多级离心泵叶轮叶片刃口设计验证及应用

蒋雄强

（南方泵业股份有限公司，浙江 杭州 310000）

水泵是应用最广的通用机械，与人们的生活息息相关，但又是耗电耗能大户，每年要消耗全球约10%的能源，因而提高泵本身的效率和泵的使用效率对节约能源至关重要。国内水泵目前在质量上与国外同类产品仍存在着不小的差距。随着生产、生活和科技水平的不断提高，要求泵具有较高的综合性能，然而综合性能较高的泵在我国尚属空白，主要依靠进口，这样使得国内很多企业只能用不够理想的泵维持生产，这样既限制了工业水平的提升，又造成了能源的浪费，这种差距直接削弱了国内水泵产品的竞争力，一般国内水泵设备的价格只有同类进口设备的50%左右，而备品配件的价格差异更大。国内厂商要提高自身的生产力与竞争力，首要任务就是在提高水泵效率上做文章，而水泵存在机械损失、容积损失、水力损失，降低容积及水力损失需要设计从业人员拥有丰富的水泵理论基础进行大量的模拟分析及计算，机械损失可以较简单地借鉴国外同类产品的尺寸配合公差、过流部件中的沿程损失等设计。

1 性能模拟分析

2019 年南方泵业股份有限公司研究院产品部在对格兰富水泵进行常规的竞品分析时发现，叶轮叶片的进水口处均做了叶片刃口处理。离心泵是指靠叶轮旋转时产生的离心力来输送液体的一种叶片泵，依靠旋转的叶轮在旋转过程中，由于叶片和液体的相互作用，叶片将机械能传给液体，使液体的压力能增加，达到输送液体的目的，即是利用叶轮旋转而使水发生离心运动来工作的。其中，叶轮是水泵的核心部件，是工作效率的主要影响因素，推测其设计的初衷为增强进口过流能力，改善汽蚀，减少水利损失，提高效率，即降低流体在叶轮的沿程损失。近年来，随着计算机硬件技术及软件技术的进步，计算流体动力学技术得到了快速的发展，计算流体动力学（CFD）与理论分析和实验研究一起成为流体机械内部复杂流动研究的三种主要手段[1]。工程实践证明，采用CFD 技术可以较为准确地预测离心泵的扬程和效率，并且能够描述水泵流道内部的大尺度流道结构。为了探究刃口设计的具体优势及水力性能的提升量，以型号CDM125-3 为原型机，依托深度合作的西班牙设计公司，运用CFD 水力模拟分析软件进行模拟水力测算，模拟数据如表1 所示。

表1 模拟分析数据表

通过模拟分析，同等条件下刃口叶轮的泵效率预计提升1%~3%。

为了验证模拟数据的准确性，缩短产品的开发周期，故采用3D 打印叶轮进行原型机测试。3D 打印即快速成型技术的一种[2]，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。借助3D 打印技术，制造产品不再需要设计或制造昂贵的模具，设计者的创意可以直接通过3D 打印机成为现实，极大地减少了成本和时间，本次采用进口树脂，打印精度等级为100 mm±0.1，进行叶轮的3D 打印测试，样机测试数据如表2所示。

表2 样机测试结果

考虑打印叶轮的流道粗糙度较差，叶轮表面粗糙度Ra实际测量值为1.6，按照以往生产工艺经验，不锈钢板的表面粗糙度Ra值仅为0.2，冲压件叶轮的流道粗糙度更好，水力性能更优，决定直接开展工业化设计，进行样机的制作。

2 工艺设计验证

2.1 叶片工艺分析验证

现有多级离心泵叶轮叶片前后端为直角边，为取得刃口叶轮叶片可采用两种加工工艺模式，方案一为焊接叶轮数控加工，方案二为单叶片冲压成型过程中的刃口压扁化，对两种方案进行了QCD（质量、成本、交付期）分析[3]，初步评估对比后优选方案二。

2.2 可行性分析验证

冲压模具采用简单冲裁模，因CDM125 叶片为双曲面设计，叶片为过流部件，对工作面的尺寸要求高，故需采用导柱式简单冲裁模，模具准确可靠，能保证冲裁间隙的均匀，冲裁的工件精度较高，模具使用寿命长，而且在冲床上安装使用方便。

