叶轮机械设计关键！一套离心泵水力设计仿真与性能预测方法

导读：大家好，我是仿真秀专栏作者爱吃肉肉，2018年毕业至今深耕机械水泵与无刷直流电动水泵领域，拥有丰富的离心泵水力设计及产品结构开发经验，擅长将理论计算，仿真求解，实物验证三者结合，具备从需求分析到量产交付的全流程把控能力。近日，由我原创且独家首发仿真秀官网的视频课程《Fluent离心泵水力设计仿真与性能优化方法29讲》上架啦，欢迎读者加入我的订阅用户群，一起交流离心泵水力设计技术，详情见后文。

我们知道，在叶轮机械设计领域，叶片包角是影响流体动力性能、能量转换效率及运行稳定性的关键参数之一。其定义为叶片在圆周方向上的投影角度，直接决定了流体在叶轮流道内的运动轨迹、速度变化规律及压力分布特性。合理确定叶片包角，可有效降低流动损失、提升抗气蚀性能，并避免叶片振动等故障，本文重点讲解叶轮叶片包角的确定路径和方法。

一、叶片包角的基本概念与影响机制

1、叶片包角的定义：几何本质

叶片包角（通常用 α 表示，单位为度 ° 或弧度 rad）是指叶片进口边与出口边在叶轮圆周方向上的夹角，反映了叶片对流体的 “引导长度”。在离心式、轴流式等不同类型叶轮中，包角的取值范围与设计目标存在显著差异：

（1）离心式叶轮：包角通常介于 60°-180° 之间，小流量高压工况下包角偏大（如 120°-180°），大流量低压工况下包角偏小（如 60°-90°）；

（2）轴流式叶轮：包角一般为 30°-80°，需结合叶片弦长、稠度（弦长与节距比）共同设计，避免流道过窄导致的二次流损失。

2、叶片包角对离心泵的核心作用：从水力到稳定性的影响

叶片包角的大小直接决定了流体在叶轮内的 “流经路径” 和 “能量交换过程”，进而影响泵的效率、扬程、抗汽蚀能力、运行噪音等关键性能：

(1) 调控流体能量传递效率，决定扬程的稳定性

离心泵的核心功能是通过叶轮旋转，将机械能转化为流体的动能和压力能（即 “扬程”），而叶片包角是能量传递的 “调控阀”：

原理：流体在叶轮内的相对流经路径长度 L ≈ πD₂φ/(360°)（其中 D₂为叶轮外径）。包角 φ 越大，路径 L 越长，叶片与流体的相互作用时间越久，能量传递越充分、均匀；反之，路径 L 越短，能量传递越 “仓促”。

影响结果：包角过小（如 φ<80°）：路径过短，叶片对流体的 “推送” 作用不充分，部分流体未被充分加速就流出叶轮，导致扬程偏低且波动大（尤其在变流量工况下）。包角过大（如 φ>160°）：路径过长，流体在叶道内的沿程摩擦损失（与路径长度成正比）显著增加，反而抵消了部分能量传递效果，导致净扬程下降。最优区间：中比转数泵（通用工况）通常选择 φ=100°~140°，平衡 “能量传递充分性” 与 “沿程损失”，使扬程稳定且高效。

(2) 控制流动损失，优化泵的水力效率

离心泵的水力效率（泵有效能量与输入能量的比值）主要受局部损失（流体转弯、冲击）和沿程损失（流体与壁面摩擦）影响，叶片包角直接决定这两种损失的平衡：

• 包角过小：叶片进口到出口的圆周跨度小，叶道 “陡峭”，流体在叶道内需快速转弯（类似汽车急拐），易产生漩涡和二次流（流体在主流外的反向旋转流动），导致局部损失激增；同时，出口流速分布极不均匀，流体进入蜗壳时与蜗壳壁面的 “冲击损失” 大，总效率可下降 5%~15%。

• 包角过大：叶道 “狭长”，流体与叶片表面、叶轮内壁的摩擦面积增大，沿程损失显著上升；且长叶道内容易积垢（流速低、滞留时间长），进一步缩小流道截面积，恶化流动，效率持续降低。

