能能夠使曲面延伸，滿足裁剪要求；
7. 先使用hub曲面、shroud曲面和葉片尾緣裁剪曲面對葉片裁剪并封裝成固體，隨后陣列固化后的葉片，與hub和shroud曲面組合到一起，完成離心葉輪的設計。
展開 
CAESES在離心葉輪造型及優(yōu)化上的應用
在CAESES中可以采用專門的離心葉輪建模方法快速、方便的構建離心葉輪全參數(shù)化模型，也可以針對特殊結構進行造型研究（如下圖向心渦輪中的星型結構）。
葉輪模型
本文將以某離心壓氣機葉輪為例介紹CAESES中進行離心葉輪參數(shù)化建模及優(yōu)化的方法。
全參數(shù)化模型
離心葉輪的建模難點在于葉片曲面的構建及參數(shù)化表達，CAESES對于離心式葉輪的構建，主要分為三個部分的內容：
1. 在子午平面上限定hub、shroud、LE、TE的形狀和位置曲線；
2. 在空間中創(chuàng)建一系列的中弧面流線并耦合成葉片中弧面；
3. 使用中弧面加厚度分布的方法創(chuàng)建出葉片曲面。
展開 極坐標網(wǎng)離心泵葉輪應用指南
極坐標網(wǎng)離心泵葉輪應用指南
作者：岳曉鋒
案例13-離心葉輪的循環(huán)對稱和線性攝動分析
該案例演示了使用循環(huán)建模方法和線性攝動解方法進行離心葉輪葉片分析。該問題包括模態(tài)分析、全諧分析、使用線性擾動的預應力模態(tài)分析、使用非線性擾動的預應力全諧響應分析以及使用線性擾動進行的預應力模態(tài)疊加諧響應分析。
循環(huán)對稱性分析的結果與從全（360度）模型分析獲得的參考結果進行了驗證。
介紹
循環(huán)對稱建模是分析具有圍繞對稱軸360度重復幾何圖案的結構的有力工具。循環(huán)對稱性存在于許多土木工程結構中，如圓頂、冷卻塔和工業(yè)煙囪。也可以在機械設備中找到，例如銑刀、渦輪葉片盤、齒輪、風扇和泵葉輪。
循環(huán)對稱模型可以使用整個結構的單個部分（稱為基扇區(qū)）來求解，從而加強循環(huán)子結構之間的連續(xù)性和兼容性邊界條件。循環(huán)對稱性分析大大減少了模型大小和計算成本。
問題描述
本示例中的葉輪葉片組件是航空航天應用中使用的燃氣渦輪發(fā)動機的子系統(tǒng)。
以下模型顯示了單個離心葉輪葉片的循環(huán)對稱扇形：
該模型由護罩和扇形角為27.692度的葉輪葉片組件組成。整個模型由13個主葉片和分離器組成，如圖所示：
在循環(huán)扇形模型上分別進行了模態(tài)、帶線性和非線性基礎靜態(tài)解的擾動預應力模態(tài)、全諧波、帶非線性基礎靜態(tài)解的擾動預應力全諧波、以及帶非線性基礎靜態(tài)解的擾動模態(tài)疊加諧波分析。
擾動模態(tài)循環(huán)對稱分析包括線性和非線性靜態(tài)分析的初始預應力條件。具有線性靜態(tài)解的初始應力狀態(tài)由旋轉葉輪組件以及施加在葉輪葉片上的壓力載荷產(chǎn)生。非線性靜態(tài)分析的初始應力狀態(tài)是由旋轉的葉輪葉片、施加在葉輪葉片上的壓力載荷和施加在葉輪葉組件模型所有節(jié)點上的熱載荷產(chǎn)生的。
擾動全諧和擾動模態(tài)疊加諧循環(huán)對稱性分析包括由于非線性靜力分析而產(chǎn)生的初始預應力條件。初始應力狀態(tài)由葉輪組件的旋轉和施加在葉輪葉片組件模型的所有節(jié)點上的熱載荷產(chǎn)生。
展開 離心壓縮機葉輪振動特性仿真及試驗研究
通過模態(tài)分析，可以得到葉輪的固有頻率和振型，經(jīng)過設計優(yōu)化，避免了葉輪的固有頻率和激振力頻率相同或相近，從而避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，保證離心壓縮機的正常運行，提高葉輪的使用壽命。
避免共振的第一步是要在設計階段準確的知道葉輪的固有頻率和振型，根據(jù)振型和激振力的形式對葉輪的振動特性進行優(yōu)化。模態(tài)分析技術是用于對工程結構系統(tǒng)進行動力學分析的現(xiàn)代化方法和手段，可分為解析的和試驗的兩個方面，即：有限元分析和試驗模態(tài)分析。本文用ANSYS有限元軟件對葉輪模態(tài)進行數(shù)值計算，用LMS模態(tài)分析系統(tǒng)對葉輪進行模態(tài)試驗分析。
