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水 利 学 报

２０２３年 １２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 １２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）１２ － １４５２ － １２

基于反问题设计的离心泵叶轮泥沙磨损特性优化研究

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张自超 １，２ ，李 君 ，关婷月 ２，３ ，李延频 ２，３ ，张兰金 ３
（１．华北水利水电大学 工程训练中心，河南 郑州 ４５００４５；
２．华北水利水电大学 河南省流体机械工程技术研究中心，河南 郑州 ４５００４５；
３．华北水利水电大学 能源与动力工程学院，河南 郑州 ４５００４５）

摘要：离心泵被广泛应用于我国黄河沿岸的提灌泵站中。黄河水中的泥沙对离心泵造成的泥沙磨损问题严重影响
离心泵的安全高效运行。反问题设计是离心泵叶轮优化设计的常用方法，但作为其关键设计参数的叶片载荷加载
方式对离心泵磨损性能的影响尚不清楚。针对叶片载荷加载方式对离心泵叶轮泥沙磨损特性影响的问题，采用固
液两相流数值计算的方法，研究了前盖板前加载后盖板后加载、前后盖板均偏中加载以及前后盖板均偏后加载 ３
种不同叶片载荷加载方式对离心泵水力性能、叶轮磨损特性和固液两相流流场特性的影响。结果表明：相比于其
它方案，前后盖板均偏中加载方案得到的离心泵具有较优的水力性能。在各工况下，相比于原叶轮，前后盖板均
偏中加载方案的叶片最大磨损率减小 ２５％～７３％，小流量工况下可减小 ７３％，大流量工况下可减小 ２５％，明显提
高了叶片的磨损性能。相比于原叶轮，３种优化方案在前盖板背面流线上的压力分布更均匀光顺；在小流量工况
下，前后盖板均偏中加载方案和前后盖板均偏后加载方案叶片表面的固相体积分数较小，各种方案得到的叶片表
面的速度分布基本相同；在额定流量工况下，原叶轮的叶片表面体积分数较小，前后盖板均偏中加载方案和前后
盖板均偏后加载方案的叶片工作面固相速度大的区域相对较小，固相速度也有所减小。因此，前后盖板均偏中加
载方案具有较优的水力性能和磨损特性，可为离心泵叶轮磨损特性的优化提供参考。
关键词：反问题设计；离心泵；固液两相流；泥沙磨损；优化设计
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＨ３１１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０４７２

１ 研究背景

离心泵因其扬程高、易检修等优点，被广泛应用于我国黄河沿岸的提灌泵站中 ［１］ 。黄河含沙量
高，对离心泵叶轮造成磨蚀问题，严重影响泵正常运行 ［２］ 。因此，研究离心泵叶轮的磨损特性并进行
优化设计，使机组具有良好的磨损特性，对黄河沿岸水泵安全、高效地运行具有重要意义。
现有研究表明，叶轮参数对离心泵的泥沙磨损特性具有重要影响。吴玉林等 ［３］ 通过试验研究发
现，叶轮进出口的参数以及叶片出口安放角，是影响离心泵磨损特性的重要参数；吴波 ［４］ 通过数值研
究发现了叶片参数的变化对叶轮流道内固相颗粒的运动轨迹产生影响，并会对壁面磨损有一定的影
响；钱忠东等 ［５］ 通过数值研究发现，流速分布、冲击角度和不同形状的叶片头部均会对离心泵叶片的
磨损特性产生影响；何创新等 ［６］ 针对双吸离心泵研究发现，合理的叶片流线变化规律能显著降低叶片
工作面的磨损强度；郭仁宁等 ［７］ 数值研究了离心泵长短叶片和普通叶片对磨损的影响，发现长短叶片
具有降低磨损的特性；李籦等 ［８］ 通过数值研究发现减小离心泵叶片出口安放角可以有效改善转轮泥沙
磨损性能。由此可知，叶片参数会对叶轮的磨损性能产生影响，而叶片参数的变化必然导致叶片形状

收稿日期：２０２３ － ０８ － ０２；网络出版日期：２０２３ － １２ － ２１
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３１２２０．１１０４．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１９０９０９４）
作者简介：张自超（ １９８７ － ），博士，副教授，主要从事流体机械两相流体动力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｚｉｃｈａｏｚｚｃ＠１２６．ｃｏｍ
通信作者：李延频（１９７３ － ），教授，博士生导师，主要从事流体机械优化设计研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｉｙａｎｐｉｎ＠ｎｃｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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