泵的设计和理论

同学们辛苦了！！！！第一小组成员奉上泵的设计理论和方法第一部分泵的影响因素、设计理论和要求泵设计中主要影响因素在叶片式流体机械中，叶轮性能的好坏，直接影响到机组的性能的好坏。

1如泵水力性能（效率，过流能力，水头，扬程等）空蚀性能工作稳定性以及它们对变工况的适应能力等，在很大程度上都取决于叶轮性能的好坏。

2更重要的是叶轮是叶片式流体机械中直接进行能量转换的部件，是叶片式流体机械的“心脏”，是叶片式流体机械最关键的部件。

因此，叶轮性能的好坏，对整个机组有着及其重要的意义，所以，我们只介绍叶轮的设计方法和理论•既然叶轮这么重要•我们要怎么设计叶轮呢？叶轮设计理论和要求•1在一定的使用水头或扬程下，叶轮应具有尽可能高的比转速，特别较大的过流能力•2所设计出的转轮应具有较高的最大水力、效率和平均效率•3叶轮应具有良好的空蚀性能和工作稳定性以及对工况的适应能力•4叶轮过流流道应具有较好的几何形状、合理的结构以及良好的工艺性比转速的提高比转速的定义：几何相似的水轮机，当工作水头为1m ，输出功率为1kW 时的转速•比转速提高的意义:在一定使用水头（扬程）下，使机组尺寸缩小。

或对相同叶轮直径的泵，将获得更大的功率和更高的转速公式•则要提高比转速，要提高单位转速和单位流量η111113.3Q n n s =11n 11Q泵的单位转速可以改写成其中为泵的圆周速度系数;C 为常数“可见要提高泵的单位转速，就要提高它的圆周速度系数”HnD n 111=uu u cK K g HgH K H uH D n =====26026060260111ππππωgc 260π=u K u K提高圆周速度系数合理叶片绘形选择叶片安装角，进口边位置和叶片数改变转轮的结构以便减少阻力泵的单位流量可以化成为直径为1m 是的叶轮过流断面面积；为通过叶轮过流断面面积是水流的速度系数；常数；HD Q Q 2111=11122212121F K C g K D FHD gH FK H D FV Q v v v '====211D FF =gC 2='C '2D 1F由公式可知，要使叶轮具有较大的过流能力，提高其单位流量，可通过增大叶轮过流断面面积和流速系数来实现。

单位流量的大小，主要取决于叶轮出口处的条件试验研究和实践经验表明，只要选择合理的流道形状，提高叶轮流道过流断面面积的潜力是很大的•更平的上冠曲线•适当减少叶片数•增大导水机构及叶轮叶片的高度•对中高比速的混流式泵叶轮采用较大的下环锥角增大（工艺上有时也有切割叶片出口边来实现加大）1F vK 11Q 2D 2D•说了这么多，我们应该有•个大概轮廓，知道怎么去•提高比转速！！！综合上述各种措施，提高泵的比转速的途径有：•⑴合理的选择叶轮的叶片数和过流流道，尽可能增大过流断面面积，提高叶轮的过流能力，使具有较大可通过的单位流量•⑵采用合理的叶片绘形方法，使设计出的叶片光滑，尽量符合叶轮中水流实际运动的情况，减小阻力，增大流速系数，从而提高单位转速和单位流量。

而且，减小水力阻力，既可以提高泵的效率，又有助于比转速的提高提高水力效率和平均效率通过泵的水流作用在叶轮上的有效水头为：由公式可知：获得保持环量的变化产生能量损失πωη2212211Γ-Γ=-==g g V u V u H H u u s e e H eH 由于能量损失和摩擦有关增加过流断面面积和减小摩擦面积减小摩擦面积和改善转轮的空蚀性能有矛盾改善叶轮空蚀性能和稳定性和对变工况的适应能力改善空蚀性能和提高运行稳定性对延长机组寿命，保证运行安全和降低电站成本等具有重要的实际意义空蚀性能稳定性重要要使叶轮具有较好的空蚀性能，就应在设计中采取前面分析中总结出的措施工作的稳定性是泵的另一项重要指标水力方面电气方面机械方面叶轮形状结构和工艺性发展与展望：•随着科学技术的发展和计算能力的提高，自20世纪90年代以来，人们研究出了混流式X形（即所谓的现代型）的叶轮叶片。

这种叶片的混流式叶轮，不仅能量性能优秀，而且空蚀性能和运行稳定性也较为优良。

所以，在大中型混流式机组中正在取代传统的叶片形状，已经成为当今国内外水电市场上主导型的叶片形状。

遗憾！•但遗憾的是这种叶片在运行中存在着产生裂纹的隐患，严重地威胁着机组的正常、安全运行。

这说明X形状叶片的设计思路和设计方法还存在不足，有必要更新设计理念，进一步完善其设计方法。

国内外专家在这方面有着广泛的研究。

所以这方面有大好的前途第二部分泵的设计任务和方法介绍叶轮设计任务和方法•叶轮设计的关键：•1正确的选择设计参数（n，Q）和合理的确定叶轮流道的几何形状。

即①流道轴面投影的几何形状和尺寸②叶片数③叶片进出口边的位置④沿流道过流断面面积变化规律•2从液流在叶轮中的实际运动情况出发，合理的进行叶片绘形叶轮设计任务•⑴叶片的绘形①确定运动规律（即流速场）②确定计算流面（个数和位置）③在各计算流面上求无厚度叶片形状（即叶片骨线）④确定叶片厚度（刚度和硬度）⑤检查流速变化均匀性和翼型表面压力分布（评定水力性能和空蚀性能）⑥画出叶片木模图，检查表面光滑性和叶片间开口值（保证叶轮能准确的制造出来）•⑵泵的前后盖板的设计：按刚度和强度进行设计混流式和离心式泵的设计方法轴流式混流式或离心式叶轮及其叶片的设计方法由于叶片中液流质点的相对运动时空间运动，故速度由三个坐标来确定。

