【精品完整版】关于水泵的数字模型对叶轮结构进行优化设计
水泵工作性能的数值模拟与改进
水泵工作性能的数值模拟与改进水泵是一种广泛应用于工农业生产、建筑、矿山等各个领域的重要设备。
通过将驱动力转化为液体的压力能，水泵能够将水或其他液体从低位抽升到高位，为生产和生活提供了重要的保障。
水泵的工作性能直接影响着设备的效率和可靠性，在我们的日常工作和生活中有着重要的意义。
为了优化水泵的工作性能，提高其效率和经济性，数值模拟与改进成为了必不可少的工作内容。
1. 水泵工作性能的数值模拟数值模拟是一种通过计算机仿真的方法，可以模拟实际的物理过程，并通过对各参数的调整和分析，优化设备工作效率。
对于水泵而言，数值模拟可以通过计算流体力学进行。
计算流体力学是一种数学方法，通过对流体运动方程进行数值求解，获得流体内各点的速度、压力等参数，从而模拟出流体在泵内的运动情况。
在水泵工作性能的数值模拟中，首先需要建立合适的数学模型。
模型一般包括泵的几何结构、流体介质的物理性质和运动方程。
泵的几何结构包括叶轮、流路和边界条件等，流体介质的物理性质包括密度、黏度等。
运动方程则根据质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本原理进行建立。
通过对这些参数的合理设定和模拟，可以获得泵的各项性能指标，如效率、扬程、流量等。
2. 水泵工作性能的改进水泵工作性能的改进是一个复杂的工作，需要综合考虑多个因素。
其中包括泵的结构设计、材料选择、液体介质的选择和优化、运行参数的调整等。
首先，泵的结构设计是影响其性能的重要因素。
合理的叶轮和流路设计能够减小流体的阻力，提高泵的效率。
通过数值模拟分析，可以对泵的叶轮和流路进行优化，提高其流体的进出口效率。
其次，材料选择也对泵的性能有着重要的影响。
不同的液体介质对材料有不同的要求，例如对酸碱性液体、高温液体等有着特殊的材料要求。
合适的材料选择能够减小泵的磨损和腐蚀，延长设备的使用寿命。
另外，优化液体介质的选择也是改善泵性能的关键。
不同的液体介质对泵的工作参数有不同的影响，如黏度、密度等。
通过对液体介质的选择和优化，可以减小泵的能耗，提高泵的效率。
混流泵叶轮流动性能数值模拟和叶型优化设计
ｖ ｒｅ ｅ ｎ ｌ ｆｏ ｓ ｐ ｒ ｔ ｎ ａ ｅ ｒ ｍｏ ｅ ｎ ｈ ａ ｓ ｇ ｏ ｅ ｎ ｅ ｓｔ ｎ ｎ ｕ ｎ ｉ ｇ ｒ ｎ ｅ ｏ ｘ ｓ ａ ｄ ｗａｌｌ ｗ ｅ ａ ａ ｉ ｓ ｃ ｎ ｂ ｅ ｖ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｓａ ｅ ｖ ｒ ｘ ｉ ｔｎ ｉｙ ａ ｄ ｉｆ ｅ ｃｎ ａ ｇ ｔ ｏ ｔ ｌ
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／ 排灌机械工程学报
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＿． Ｎ ＿ Ｉ１ 第 ＿ ２ ４Ｉ 、 ｏ－ 卷 ．■ ８ ４
弯曲度 可以有 效控 制叶 片进 １处 的马蹄 涡 ， 除近壁 面流 动分 离和 漩涡 ， 小流动 中的通 道 涡强 ７ ： 消 减 度和 影响 范 围 ， 改进后 叶轮 流道 内存在 的 涡 团和 流动 脱 离现 象基本 消失 ， 叶轮 水 力效率相 对提 高
