1、第五章 轴流泵的水力设计主要内容轴流泵概述轴流泵概述液体在叶轮中的运动分析液体在叶轮中的运动分析机翼与叶栅的升力理论机翼与叶栅的升力理论叶轮的设计计算叶轮的设计计算导叶的设计计算导叶的设计计算吸水室的设计计算吸水室的设计计算一、特点一、特点 流量大、扬程低、比转速高流量大、扬程低、比转速高 Q Q：0.3 0.3 70(m3/s)70(m3/s)当当Q8(m3/s)Q8(m3/s)时，属大型轴流泵时，属大型轴流泵 H H：1.0 1.0 15(m)15(m)D:0.2 D:0.2 5(m)5(m)n ns s:500:500 16001600 例：南水北调东线，从长江调水例：南水北调东线，从长
2、江调水1000m3/s1000m3/s，3535座泵站，几乎全部用轴流泵座泵站，几乎全部用轴流泵二、结构型式二、结构型式 按叶片的安放角度是否可调，分为：按叶片的安放角度是否可调，分为：固定式叶片轴流泵：叶片固定在轮毂体上（一体结构），角度不可调固定式叶片轴流泵：叶片固定在轮毂体上（一体结构），角度不可调 半调节叶片轴流泵：停机拆下叶轮后可调整叶片的角度半调节叶片轴流泵：停机拆下叶轮后可调整叶片的角度 全调节叶片轴流泵：借助调节机构，在泵运行时可自动调节叶片角度全调节叶片轴流泵：借助调节机构，在泵运行时可自动调节叶片角度三、组成三、组成 基本部件：基本部件：1 1、叶轮、叶轮 2 2、导叶、导
3、叶 3 3、轴、轴 4 4、进水喇叭管、进水喇叭管 5 5、出水弯管、出水弯管 结构划分：结构划分：调节机构调节机构 转轮室转轮室 轮毂体轮毂体 扩散管扩散管 四、叶轮设计方法四、叶轮设计方法 1 1、升力法、升力法 以翼型的绕流特性并依据实验数据进行修正的叶片设计法，是一半理论、以翼型的绕流特性并依据实验数据进行修正的叶片设计法，是一半理论、半经验的方法半经验的方法 2 2、圆弧法、圆弧法 利用无限薄的圆弧翼型叶栅代替叶片栅，借助绕流圆弧翼型叶栅的积分利用无限薄的圆弧翼型叶栅代替叶片栅，借助绕流圆弧翼型叶栅的积分方程式的解，来计算叶片。程序简单、实用方程式的解，来计算叶片。程序简单、实用 3
4、 3、奇点分布法、奇点分布法 采用分布的奇点系列（涡、源、汇）代替叶片采用分布的奇点系列（涡、源、汇）代替叶片一、圆柱层无关性假定一、圆柱层无关性假定 在叶轮中液体质点是在以泵轴线为中心的圆在叶轮中液体质点是在以泵轴线为中心的圆柱面上流动，且相邻各圆柱面上液体质点的运动柱面上流动，且相邻各圆柱面上液体质点的运动互不相关。即液体质点运动的互不相关。即液体质点运动的Vr=0.Vr=0.圆柱面即是流面。圆柱面即是流面。二、直列叶栅二、直列叶栅 因为无关性假定，所以，流动可简化为研究因为无关性假定，所以，流动可简化为研究圆柱面上的流动，用圆柱面上的流动，用drdr截取微小圆柱层，取出后截取微小圆柱层，
5、取出后沿母线切开，展为平面，叶片截面（翼型）组成沿母线切开，展为平面，叶片截面（翼型）组成平面直列叶栅。平面直列叶栅。考虑到翼型等距，所以，可视为平面无限直考虑到翼型等距，所以，可视为平面无限直列叶栅。列叶栅。这样，轴流泵内的流动，可简化为研究对应这样，轴流泵内的流动，可简化为研究对应几个圆柱流面的叶栅中的绕翼型的流动。几个圆柱流面的叶栅中的绕翼型的流动。叶栅的主要性能参数：叶栅的主要性能参数：1 1、列线、列线栅中翼型对应点的连线栅中翼型对应点的连线 2 2、栅轴、栅轴与列线垂直的直线与列线垂直的直线 3 3、栅距、栅距翼型间的距离翼型间的距离t t 4 4、稠密度、稠密度翼弦翼弦l l与栅
6、距与栅距t t之比之比 5 5、安放角、安放角翼弦与列线的夹角翼弦与列线的夹角ee 6 6、冲角、冲角无穷远处来流方向与弦夹角无穷远处来流方向与弦夹角 7 7、叶轮直径、叶轮直径D D，轮毂直径，轮毂直径dhdh三、速度三角形三、速度三角形1 1、进口速度三角形、进口速度三角形6011nDu4/)(221hhmdDQv01uv2 2、出口速度三角形、出口速度三角形uuu12mmmvvv12ugHvTu/2)2/(222Rvu 或：或：（进出口速度三角形可重叠画在一起）（进出口速度三角形可重叠画在一起）注意：一般注意：一般3 3、2212221222uumuumvvuvwwwww 在叶栅计算时，
