隨著世界人口的持續(xù)增長(zhǎng)，能源需求也在增加。一段時(shí)間以來(lái)，我們家庭，工作乃至社交生活中的大多數(shù)常見(jiàn)設(shè)備都依賴于功能來(lái)發(fā)揮作用。發(fā)展中國(guó)家也更多地依靠重工業(yè)來(lái)促進(jìn)繁榮。但是，趨勢(shì)主題是氣候變化和可再生能源。可以利用清潔能源來(lái)確保人口擁有維持其生活方式所需的力量，而不會(huì)耗盡重要資源。但是，這種力量究竟是如何產(chǎn)生的呢？

為了產(chǎn)生可再生能源，使用了自然資源，例如風(fēng)能，太陽(yáng)能，水能和勢(shì)能。通常，空氣或水資源的自然運(yùn)動(dòng)（如河流和強(qiáng)風(fēng)地區(qū)）是通過(guò)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（EMF）的機(jī)械體轉(zhuǎn)換為電能的，化學(xué)或太陽(yáng)能除外，它們以其他方式利用能源。大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用，例如蒸汽輪機(jī)，核電站和風(fēng)力渦輪機(jī)都依賴于這種類型的轉(zhuǎn)換。正如為減少人們對(duì)破壞環(huán)境的化石燃料的依賴而進(jìn)行的電動(dòng)汽車競(jìng)賽一樣，對(duì)更清潔的發(fā)電方法的需求也在增加。盡管目前全球主要能源是煤炭（將近40％），而可再生能源約為6％，但越來(lái)越多的國(guó)家正在尋找可再生資源來(lái)替代它。

在這項(xiàng)研究中，我們關(guān)注一種占世界發(fā)電量約16％的綠色方法：水力發(fā)電。通過(guò)水輪機(jī)和水泵（例如離心泵及其葉輪泵組件）可以利用水源的動(dòng)力。在這里，我們提供對(duì)透平機(jī)械應(yīng)用中的渦輪機(jī)和泵的介紹性理解。

水輪機(jī)設(shè)計(jì)類型

共有三種類型的水輪機(jī)，您可以在此水輪機(jī)設(shè)計(jì)類型概述中找到更多信息。三種類型是：

• 脈沖式渦輪機(jī)，包括Pelton，Turgo和錯(cuò)流式渦輪機(jī)

• 反應(yīng)渦輪，包括螺旋槳渦輪，Kaplan渦輪和Francis渦輪

• 重力渦輪機(jī)，包括過(guò)沖的水輪和阿基米德螺桿，阿基米德螺桿是經(jīng)常用作反向渦輪機(jī)的泵

對(duì)于脈沖渦輪，流體射流撞擊一組彎曲的葉片，從而改變其速度方向并交換動(dòng)量。這會(huì)在葉片上施加力，從而產(chǎn)生允許葉片旋轉(zhuǎn)的扭矩。然后旋轉(zhuǎn)會(huì)由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生EMF。

相比之下，反作用式渦輪機(jī)在撞擊水下渦輪機(jī)的螺旋槳或葉片時(shí)受到流體壓力的變化驅(qū)動(dòng)。渦輪內(nèi)部的壓降將現(xiàn)有的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)渦輪螺旋槳的動(dòng)能。這類渦輪機(jī)需要一個(gè)外殼來(lái)連續(xù)保持流體壓力。

在共享相似的渦輪機(jī)械機(jī)構(gòu)的同時(shí)，渦輪機(jī)的作用是減少系統(tǒng)中的能量，而泵的目的是增加流體流的能量。為了解釋泵的工作原理，讓我們集中討論一種非常流行的泵設(shè)計(jì)。離心泵。

離心泵；受歡迎的葉輪泵選擇

通常，工業(yè)使用離心泵來(lái)進(jìn)行應(yīng)用，包括泵送污水，處理食物或處理水。實(shí)際上，今天生產(chǎn)的泵中近85％是離心泵。這可能是由于它們具有多種功能，并且易于擴(kuò)展到更大的應(yīng)用程序。取決于它們將要處理的流體，是否存在低流量并因此需要增加壓力，或者它們的安裝方向，都可以輕松地適應(yīng)離心泵。這導(dǎo)致離心泵的許多其他子類型獲得了自己的名字。它們的大小和設(shè)計(jì)可能會(huì)根據(jù)所使用的應(yīng)用程序而有所不同，但是它們的工作機(jī)制保持不變。

這種類型的泵將旋轉(zhuǎn)能量（例如來(lái)自電動(dòng)機(jī)的能量）轉(zhuǎn)換為流體中的能量。它的兩個(gè)最重要的組件是泵葉輪的內(nèi)部，帶有多個(gè)葉片的旋轉(zhuǎn)元件以及確保壓力不損失的外殼。水通過(guò)外殼中的孔眼軸向進(jìn)入離心泵，并撞擊內(nèi)部的泵輪葉輪。

為了使離心泵發(fā)揮最佳性能，需要進(jìn)行許多設(shè)計(jì)更改和測(cè)試。從物理上優(yōu)化設(shè)計(jì)需要大量的人力和時(shí)間。為了在設(shè)計(jì)階段降低成本，我們需要一個(gè)虛擬測(cè)試工具，使我們能夠快速可靠地進(jìn)行修改。差價(jià)合約為我們提供了這一優(yōu)勢(shì)。CFD分析可以幫助預(yù)測(cè)和可視化泵內(nèi)的流體（水）流動(dòng)，還可以使我們了解在哪里可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，甚至在泵本身生產(chǎn)之前。在下一節(jié)中，我們將討論如何使用CFD優(yōu)化泵的葉輪。

