離心/混流泵是水泵的常見形式，廣泛應用于工業、農業等各個領域。本文以一個離心式水泵為例，簡要介紹相關過流部件的水力設計過程。

葉輪是泵的最核心過流部件，泵的流量、揚程、效率、抗汽蝕性能和特性曲線的形狀與葉輪的水力設計密切相關，葉輪設計需要經過三方面的主要步驟。

 主要參數和結構方案確定 

首先根據設計要求，如流量、揚程、轉速、汽蝕余量等參數，對泵的主要參數和結構方案進行確定。

泵進口直徑Ds指的是泵吸入法蘭處管的直徑。泵出口直徑Dd是泵排出法蘭處管的內徑。按照經驗公式進行計算。

其中，

轉速的確定需要考慮幾個因素：

? 轉速越高，體積越小、重量越輕 à高轉速

? 轉速和比轉速有關，比轉速和效率有關 à轉速和比轉速協同確定

? 轉速考慮原動機的類型和傳動裝置 à同步轉速3000、1500、1000、750、600、500（rpm），滑差

? 轉速提高，過流部件的磨損加塊，機組的振動、噪聲變大 à轉速有上限

? 轉速提高，更容易發生空化 à轉速有上限

之后根據公式計算比轉速：

比轉速應當兼顧一下幾個因素： 

? 120~210之間效率高，小于60，效率顯著下降

? 單吸式、雙吸式相互轉換，調整ns

? 特性曲線形狀與ns大小有關

? 多級泵的比轉速按照單級葉輪計算

至此，泵進出口直徑、轉速、比轉速等參數就已經確定了。結構形式是單級/多級、單吸/雙吸也已經確定了。

值得注意的是，各個參數之間具有一定的關聯性，也會受到實際因素，如尺寸標準化、同步異步轉速等的制約。因此，主要參數和結構方案的確定過程有可能是一個反復嘗試的過程。

最終確定后，可參照同類產品或經驗公式近似估算效率、軸功率等參數，具體計算此處不再贅述。

 葉輪主要尺寸初步計算 

葉輪的尺寸較多，按照位置，大致上可以分為進口尺寸和出口尺寸兩類。其中葉輪進口尺寸影響汽蝕性能；出口尺寸影響揚程、流量；進出口尺寸共同影響效率。

初始設計時，最小軸徑（通常是聯軸器處的軸徑），按扭矩確定。考慮影響剛度和臨界轉速的因素，適當放大，對接到標準直徑。葉輪設計完成后，須進行詳細校核（強度、剛度、臨界轉速）。

葉輪進口直徑Dj的計算方法如下：

其中Q為流量，雙吸泵取Q/2；K0根據統計資料選取，主要考慮效率3.5~4.0，主要考慮汽蝕4.5~5.5，兩者兼顧4.0~4.5。

葉輪出口直徑D2：

KD2為修正系數，根據統計資料選取。

葉輪出口寬度b2：

Kb2為修正系數，根據統計資料選取。

一般根據統計資料，在18~40°之間選擇，當然對于特殊要求，也可以在推薦范圍之外。

葉片數Z：

 精算葉輪外徑 

系數來源于大量的工程實例，在一般情況下是比較可靠的，但還需要按照理論方法進行校核。一般采用選定葉片出口角β2后精算出口直徑D2的方式。

理論揚程：

修正系數：

有限葉片數修正系數：

無窮葉片數理論揚程：

葉片出口排擠系數：

出口軸面速度：

出口圓周速度：

出口直徑：

上述計算過程中，要先采用假設的D2值才能夠進行D2的理論計算，因此當D2（理論）與D2（假設）的數值有差異時，應當進行第二次精算。

 繪制軸面投影圖 

確定葉輪的主要尺寸后，可開始繪制葉輪軸面投影圖。其形狀十分關鍵，可參照比轉速相近、性能較優的葉輪圖作為參考。完成后需要檢查流道過水斷面的變化情況。

 葉片設計 

設計葉片主要目的在于求出符合流動規律的葉片形狀，本質就是求出流體相對運動流線。

葉片設計的主要步驟如下：

1）繪制軸面流線

2）在各個流面上繪制空間流線，包括方格網保角變換法、扭曲三角形法、逐點計算法等。

3）葉片加厚

完成后，還應當按照一定的標準對葉片繪型的質量進行檢查。

 小結 

葉輪的設計過程主要分為三個大步驟和若干小步驟，參數較多，步驟繁瑣，在涉及到相互關聯的參數計算時，往往需要重復多次進行試算。而當設計方案需要進行更改時，更牽涉到大量的重復性工作，導致人力成本、時間成本增加。因此泵的CAD技術越來越受到工業界的重視。

目前，已經有多款泵設計軟件問世，比如CFturbo、PCAD、AIPump等。CFturbo具有從軸流泵到離心泵機組的整機設計能力，能夠同步建立三維模型，具有主流CAD、CAE軟件的接口。

PCAD由著名水泵設計專家關醒凡老師開發，使用方便易上手，能夠輸出AutoCAD格式的木模圖，能夠為加工提供圖紙，但對CAE軟件的支持稍顯不足。

AIPump是由南京天洑軟件公司與清華大學水力機械研究所共同研發。除了具有完備的水泵設計功能外，還特別開發了兩大特色功能。

第一個功能是針對已有葉輪的逆向功能，可以將用戶現有的葉輪資料逆向導入軟件，并進行幾何的修改調整。或是將現有的葉輪逆向成為數字化資料，方便設計檔案的管理和調用。

第二個功能是基于S2流面開發的性能預估和優化功能。能夠快速地分析并提供水泵的性能曲線，方便設計人員對初步設計的結果進行反饋調整。

同時，結合優秀的人工智能尋優算法——遺傳算法，AIPump開發了葉輪優化功能。以提升效率為目標進行尋優計算，智能實現葉輪的優化設計，達到更高的水力效率。