1.2 葉輪模態(tài)試驗
1.2.1 試驗儀器設備
本試驗采用比利時LMS公司的SCR05-08動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及Lms Test.lab模態(tài)分析軟件[7] ，選用美國PCB公司力錘和加速度傳感器，其靈敏度分別為2.25mV/N和100mV/g，試驗原理框圖見圖2。
1.2.2 試驗方法及過程
離心壓縮機的葉輪由輪盤、輪蓋和葉片等零件組成。本文選取某型離心壓縮機葉輪進行模態(tài)分析研究，該葉輪外徑400mm，內徑96mm，由10組長短葉片組成。采用軟繩將離心壓縮機葉輪懸掛后進行錘擊模態(tài)試驗，這樣可避免環(huán)境振動和支撐剛度對測試的影響，見圖3。
用Lms Test.lab軟件中Impact錘擊模態(tài)測試模塊進行試驗, 采用移動力錘法，在Geometry中建立簡單模型，見圖4。
1.2.3 試驗數(shù)據(jù)分析
離心壓縮機葉輪是一個復雜的結構，為了提高試驗結果的精度，選用PloyMAX模塊對LMS試驗測試數(shù)據(jù)進行分析。
展開 ANSYS CFX 壓縮機仿真-離心壓縮機葉輪
本文利用CFX模擬離心壓縮機葉輪的氣動性能。
注：本文采用CFX 2019R2進行演示
1 幾何模型
幾何模型來自ANSYS-CFX的教程文檔。下圖是幾何模型的示意圖。這個葉輪有24個葉片，以22360rpm的轉速繞Z軸旋轉。
△ 幾何模型示意圖
2 BladeGen定義幾何
啟動Workbench 2019 R2，將BladeGen模塊拖入工程視圖，右擊
A2：Blade Design→Properties，在屬性面板中設置如下圖所示
△ 屬性設置
加載創(chuàng)建好的葉輪。
葉輪蓋板切割對中低比轉速離心泵水力性能的影響（上）
摘 要：通過數(shù)值計算和實驗研究了采用新方法 - 泵葉輪蓋板切割（PIST）來改造泵葉輪對流場和泵性能的影響。本研究的主要目的是研究輸送單相液體離心泵在中低比轉速下的水力性能，該泵通過PIST方法進行了改進。在這種類型的蓋板切割中，不同的切割尺寸僅適用于閉式葉輪的蓋板，而輪轂和葉片的幾何形狀（直徑）保持不變。這種改進增加了葉輪和殼體之間與蓋板側的間隙，為泵送含有未溶解氣體的流體創(chuàng)造了理想的條件。計算流體動力學軟件（ANSYS-CFX）用于預測離心泵的水力性能。兩個著名的湍流模型，即重整化群（RNG）k-ε模型和剪切應力輸運（SST）k-ω模型，用于預測流型。通過實驗和非定常數(shù)值模擬與穩(wěn)態(tài)數(shù)值數(shù)據(jù)的對比，驗證了計算結果。在確保流場模擬方法的準確性后，通過改變葉輪蓋板直徑對兩臺泵進行進一步的數(shù)值分析。綜合研究了幾何變化對性能曲線、效率、流場、泵內部壓力分布以及作用于兩種泵類型的徑向力的影響。結果表明，蓋板切割降低了設計點的揚程和效率。對施加在旋轉部件上的徑向力的檢查表明，在兩種泵類型中，由于葉輪出口周圍缺乏均勻的壓力分布，蓋板切割的葉輪比閉式葉輪承受更高的徑向力。因此，將獲得的相關信息用于修改現(xiàn)有系數(shù)以預測徑向力。
關鍵詞：離心泵；蓋板切割；實驗研究；CFD；性能影響
1. 前言
葉輪切割是一種特殊技術，它可以減小離心泵葉輪的直徑，使葉輪在相同轉速下具有更小的直徑。在某些條件下，切割葉輪會使葉輪出口處的切向葉尖速度降低，從而使泵的工作狀態(tài)符合系統(tǒng)的要求，這也可以減少泵送系統(tǒng)的過度噪音或振動。
展開 CAESES離心壓氣機葉輪優(yōu)化案例分享
案例——離心壓氣機
離心式壓氣機有體積小、單級增壓比高等特點，廣泛應用于航空、船舶等領域的動力系統(tǒng)。葉輪是離心壓氣機的核心部分，是主要做功部件，其模型的變化對壓氣機性能有著關鍵的影響。我們選擇了一款現(xiàn)有的離心壓氣機葉輪模型，采用CAESES軟件結合CFD仿真工具，對其氣動性能進行優(yōu)化。該離心壓氣機主要性能參數(shù)及葉輪模型如下所示：
工作介質
空氣
流量
0.8kg/s
轉速
100000r/min
該優(yōu)化案例的優(yōu)化目標為在轉速和流量保持不變的情況下，盡可能地提高效率和壓比
優(yōu)化流程
