基于响应面法的CO₂单级离心泵参数优化研究

摘要

跨临界二氧化碳（CO₂）动力循环是一种高效紧凑的新型发电技术，通过泵将液相CO₂加压泵送到高压密相．CO₂单级离心泵是高效紧凑的跨临界CO₂循环泵方案，其泵效率与几何设计参数息息相关，且在增压过程中，CO₂的物性变化剧烈，导致泵内部流场较为复杂，容易产生流动分离、涡流损失、甚至汽蚀．子午面形状是设计离心泵叶轮的重要因素，能够显著影响其水力性能．为了优化CO₂单级离心泵，本文建立了CO₂单级离心泵的全流道仿真模型，并将CO₂真实气体物性（RGP）表嵌入CFX求解器，以考虑真实气体物性对泵内流场的影响．选取了4个重要参数（轮毂直径、叶轮吸入直径、叶轮出口宽度和叶轮直径）来描述子午面形状，基于Box-Behnken方法设计了四因素三水平实验，建立了泵的扬程和效率随四因素变化的响应面，并结合泵内流场对响应面进行分析．结果表明：吸入直径、出口宽度和叶轮直径对扬程有显著的影响，吸入直径和叶轮直径对效率有显著的影响；响应面法针对扬程和效率的预测误差均在合理范围内，与原始模型相比，通过响应面法优化后，该泵在满足扬程要求的前提下，泵效率提高了7.2%，轴功率减少了36 kW，水力性能方面表现出显著的提升．

关键词

二氧化碳离心泵 / 响应面优化 / CFD仿真 / 几何设计参数