7、取叶栅前后相对速度在叶栅计算时，取叶栅前后相对速度W W1 1，W W2 2的平均值的平均值W W，作为无穷远处，作为无穷远处来流的速度。来流的速度。221uumumevvuvwwtg Vm Vm可用可用VmVm代替：代替：kvvmm/其中：其中：k k为排挤系数，可按下式计：为排挤系数，可按下式计：FfFkeetklfltFsin32132,sin四、径向平衡理论四、径向平衡理论 由于沿半径方向上各个流面（基元级）上的流动不是相互独立的，因此，要由于沿半径方向上各个流面（基元级）上的流动不是相互独立的，因此，要建立之间的联系。建立之间的联系。本章引入如下简化（假定）：本章引入如下简化（假定）
8、：(1)(1)介质的流动是理想的稳定流动，与外界没有热交换，并略去策略影响。介质的流动是理想的稳定流动，与外界没有热交换，并略去策略影响。(2)(2)圆柱层无关性假定，即圆柱层无关性假定，即 (3)(3)流动是轴对称的，即流动是轴对称的，即0rv 由达朗倍尔原理，作用在流体微元上的压力与离心力相平衡，则可推得：由达朗倍尔原理，作用在流体微元上的压力与离心力相平衡，则可推得：0/该式即为径向平衡方程（详细过程见教科书该式即为径向平衡方程（详细过程见教科书P.231P.231，还可通过流体运动微分，还可通过流体运动微分方程式来推导，自学推导过程）。方程式来推导，自学推导过程）。由于假定了由于假定了
9、Vr=0,Vr=0,故称之为简化的径向平衡方程，据此条件的设计，叫简化故称之为简化的径向平衡方程，据此条件的设计，叫简化三元设计。将压力三元设计。将压力p p用扬程用扬程H H表示后，有：表示后，有：rvdrdpu2rvrrvrrHgmud)(dd)(d121dd222五、流型与叶片扭曲规律五、流型与叶片扭曲规律 流动参数沿径向的分布必须满足径向平衡方程，不能任意给定，但满足这个流动参数沿径向的分布必须满足径向平衡方程，不能任意给定，但满足这个条件的分布并不是唯一的。流动参数沿径向的分布就称之为流型。条件的分布并不是唯一的。流动参数沿径向的分布就称之为流型。不同流型所对应的叶片形状不同。常用的
10、流型主要有：等环量级、等反作用不同流型所对应的叶片形状不同。常用的流型主要有：等环量级、等反作用度级、变环量级。度级、变环量级。constrvu 1 1、等环量级（自由旋涡级）、等环量级（自由旋涡级）等环量级或称自由旋涡级，是指环量等环量级或称自由旋涡级，是指环量（或（或 ）沿半径方向不变。）沿半径方向不变。当假定各流面上的翼型产生相同的扬程，则由前式有：当假定各流面上的翼型产生相同的扬程，则由前式有：0d)(dd)(d1222rvrrvrmu0drdvmrvu 该结果也可由无旋运动微分方程式中得到（见教科书该结果也可由无旋运动微分方程式中得到（见教科书P235P235，自学推导过程）。，自学
11、推导过程）。因此，又叫自由旋涡级。因此，又叫自由旋涡级。下面讨论在等环量级中各流动参数沿半径的变化。这里以平均半径处（下下面讨论在等环量级中各流动参数沿半径的变化。这里以平均半径处（下标为标为avav）的参数为基础。）的参数为基础。1212,uuuuuuvvvwww 故故wwu u随着半径的增加而减少，说明等环量级叶片在叶根处弯曲度在，而在随着半径的增加而减少，说明等环量级叶片在叶根处弯曲度在，而在轮缘处弯曲度小。轮缘处弯曲度小。(1)W (1)Wu u沿半径的变化沿半径的变化 在某一半径在某一半径r r处，有：处，有：而而 ,且理论扬程沿半径方向不变，则有：且理论扬程沿半径方向不变，则有：g
12、vvrHuuT)(12avuavuavuavuuuuuwrrwwrwrvvrvrwr)()()()(const)(12avmmavuavuvvvrrv)()()(1111 故切向速度随着半径的增加而减少，轴向速度沿径向不变。故切向速度随着半径的增加而减少，轴向速度沿径向不变。(2)Vu (2)Vu和和VmVm沿半径的变化沿半径的变化 由由 （沿半径方向不变），有：（沿半径方向不变），有：进口处：进口处：出口处：出口处：constrvuavmmavuavuvvvrrv)()()(2222avavavuavmumavavavuavmumtgrrvrrvvvtgtgrrvrrvvvtg)()()()
