摘 要：水循环轴流泵是化工产业水力循环过程中重要的耗能设备，其中轴流泵的能效提高是节能优化的关键。本研究基于当前化工用水循环轴流泵的初始模型，进行结构参数及性能参数的综合分析，提出通过导叶结构的改进设计以提高泵输装备整体水力性能的方法，并设计多组对照方案进行性能和流动特性分析，结果显示改进后的7叶片导叶轴流泵模型比原模型泵效率提高了6%，流动平顺性更好，满足预期节能设计目标。
关键词:化工;轴流泵;导叶;效率;节能;
Improved Design and Analysis of Guide Vane Structure of Axial- Flow Pump for Chemical
Water Circulation
Zhang Zhiyuan
China Pingmei Shenma Group United Salt and Chemical Co.,Ltd.
Abstract：Axial-flow pump is an important energy consuming equipment in the process of hydraulic circulation in chemical industry. The improvement of energy efficiency of axial-flow pump is the key to energy saving optimization. Based on the initial model of current axial-flow pump for chemical water circulation, this study conducts a comprehensive analysis of structural parameters and performance parameters, proposes a method to improve the overall hydraulic performance of pump transport equipment by improving the design of guide vane structure, and designs several groups of control schemes for performance and flow characteristics analysis.The results show that the efficiency of the improved 7-blade guide vane axial flow pump model is increased by 6% compared with the original model, and the flow smoothness is better, which meets the expected energy-saving design goal.
Keyword：Chemical industry; axial flow pump; guide vane; effciency; energy conservation;
1 前言
轴流泵在化工产业应用中可以输送的介质有清水、污水和化工流体等，其优秀的水力模型、可靠的机械密封技术、一体化设计和耐高温等特性，能够满足多维复杂环境下的应用要求[1,2,3]。同时，轴流泵结构简单、运行平衡性好、高效运行区宽，维护方便，投资少，在化工产业中介质输送方面应用广泛。另外，该类型泵可实现远程监控、智能化操作和无人值守，能够满足化工产业多功能要求和多技术指标要求[4,5,6]。
水循环轴流泵是化工产业中重要的水力循环驱动设备，也是该过程主要的耗能设备，在整个流体介质循环中，占据重要的位置。随着泵输装备长时间运行，以及运行工况条件的变化，都会直接影响着整个设备的额定运行特性，也是当前企业面临的重要问题。定期开展水循环轴流泵装备的可靠性排查，以及能效特性的监测分析，收集和整理各阶段的运行数据，以评估其耗能特性，显得尤为重要。因此，耗能装备的优化设计和高能效研究已经变得非常重要，是关乎整个产业降本增效的关键，也是目前企业重要的节能课题之一。
为积极响应“节能减排”、“碳中和”目标，现行化工用水循环轴流泵高能效优化设计将成为其中重要任务之一。目前，轴流泵结构优化设计和关键结构参数改变对水力性能影响规律的探究已成为其性能改进的重要方法，也是目前研究的重点之一[7-9]。本研究将重点通过对化工用水循环轴流泵的结构分析及导叶优化设计，实现水力性能提升的目标。
2 结构模型参数
化工用水循环轴流泵主要结构模型包括泵壳、叶轮和导叶，泵壳多为圆筒形，内部安装有叶轮和导叶。其中叶轮一般设计有2～7个叶片，是轴流泵的关键旋转部件，导叶多为后置导叶，位于叶轮出口位置，是轴流泵的关键静止导流部件，主要目的是消除或减弱来自高速旋转叶轮出流液体的旋转运动，并将周向旋转运动变为轴向运动。同时，高速旋转的叶轮使其机械能转化为流体的动能和压能，该能量转化和传递过程中形成的流体压力大小多用扬程来表征，整个工况运行能量转化评估采用效率来表示。
