摘要
本文针对轴流泵的水力及结构设计进行了深入研究。首先，通过分析轴流泵的工作原理和流体力学特性并利用流体力学计算水力特性设计了叶片的几何参数，包括叶片数量、叶片型线和安装角等。并且在保证泵效率的同时，设计降低了泵的汽蚀余量，提高了泵的性能。在此基础上，研究了轴流泵的结构设计，重点关注了轴承、密封和轴系等关键部件的设计与选型。对泵体和叶轮进行了强度和刚度校核，确保了泵的结构安全性和可靠性。
通过结构设计，泵的振动和噪声水平明显降低，使用寿命得到显著提升。本研究为轴流泵的设计和优化提供了理论依据和实践指导，对提高轴流泵的性能和可靠性具有重要意义。
关键词：轴流泵；水力设计；结构设计；流体力学；强度校核
摘要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究目的 1
1.3 国内外研究现状 2
1.3.1 国外研究现状 2
1.3.2 国内研究现状 2
1.3.3综述点评 3
1.4 研究内容与方法 4
1.5 设计的原始数据 4
2 轴流泵的选择和工作特性 6
2.1 轴流泵的工作原理 6
2.2 泵型的选择和工作特性 6
2.2.1 轴流泵的选型 7
2.3确定最佳工作范围 7
2.3.1 最佳工作点 7
2.3.2 流动模式 8
2.4泵的比转速计算 8
2.5泵的最佳工作范围 8
2.6轴流泵方案设计 8
3 轴流泵的结构设计 10
3.1 叶轮的水力设计 10
3.1.1 叶轮直径D 10
3.1.2 叶轮宽度 10
3.1.3 叶片Z的数目 11
3.1.4 叶轮形状计算 11
3.1.5 确定轴面速度和速度环量 12
3.1.6 计算泵的汽蚀比 13
3.2 泵体设计 13
3.2.1 进口段设计 13
3.2.2 出口段设计 13
3.2.3 轴承选型 14
3.3 导叶的水力设计 15
3.3.1 导叶结构参数的选择 15
4 轴流泵的校核 16
4.1 轴泵功率的计算 16
4.2 轴系设计 16
(1)计算扭矩T 16
(2)计算轴径d 16
4.3 电机的选择 17
4.4泵体强度分析 17
5 结构设计和材料选择 19
5.1 叶轮结构设计 19
5.2 泵壳结构设计 19
5.3 装置的密封 20
6.1 总结 22
5.2 展望 22
1 绪论
1.1 研究背景及意义
轴流泵作为一种重要的流体输送设备，广泛应用于农业灌溉、城市给排水、工业循环水等领域。随着经济的发展和科技的进步，对轴流泵的性能要求越来越高，如更高的效率、更大的流量、更低的噪音等。因此，深入研究轴流泵的水力及结构特性，对于提高轴流泵的性能和可靠性具有重要的现实意义。
泵行业不断发展，需要不断改进轴流泵的性能和结构。可以通过流量、扬程和效率等关键参数研究轴流泵的水力特性；研究结构方面可以提高泵的可靠性、降低维护成本，从中发现轴流泵在水力及结构上的改进需求。
当前，国家在能源、水利、环保等领域投入大量资源进行重大科研项目攻关。轴流泵在水资源调配、水电工程、污水处理等方面起着关键作用。国家重大科研项目可能对轴流泵的高效运行、稳定结构以及特殊工况适应能力提出更高要求，从而促使对轴流泵的水力及结构进行深入研究，以满足国家战略需求。
从学术角度来看，轴流泵的水力及结构设计研究涉及流体力学、材料科学、机械设计等多个学科，具有较高的理论价值。通过流体力学计算，可以深入探究泵内水力特性，为轴流泵的设计理论提供新的见解和突破。同时，这项研究也为发展新型高效轴流泵奠定了基础，推动了流体机械领域的技术创新
1.2 研究目的
