单级潜水泵实验研究中的优化方法与增材制造

《Energies》：Optimization Methodology and Additive Manufacturing in Experimental Investigations of Single-Stage Submersible Pumps

　　

单级潜水泵在工业中有广泛应用。在这类泵中，用于以泵送液体有效冷却电机的特殊壳体导致效率降低。这一因素对泵单元的质量和尺寸参数产生负面影响。通过叶轮和壳体的优化可以显著提高效率。当用于泵时，具有复杂几何形状的此类零件可以通过使用不同技术和材料的增材制造（AM）方法以低成本、短时间小批量生产。因此，本研究的目标是设计一种数值优化方法以提高泵单元效率，并比较在原始和优化流道中，使用非金属和金属材料通过增材制造（AM）制造的叶轮和导叶的实验特性。本文研究了导叶对壳体内流动结构的影响。第一个优化阶段包括研究输入参数与目标函数之间的相关性。揭示了泵水力效率影响最大的参数。第二个优化阶段包括使用拉丁超立方抽样（LHS）方法研究计算点数量对目标函数的影响。确定了泵水力效率的全局最大值。第三个优化阶段包括研究寻找目标函数局部最大值的直接方法。揭示了泵水力效率最高的最佳计算点。提供了关于用于叶轮和导叶增材制造（AM）的粘结剂喷射（BJ）和熔融沉积成型（FDM）技术的3D打印建议。这些研究结果表明，壳体内速度和流动旋流的降低使泵单元在额定流量下的实验效率提高了5%。计算流体动力学（CFD）特性与实验数据一致。实验特性也显示出良好的相关性。

**单级潜水泵实验研究中的优化方法与增材制造：论文解读**

**研究背景与问题**

单级潜水泵在船舶、油气、化工、采矿等工业领域广泛应用。此类泵单元通常采用泵与电机一体式结构，其特殊壳体设计用于引导泵送液体环绕电机外表面以有效冷却电机，这一优势使其成为主流结构。然而，这种复杂几何形状的壳体（包含导叶、环形通道、转弯段和出口喷嘴）导致泵单元效率显著降低，并对其质量和尺寸参数产生负面影响。现有研究多集中于多级潜水泵的优化，而对单级潜水泵系统优化方法的研究尚不充分，缺乏全面的改进建议。此外，实验研究中常需小批量生产具有复杂形状的叶轮和壳体原型，传统减材制造方法成本高、周期长，增材制造（AM）技术为此提供了经济高效的替代方案，但针对不同材料（金属与非金属）和工艺（如粘结剂喷射BJ、熔融沉积成型FDM）在泵部件制造中的应用效果仍需系统验证。因此，本研究旨在开发一种数值优化方法以提高单级潜水泵单元效率，并通过实验比较不同AM方法制造的叶轮和导叶对泵特性的影响。该论文发表在《Energies》。

**主要技术方法**

研究人员采用计算流体动力学（CFD）方法进行数值模拟，使用ANSYS CFX 17.2求解器，选用k-epsilon湍流模型（可伸缩壁面函数）。优化通过三个顺序阶段进行：第一阶段采用Spearman秩相关分析输入参数与目标函数（泵水力效率）的相关性；第二阶段使用拉丁超立方抽样（LHS）方法进行全局最大值搜索；第三阶段应用直接数值优化方法（多目标遗传算法MOGA、自适应模拟退火ASO、序列二次规划NLPQL）进行局部搜索。实验研究使用开放式液压回路测试台，测量流量、功率、压力等参数，计算泵单元效率（相对极限误差2.1%）。叶轮和导叶通过两种AM方法制造：版本1使用粘结剂喷射（BJ）技术打印聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）消失模进行黄铜铸造（叶轮）和机械加工（PA6导叶）；版本2使用熔融沉积成型（FDM）技术直接从聚乳酸（PLA）材料打印。所有部件表面粗糙度符合制造公差（3.2–12.5 μm）。

**研究结果**

**3.1 数值研究结果**

通过流道设计及三个优化阶段，泵在额定流量下的水力效率逐步提升：原始流道为79.31%，设计流道为80.17%（+0.86%），参数相关性阶段（第一优化阶段）为81.63%（+2.32%），全局搜索阶段（第二优化阶段，LHS方法50点）为84.55%（+5.24%），局部搜索阶段（第三优化阶段，MOGA方法）达到最高84.94%（+5.63%）。总水力损失降低5.5%，其中壳体损失降低4.2%，叶轮损失降低1.3%。优化流道中导叶的叶片入口角（β₃）为18.17°，出口角（β₄）为100.43°，显著降低了环形通道、转弯段和出口喷嘴中的流速和旋流，从而减少损失。考虑所有损失后，原始和优化流道对应的泵单元效率数值分别为61.3%和66.8%。

**3.2 实验研究结果**

实验测试显示，优化流道在额定流量下的泵单元效率为65.5%，比原始流道高5%。CFD与实验效率差异小于1.5%（测量误差2.1%）。两种制造版本（黄铜叶轮+PA6导叶 vs. PLA打印件）的泵单元效率差异小于1%，低于测量误差，且PLA材料在测试中未出现缺陷。采用所提供的3D打印建议（如BJ技术打印PMMA消失模用于金属铸造，FDM技术打印PLA部件），显著降低了原型制造的时间和成本。实验还显示最大功率消耗从12.0 kW降至10.8 kW，这允许使用更低额定功率、更小质量和尺寸的电机，从而改善泵单元的质量和尺寸参数。

**总结与讨论**

研究结论部分翻译如下：
经过为改善单级潜水泵特性而进行的数值和实验研究，得出以下结论：
- 泵单元中最高水力损失集中在壳体，且很大程度上取决于导叶几何形状。建议设计出口角大于90°的导叶以减少壳体损失。
- 输入参数与泵水力效率的相关性表明，14个参数中有12个具有重要或中等意义，影响最大的参数是β₃和β₄（相关系数分别为0.713和0.401）。在第二和第三优化阶段无需改变导叶叶片尾缘厚度（T）和叶轮轮毂圆角半径（R_h）。
- 在确定目标函数全局最大值时，LHS方法中计算点数从25增至50使泵水力效率提高约2%，而50点增至200点无进一步影响，因此50点足够。该表计算得到泵最高水力效率为84.55%。
- 局部搜索中，MOGA和ASO方法对目标函数增量效果最佳，MOGA方法获得最高增量0.39%，且比ASO方法快两倍，最终泵水力效率达84.94%。
- 泵水力效率的提高通过12个输入参数在叶轮和壳体中的最优组合实现。优化流道中，导叶角度β₃=18.17°、β₄=100.43°降低了流速并产生极小旋流，使壳体损失减少4.2%，总损失减少5.5%。
- 对于小批量金属叶轮，采用BJ技术3D打印PMMA消失模进行铸造，相比传统压铸模显著降低了制造成本和时间。对于热塑性部件，使用FDM技术打印PLA材料的叶轮和导叶经济可行。这些AM方法及其提供的3D打印建议在潜水泵单元原型实验研究中高效可行。
- 测试结果表明，优化流道在额定流量下泵单元实验效率为65.5%，比原始流道高5%。CFD与实验效率差异小于1.5%，两种制造版本差异小于1%。最大功率消耗从12.0 kW降至10.8 kW，可使用更低功率、更小尺寸的电机，显著改善泵单元的质量和尺寸参数。