离心/混流泵水力设计

天洑软件

离心/混流泵是水泵的常见形式，广泛应用于工业、农业等各个领域。本文以一个离心式水泵为例，简要介绍相关过流部件的水力设计过程。

叶轮是泵的最核心过流部件，泵的流量、扬程、效率、抗汽蚀性能和特性曲线的形状与叶轮的水力设计密切相关，叶轮设计需要经过三方面的主要步骤。

主要参数和结构方案确定

首先根据设计要求，如流量、扬程、转速、汽蚀余量等参数，对泵的主要参数和结构方案进行确定。

泵进口直径Ds指的是泵吸入法兰处管的直径。泵出口直径Dd是泵排出法兰处管的内径。按照经验公式进行计算。

其中，

转速的确定需要考虑几个因素：

       •转速越高，体积越小、重量越轻 à高转速

• 转速和比转速有关，比转速和效率有关 à转速和比转速协同确定

• 转速考虑原动机的类型和传动装置 à同步转速3000、1500、1000、750、600、500（rpm），滑差

• 转速提高，过流部件的磨损加块，机组的振动、噪声变大 à转速有上限

• 转速提高，更容易发生空化 à转速有上限

之后根据公式计算比转速：

比转速应当兼顾一下几个因素：

• 120~210之间效率高，小于60，效率显著下降

• 单吸式、双吸式相互转换，调整ns

•特性曲线形状与ns大小有关

• 多级泵的比转速按照单级叶轮计算

至此，泵进出口直径、转速、比转速等参数就已经确定了。结构形式是单级/多级、单吸/双吸也已经确定了。

值得注意的是，各个参数之间具有一定的关联性，也会受到实际因素，如尺寸标准化、同步异步转速等的制约。因此，主要参数和结构方案的确定过程有可能是一个反复尝试的过程。

最终确定后，可参照同类产品或经验公式近似估算效率、轴功率等参数，具体计算此处不再赘述。

叶轮主要尺寸初步计算

叶轮的尺寸较多，按照位置，大致上可以分为进口尺寸和出口尺寸两类。其中叶轮进口尺寸影响汽蚀性能；出口尺寸影响扬程、流量；进出口尺寸共同影响效率。

初始设计时，最小轴径（通常是联轴器处的轴径），按扭矩确定。考虑影响刚度和临界转速的因素，适当放大，对接到标准直径。叶轮设计完成后，须进行详细校核（强度、刚度、临界转速）。

叶轮进口直径Dj的计算方法如下：

其中Q为流量，双吸泵取Q/2；K0根据统计资料选取，主要考虑效率3.5~4.0，主要考虑汽蚀4.5~5.5，两者兼顾4.0~4.5。

叶轮出口直径D2：

KD2为修正系数，根据统计资料选取。

叶轮出口宽度b2：

Kb2为修正系数，根据统计资料选取。

一般根据统计资料，在18~40°之间选择，当然对于特殊要求，也可以在推荐范围之外。

叶片数Z：

精算叶轮外径

系数来源于大量的工程实例，在一般情况下是比较可靠的，但还需要按照理论方法进行校核。一般采用选定叶片出口角β2后精算出口直径D2的方式。

理论扬程：

修正系数：

有限叶片数修正系数：

无穷叶片数理论扬程：

叶片出口排挤系数：

出口轴面速度：

出口圆周速度：

出口直径：

上述计算过程中，要先采用假设的D2值才能够进行D2的理论计算，因此当D2（理论）与D2（假设）的数值有差异时，应当进行第二次精算。

绘制轴面投影图

确定叶轮的主要尺寸后，可开始绘制叶轮轴面投影图。其形状十分关键，可参照比转速相近、性能较优的叶轮图作为参考。完成后需要检查流道过水断面的变化情况。

叶片设计

设计叶片主要目的在于求出符合流动规律的叶片形状，本质就是求出流体相对运动流线。

叶片设计的主要步骤如下：

1）绘制轴面流线

2）在各个流面上绘制空间流线，包括方格网保角变换法、扭曲三角形法、逐点计算法等。

3）叶片加厚

完成后，还应当按照一定的标准对叶片绘型的质量进行检查。

小结

叶轮的设计过程主要分为三个大步骤和若干小步骤，参数较多，步骤繁琐，在涉及到相互关联的参数计算时，往往需要重复多次进行试算。而当设计方案需要进行更改时，更牵涉到大量的重复性工作，导致人力成本、时间成本增加。因此泵的CAD技术越来越受到工业界的重视。

目前，已经有多款泵设计软件问世，比如CFturbo、PCAD、AIPump等。CFturbo具有从轴流泵到离心泵机组的整机设计能力，能够同步建立三维模型，具有主流CAD、CAE软件的接口。

PCAD由著名水泵设计专家关醒凡老师开发，使用方便易上手，能够输出AutoCAD格式的木模图，能够为加工提供图纸，但对CAE软件的支持稍显不足。

AIPump是由南京天洑软件公司与清华大学水力机械研究所共同研发。除了具有完备的水泵设计功能外，还特别开发了两大特色功能。

第一个功能是针对已有叶轮的逆向功能，可以将用户现有的叶轮资料逆向导入软件，并进行几何的修改调整。或是将现有的叶轮逆向成为数字化资料，方便设计档案的管理和调用。

第二个功能是基于S2流面开发的性能预估和优化功能。能够快速地分析并提供水泵的性能曲线，方便设计人员对初步设计的结果进行反馈调整。

同时，结合优秀的人工智能寻优算法——遗传算法，AIPump开发了叶轮优化功能。以提升效率为目标进行寻优计算，智能实现叶轮的优化设计，达到更高的水力效率。

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