４７ ％ ， ．４ 单位 功耗 的扬 程 增加 １ ．％ ． ５ 叶轮 性能 参数 的计 算数 据 与试 验数 据 吻合 较 好 ， １ 验证 了所 采 用的计 算方 法及模 型 的 准确性 和 可靠性 ．
关键 词 ：混 流泵 ；叶轮 ；数值模 拟 ；叶型优 化 ； 能 性
水泵水轮机流场数值模拟与优化设计
水泵水轮机流场数值模拟与优化设计随着工业化程度的不断提高，水泵水轮机作为传统的工业机械，发挥的作用不断增强。
与此同时，水泵水轮机的流场分析也成为了重要的技术，其数值模拟与优化设计已成为水泵水轮机领域的研究重点。
本文将探讨水泵水轮机流场数值模拟与优化设计的相关内容。
一、水泵水轮机的工作原理首先，我们先来了解一下水泵水轮机的工作原理。
水泵水轮机是利用水能转换为机械能的机械装置，其主要由水泵和水轮机组成。
水泵作为水力机械的一种，主要用于输送液体，如水或其他不含固体颗粒的液体。
水轮机则是将水能转变成另外一种能量形式，如电能或机械能。
二、水泵水轮机的流场数值模拟了解了水泵水轮机的基本原理后，我们可以开始讨论其流场数值模拟的问题。
水泵水轮机的性能与其流场密切相关，因此，如何准确地模拟其流场就成为了重要的问题。
对于水泵水轮机的流场数值模拟，常用的方法有数值模拟和实验模拟两种。
其中，数值模拟由于其方便和准确性高而备受关注。
在数值模拟的过程中，需要将水泵水轮机整体分成许多小的单元格，然后在每个单元格中建立数学方程来描述其流动和压力变化。
最后，这些单元格将组成整个模型，并通过计算机程序来求解，以获取整个水泵水轮机的流场特性。
三、水泵水轮机的优化设计除了流场数值模拟外，水泵水轮机的优化设计也是一项重要的研究工作。
通常情况下，水泵水轮机的设计过程主要基于试错法，并通过调整设计参数来获得最佳的设计方案。
然而，这样无疑会浪费大量时间和成本，因此，如何通过数值模拟来优化设计是现代水泵水轮机研究的重要方法之一。
在优化设计中，需要考虑很多因素，如流量、压力、效率等。
一般情况下，设计者需要根据一些特定的要求来制定设计方案，例如提高效率、降低泵的噪音、增加水头等。
在此基础上，再借助数值模拟来确定最佳的设计方案，并不断优化其特性。
四、总结水泵水轮机的流场数值模拟与优化设计是现代水泵水轮机研究的重要内容。
通过数值模拟和优化，可以准确地预测水泵水轮机的流场特性，并为其设计提供指导和优化方案。
水泵叶轮结构动态特性改进设计
水泵叶轮结构动态特性改进设计摘要：叶轮是潜水搅拌器的主要零部件结构，其本身的动态化特性现状影响着整个潜水搅拌器主体的工作质量。
为深化工作效能，提升工作质量，本文综合实验动态模拟分析方式以及有限元理论计算方式和对叶轮的动态特性研究分析模式，对二者的数据信息进行分析，在明确二者关联性的基础上，提出了基于动态特性的叶轮结构优化转型方式。
关键词：叶轮动态特性；实验模态分析；结构改进设计引言：随着社会发展以及群众生活质量的提升，我国对于环境保护提出了严格的规范标准。
在水利机械设计规划的基础上，除却对于水力发电机、大型泵站、重量级海运驱动装置之外，其他的工程所使用的叶轮设计模式相对较少，其中也涵盖了动态特性的全面设计。
小型的叶轮机设计主要是在水力学的模型基础上，通过强度、刚度的校准分析机制，以较多的余量为基础，导致了效率的降低和损耗。
为此我们提出了叶轮动态特性的分析模式，探究了叶轮结构设计的方式方法，为后期的小型水泵叶轮的有限元模拟设计分析提供基础的理论依据。
一、实验模态分析首先需要对已有的叶轮样机进行了试验模态结构的测量分析，分析了其本身结构形式的同台特点，为后期的进一步优化转型提供了理论数据支撑。