• 最优平衡：通过调整包角（如低比转数高扬程泵选 φ=130°~160°，高比转数大流量泵选 φ=80°~110°），可使两种损失之和最小，此时泵的水力效率最高（通常可达 75%~90%，依泵型而定）。

二、叶轮叶片包角的确定方法

通过前面的解读可知包角对于叶轮性能起到关键的决定性作用，各方资料推荐的均是经验值，且还是一个范围值，而我们设计水力的时候却需要一个固定的数值，所以，包角的输入不同将会导致水力设计出现多种不确定的结果，影响设计效率，在我的仿真秀视频课程《Fluent离心泵水力设计仿真与性能优化方法29讲》中，采用了一种提高设计效率准确判定包角数值的方法，提升设计效率。

1、先通过后盖板流线分点确定进口边在轴面投影图的位置，计算出进口角度，通过方格网保角变换，确定进口边方格网上的位置，进出口角度和进口边位置三个参数，确定后盖板流线包角的取值。

黄色线为叶片流线

2、在方格网上确定包角的取值范围

保角变换，其实就是保证空间流面上流线与圆周方向的角度不变的变换。在平面上的展开流线只要求其与圆周方向的夹角和空间流线的角度对应相等，展开流线的长度和形状可能不同。所以说白了就是相似，而不是相等。方格网的横坐标代表的是轴面流线对应的分点，纵坐标代表的夹角为对应分点所用的△0的轴面.△0表示在轴面投影图旁所作的两条射线的夹角，一般△0=3°～5°

方格网确定保角存在以下三种情况：B1＞B2，B1＜B2，B1＝B2，其中第三种重合，此处不做展示

且叶片型线绘制需要满足以下要求：

• 光滑平顺

• 单向弯曲，不要出现S形状，以平直稍凸为好

• 各型线需要有一定的对称性

以上三点了限制了型线点左右移动的范围，即第一种包角范围90-130°，第二种包角范围65-90°。

3、在方格网上确定包角的具体数值

通过在包角范围内移动安放角的型线点，使进口角和出口角的交点到分点处的距离相等，则此时的包角即为最佳角度。

三、离心泵水力设计仿真优化方法

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《Fluent离心泵水力设计仿真与性能优化方法29讲》

以下是课程安排：

第1讲：叶轮主要参数的初步计算

第2讲：叶轮轴面投影图绘制

第3讲：过水断面与流道中线关系的检查

第4讲：叶轮后盖板流线分点

第5讲：叶片进口边的确定

第6讲：叶轮进口角度的确定

第7讲：叶轮包角的确定方法

第8讲：叶轮包角的确定方法

第9讲：方格网保角变化绘制叶片

第10讲：轴面投影图截线交点的求解

第11讲：轴面投影图上进行叶片加厚

第12讲：绘制叶轮平面图

第13讲：UG 绘制叶轮三维模型(叶轮水力设计完结)

第14讲：离心泵蜗壳流道的截面积计算

第15讲：螺旋线蜗壳平面图绘制

第16讲：UG 蜗壳流体域绘制

第17讲：UG 蜗壳隔舌的处理

第18讲：离心泵计算流体域的创建

第19讲：离心泵前处理 网格划分

第20讲：Fluent流体仿真求解

第21讲：Fluent 离心泵特性曲线参数化仿真

第22讲：SCDM 流体计算域的前处理

第23讲：Mesh 网格划分与加密

第24讲：Mesh 网格边界层的添加

第25讲：CFX 流体仿真求解设置

第26讲：CFD-POST后处理基本操作

第27讲：离心泵空化的模拟

第28讲：空化的模拟-初生阶段

第29讲：空化的模拟-汽蚀余量计算

特别提示：课程大纲仅供参考，以实际更新为准。由于内容产品特殊，版权保护需要，强烈推荐用户加入作者的VIP群，关于课程任何困惑，不清楚的你都可能在群里得到答案和服务，还可交流行业相关资料。

来源：仿真秀App