13、()()()()(222222111111 所以，当半径所以，当半径r r增加时，绝对流动角增加时，绝对流动角1 1和和2 2均增加。均增加。(3)(3)流动角沿半径的变化流动角沿半径的变化avuavavavmumavuavavavmumvrrurrvvuvtgvrrurrvvuvtg)()()()()()()()(2222211111 所以，当半径所以，当半径r r增加时，绝对流动角增加时，绝对流动角1 1和和2 2均减小。均减小。(4)(4)等环量级的优缺点等环量级的优缺点 优点：优点：沿半径扬程和轴向速度不变，计算简单沿半径扬程和轴向速度不变，计算简单 具有无旋运动的形式，可以认为效率比
14、较高具有无旋运动的形式，可以认为效率比较高 计算值与实际情况较接近计算值与实际情况较接近 缺点：缺点：轮毂处的安放角很大，叶片扭曲严重，绘型、铸造困难轮毂处的安放角很大，叶片扭曲严重，绘型、铸造困难 沿半径相对速度增加较快，会使沿半径相对速度增加较快，会使NPSHrNPSHr的值增加，降低抗汽蚀性能的值增加，降低抗汽蚀性能 改进：改进：一般降低轮毂处的一般降低轮毂处的，这样使叶片平坦，水力性能变好，这样使叶片平坦，水力性能变好2 2、等反作用度级、等反作用度级 反作用度反作用度的定义：的定义：uvuvuwuuu211 一般在一般在0 0至至1 1之间，当之间，当=0.5=0.5时，进出口速度三
15、角形是对称的。时，进出口速度三角形是对称的。3 3、变环量级、变环量级 考虑到等环量级的缺点，当轮毂比较小时，为改善叶片过分扭曲的弱点，考虑到等环量级的缺点，当轮毂比较小时，为改善叶片过分扭曲的弱点，采用变环量来设计。采用变环量来设计。在该流型中，扬程（负荷）沿半径增加，一般可按下述规律给定：在该流型中，扬程（负荷）沿半径增加，一般可按下述规律给定：constrvu 可在可在+1+1-1-1间变化，一般间变化，一般=0=01 1。若若=+1=+1，即等环量级流型。，即等环量级流型。若若=-1=-1，就是，就是“刚体旋转刚体旋转”（亦称（亦称“强迫旋涡强迫旋涡”）流型。）流型。有时，采取其它的环
16、量分布规律，如叶片中部的环量较大。有时，采取其它的环量分布规律，如叶片中部的环量较大。a)a)进口处的进口处的VmVm沿半径分布沿半径分布 b)b)出口处的出口处的VmVm沿半径分布沿半径分布 c)c)速度环量沿半径的分布速度环量沿半径的分布4 4、实际采用的流型、实际采用的流型一、单个翼型的升力理论一、单个翼型的升力理论1 1、翼型的几何参数、翼型的几何参数 翼型中线（骨线）翼型中线（骨线）翼弦翼弦(l)(l)厚度厚度()()挠度（挠度（f f）翼展翼展(b)(b)前缘的方向角前缘的方向角(x(x1 1)后缘的方向角后缘的方向角(x(x2 2)翼型弯曲角翼型弯曲角(=x(=x1 1+x+x2
17、 2)翼型前缘至最大挠度处的距离（翼型前缘至最大挠度处的距离（a)a)翼型前缘至最大厚度处的距离（翼型前缘至最大厚度处的距离（e)e)2 2、单个翼型的流体动力特性、单个翼型的流体动力特性 翼型在水中受到二个作用力：翼型在水中受到二个作用力：与无穷远处来流方向垂直，升力，与无穷远处来流方向垂直，升力，P Py y 与无穷远处来流方向平行，迎面阻力，与无穷远处来流方向平行，迎面阻力，P Px x 合力为合力为R RblvcPyy2211blvcPxx2211 与 翼 型 的与 翼 型 的几 何 形 状、冲 角几 何 形 状、冲 角、雷诺数有关，、雷诺数有关，由见洞试验得到。由见洞试验得到。11,
18、yxcc)(),(11fcfcyx 希望希望C Cy1y1,C,Cx1x1。因此：为了鉴别翼型质量，绘制。因此：为了鉴别翼型质量，绘制C Cy1y1/C/Cx1x1，并标出相应冲角，在切，并标出相应冲角，在切点处，点处，C Cy1y1/C/Cx1x1取取maxmax值。值。将切点附近区域称为翼型的将切点附近区域称为翼型的最高质量区最高质量区。设计时选用的冲角应位于此区域，。设计时选用的冲角应位于此区域，。定义定义R R与与P Py1y1的夹角为的夹角为。将。将1/tg1/tg定义为翼型定义为翼型质量质量。11111xyxyccPPtg3 3、常用翼型的动力特性、常用翼型的动力特性 (1)RAF