在此背景下次叶轮结构的直径相对明确，由三个叶片进行工作支撑，工作的转速始终趋于稳定的模式结构下。
此次试验操作主要是以单点逐点的激励单点测量分析，实验操作的基础上，叶轮主要是使用一根软绳进行中间位置的悬挂，以此模拟自由的工作条件。
试验激励的过程中主要是通过一个瞬态的激励作用，影响叶轮的转动，加速传感器在经过电荷放大器的传输之后，将信号输出传递到信号分析仪设备之中，分析的主要软件使用的现代云端计算处理装置。
对于叶轮实施侧点的划分处理的基础上，需要注意到的是叶片部分的实际刚度要比叶轮位置上的刚度更小，为此对于叶片的测试点的分布比例要比叶轮的底座更加的精细密集。
在此次的测试分析操作的过程中，主要测试了96个点位结构，其中叶轮片结构上侧点共计78个，叶轮座位置上的测算点一共18个，呈现出中心对称分布的情况。
基于cfd的汽车发动机水泵叶轮优化设计
基于cfd的汽车发动机水泵叶轮优化设计
1 汽车发动机水泵叶轮优化设计
汽车发动机水泵是汽车发动机的重要部件，它的设计会直接影响
到汽车的性能、可靠性和使用寿命。
因此，加强对汽车发动机水泵叶
轮的优化设计，是汽车发动机性能改进和提升的关键。
目前，采用计算流体动力学（CFD）技术来优化汽车发动机水泵叶轮，是一种高效的方法。
CFD技术可以用来模拟外部流动场和模拟叶轮内部流动场，并通过计算来获得流动场中叶栅形式、管道形式和软管
弯曲处形式等特性。
根据CFD技术模拟的结果，可以对汽车发动机水泵叶轮进行全面
系统优化，从而达到最大化流动效率，使性能最优化。
此外，CFD模拟还可以提供流量分布和气动压力的分析，实现叶轮的结构加工和优化，最终达到节省能源的目的。
最后，通过计算流体动力学（CFD）模拟技术，可以有效优化汽车
发动机水泵叶轮性能，达到最优化效果。
完善流体动力学技术，促进
汽车发动机叶轮设计优化，将为汽车发动机的发展提供支持。
轴流泵叶轮水力模型设计参数
1 轴流泵叶轮水力模型设计参数叶轮直径D=300mm ； 转速n=1450r/min ；流量Q=380L/s ； 扬程H=6.0m ； 空化余量NPSHre<7.0m2 叶轮设计流程第一、确定转速n 和比转速n s 第二、估算泵的效率第三、确定叶轮主要结构参数（1）确定叶轮的轮毂比h d ；（2）叶片数Z ；（3）外径D 。
第四、叶片的设计（流线法、升力法、……） 第五、叶片的绘型3 叶轮基本参数的选择3.1 比转速的确定已知转速n 后，就可根据公式计算出比转速来。
轴流泵的比转速ns 一般为500-1200，但根据需要，可以超出此范围，有些资料介绍ns 的范围为400-2000.851≈851.02=65.343HQn n s =3.2 叶轮外径D 和轮毂直径d h 的确定叶轮直径D 和轮毂直径d h 应根据轴面速度Vm 的大小来确定。
轴面速度Vm 的可按下面式计算：式中 Q——设计流量n——转速Vm——液体进入转轮以前的轴面速度轮毂比D d h 与比转速s n 有关，其值根据表1或图 1选取:表1 轮毂比D d h 与比转速s n 的关系sm Q n m V /495.6380.0145007.0307.0322=⨯⨯==图 1 轮毂比D hd 与比转速sn 的关系曲线从图及表中可看出，轮毂比D d h 随比转速s n 的减小而增大，这是因为：为了减小叶片在液流中的迎面阻力，必须使叶片后面不产生漩涡层，必须要使每一计算截面上围绕翼型流动的速度环量Γ1相等。