對離心壓氣機葉輪的性能進行優(yōu)化，首先需要控制其模型進行變化。CAESES提供了一個CAD環(huán)境，能夠高效的創(chuàng)建參數(shù)化模型并進行變形控制，方便靈活的生成多個不同的幾何模型。基于CAESES輸出的模型，可以在CFD軟件中構建自動化網(wǎng)格劃分及仿真分析流程，并通過CAESES軟件進行調用，提取仿真分析得到的性能結果。最后，設置CAESES里的優(yōu)化算法，根據(jù)仿真分析的結果調整葉輪模型參數(shù)，對葉輪性能進行自動優(yōu)化。例如，CAESES結合CFX軟件進行優(yōu)化的典型流程如下：
模型的創(chuàng)建及變形控制
首先在CAESES軟件中構建全參數(shù)化葉輪模型，關鍵步驟如下：
1. 首先定義葉輪子午流道型線及前尾緣位置；
2. 流道可采用樣條曲線，直線+圓弧等多種形式，可按照不同需求定義流道型線參數(shù)（此處采用直線+圓弧形式）；
3. 之后可按照θ（包角）或β（切向角）分布曲線來生成葉片中弧線；
4. 沿葉片高度方向生成多條中弧線，即可組合生成葉片中弧面；
5. 基于中弧面給定葉片厚度分布曲線，即可生成葉片表面；
6.
展開 
CFD仿真：離心泵設計中的效率優(yōu)化
前言
在處理渦輪機械時，例如壓縮機、螺旋槳或離心泵等，最輕微的設計變化往往會產(chǎn)生巨大的影響。根據(jù)機器的不同，即使是1% 的效率提高，也可以在機器的使用壽命內節(jié)省數(shù)千美元的成本。
渦輪機械在轉子和流體之間傳遞能量。通過這種方式，機械能被轉換為壓力或揚程。通常在渦輪機械設計中，工程師的主要目標是效率、可靠性、性能和延長使用壽命。粗略地說，機器應該在盡可能長的時間內盡可能好地運行、有效地回收盡可能多的能量，并且需要盡可能少的維護。雖然這些因素符合制造商、供應商和客戶的直接利益，但由于環(huán)境影響法規(guī)的收緊和人們對舒適度需求的增加，噪音污染或排放等其它考慮因素變得越來越重要。所有這些方面都需要在設計階段進行仔細評估。
案例：用CFD設計離心泵
作為渦輪機械的一個例子，本案例模擬了一種常見的泵類型 - 離心泵。這種類型的泵通過旋轉元件將機械旋轉能量轉換為流體中的能量。為了最大限度地提高效率，減少能量損失以確保離心泵利用盡可能多的動力至關重要。例如，由于摩擦或再循環(huán)（回流），可能會發(fā)生能量損失。計算流體動力學（CFD）可以以扭矩、軸向推力、壓降和域內任何點的流速的形式量化性能，以確定可以優(yōu)化效率的區(qū)域。
圖1：離心泵設計的CFD分析
有許多設計方面會影響泵的效率，例如泵殼體，葉輪蓋板、葉輪葉片數(shù)量或葉片角度等。以葉輪為例，可以改變其尺寸，例如增加直徑，但這會增加其質量，從而導致更大的能量損失。
展開 通過CFD模擬改進離心泵水力設計
離心泵設計優(yōu)化研究
渦輪機械中流動的復雜性主要是由于3D開發(fā)的結構涉及湍流、二次流、不穩(wěn)定等。離心泵的設計過程最初基于經(jīng)驗相關性、模型測試和工程經(jīng)驗的結合。然而，如今的設計要求對內部流動有詳細的了解 -這在CFD的幫助下是可能的。
CFD模擬使離心泵內部的流動狀態(tài)可視化成為可能，并提供了有關泵的水力設計的寶貴信息。模擬結果用于計算和預測離心泵的性能，取代了過去漫長而昂貴的物理實驗。除了縮短整個設計周期外，還節(jié)省了大量的工作。
項目概況
在我們的案例研究中，我們將使用這個模擬項目作為模板：通過CFD模擬對離心泵設計進行優(yōu)化。
該項目使用穩(wěn)態(tài)多參考系（MRF）方法和k-ω SST湍流模型模擬了一臺典型的離心水泵。通過SIMPLE算法實現(xiàn)了壓力-速度耦合。MRF區(qū)域的旋轉速度為157.08 rad/s（1,500 rpm）。本項目研究了：1）出口葉片角和2）葉片數(shù)量對離心水泵性能的影響。使用SimScale對具有三個不同出口葉片角（即13、23和33度）和三個不同葉片數(shù)量（即6、8和10片）的葉輪的性能特性曲線以及局部和全局流量變量進行了數(shù)值預測。
所考慮的離心泵設計入口直徑為150 mm，出口直徑為151.5 mm，葉輪直徑為340 mm。域是使用SimScale平臺上的“快速十六進制網(wǎng)格”進行網(wǎng)格劃分的幾何體。生成的網(wǎng)格由大約450萬個單元組成，如下圖所示。
1.