19、(1)RAF翼型翼型 其截面见表格其截面见表格 (x,y(x,y为弦长的百分值为弦长的百分值)动力特性如图动力特性如图(2)NACA(2)NACA翼型翼型 NACANACA翼型几翼型几 何参数如表何参数如表NACANACA翼型的动力特性翼型的动力特性二、叶栅计算中的修正值二、叶栅计算中的修正值 由于栅中翼型间的相互影响，导致叶栅中翼型特性与单个翼型并不完全相同，由于栅中翼型间的相互影响，导致叶栅中翼型特性与单个翼型并不完全相同，因此，作用于栅中翼型上的升力因此，作用于栅中翼型上的升力PyPy和迎面阻力和迎面阻力PxPx可为：可为：FwcPyy22FwcPxx22Cy,CxCy,Cx与翼型型号、
20、相对栅距与翼型型号、相对栅距t/lt/l、ee有关。有关。可借助平板叶栅的修正资料来修正可借助平板叶栅的修正资料来修正Cy1Cy1，有：，有：1yyccL 因为因为CxCx较小，且栅中翼型对此影响较小，较小，且栅中翼型对此影响较小，故不对故不对Cx1Cx1进行修正，即：进行修正，即：1xxcc 三、叶栅的流体动力基本方程三、叶栅的流体动力基本方程rlwcPandPRyyyd2,cos/2)sin(cos2)sin()(90cos2drlwcRRPyu因为因为PzPz对叶轮不产生转矩，所以，用对叶轮不产生转矩，所以，用PuPu来计算叶栅对液体所做的功。来计算叶栅对液体所做的功。单位时间内叶栅对液
21、体的功为：单位时间内叶栅对液体的功为：zuPdNu另一方面，单位时间内流过叶栅的液体所获得的能量可表示为：另一方面，单位时间内流过叶栅的液体所获得的能量可表示为：THdQdN)1(2tdrzvHrdrvHHdQuzPmTmTTu再由于：再由于：sin,)(wvandgvuHmuT将将PuPu的表达式及上式代入（的表达式及上式代入（1 1）得：）得：)2(tg/tg112wvtlcuy上式即为叶栅液体动力基本方程式，或升力法设计叶轮的基本方程式。上式即为叶栅液体动力基本方程式，或升力法设计叶轮的基本方程式。它表示了叶栅特性参数与液流运动参数之间的关系。它表示了叶栅特性参数与液流运动参数之间的关系
22、。设计时，必须满足该方程，才能保证所需要的能量转换。有两种用法：设计时，必须满足该方程，才能保证所需要的能量转换。有两种用法：(1)(1)选择选择l/tl/t，代入基本方程（假定，代入基本方程（假定=1=1）得）得CyCy，修正后得到，修正后得到Cy1Cy1，由所选择的，由所选择的翼型特性得到翼型特性得到，从而得，从而得e=+e=+(2)(2)给定给定，选择翼型，确定，选择翼型，确定Cy1Cy1，修正后有，修正后有CyCy，代入基本方程式，得到，代入基本方程式，得到l/tl/t 为了方便计，我们可以用不同的方法对轴流式叶轮的水力损失分类。轴为了方便计，我们可以用不同的方法对轴流式叶轮的水力损失
23、分类。轴流式结构中没有离心泵那样的密封装置，因此一般不讨论它的容积损失。流式结构中没有离心泵那样的密封装置，因此一般不讨论它的容积损失。1 1、翼型损失、翼型损失 指翼型表面的边界层所引起的摩擦损失和尾迹涡流损失，亦即翼型阻力指翼型表面的边界层所引起的摩擦损失和尾迹涡流损失，亦即翼型阻力PxPx所引起的损失。所引起的损失。一、叶轮的损失一、叶轮的损失 2 2、二次流损失、二次流损失 在叶轮内部由高压区向低压区的液体流动所造成的损失。在叶轮内部由高压区向低压区的液体流动所造成的损失。3 3、叶端损失、叶端损失 在轴流式叶轮的损失中占有较大比重，即通过叶端间隔的流动所引起的轴在轴流式叶轮的损失中占
24、有较大比重，即通过叶端间隔的流动所引起的轴向旋涡，这也是一种二次流损失。向旋涡，这也是一种二次流损失。4 4、环面损失、环面损失 在叶轮室与叶轮之间所形成的环形通道表面上由于摩擦和旋涡流动所引起在叶轮室与叶轮之间所形成的环形通道表面上由于摩擦和旋涡流动所引起的损失。的损失。1、轮毂比、轮毂比查表确定；高查表确定；高nsns泵泵,dh/D,dh/D小小.6.04.0)(/shnfDd 原因：原因：(1)(1)从水力性能看，从水力性能看，缩小轮毂比，可以增加缩小轮毂比，可以增加过流面积，减小水力摩过流面积，减小水力摩擦损失，并有利于抗汽擦损失，并有利于抗汽蚀性能的改善。蚀性能的改善。但过分减小轮毂
25、比，将会增加叶片扭曲，当但过分减小轮毂比，将会增加叶片扭曲，当QQdQ1000500-600 700-900 1000叶片数叶片数 5-6 4 35-6 4 34、叶栅稠密度、叶栅稠密度l/t(1)l/t(1)l/t对性能（效率、汽蚀）的影响对性能（效率、汽蚀）的影响 减小减小l/tl/t：叶片总面积：叶片总面积，摩擦，摩擦，效率，效率，两面压力差，两面压力差，抗汽蚀性能，抗汽蚀性能 增加增加l/tl/t：能量损失：能量损失，效率，效率，抗汽蚀性能，抗汽蚀性能 因此，要综合考虑因此，要综合考虑(2)(2)轮缘处轮缘处l/tl/t的确定的确定 轮缘处的轮缘处的l/tl/t，可根据，可根据 扬程系