所以根据以上叙述，选择轮毂比为3.3 叶片数Z 的选择轴流泵叶轮的叶片数Z 与比转速s n 有关，其统计数据列于表2表2 叶片数Z 与比转速s n 的关系根据上表选择叶片数Z=44 叶片各截面的叶栅计算（流线法）如果用半径为r 和（r+dr ）的两个同心圆柱面去切割轴流泵的叶轮，则得到一个包括翼型在内的液体圆环，如图2所示，如将这个圆环剖开并展开于平面上，则得到一个无限直列叶栅，如图3所示。
多学科设计优化方法在水泵叶片优化中的应用
多学科设计优化方法在水泵叶片优化中的应用摘要：利用Isight优化平台对水泵叶片中水力性能与结构两个学科进行协同优化，证实多学科设计优化方法在水泵叶片设计中的高效可行性。
关键词：多学科设计优化，水泵叶片，协同优化0前言随着计算流体力学（CFD）和计算结构力学(ANSYS)等技术的飞速发展，分别在水力性能、结构力学等学科范围内对叶轮进行优化设计的方法已发展得较为成熟，然而，传统的叶轮设计过程中，由于水力性能、机械设计等各个子学科是串行设计的，优化时忽略了水力性能与结构的相互影响和相互作用，没有能够达到真正的协调，所得到的设计结果难以达到最优。
如只单纯低地虑水力性能最优，即损失小，效率高，那么就有可能忽略了结构上的强度和刚度的约束。
为了改善水泵叶片优化过程中水力性能与结构两个学科间的这一矛盾，本文以水泵叶片的多学科优化为出发点，根据目前在飞行器设计上应用较多的多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization,MDO）理论，将多学科优化算法应用到水泵叶片设计优化中。
1 方法与平台经过比选，本文采用协同优化方法和Isight优化平台进行分析计算。
1.1协同优化方法（Collaborative optimzation—CO）CO[1]是MDO方法中最常用的，其基本思想是将设计优化问题分解为一个系统级优化加上多个学科级优化，每个学科级在设计优化过程中是一个个并行的模块，即优化过程中不考虑其他学科的影响，只需满足本学科的约束，学科级优化目标是使该学科设计优化方案与系统级优化提供的目标方案二者最小，即保证一致性要求。
1.2 Isight优化平台目前多学科优化问题的集成设计框架主要有Isight、AML和ModelCenter，Isight[2]因其优异的结构体系，在复杂工程系统的多学科设计优化中有着最为广泛的应用。
它是一种具备过程集成、设计优化和稳健性设计的优化平台，可以将其数字技术、推理技术和设计探索技术有效融合，把大量需要人工完成的工作由软件实现自动化处理，代替工程设计者进行重复性的、易出错的数字处理和设计处理工作。
低比转数叶轮的优化设计
低比转数叶轮的优化设计谢源;陈敬华【摘要】离心泵的效率主要由叶轮的水力模型决定,叶轮的圆盘摩擦损失与叶轮外径的5次方成正比,减小叶轮的外径就成为提高泵效率的重要途径之一.文中根据实际使用叶轮的参数,用理论和经验相结合的方法改进原有叶轮叶片的各几何参数,并进行优化组合,同时计算了叶轮出口外径为最小值时叶轮的出口安放角,使叶轮的效率达到最高.【期刊名称】《厦门理工学院学报》【年(卷),期】2011(019)001【总页数】5页(P25-29)【关键词】低比转数;叶轮;优化设计【作者】谢源;陈敬华【作者单位】闽西职业技术学院机械工程系,福建龙岩364021;福建龙岩九龙水泵制造有限公司技术部,福建龙岩364012【正文语种】中文【中图分类】TH1221 有限叶片叶轮半径R2的确定根椐Stodola的滑移理论，有限叶片出口处的相对速度是在无限叶片出口处相对速度发生了滑移而形成的．