本研究的主要目的是通过深入探讨轴流泵的水力及结构设计，提高其整体性能和可靠性。轴流泵作为重要的流体机械设备，在水利、电力、石油化工等领域有着广泛应用。随着工业技术的快速发展，对轴流泵的性能要求不断提高，这就需要从水力和结构两个方面进行全面优化设计。
在水力设计方面，深入理解轴流泵的水力特性，研究不同工况下轴流泵的水力性能参数，如流量、扬程、效率等，以提高泵的工作效率，设计叶轮的形状、叶片角度和数量等参数
减少水力损失，提高流体的能量转换效率，并进行强度和刚度分析，确保叶轮的结构稳定性。避免因叶轮变形或损坏而影响轴流泵的正常运行。设计叶片几何参数，包括叶片数量、叶片型线和安装角等。并且通过水力特性计算，期望在提高泵效率的同时，降低汽蚀余量，从而全面提升泵的水力性能。这不仅能够提高能源利用效率，还能延长设备使用寿命，降低运营成本。
在结构设计方面，本研究着重关注轴承、密封和轴系等关键部件的设计与选型。并且对泵体和叶轮进行强度和刚度校核，确保泵的结构安全性和可靠性。通过结构设计，显著降低泵的振动和噪声水平，提高其使用寿命和运行稳定性。
本研究还旨在探索先进的材料选择和润滑技术，以进一步提高轴流泵的性能和耐久性。通过综合考虑水力设计和结构设计，期望为轴流泵的设计提供全面的理论依据和实践指导，推动轴流泵技术的创新和发展。
最终，本研究的目的是通过系统的水力及结构设计，显著提高轴流泵的效率、可靠性和使用寿命，为相关行业提供更高性能、更低能耗的流体输送解决方案，推动流体机械技术的进步和行业的可持续发展。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
（1）在水力设计方面，国外的研究机构和企业一直处于领先地位。他们广泛应用数值模拟技术，利用先进的计算流体力学软件对轴流泵内部流场进行精确模拟。在轴流泵性能预测方面，建立了轴流泵性能的数学模型,可以预测不同工况下的扬程、效率等参数并采用人工神经网络方法对轴流泵性能进行了预测,取得了较好的效果。通过模拟不同工况下的水流流动状态，优化叶轮和导叶的形状、尺寸以及流道设计，从而提高轴流泵的水力效率和性能。同时，基于大量的实验数据和理论分析，国外不断涌现出先进的水力模型。这些模型能够更准确地预测轴流泵的性能，为设计提供更可靠的依据。此外，对于特殊工况下的轴流泵水力性能研究也非常深入，比如低扬程、大流量以及高扬程、小流量等工况。针对这些特殊工况，国外研究者提出了相应的设计方法和改进措施。
（2）在结构设计方面，国外不断探索和应用新型材料，如高强度合金、复合材料等。这些新材料的应用提高了轴流泵的强度、耐腐蚀性和耐磨性，同时减轻了泵的重量。通过计算机辅助设计（CAD）等技术，对轴流泵的总体结构布局进行优化，提高了泵的可靠性和稳定性，降低了振动和噪声。此外，国外还借助先进的制造技术和自动化设备，实现轴流泵的智能化设计与制造，提高了生产效率和产品质。
1.3.2 国内研究现状
（1）在水力设计方面，近年来,我国学者在轴流泵水力及结构设计方面也取得了一系列重要进展。朱友岗等（1994）提出了一种超低扬程涡桨叶轮的设计方法,通过降低nD值来实现低扬程轴流泵的设计[1]。在借鉴国外先进经验的基础上，结合国内实际工程需求，开展了大量的理论研究和实验工作。通过理论研究与实践相结合，开发出了适合我国国情的水力设计方法和软件。随着计算技术的发展，国内学者对轴流泵内部流场的研究也越来越深入。他们采用数值模拟和实验研究相结合的方法，揭示了流场中的各种复杂现象和规律，陈奕宇等（2024）研究了导叶进口角度对轴流泵水力性能的影响,发现增大导叶叶片轮毂侧进口角度可以
