1、 1 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
2、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
3、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 0 D和 2 D，叶片的进、出口宽度 1 b、 2 b，叶片的进、出口安装角 1 、 2 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
4、，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 离心式水泵叶轮结构设计 2 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。 3 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
5、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 leafs
6、round of heart pump a) Shut type leaf round b) The half open type leafs 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、汽蚀余量h（或吸上真 空度 s H）等。 离心式水泵叶轮结构设计 4 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 0 D和 2 D， 叶片的进、出口宽度 1 b、 2 b，叶片的进、出口安装角 1 、 2 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