如图1所示的出口速度三角形，图中:V2为出口绝对速度;vU2为出口速度的圆周分量;vm2为出口速度的轴面分量;U2为出口圆周速度;W2∞为出口处无限叶片的相对速度;V2∞为出口处无限叶片的绝对速度;W2为有限叶片出口处的相对速度;ΔW2为有限叶片叶轮出口处相对速度的滑移分量;β2为叶片出口安放角．Stodola证明了其值为:上式即:式中:HT为有限叶片的理论扬程;QT为有限叶片的理论流量;b2为叶轮出口宽度;β2为叶片出口安放角;ψ2为叶轮出口排挤系数;ω为叶轮旋转角速度;Z为叶片数;R2为叶轮半径．2 叶片出口宽度b2的选取在实际设计中，一般是先根据统计方法，预先设定 (或估算)b2、ψ2、ηV、ηT、QT、Z等参数，由此，式 (1)中R22实际上成为β2的一元函数，R22是关于β2的一支有极小值的函数．从式 (1)中可看出，大的b2对应较小的R2，所以实际上应选择较大的出口宽度，这样既有利于铸造，又可使泵的高效区宽广，但b2过大容易导致扬程曲线过于平坦且可能使性能曲线出现驼峰，而这显然又不利．应此，b2也不是越大越好．叶片数Z增大势必增加流道的堵塞，导致进口排挤系数ψ1、出口排挤系数ψ2减小，即进口排挤严重，所以Z也不是越多越好，比较好的方法是设置复合叶轮的长短叶片，但本文不研究长短叶片的设置问题．叶片出口宽度b2=Kb2(Q/n)1/3，关于出口宽度系数Kb2有如下一些主要统计公式:式中:Q为流量(m3/s);n为转速(r/min);ns为比转数．Kb2与比转数ns的关系曲线如图2所示，当ns在50以下时，式 (3) ＜式 (4) ＜式 (5)，随着对低比转数泵的研究增多，Kb2有取大的趋势．因此，低比转数(ns ＜60)叶轮的Kb2取公式 (5)是适合的．3 β2—R2曲线的形成实际设计中，可按速度系数法和给定的叶片出口真实厚度，并假定一个初始的β2值，事先估算出ψ2值，代入式 (1)中得到该β2下的R2值．以计算出的R2值为基础反算ψ2值，若得出的ψ2值与第一次计算的ψ2值有较大的差值，可用第二次的ψ2值代入式 (1)中逐次逼近，直至相差无几．利用Excel表格进行数学计算很方便，一般一次逼近就够了．按顺序以一定的步差假定不同的β2值，按上述方法就可计算出对应的R2值，得出β2—R2曲线．4 叶轮半径R2的约束条件由 (1)式得出的R2值应受到一些约束条件，以便使R2值在更合理的范围内有最小值．叶片出口绝对速度:式中:ω为旋转角速度．从式 (6)可知，当我们致力于减小R2时，V2值就大，叶轮出口冲击损失就大，这样，减少圆盘摩擦损失的同时冲击损失增大就成为设计中的矛盾．V2反映的是动扬程，反击系数ρ为势扬程HP与理论扬程的比值．ρ值的最佳范围与n S有关 (如图3所示)．将式 (6)代入上式并将图3中的ρo值作为ρmax，减去0.04作为ρmin，得到:即:R2还要受另一条件限制，设计点的Vm2与U2(外径处的圆周速度)的比值应有一个合理的区间，由文献［6］给出，如图4所示．由式 (7)和式 (8)求得各自的 R2区间［C1，C2］、［C3，C4］，它们的共同区间就是 R2应受到的约束区间［R2min，R2max］．约束条件式 (7)和式 (8)的假定比仅把圆盘损失有极小值作为追求目标更为全面一些．