对方案二单叶片冲压成型刃口化展开验证，根据现有叶片的冲压工艺流程：a.剪板→b.落料→c.成型三道工序进行可行性分析，存在压扁工序的工艺流程布局选择问题，因分析CDM125 叶轮叶片为双曲面扭转叶片且考虑到冲压过程中会产生不可避免的回弹，成型后进行叶片压扁刃口化属于冲压的二次成型。虽然二次成型时会使叶轮叶片的最终形态更加稳定，但是对压扁模具的加工精度及定位设计要求更高，考虑工厂现有的生产模式及成本投入，经研讨及评审决定优选落料后进行叶片压扁。

2.3 焊接定位分析验证

叶轮焊接工艺流程：叶片定位→后盖压紧定位→焊接，焊接工装的定位设计涉及出水口高度、叶片内外径等重要过流部件的尺寸，考虑到叶片一端已经压扁刃口化无法进行有效的定位，需对焊接工装重新进行定位分析，原则上采用321 定位法则[4]来确认焊接工装的定位设计是否合理。因叶轮叶片为扭曲叶片且需考虑焊接作业时的装卸效率，故叶片摆放无法定位精准，对后盖板压紧工序进行定位补偿，原有工装增加叶片外径及出水高度限位尺寸定位。

焊接工艺是叶轮成型的最终工艺，焊接前首先要选取合适的焊接方法，这关系到焊接后叶轮的表面质量、流道光滑度及焊接位置的强度。制作不锈钢冲压泵叶片所用的不锈钢板的厚度较小，焊接时容易产生变形，为了使叶片焊接设计一致性高，需考虑焊接过程变量。因叶片设计双曲面与盖板贴合，弧形贴合一致性要求高，当叶轮叶片与后盖板间存在间隙时，叶轮内易形成二次回流，造成泵内较大的水力损失，且间隙值越大，水力损失也越大。随着叶轮叶片与后盖板间间隙值的增大，叶轮出口到导叶出口的整体静压值不断下降，叶轮的增压作用下降，冲压泵的单级扬程和效率急剧下降。当间隙值为1 mm左右时，扬程和效率下降幅度最大，所以应提高冲压成型的精度，减小焊接间隙或采用激光焊接代替点焊接。采用激光的方式进行熔接焊接，焊接成品的精度要求高，需选择合适的工艺参数，如功率密度、激光脉冲波形、离焦量、焊接速度等[5]，且考虑到叶片分布结构需保持对称，应选择对称焊法，焊缝相对集中，可通过跳焊法来解决集中受热的问题，长焊缝的长度超过80 mm，选择分段焊接的方式，保证叶轮焊接成品的一致性。

321 定位法则简单说明即是6 点定位，3 点定平面（如XY平面），2点定线（如X轴），1点定点（如原点）。定了XY平面，再定X轴，则可确定Y轴，Z轴自动确定，再定原点（X、Y、Z轴的O点），即可确定坐标系。

3 工业化设计

3.1 叶片冲压开模

叶轮叶片成型过程中不可避免会产生冲压回弹[6]，指不锈钢板料在力的作用下产生变形，当压力释放时所产生的还原或近还原状态的物理变化。当代汽车和现代模具设计制造技术都表明，模具的设计制造离不开有效的板成形模拟软件，开发与模具制造都要借助于一种或几种板成形模拟软件来提高其成功率和确保模具制造周期。本次叶片冲压开模运用AutoForm 软件进行动态分析[7]，其不需要大的硬件投资及资深模拟分析专家，高质量的结果亦能很快用来评估，在缩短产品和模具的开发验证时间、降低产品开发和模具成本、提高产品质量上效果显著，为冲压成型的评估提供了量的概念，其偏移功能很快地从凸模（或凹模）生成凹模（或凸模），更能很方便地定义修边轮廓等功能曲线。

实际生产应用过程中，因板料的厚薄不一，工厂内部不锈钢钢板偏差达到了0.1 mm 的偏差，以理论设计的模具进行初次冲压生产，根据叶轮叶片的扫描结果进行修模微调，保证叶片成品尺寸与设计要求偏差﹤0.2 mm。

3.2 叶片展开图修改

叶片的展开图分为两种情况：如果是直叶片，相对来说比较简单，用投影法就能完成；而本次验证的叶片为扭曲叶片，运用UG 及SolidWorks 软件对三维叶片进行展开图的绘制。因冲压过程中板料的厚薄不一，其延伸状态不稳定，叶片在进行弯曲时，材料同时发生弹性变形与塑性变形，很难获取准确的叶片形状，导致叶片成型后与后盖板为点线式分段接触。如果叶片与后盖板存在间隙，叶轮内容易形成二次回流，造成泵内较大的水力损失，其设计要求叶轮叶片与后盖板为连续面接触，除了靠模具来保证外，可通过红丹法确认接触位置，通过反复对比修改，完成叶片展开图的定型。

