§ 4.1 水力设计概述

离心泵的性能指标和运行特性是由离心泵的水力设计决定的。泵从设计到成为产品投入运行，中间要经过许多环节，如模型加工、铸造、机械加工、装配、试验等。一个好的水力设计只有经过各个有关工序成为产品后，才能产生经济效益。如果水力设计在生产过程中无法保证，或者按现有的工艺水平根本不能制造，那么，这个水力设计再完美也是没有用的，作为水力设计工作人员，应当明确认识他的选择对以后的一系列生产活动有着至关重要的影响。另外，泵的性能要求与制造工艺性、经济性之间总存在相互的矛盾，例如一个容易铸造的叶轮，水力性能往往不好，从而使效率低下；从安装和经济性角度考虑，泵的总体尺寸应尽量小些.但一般又与泵的稳定运行特性相抵触，等等。所以，泵的设计过程是-个综合分析、统筹解决各个矛盾的过程，即使对一个有经验的设计人员，优化设计的思想也可能是潜意识的。因此，在开始设计离心泵时就应明确规定出设计技术要求。拫据大量的设计、生产和使用的经验，总结出水力设计应遵循以下一些原则（或者称为水力设计的目标）。

（1）在允许的限度（如公差、可靠性水平）内达到规定的流量、扬程。

（2）达到最佳的效率。

（3）在泵的整个运行范围内，流量一扬程特性稳定。

（4）按规定的汽蚀标准要求，使最小。

（5）使外形尺寸尽量小。

（6）在运行范围内（或在一些情况下要求的瞬变状态或紧急状况）无功率过载特性。有时无过载要求表示在额定流童下功率达最大值。

（7）机械振动和散发的噪声最小。

（8）水流产生的轴向推力和径向推力最小。

（9）有良好的制造工艺性，特别是可铸性。

（10）造价最低。

（11）一些特殊耍求。

人们在设计离心泵方面已积累了大量的经验，有许多成功的方法和资料、数据可以借鉴，但针对某一具体技术要求的新产品，从设计到生产的过程并不总是—帆风顺的，可能有若干种方案可供选择。在协调设计要求、制造工艺的各个矛盾过程中，要不断地修改原设计，特别是需要做模型泵的中间试验以确定设计是否达到预定的各种指标，所以设计、制造、试验的周期往往很长，可能还要经历若干次反复。即使是改型设计，前述的过程也是必不可少的。因此，如何比较各种设计方案，进行筛选，能否不通过模型泵的试验来检验各种性能指标，时用理论分析和计算的方法来预测泵的各种指标和特性，以节约人力物力，缩短设计、生产周期，就成为从事泵的研究、设计人员的一个重要课题。事实上，人们在开始泵的研制活动以来就一直不断地总结经验、深化认识、探求规律，通过对已有的试验数据的统计分析，发掘各种几何参数与性能之间的内在联系，通过对叶轮、蜗壳等通流部件内流动的研究，探人了解能量交换与流动损失的各种机理，逐步认清影响泵性能指标的各种因素，从而形成了分析泵内流动、预测离心泵性能的许多方法。虽然这些方法大多是由简化的理论模型得出的，在一些情况下不能如实地反映泵内的真实流动，还需要通过试验来修正或补充，但是经验表明，在设计工况或与设计工况偏离不远的情况下，理论分析与预测时以得到比较符合实际的结果。

泵的设计过程大体可以分为三个阶段：构思阶段，初步设计阶段，细节设计阶段，对一具体的设计任务，根据已有的文献资料，试验数据和泵在使用与设计方面的经验，通过讨论集思广益，结合设计者创造性的想像力，可以提出若干方案，这一早期过程称为构思阶段。各种方案提出以后，接着开始初步设计阶段，需要论证各种方案的可行性，比较它们的优缺点，预测它们可否达到既定的目标，以便确定一个设计的雏形。这一阶段处于水力设计阶段，主要依赖流体力学的一维方程组和各神经验关系式来确定泵的各个结构参数和大体的几何形状，然后按这些参数来预测泵在设计工况的性能。为了保证在较大的运转范围内获得良好的性能，也需要在非设计工况的一些运行点进行性能预测，因此这个阶段的计算带有重复尝试的性质，优化设计工作也应在这个阶段进行。在细节设计阶段，将会碰到涉及流体力学、结构强度、制造工艺及经济性等各方面的问题。就水力设计面言，这一过程意味着在分析和预测备种性能时，应采用二维或三维的流动模型，确定各通流部件的全部三维尺寸和相关尺寸。有关水力计算的流体力学数值方法，有三个基本的层次。第一个层次是一维流动的平均计算方法，它基丁过流断面上流动参数均匀分布的假设，根据物理规律并结合一些经验的关系式，建立起沿流道几何中线通流面积与平均压强和平均速度三角形之间的联系。第二个层次是无粘的二维或三维流动分析，结合或者不结合边界层计算。在无粘的流动分析中，可以考虑粘性的一阶影晌，例如总压损失修正。也可用流动角偏差修正来改进流场计算。在结合边界层的无粘流场计算中，对壁面切应力和阻塞效应有着本质的改进。然而在叶轮机械内部的流动中，很多情况下粘性影响并不局限于靠近固体壁面的薄层中，因此，第三个层次的流体力学计算方法为完全粘性流体的三维流动计算方法。这三个层次的流体力学计算，对于泵的设计与流动分析都是十分重要的。因为对泵内流动按不同简化建立的物理和数学模型都有它的适用范围，也就是说，这些方法都有各自的局限性，所以在水力设计过程中究竟选用什么方法，在很大程度上取决于这种方法的适用性，以及设计要求的性能水准和达到该水准所付出的经济价值。例如，—维算法用计算器或微型计算机便可完成，而二维或三维计算方法由于计算速度和存储的要求，微型计算机尚不能满足，此外，计算时间也往往较长。在优化设计计算中需要大量的反复计算，如果采用二维或三维流动的计算方法，其计算费用将很大，甚至可能超出整个设计费用预算。

目前，理论分析方法还不能完全取代研制阶段的中间试验，但流场分析与性能预测对设计具有指导意义。它可以避免失误，减少中间试验次数，从而节约人力物力，缩短研制周期。它在生产中的积极意义是毫无疑义的。