由式 (7)导出C1、C2，由式 (8)导出C3、C4:R2—β2的关系曲线和约束区间［R2min，R2max］有图5(a)—(c)3种可能的情况，(a)情况，约束区间［R2min，R2max］在曲线下方，说明约束条件对R2不起作用，所以取实际最小的出口直径R20为其极值．(b)情况，约束区间［R2min，R2max］包含R2的极值，显然取实际最小的出口直径R20为其极值．(c)情况，［R2min，R2max］在R2的极值的上方，为满足约束条件，应取实际最小的出口直径R20为R2min，此时对应的β2有两个值，实际应取较小的那个β2，因为小的β2出现驼峰的可能性较小．5 优化设计实例对福建龙岩市九龙水泵制造有限公司的IS50－32－200单级离心泵叶轮的水力模型进行优化改进．龙岩市九龙水泵制造有限公司原来生产的该型号泵的水力模型是泵行业早期联合设计的．其技术要求:1)从进口方向看为逆时针旋转;2)叶片6片．其性能参数为:额定流量Q=12.5 m3/h，额定扬程H=50 m，标定效率η=48%．原水力主要尺寸:叶轮进口直径Dj=48 mm，叶轮外径D2=200 mm，叶轮出口宽度b2=3.5 mm，叶片出口安放角β2=36°，叶片数Z=6．原叶轮水力模型图见图6所示．分析:该设计叶轮的出口宽度b2明显偏小，致使叶轮外径大、效率低、扬程陡降．且因b2太小，铸造不易且质量不稳定，废品率高;泵因为b2太小，D2增大，使泵效率远远达不到标定效率值，效率大多在40%左右．根据前文对低比转数离心泵的设计理论和水力模型分析结论，对该型号泵叶轮进行水力模型改进．根据低比转数叶轮宜采用长短叶片布置，该叶轮选用4长4短共8枚叶片，比原6枚长叶片为好．出口宽度系数Kb2按式 (5)计算，得到b2=5.2 mm，实际取b2=5 mm．表1是叶轮主要参数．表中数据除流量、扬程、转速、进口轮毂直径是给定外，其余数据均是输入相应公式后Excel自动计算获得的数据或是经验设定的数据．按文中第3部分的叙述，以Δβ2=2°为步长计算对应的R2，得到一组β2—R2数据及其变化曲线 (如图7所示)，并得出不同的β2对应的R2的数据表 (见表2)．表1 叶轮主要参数表Tab．1 Main parameter for impeller参数名称参数值参数名称参数值参数名称参数值参数名称参数值流量Q/(m3·s－1) 0．003 5 进口当量直径D0/m 0．044 6 进口流速/(m·s－1) 2．749 8 反算ψ2 0．814 8扬程H/m 50．0 进口轮毂直径/m 0．015 0 出口宽度系数Kb2 0．486 1 反击系数ρmin 0．625 0转速n/(r·min－1) 2 900．00 进口直径/m 0．047 1 出口宽度b2/m 0．005 2 反击系数ρmax 0．685 0角速度ω/(rad·s－1) 303．5 容积效率ηv 0．938 2 实际 b2/m 0．005 0 (Vm2/U2)min 0．020 0比转数 33．17水力效率ηh 0．835 2 平均进口角β1/(°) 15．00 (Vm2/U2)max 0．055 0理论流量Qt/(m3·h－1) 0．003 7 机械效率ηm 0．709 1 出口角β2/(°) 26．00 R2约束值 C1/m 0．091 6理论扬程Ht/m 59．87 理论总效率η 0．555 6 stodola 滑移系数σ 0．828 0 R2约束值 C2/m 0．099 8总叶片数Z/个 8 实际修正效率0．480 0 出口厚度/m 0．006 0 R2约束值C3/m 0．093 1长叶片数/个 4 进口厚度/m 0．