其中扬程的计算表达式为：
式中：H———泵的扬程；
P2———泵的出口压力；
P1———泵的进口压力；
ρ———液体密度。
效率的计算表达式为：
η=ρgQH/P轴（2)
式中：P轴———旋转轴功率；
η———泵的效率；
Q———液体流量。
本研究对象为一化工用水循环轴流泵，主要结构包括叶轮和导叶。在实际运行中，结构稳定、运行平稳、维护成本低。本研究化工用水循环轴流泵的结构参数如表1所示，由表1可知，该模型的叶轮设计有4个叶片，导叶设计有5个叶片。现有模型的设计效率为77%，实际运行的波动工况下运行效率低于该设计效率，整体效率有提升的空间。因此，有必要通过结构优化设计来进一步提高效率，节省能源消耗。
3 结构优化设计
轴流泵的结构优化设计一直是能效提升研究的关键内容，也是当前学者不断深入能效机理探究和创新技术开发的关键热点之一。轴流泵的能效提升是其结构优化设计的主要目标，而轴流泵能效评估的关键参数主要有扬程和效率。轴流泵结构优化主要包括叶轮结构优化设计和导叶结构优化设计，本研究将重点开展导叶结构的优化设计，通过改变导叶结构与叶轮相匹配设计，完成不同匹配优化方案的水力性能分析。
基于以上分析，轴流泵导叶数的选择和匹配研究至关重要，在改进整体水力性能方面有着深刻影响。结合实际应用和文献资料调研，参考已有的研究成果，在原模型的基础上进行导叶数目的优化设计。如表1所示，原轴流泵模型的导叶有5个叶片，叶轮有4个叶片。基于叶轮和导叶数的匹配设计经验，共设计3组对照方案，分别为3叶片导叶、7叶片导叶和9叶片导叶，与原始5叶片导叶形成对照实验。对以上设计，分别建立三维模型如图1所示。
4 结果分析
4.1 性能结果分析
通过三组不同改进方案设计，设计对照分析组，与原导叶方案形成共计四组的导叶结构方案，如图1所示，其中5叶片方案为原模型结构。基于以上方案，通过三维软件分别对改进后的模型进行三维建模和性能结果分析。首先进行的是性能结果的宏观分析，以便直观的解析改进方案的优劣。
为了能够使不同对照组的分析结果具有可比性和可靠性，在不同方案分析时，进行多组相同流量边界条件设置，原模型的额定流量为Q，在该研究分析中设计0.6Q、1.0Q和1.4Q共计三种流量工况，进行水力特性分析。然后进行每组的性能结果统计和对比，选择出最优方案。
结果显示，3叶片导叶和9叶片导叶的改进方案效率均有所下降，低于原模型方案的初始效率77%。而7叶片导叶的改进方案效率达到83%，对比原模型初始效率有明显提升。由此说明，7叶片导叶的改进方案是所有改进方案中最优的方案，与原叶轮匹配度最高，能够实现该轴流泵的整体效率提升，达到节能减排的目的。同时，通过该性能结果分析可知当叶轮结构参数一定时，不同的导叶结构参数对整体轴流泵的性能有较为明显的影响，特别是通过叶片数目的改变能够实现较为明显的提升。因此，导叶数的设计需在后续研究中引起重视和关注，通过对导叶结构的改进优化设计来实现轴流泵整体能效的提升是可行的。
4.2 流动结果分析
以上性能分析结果是从宏观特性进行直观解析不同方案的优劣，而流动结果分析是从微观解析流动改善的情况，能够更为全面的阐述改进方案的优势所在。为了进一步分析7叶片导叶的改进方案，进行该方案下的流动仿真分析，主要目的是通过流动规律的解析，证明该改进方案的优异性和可行性。
考虑工作量和时间效率的因素，本研究中将通过改进后的典型方案进行具有针对性的分析。因此，基于4.1中的性能分析结果，选择较优的7叶片导叶改进方案，在图1(c）的三维结构基础上进行数值计算，开展水力特性分析。其中边界条件的设置与4.1章节中流量的设计一致，选择流量入口和压力出口。针对该数值计算结果分别选取含流道的流线示意图和不含流道的流线示意图，具体如图2所示，进行流动解析。
流线是表征流道流动特征的一个重要指标，通过图2(a）导叶区流线（含流道）的示意图可知，7叶片导叶条件下每个流道内的流线均较为顺畅，未出现明显的流线回旋折弯现象，说明整个流道内未形成大量漩涡，流动得到了很大改善，流动受阻作用较小。通过图2(b）导叶区流线（不含流道）的示意图可知，从导叶区进口到导叶区出口，整个流道的流线分布，呈现出较为平顺的特征，沿流线压力变化未出现较大改变，因为低压区易形成漩涡。
以上分析，从流动特性的角度进一步揭示了改进后方案中7叶片导叶的流线平顺性较好，也侧面印证了该改进方案效率提高的原因。因此，说明7叶片导叶流道更有利于该轴流泵的整体性能改善和提高，与原叶轮结构匹配性和适应性更高。
5 结论
本文通过对化工用水循环轴流泵的结构参数分析和影响泵输装备性能的关键参数分析，基于轴流泵结构关键参数优化设计经验，完成对轴流泵原模型导叶的结构改进，形成多组改进方案和对照研究分析。结果显示，导叶结构的改进，特别是导叶数的变化对轴流泵的水力特性能影响较为明显，通过多组改进方案的性能结果和流动结果分析，改进后的7叶片导叶模型整体效率提高6%，流道内流动更为平顺，符合预期目标。
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