水力损失分析与计算

泵的水力损失是发生在整个泵内(从泵进口到出口)过流部件的水力损失，其损失程度用水力效率n_h表示。

泵的水力损失，目前尚无精确计算方法。估算水力效率的公式很多，其中的一个公式:

式中Q一泵流量，双吸泵取

‘

n——泵转速，r/min

下面分析一下泵内的损失现象和原因。

(1）沿程损失

   减小泵内沿程损失的措施为:

   1)减小流道长度和流动速度。

   2)减小限力系数λ阻力系数和黏性及过流表而粗糙度有关.为减小阻力系数，应尽量提高过流表面的光沽程度。现在有些泵的叶轮、导叶等采用精密铸造。并修光，由此可提高效率2%一3%。

3)增力水力半径R为减小湿周应采用圆形和方形流道。为此叶片(包括导叶)间的流道，尤其是叶片进、出口和导叶喉部，应尽量采用大壁角的近似

圆形的流道(l图20一5)。

   (2)附面层(边界层)分离

   液体沿壁面流动时，由于钻性，紧靠壁面的流速为零，离开壁面一定距离处流速与主流相同。通常把从壁面到0.99_uo(uo为主流流速)的流层称附面层(图20-6}

研究表明.附面层中的流动也分为层流和紊流.在起始段的附面层内是层流运动，而后转变为紊流运动，并以在紊流边界层底部存在着层流底层。在研究问题时。通常把运动分为黏性起主导作用的附面层和黏性可以忽略的主流两部分。

图20——5 流道断面

l图20一6 附面层

   附面层外部主流流速变化引起的压力沿流向的变化，对附面层内的流动具有重要影响。例如，流动在收缩管内，流速逐渐加快，压力逐渐减小，附面层内i性切力的减速作用不大。在扩散管内，情况正好相反，附面层因流线发散很快增厚，附面层勒性切力和压力逐渐增加，都促使流体减速，出现倒流。结果最靠内壁的一条流线会离开边壁表面而成为主流一与反向流之问一条分离流线〔图20一7），这种现象称为附面层分离。在分

离区内形成旋涡.损失很大。因此设法控制附面层分离具有实际意义。例如

1)在分离点以前的物体表面开一些孔，将已受阻碍的流体吸走。使能最充沛的主流来到分离点;

2）在分离点前开一些小孔，喷入高能流体，增加附面层的能量;

3)在叶片前端安装辅助翼，使两翼间形成一个喷嘴形长缝，以高速从长缝喷出的流体，增加了附面层中的流速，使之不发生分离(图20一8)。

图20一7 附面层分离

图20一8 控制附面层分离

   (3)弯道中的流动和二次流(图20-9)

   弯道中的流动分两种，一种是曲率半径(R/d)小、流速高的急弯曲流动，另一种是曲率半径(R/d)很大、流动速度较低的缓弯曲流动。

   缓弯曲流动:在弯曲部分流速接近于uR等于常数规律(R是流线曲率半径)，因此流动通过弯道外壁区域，先减速后加速，在弯曲前就形成分离区;内壁区域先加速后减速，在弯曲后形成分离区。这种弯曲流动，不仅造成本身部分的水力损失，而且流速分布的急剧变化，破坏了下游很长一段直管段内的流动，使其损失增加。

   急弯曲流动:因转弯急，流速高，流动很复杂。虽然高速移向外壁，但这种速度变化对压力变化影响很小。由于水流惯性的影响，在外壁有时同时出现最大速度和最大压力。内壁的低压区在转弯后向下游延伸一定距离，使水流脱离壁面形成旋涡，并且出现两个螺旋形横向流动。产生两个螺旋流动的原因是，靠弯道上、下壁流速缓慢，中部流速高，转弯时惯性大，造成的压力差也大。与此同时，上、下壁面的水流因惯性造成的压力差低，于是就形成了水流从外壁中部向上、下壁面流动。在内壁上惯性造成的低压在中部，因此形成从上、下壁面向中部流动，这种流动义称为二次流。二次流和主流食加形成复杂的螺旋运动。

   (4)泵内的流动损失

1）绕流叶片进口形成的旋涡(图20一10)。

   当流量小于设计流量（Q＜Q_N)时，在叶片背面末端边界层内流体质点的动能，不足以克服由于相对速度降低沿流道和圆周方向引起的压力增加，故引起旋涡。当流量大于设计流量（Q＜Q_N)时，在叶片工作面进口部分形成旋涡。因此，在设计叶轮时，应选用适当的冲角，尽量减小轴面液流过水断面的扩散度和相对速度的扩散度。相邻叶片间流道进、出口面积之比应控制在之内。

   2)叶轮叶片间流道内的涡流(图20-11)

   叶片的工作面压力高，相对速度w小。叶片背面的压力低，相对速度w大。因为液体的摩擦损失与相对速度的平方成正比，所以在很大程度上降低了叶片背面液体的能量。结果工作面的液体，在侧壁的旋转速度影响下，沿侧壁向背面流动，并从流道中部返回形成一对旋涡。这种流动，消耗了一部分能量。