26、数扬程系数KHKH来定来定22DnHKH 此外，还可根据重迭此外，还可根据重迭 系数来确定系数来确定(3)(3)轮毂与轮缘处轮毂与轮缘处l/tl/t的关系的关系 一般要求一般要求VuRVuR在出口处各流线上相同，但由于轮毂处（根部）叶片较短，在出口处各流线上相同，但由于轮毂处（根部）叶片较短，因此，就提高轮毂处的因此，就提高轮毂处的l/tl/t，即：，即：(l/t)(l/t)轮毂轮毂 =(1.3=(1.31.4)(l/t)1.4)(l/t)轮缘轮缘 中间线性变化中间线性变化三、叶轮的水力效率三、叶轮的水力效率 在叶栅绕流时，叶栅对液体所做的功为在叶栅绕流时，叶栅对液体所做的功为:而液体克服迎面
27、阻力所消耗的能量为而液体克服迎面阻力所消耗的能量为:所以，叶栅的水力效率为所以，叶栅的水力效率为:zuPdNuzwPdNxx)sin(sin11uwzuPzwPdNdNdNuxxc 由此可见，合力由此可见，合力R R与升力与升力PyPy之间的夹角之间的夹角越小，则叶栅效率越高，通常将越小，则叶栅效率越高，通常将1/tg1/tg定义为翼型质量。定义为翼型质量。某种翼型，均有一最小的某种翼型，均有一最小的角。要使叶栅效率高，应选用最高质量区冲角。角。要使叶栅效率高，应选用最高质量区冲角。叶轮的水力效率，可通过叶栅的水力效率求出（根据流过各叶栅流量的大叶轮的水力效率，可通过叶栅的水力效率求出（根据流
28、过各叶栅流量的大小取平均值）小取平均值）:2222horrcrrmchcrrdrrQvdrrohoh （注意，轮缘处翼型质量影响大）（注意，轮缘处翼型质量影响大）四、升力系数与汽蚀性能的关系四、升力系数与汽蚀性能的关系 汽蚀部位：汽蚀部位：翼型汽蚀：多发生在叶片进口边背面及转轮叶片与轮毂连接处，及导翼型汽蚀：多发生在叶片进口边背面及转轮叶片与轮毂连接处，及导叶进口部位等。叶进口部位等。间隙汽蚀：轮缘处工作面与背面压力差所致，在存在于轮毂的间隙处间隙汽蚀：轮缘处工作面与背面压力差所致，在存在于轮毂的间隙处 升力系数越大，升力系数越大，升力就越大，发生升力就越大，发生汽蚀的危险也就越汽蚀的危险也就
29、越大。所以，在叶轮大。所以，在叶轮设计时所采用的升设计时所采用的升力系数是受汽蚀条力系数是受汽蚀条件限制的。件限制的。作用于翼型上的升力，应为翼型两面平均压力差作用于翼型上的升力，应为翼型两面平均压力差pp与翼型面积和乘积：与翼型面积和乘积：FwcPyy22又FgHPygwcHy22 而汽蚀与而汽蚀与P Pminmin有直接关系，所伯努力方程有：有直接关系，所伯努力方程有：gpgwgpgwmin2max0222 翼型前的翼型前的P Po o与与P Pminmin之差为：之差为：12222max222maxmin0maxwwgwgwgwgpgpH 定义翼型汽蚀系数如下：定义翼型汽蚀系数如下：12
30、maxwwKi 则：则：gwKHi22max 若令：若令：HHKmax 则：则：gwcKHKHy22max 即：即：gwcKgwKyi2222 因此：因此：yicKK 这样，汽蚀系数与升力系数成正比，即升力系数越小，抗汽蚀性能越好。这样，汽蚀系数与升力系数成正比，即升力系数越小，抗汽蚀性能越好。翼型的翼型的K K值越小，抗汽蚀性能越好。值越小，抗汽蚀性能越好。当翼型在叶栅中工作时，当翼型在叶栅中工作时，系数稍有降低。通常取其值与单翼相等，是偏安全的。系数稍有降低。通常取其值与单翼相等，是偏安全的。五、轴流泵叶轮的设计计算程序（升力法）五、轴流泵叶轮的设计计算程序（升力法）设计时，泵的流量设计时
31、，泵的流量Q Q、扬程、扬程H H、转速、转速n n和和NPSHrNPSHr等由用户提出。等由用户提出。设计过程分计算和绘型两部分。设计过程分计算和绘型两部分。（一）计算（一）计算1 1、计算比转速、计算比转速n ns s、校核转速、校核转速n(n(同离心泵设计一章同离心泵设计一章)2 2、估算效率、估算效率 按经验公式进行，水力效率可用下式估算：按经验公式进行，水力效率可用下式估算：20)172.0(lg42.01Dh3 3、确定叶轮几何参数、确定叶轮几何参数 按前述方法确定轮毂比按前述方法确定轮毂比d dh h/D/Do o、叶片数、叶片数Z Z和外径和外径D Do o4 4、确定计算截面