002 5 预设出口排挤ψ2 0．814 8 R2约束值 C4/m 0．154 4进口系数Ko 4．200 0 进口排挤ψ1 0．862 0 出口半径R2/m 0．094 2表2 β2、R2的对应数据表Tab．2 β2、R2 corresponding dataβ2/(°) R2/mm 18．0 95．30 20．0 94．70 22．0 94．37 24．0 94．20 26．0 94．19 28．0 94．28 30．0 94．48 33．0 94．80 36．0 95．30由图7得知，当β2=26°时叶轮具有最小直径．同时考虑到R2的约束区间［0．093 1，0．099 8］，取改进后叶轮主要几何参数如下:叶轮进口直径Dj=48 mm，叶轮外径D2=188 mm，叶轮出口宽度b2=5 mm，叶片出口安放角β2=28°，叶片数Z采用4长和4短的复合叶片．优化设计后的水力模型图如图8所示．按优化设计的水力模型重新制作的叶轮，经实际测试，性能参数如下:效率η=48.3%，额定流量Q=13.6 m3/h，额定扬程H=49.2 m．获得了满意的结果．上述性能是在没有同步修改泵体的水力模型的情况下得到的，如果同时修改泵体的水力模型(叶轮减小，泵体蜗壳理应同步减小)，还可以进一步提高泵效率．6 结论按上述的理论，利用Excel表格可以得出β2—R2关系曲线和叶轮的主要水力参数，能有效地缩短叶轮的水力设计时间，同时其设计参数具有较高的准确性．通过大量的计算还发现，前述R2的第二个约束条件通常情况下不起作用，设计时一般可不予考虑．［参考文献］［1］关醒凡．现代泵技术手册［M］．北京:宇航出版社，1995．［2］陈磊，黄建德．低比转速叶轮性能的优化［J］．机电设备，2004，21(1):13．［3］毕尚书，王文新，严敬，等．低比转速离心泵叶轮水力设计新方法综述［J］．机械，2008，35(10):4．［4］王幼民，唐铃凤．低比转速离心泵叶轮多目标优化设计［J］．机电工程，2001，18(1):52．［5］严敬，杨小林．低比转速泵叶轮水力设计方法综述［J］．排灌机械，2003，21(3):6．［6］(美)卡拉西克，克鲁茨施，弗雷泽，等．泵手册［M］．北京:机械工业出版社，1983．。
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前言
劳动人民在与自然界的斗争中创造了最原始的提水工具，如水车、辘轳等，这些就是水泵的雏形。
随着生产的发展和对自然规律的认识和掌握，这些原始的提水工具就发展成为现代的泵。
现在，水泵作为一种通用机械，在国民经济各个领域中都得到了广泛的应用。
农业的灌溉和排涝，城市的给水和排水都需要泵。
在工业的各个部门中，泵更是不可缺少的设备。
如在动力工业中需要锅炉给水泵、强制循环泵、循环水泵、冷凝泵、灰渣泵、疏水泵、燃油泵；在采矿工业中需要矿山排水泵、水砂冲填泵、水采泵、煤水泵；在石油工业中需要泥浆泵、注水泵、深井采油泵、输油泵、石油炼制用泵等；在化学工业中需要耐腐蚀泵、比例泵、计量泵等；在交通运输工业中需要燃油泵、喷油泵、润滑油泵、液压泵等。
由此可见泵在工业中起到举足轻重的作用。
以前，泵只用来输送常温清水，所以常把泵称为水泵。
但是，现在这个概念已经不十分确切了。
据国家有关部门统计，离心泵每年的耗电量占总发电量的10％ 。
叶轮机械主要的能量转换是在叶轮中完成的，因此设计高效率的叶轮对离心泵的节能降耗有重要意义。