为方便和使问题简化，三个坐标轴我们可以这样选择：⑴以轴面流线作为一个坐标轴⑵以轴面液流过流断面和轴面的交线m 作为一个坐标轴⑶以圆周方向作为一个坐标轴m l r常见的设计方法一元理论二元理论三元理论统计设计法一元理论我们认为速度只随坐标轴上的位置而改变，而在和上是均匀分布的，即速度不随及而改变，根据这种对叶轮中水流运动规律的认识为出发点的设计理论称为一元理论m l m m θr θr一元理论的设计思路和特点思路：在假设叶轮叶片数无穷多，液（气）流的运动是轴对称的，轴面速度沿过流断面又是均匀分布的基础上进行叶片设计的方法特点：只保证叶轮叶片进出口角度，而在叶片中间部分的形状任意性很大，理论上不够严格，但其计算简单，被采用的历史较长，积累的丰富的经验认为水流质点的运动速度是在及两个坐标轴的位置来决定的，而与无关（即在圆周上是分布均匀的），则称为二元理论r 二元理论m m l二元理论思路方法与特点0=u ω思路：同样假设叶片数无数多，液（气）流动时轴对称的，但却认为叶轮流道中的轴面速度沿过流断面是按某种规律，但是不均匀分布，其中一种认为是按的有势流动规律分布的，而另一种却是认为是按的非有势流动规律分布的0≠u ω特点：这种方法设计中高比转速的叶轮时，在理论上较一元理论严格，设计出来的叶轮实际效果也较好，因而得到了广泛的应用三元理论认为水流质点的运动速度是由在三个坐标方向上的位置来决定的，则称为三元设计理论三元理论设计思路和特点思路：从有限叶片数叶轮中的实际水流运动情况出发，因而它考虑到水流不是轴对称的，不同轴面上的运动情况是各不相同的，在同一轴面上速度分布也是不均匀。

因而要用三个坐标来决定特点：可对转轮内部的流动进行解析或者数值计算，因而，可计算出不同工况下叶片上的速度和压力分布，能对叶片性能进行预估。

更重要的是，根据速度和压力分布控制能量损失和空蚀性能，但计算复杂，工作量大，经验不多，随着计算机的广泛运用，已经称为流行的设计方法统计设计法除了上述介绍的以理论分析计算为基础的设计方法外，还有一些以性能优良的已有的叶轮模型为基础的设计方法，即统计法（类比法或数字设计法）思路：根据对已有的性能优良的叶轮，统计分析出其叶片几何参数和形状与使用水头和工作性能之间的关系，设计出符合要求的新叶轮。

过程：分析修改对比、分析再修改、完善试验达到设计要求轴流式叶轮及其叶片的水力设计方法 为了方便的研究在轴流式泵中流体的运动，我们取柱坐标系，即、、来进行分析z r 由于直接求解流体运动基本方程以获得三位解析解就现在而言是不可能的，即使是求比较准确的近似解也是很困难的，所以我们进行设计时要一些假设，将复杂的三维流动转化成而为流动来求解坐标系的选取假设设计方法我们知道，轴流式叶轮可以转换为叶栅，所以我们设计轴流式叶片就可以变成设计叶轮叶栅升力法思路：依据流体力学的儒可夫斯基升力定理，利用单个翼型的动力特性来进行叶片设计，不同的翼型组成的叶栅，其动力特性各不相同。

若叶栅几何尺寸及动力特性已知，利用升力定理就可以求出作用于叶栅中翼型上的升力和阻力，反之，已知叶栅的动力特性及其流动状态就可以计算翼型的几何尺寸及其安装角优缺点:该设计是以试验为基础的半经验半理论的设计方法，但计算比较简单，工作量小保角变换法保角变换法的基本思想：通过一个解析变换函数，把位于物理平面z 上的比较复杂的物面边界变换到辅助平面上的简单边界并通过该变换函数的建立起两平面上的对应关系，而对应的辅助平面的复势函数乃是一个解析函数，且其解事已知的，利用映射等法等一些简单的方法就可以很容易求解所以：保角变换法的关键就是寻找一个解析变换函数，就可以把复杂的实际物面形状变换成辅助计算平面上的简单、规则的物面形状。

ξ)(ξf z =ξ)(z W )(ξf z =优缺点：①可以的到准确的解析解②但对于太复杂边界要确定其变换函数是很困难的，要解任意剖面的叶栅绕流问题就更为困难了奇点分布法思路:用集中或连续分布的涡、源、汇等奇点系来代替翼型的作用，并用这些奇点所产生的诱导流场与未扰动的来流流场叠加后形成的复合流场与叶轮中叶片对水流作用所形成的速度完全相同，而且应满足所给定的边界条件和翼型边界必为封闭流线优缺点:①摆脱了依靠半经验半理论解决问题的方法，只要适当的选择和布置奇点就可以解任何剖面翼型的绕流问题②计算复杂工作量大特别是解有限厚的绕流问题时计算量更大第三部分总结我们在上面讲解的离心式混流式轴流式的设计理论和设计方法，相信同学们有了一个初步的了解。

如果还有任何疑问同学们可以找些资料进行下一步的学习谢谢大家观赏啊！课程讲完了怎么办？希望热动081努力学习，快乐生活，天天向上!奋斗！谢谢大家支持！。