展開 如何提高CFD效率和精度？【技術研討會報名-5月23/24日上海|北京】
▌ 基于自適應特征選擇的高維不確定性方法在葉輪機械性能評估中的應用（北京）
主講：采用Cadence CFD軟件，針對復雜環(huán)境的葉輪機械領域進行全三維數(shù)值仿真。提出了一種自適應的基于特征選擇的高維參數(shù)降維方法，使得樣本量降低一個數(shù)量級，大大提高了不確定性量化評估在工程實踐中可行性，首次在多級壓氣機中開展高維度的影響評估。
▌ 基于Cadence三維氣動計算的渦輪冷卻器軸向力研究（北京）
主講：在分析動壓懸浮空氣循環(huán)機軸向力產(chǎn)生原因基礎上，分別采用數(shù)值計算方法與理論公式計算法對其軸向力進行計算。利用Cadence CFD建立了包含窄縫間隙（輪背間隙、密封間隙軸承間隙）的渦輪端和壓氣機端計算域幾何模型，渦輪端密封進口的邊界條件考慮了軸承氣流向渦輪端的沿程損失。
▌ 開發(fā)高效汽輪機的氣動技術應用現(xiàn)狀與未來需求（上海）
主講：汽輪機設計中所涵蓋的技術問題以及汽輪機氣動設計的現(xiàn)狀，以及對未來技術發(fā)展的展望。
▌磁懸浮離心葉輪設計開發(fā)與商業(yè)化落地（上海）
主講：仿真和優(yōu)化設計技術極大的縮短了產(chǎn)品研發(fā)時間，提高研發(fā)效率。采用高效三元流葉輪氣動優(yōu)化設計技術，完成了磁懸浮離心葉輪的設計與開發(fā)。
▌ 從芯片到溫控裝置的 Cadence 熱解決方案 - 基于Celsius EC Solver（北京&上海）
主講：概述 Cadence 用于電子冷卻的全新 Celsius EC Solver 技術。該軟件利用強大的計算引擎和網(wǎng)格技術，使設計人員能夠建模和分析復雜的設計，基于該方案可以降低產(chǎn)品故障的風險和提升產(chǎn)品性能。
展開 用CFD仿真優(yōu)化離心泵的設計
? 專有知識能力：大多數(shù)現(xiàn)代工具均為專家和經(jīng)驗豐富的仿真工程師而設計。為了添補這一知識空缺，SimScale為用戶提供了一個大型公共項目庫、免費培訓和實時支持聊天。
工程問題
離心泵的剖視圖（圖片來源：維基共享資源Fantagu公開信息）
離心泵本質上由一組在被稱作蝸殼的殼體內旋轉的葉輪組成。流體進入葉輪的中央位置，通過葉輪葉片間的空隙，進入葉輪與泵殼間的空間。
當葉輪旋轉時，流體沿切線方向和徑線運動。當流體流過葉輪時，速度和壓力都會增加。
隨著旋轉機械能被傳送給流體，葉輪排出側的水壓和動能都會上升。在吸入側，水被不斷置換，葉輪中心處產(chǎn)生負壓。這種低壓有助于再次將新的水流吸入系統(tǒng)，并且周而復始。
葉輪是離心泵設計中最重要的部分，需要經(jīng)過多年的分析和開發(fā)工作，才能成功研制而成。
理想的情況是，葉輪葉片設計向后彎曲。這些向后彎的葉片角度小于90度。由于其自穩(wěn)功耗特性，這類葉片備受業(yè)界歡迎。
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