随着计算机技术和数值计算方法的飞速发展，CFD(计算流体力学)对离心泵流场分析结果的可信度逐增强，其分析结果运用于工程实践是可靠的。
本文在总结传统设计理论的优缺点后，引出现代运用计算机技术和数值计算理论的离心式水泵的叶轮结构设计方法，即速度系数设计法。
在目前世界能源日趋紧张的形势下，降低泵的能量损失，提高它的效率是一个更加有意义的事情。
叶轮是离心泵最重要的部件，在某种意义上来说离心泵的优化问题就是对叶轮的优化。
所以把对离心泵叶轮的优化作为本文研究内容。
本文主要对离心式水泵的叶轮结构进行设计，首先弄清离心泵工作性能的主要参数，需要设计叶轮结构的各部分尺寸，在叶轮设计过程中对泵的性能影响较大的参数主要有：叶轮进、出口直径0D 和2D ，叶片的进、出口宽度1b 、2b ，叶片的进、出口安装角1β、2β等6个参数。
所以合理设计这些参数非常重要。
同时在设计过程中对叶轮的强度进行计算，在工作过程中，离心泵零件承受各种外力的作用，使零件产生变形和破坏，而零件依靠自身的尺寸和材料性能来反抗变形。
一般，把零件抵抗变形的能力叫做刚度，把零件抵抗破坏的能力叫强度。
所以，在设计离心泵叶轮时，应使零件具有足够的强度和刚度，以提高泵运行的可靠性和寿命。
叶轮的强度计算主要分为叶轮盖板强度、叶片强度和轮毂强度三
部分。
叶轮的绘型和叶轮的技术要求也是相当重要的，这是保证叶轮正确叶片形状的必要前提。
最后，通过建立数字模型对叶轮结构进行优化设计。
1 离心泵叶轮结构
叶轮机械主要的能量转换是在叶轮中完成的，因此设计高效率的叶轮对离心泵的节能降耗有重要意义。
叶轮是离心泵的最重要的零部件，在某种意义上来说离心泵的优化问题就是对叶轮的优化。
所以设计经济合理的离心泵叶轮结构至关重要。
1.1 叶轮
叶轮是离心泵最主要的零部件，叶轮是将来自原动机的能量传递给液体的零件，液体流经叶轮后能量增加。
叶轮一般由前盖板、后盖板、叶片和轮毂组成。
图1-1 a 所示的这种叶轮叫闭式叶轮；如果叶轮没有前盖板，就叫半开式叶轮，如图1-1 b 所示。
没有前盖板、也没有后盖板的叶轮叫开式叶轮，开式叶轮在一般情况下很少采用。
后盖板轮毂
后盖板
叶片叶片
轮毂前盖板
a )
b )
图1-1 离心泵的叶轮
a ） 闭式叶轮
b ） 半开式叶轮
Fig.1-1 Leave leaf's round of heart pump
a) Shut type leaf round b) The half open type leaf's round
1.2 离心泵的主要性能参数
离心泵上都有标牌，标牌上标明了泵的型号、主要参数和指标。
表示泵工作性能的参数叫泵的性能参数，如流量Q 、扬程H 、转速n 、功率N 、效率η、汽蚀余量h ∆（或吸上真空度s H ）等。
1.2.1 叶轮的主要设计参数
在叶轮设计过程中对泵的性能影响较大的参数主要有：叶轮进、出口直径0D 和2D ，叶片的进、出口宽度1b 、2b ，叶片的进、出口安装角1β、2β等6个参数。
所以合理设计这
些参数非常重要。
1.2.2 液体在离心泵叶轮里的流动
离心泵工作时，液体一方面随着叶轮一起旋转，同时转动着的叶轮里向外流。
液体随着叶轮的旋转运动称为圆周运动，其速度称为圆周速度，用u 表示。
液体从旋转着的叶轮里向外的流动称为相对运动，其速度称为相对速度，用ω表示。
液体相对于泵体的运动称为绝对运动，其速度称为绝对速度，用υ表示。
绝对速度υ的向量等于圆周速度u 和相对速度ω的向量和，即
u υω=+ （2-1）。