32、、确定计算截面 通常选取通常选取5 5个截面（柱面或球面），内外留有间隙，一般沿径向均布。个截面（柱面或球面），内外留有间隙，一般沿径向均布。5 5、确定轴面速度、确定轴面速度Vm(Wm)Vm(Wm)和速度环量和速度环量 的分布规律的分布规律6 6、作各截面的速度三角形、作各截面的速度三角形 根据三角形，求出根据三角形，求出WW和和7 7、选择翼型、选择翼型 各截面最好选同一系列的翼型各截面最好选同一系列的翼型8 8、选定翼型相对厚度、选定翼型相对厚度 先定轮毂处的先定轮毂处的（按强度条件）：（按强度条件）：HKD5.1)015.0012.0(max 轮毂处的相对厚度一般为：轮毂处的相对厚度一
33、般为：)12.009.0(/l 轮缘处的相对厚度由工艺条件定，应尽量薄：轮缘处的相对厚度由工艺条件定，应尽量薄：)05.002.0(/l 中间线性变化。等叶轮设计完成后，进行强度校核。中间线性变化。等叶轮设计完成后，进行强度校核。9 9、进行叶栅计算、进行叶栅计算 利用基本方程式，逐次逼近。先算轮缘截面，再算轮毂截面，最后中间截面利用基本方程式，逐次逼近。先算轮缘截面，再算轮毂截面，最后中间截面 这是因为：轮缘（这是因为：轮缘（A-AA-A截面）是主要过流区，对整个叶轮的效率和汽蚀性能截面）是主要过流区，对整个叶轮的效率和汽蚀性能有有 较大影响，因此，应保证其具有最高的效率和汽蚀性能，而轮毂较
34、大影响，因此，应保证其具有最高的效率和汽蚀性能，而轮毂 处的要求可适当降低。处的要求可适当降低。(1)(1)轮缘处（轮缘处（A-AA-A截面）的翼型设计过程：截面）的翼型设计过程：a.a.假定假定=1=1 b.b.预选预选l/tl/t c.c.从翼型特性曲线上的最高质量区内，选取冲角从翼型特性曲线上的最高质量区内，选取冲角，并查出，并查出Cy1Cy1 d.d.修正后得到修正后得到CyCy e.e.代入基本方程，得到代入基本方程，得到l/tl/t f.f.重复重复c ce e步骤，直到步骤，直到l/tl/t相差不多。相差不多。否则，可考虑改变冲角，或重新选择翼型否则，可考虑改变冲角，或重新选择翼
35、型 (2)(2)轮毂处（轮毂处（E-EE-E截面），冲角截面），冲角往往不易满足，因此从强度和汽蚀性能往往不易满足，因此从强度和汽蚀性能 出发，主要设计过程：出发，主要设计过程：a.a.确定确定l/t=(1.25l/t=(1.251.4)(l/t)1.4)(l/t)轮缘轮缘 b.b.代入基本方程，得到代入基本方程，得到CyCy c.c.修正后得到修正后得到Cy1Cy1 d.d.从翼型特性曲线上查出从翼型特性曲线上查出 e.e.确定安放角确定安放角e=+e=+(3)(3)其它截面，计算相同其它截面，计算相同 (4)(4)各截面厚度的计算各截面厚度的计算 假定假定B-BB-B截面，选择最大厚度为截
36、面，选择最大厚度为12.7mm12.7mm，选用，选用NACA4410NACA4410翼型。翼型。查表知，该翼型查表知，该翼型30%30%弦长处为厚度最大，弦长处为厚度最大，max=10.02max=10.02，因此，将翼型各，因此，将翼型各厚度均乘以厚度均乘以12.7/10.0212.7/10.02，则得到设计用翼型。，则得到设计用翼型。最后得到各截面的翼型之最后得到各截面的翼型之l l、e e（二）叶轮绘型（二）叶轮绘型1 1、根据上述计算结果换算出翼型的座标参数，画翼型展开图、根据上述计算结果换算出翼型的座标参数，画翼型展开图2 2、确定叶片旋转轴线的位置、确定叶片旋转轴线的位置 各截面
37、的转动中心通常取在离翼型前缘点的距离为（各截面的转动中心通常取在离翼型前缘点的距离为（30%30%40%40%）的地方。）的地方。旋转中心一般应选在最大厚度处，经常通过骨线，也可偏向工作面。旋转中心一般应选在最大厚度处，经常通过骨线，也可偏向工作面。3 3、作叶片轴面投影图、作叶片轴面投影图 (1)(1)在各截面图中，在各截面图中，过转轴作水平线过转轴作水平线 (2)(2)将各翼型端点到将各翼型端点到水平线的距离，移到轴水平线的距离，移到轴面图中心线的两侧（将面图中心线的两侧（将各翼型的转动中心放在各翼型的转动中心放在同一条径向线上）。同一条径向线上）。(3)(3)光滑连接轴面图光滑连接轴面图