3.3 激光焊接调试

激光从20 世纪60 年代开始在焊接领域得到应用，最初在航天航空及汽车领域应用较多。近年来，国外一些大型水泵生产公司开始把激光焊接应用到水泵生产中，并取得了良好的效果，运用Fanuc 焊接机器人编程软件对已定位叶片进行激光走径初步的绘制，对其实施焊接后，需根据焊接结果人为调整工艺参数及激光走径。

4 测试对比

4.1 尺寸量测

同批次板材以压扁工序为唯一变量进行叶片冲压及叶轮焊接，量测数据如表3所示。

表3 叶轮量测数据表

量测数据符合图纸设计要求，且常规叶轮与刃口叶轮尺寸误差小，叶片压扁对整体叶轮组焊成型影响小。

4.2 扫描分析

常规尺寸量测无法探测叶轮内部流道结构、叶片弧形及出水口角度等，采用三维扫描进行再次分析。因焊接工装为同一个且尺寸量测分析误差小，故只扫描刃口叶轮半成品，运用Geomagic 软件[8]进行设计尺寸确认。

4.2.1 叶片弧形

冲压泵的叶轮叶片分为两种：直叶片和扭曲叶片，在额定流量较小时大多设计成直叶片，在额定流量较大时一般设计成扭曲叶片，扭曲叶片相对比较复杂，对水泵的性能影响大，成型困难且检测难度高。

4.2.2 出水口角度

叶片出口角度是离心泵叶轮的重要几何参数之一，对泵的扬程、效率以及性能曲线形状等都有比较重要的影响[9]。

扫描结果分析叶片弧形偏差﹤0.1 mm，出水口角度偏差﹤1.5°，符合图纸设计要求。

4.3 装配一致性分析

装配过程中，只进行变量叶轮的更换，不涉及其他零件的一致性要求，但是需要管控装配过程中部分参数：1）叶轮的轴向高度，增加泵轴定位工装，保证叶轮装配过程中的轴向位置偏移﹤0.1 mm；2）增加定扭数显扳手，规范叶轮螺母、拉带及拉杆的锁付扭力值，提高装配过程一致性。

4.4 测试对比

经尺寸量测及扫描分析，确认常规叶轮与刃口叶轮除叶片压扁刃口化外，其余零部件尺寸均在合格范围内且误差小，可进行单因素变量测试对比分析，性能测试对比数据如表4所示。

试验结果验证确认了刃口化叶片对水泵的水力性能有良好的提升作用，满足同等条件下刃口叶轮的泵效率预计提升1%~3%的模拟。

4.5 测试误差分析

能量性能试验和汽蚀性能试验是水泵性能测试中最基本也最重要的两个试验。能量性能试验是为了确定泵的扬程、轴功率、效率与流量之间的关系；汽蚀性能试验主要是为了确定泵的汽蚀余量。测试台因温度、水质及电缆损耗等一些原因，可能存在测试误差，为了能更好地确认测试台测试数据的准确性，通过对比公司内部量产成熟产品的复测数据进行分析。经过验证，测试台测试结果的误差基本可以忽略不计，符合国标GB/T 3216—2016 中的1 级精度要求。

5 结语

近年来，碳达标、碳中和、碳达峰等一些节能减排术语时常出现，汽车行业已经率先开始了碳配额[10]，为了应对日后更加严苛的排放要求，提高泵本身的效率及泵的使用效率已经刻不容缓。通过本次多级离心泵叶轮叶片刃口设计验证及应用，提高了多级离心水泵的运行效率。本次测试结果表明，对比同批次的普通叶轮性能测试，刃口叶轮泵效率提升1.53%，如果将全国总发电量的20%记为泵的耗电量，泵效率每提高1%，就相当于每年多建一座装机容量为60 万kW 的发电厂。本次研究在设计阶段运用新技术缩短开发周期，并且在工业化阶段利用新工艺方法解决了冲压、焊接问题，确认了叶轮叶片刃口化的量产可行性。作为泵设计制造从业人员，应本着大胆假设小心求证的精神，不放过任一微小的效率损失，努力提升国内水泵在国际市场的竞争力。