38、中各点，得到进口边和中各点，得到进口边和出口边出口边 (4)(4)若进出口边不光若进出口边不光滑，修旋转中心位置。滑，修旋转中心位置。4 4、作叶片平面投影图、作叶片平面投影图 (1)(1)用两组平面去截用两组平面去截叶片表面。叶片表面。一组平面是夹角为一组平面是夹角为1010的轴面的轴面I I、IIII、IIIIII；另一组是；另一组是垂直于叶轮轴线的平面垂直于叶轮轴线的平面1 1、2 2、33。间距一般。间距一般8 810mm.10mm.(2)(2)将叶片与横截面将叶片与横截面1 1、2 2、33的交线（木的交线（木模截线）画到平面投影模截线）画到平面投影图上（工作面、背面）。图上（工作面
39、、背面）。(3)(3)若木模截线不均若木模截线不均匀，或不光滑变化，应匀，或不光滑变化，应调整修旋转中心位置或调整修旋转中心位置或其它几何参数。其它几何参数。注意：绘型时要考虑转向。因叶片向进口方向旋转，该叶轮从出口方注意：绘型时要考虑转向。因叶片向进口方向旋转，该叶轮从出口方向看顺时针方向旋转。向看顺时针方向旋转。5 5、作向视图、作向视图设计实例设计实例一、导叶的作用一、导叶的作用 1 1、把从叶轮流出的液体导入扩散管，并将液体的部分动能转换为压能、把从叶轮流出的液体导入扩散管，并将液体的部分动能转换为压能 2 2、消除速度环量、消除速度环量 二、导叶的结构参数二、导叶的结构参数 导叶体：
40、导叶导叶体：导叶 +扩散管扩散管 目的：减小轴向长度目的：减小轴向长度 结构参数：应和叶轮室与出水管的结构统一考虑结构参数：应和叶轮室与出水管的结构统一考虑 扩散角：扩散角：7 79 9 进口边：平行于叶片出口边，进口边：平行于叶片出口边，间距为（间距为（0.050.050.10.1）D D 叶片数：叶片数：Z=5Z=51010 低比转速取大值，低比转速取大值，与叶轮叶片数互为质数。与叶轮叶片数互为质数。出口直径出口直径D4D4：取标准，接弯管（不扩散）：取标准，接弯管（不扩散）高度高度e:e:与与l/tl/t及及Z Z有关，根据经验确定有关，根据经验确定三、流线法设计导叶三、流线法设计导叶
41、升力法、圆弧法，这里从略升力法、圆弧法，这里从略 1 1、绘制轴面图、绘制轴面图 根据结构参数确定根据结构参数确定 2 2、分流面（流线）、分流面（流线）一般为锥面，但可一般为锥面，但可用与叶轮相同的柱面代用与叶轮相同的柱面代替，便于计算替，便于计算 3 3、计算各流面上叶片、计算各流面上叶片进口和出口安放角进口和出口安放角3333kvvtgum 其中：其中：233333332233,sin,1,4uuuuhmvvSSDzSkdDQv 所以，所以，33要迭代计算要迭代计算 4=904=90 4 4、计算叶栅稠密度、计算叶栅稠密度l/tl/t 根据叶栅内相邻两叶片所组成的流道的扩散角计算。根据叶
42、栅内相邻两叶片所组成的流道的扩散角计算。该通道的进口宽度为该通道的进口宽度为t tsinsin3 3，出口近似为，出口近似为t t，长度近似为弦长，长度近似为弦长l l，扩散角为：，扩散角为：ltttg2sin2322sin1/3tgtl 扩散角扩散角 应为应为6 61010，一般先选择，一般先选择l/tl/t，然后校核，然后校核 5 5、计算导叶高度、计算导叶高度 当当4 49090时，有时，有2sin43le （自己证明）（自己证明）6 6、确定导叶骨线（圆弧）半径、确定导叶骨线（圆弧）半径2sin234lR 7 7、绘制翼型骨线、并加厚、绘制翼型骨线、并加厚 导叶一般是等厚的，最大厚度按
43、强度要求确定，在工艺允许条件下尽量薄。导叶一般是等厚的，最大厚度按强度要求确定，在工艺允许条件下尽量薄。导叶进口边要修圆，尾部修尖。导叶进口边要修圆，尾部修尖。8 8、导叶叶片绘型、导叶叶片绘型 包括画轴面图、翼型展开图、平面图。包括画轴面图、翼型展开图、平面图。(1)(1)根据确定的结构参数作轴面图，分流线；作垂直泵轴的木模截面根据确定的结构参数作轴面图，分流线；作垂直泵轴的木模截面1 1、2 2、3.3.(2)(2)根据得到的根据得到的3 3、4 4和和R R，画出每个流面的骨线，然后在骨线上加厚，画出每个流面的骨线，然后在骨线上加厚 (3)(3)作平面图（木模截线）。根据轴面图各流面的半
44、径和展开图的型线可作平面图（木模截线）。根据轴面图各流面的半径和展开图的型线可 作出平面中的木模截线。作出平面中的木模截线。为此，先在平面图上画出相应流面半径的圆弧，确定进口边的位置。为此，先在平面图上画出相应流面半径的圆弧，确定进口边的位置。定进口边位置的原则一般是使进口边处的轴面截线和流线垂直。定进口边位置的原则一般是使进口边处的轴面截线和流线垂直。确定进口边位置后，作各木模截线。作的方法是展开图上某一截面确定进口边位置后，作各木模截线。作的方法是展开图上某一截面 到进口端的水平距离等于相应截面平面图圆弧上离进口边的圆弧长度。到进口端的水平距离等于相应截面平面图圆弧上离进口边的圆弧长度。将
45、各截面的同名木模截面点相连，得工作面和背面的木模截线。将各截面的同名木模截面点相连，得工作面和背面的木模截线。注意：绘型时要考虑叶轮转向。导叶从进口看到的是凸面（背面），注意：绘型时要考虑叶轮转向。导叶从进口看到的是凸面（背面），从出口看到的是凹面（工作面），另外水流从进口流向出口。据此，根据从出口看到的是凹面（工作面），另外水流从进口流向出口。据此，根据裁剪图可以判定泵的转向。下例中，从出口看，顺时针旋转。裁剪图可以判定泵的转向。下例中，从出口看，顺时针旋转。一、吸水室的作用一、吸水室的作用 将吸水池中的水引向叶轮入口，保证液流均匀入流将吸水池中的水引向叶轮入口，保证液流均匀入流二、吸水室的
46、类型二、吸水室的类型 吸入喇叭管吸入喇叭管 直收缩管直收缩管 肘形吸水室肘形吸水室 钟形吸水室钟形吸水室 其中，前两种用于小型泵，后两种用于大型泵。其中，前两种用于小型泵，后两种用于大型泵。三、吸入喇叭管三、吸入喇叭管 用于叶轮直径小于用于叶轮直径小于1m1m的泵的泵 四、肘形吸水室四、肘形吸水室 三部分组成：三部分组成：圆锥形收缩段圆锥形收缩段 弯曲段弯曲段 进水段进水段 整个流道断面应是逐渐整个流道断面应是逐渐收缩的。进水段的断面形收缩的。进水段的断面形状为矩形，进口高度不能状为矩形，进口高度不能超出水面，宽度超出水面，宽度B B根据流速根据流速确定，流速一般在确定，流速一般在0.50.5
47、1.0m/s1.0m/s范围。范围。1210,2520,5.02.0,0.18.0,0.46.3,5.20.2,8.15.1DrDRDLDBDH五、钟形吸水室五、钟形吸水室 四部分组成：四部分组成：进水段进水段 吸水室吸水室 导水锥导水锥 喇叭管喇叭管 液流经进水段引进吸水液流经进水段引进吸水室，吸水室将液流引向喇叭室，吸水室将液流引向喇叭口四周，然后通过喇叭管和口四周，然后通过喇叭管和导水锥之间的通道进入泵的导水锥之间的通道进入泵的叶轮室。叶轮室。进水段的断面形状为矩形，比肘形稍宽。在吸水室后壁有隔离墩。进水段的断面形状为矩形，比肘形稍宽。在吸水室后壁有隔离墩。叶轮中心至流道底板的离度叶轮中
48、心至流道底板的离度H H为：为：10hhhH ho ho是由叶轮中心至泵座环法兰面的高度，对既定的泵为定值，设计泵时确定。是由叶轮中心至泵座环法兰面的高度，对既定的泵为定值，设计泵时确定。4.11.1,)6.04.0(,)4.03.0(1DHDhDh 1 1、流体在轴流式泵内的流动有何特点？速度三角形如何绘制？、流体在轴流式泵内的流动有何特点？速度三角形如何绘制？2 2、何为流型？等环量级流型为何又称为自由旋涡级？有何优缺点？、何为流型？等环量级流型为何又称为自由旋涡级？有何优缺点？3 3、翼型的动力曲线与叶栅的动力曲线有何区别？、翼型的动力曲线与叶栅的动力曲线有何区别？4 4、叶栅的流体动力
49、方程是如何建立的？物理意义如何？如何使用它？、叶栅的流体动力方程是如何建立的？物理意义如何？如何使用它？5 5、汽蚀系数与升力系数的关系如何？设计叶轮时如何考虑这一关系？、汽蚀系数与升力系数的关系如何？设计叶轮时如何考虑这一关系？6 6、升力法是一种什么性质的叶轮设计方法？采用升力法设计叶轮的主要、升力法是一种什么性质的叶轮设计方法？采用升力法设计叶轮的主要过程是什么？过程是什么？7 7、导叶的作用如何？它有哪些主要几何参数？采用流线法如何进行导叶、导叶的作用如何？它有哪些主要几何参数？采用流线法如何进行导叶设计？设计？8 8、轴流泵的吸水室有哪几种主要型式？、轴流泵的吸水室有哪几种主要型式？