葉輪泵如何工作？

離心泵的關(guān)鍵部件是其葉輪，因?yàn)樗鼘⒛芰繌谋民R達(dá)傳遞到流體。葉輪泵依靠慣性，物體或流體在圓周運(yùn)動(dòng)中沿直線運(yùn)動(dòng)的自然趨勢(shì)。碰到葉輪葉片的水自然會(huì)沿與半徑相切的方向向外移動(dòng)。由于流體被泵殼限制，因此產(chǎn)生了速度，該速度轉(zhuǎn)化為壓力。對(duì)任何泵葉輪的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化以確保可能的最有效性能至關(guān)重要。葉輪可能有一個(gè)，兩個(gè)或沒(méi)有外罩（葉片上的覆蓋物），蝸殼或擴(kuò)散器以捕獲壓力，并可能允許流體進(jìn)入葉片的一側(cè)或兩側(cè)。這意味著葉輪泵可能出現(xiàn)在許多不同的設(shè)計(jì)中，工程師或設(shè)計(jì)師需要找出最適合該應(yīng)用的泵。

可以使用泵葉輪慣性矩等數(shù)據(jù)對(duì)泵葉輪進(jìn)行瞬態(tài)分析，以測(cè)試效率。對(duì)于已經(jīng)存在的泵，通常由供應(yīng)商提供，但是在設(shè)計(jì)階段，可以估計(jì)慣性矩。在葉輪泵的設(shè)計(jì)上進(jìn)行的流體流動(dòng)分析可以揭示出它如何旋轉(zhuǎn)，以什么速度旋轉(zhuǎn)以及將產(chǎn)生的能量輸出。這可以幫助工程師決定是否應(yīng)修改葉輪泵的設(shè)計(jì)，例如通過(guò)包括其他葉片或在不需要時(shí)移除外罩的方法。

盡管操作上相似，但包括離心泵及其泵葉輪在內(nèi)的泵具有相似的設(shè)計(jì)特征，但導(dǎo)致應(yīng)用范圍相互矛盾。既然已經(jīng)明確了兩種渦輪機(jī)械機(jī)構(gòu)之間的區(qū)別，我們將繼續(xù)探索如何為水電應(yīng)用優(yōu)化渦輪設(shè)計(jì)。

優(yōu)化水輪機(jī)設(shè)計(jì)

有可能以不同的方式適應(yīng)水輪機(jī)的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)各種地形。海洋，海灘，水壩或瀑布等。只要有水作為水源，就有可能提取能量。

新渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)從一個(gè)簡(jiǎn)單的想法開(kāi)始，然后演變?yōu)橐粋€(gè)需要測(cè)試，原型設(shè)計(jì)和優(yōu)化的概念。在原型制作之前測(cè)試產(chǎn)品的最有效方法是使用仿真功能，無(wú)論是水輪機(jī)葉片等零件的結(jié)構(gòu)分析（FEA）還是評(píng)估流體在其周圍流動(dòng)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）。主要地，測(cè)試渦輪機(jī)的性能是基于諸如進(jìn)入渦輪機(jī)的力，葉片速度，功率輸出以及流動(dòng)的流速之類的屬性。

水輪機(jī)背后的物理學(xué)

為了計(jì)算施加在水輪機(jī)上的扭矩，必須首先評(píng)估動(dòng)量交換。下圖顯示了一個(gè)彎曲的葉片，其射流以一定角度進(jìn)入和離開(kāi)。因此，動(dòng)量的交換由于速度矢量（方向）的變化而發(fā)生。

牛頓第二定律指出，力僅僅是動(dòng)量的變化，可以是方向變化或標(biāo)量變化：

通過(guò)計(jì)算動(dòng)量的變化，可以計(jì)算施加在渦輪葉片上的力。

第1步：

使用三角函數(shù)找到相對(duì)入口速度向量的x和y分量：

第2步：

找到相對(duì)出口速度矢量（出口速度）的x和y分量：

第三步：

找到在x方向上射流與渦輪葉片之間交換的力。該力等于質(zhì)量流率乘以x方向上的速度變化。此外，為了計(jì)算質(zhì)量流率，我們應(yīng)該將流體的密度乘以射流的橫截面積，然后乘以進(jìn)入速度的標(biāo)量值：

第四步：

通過(guò)重復(fù)與步驟3中相同的過(guò)程，找到在y方向上射流與渦輪葉片之間交換的力：

步驟5：

為了找到施加在渦輪葉片上的總力，我們應(yīng)該計(jì)算合力：

要找到合力的傾斜角（α）：

如何計(jì)算相對(duì)速度

當(dāng)渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉片以特定速度繞軸旋轉(zhuǎn)。為了計(jì)算施加在葉片上的有效力，有必要計(jì)算進(jìn)入的射流的相對(duì)速度。計(jì)算必須使用速度三角法來(lái)確定相對(duì)速度的大小和方向。

U：葉片速度
Va1-in：進(jìn)入射流的絕對(duì)速度
Va2-out：離開(kāi)射流的絕對(duì)速度
V1rel-in：進(jìn)入射流的相對(duì)速度，是U和Va1-in速度矢量的總和
V2rel-in：射流的相對(duì)速度，是U和Va2-out速度向量的總和

功率輸出

渦輪的驅(qū)動(dòng)力為：

水輪機(jī)效率計(jì)算

為了計(jì)算水輪機(jī)的效率，我們應(yīng)該找到功率輸出與驅(qū)動(dòng)動(dòng)能之比。

SI單位
力（：（N）
密度（：（kg / m3）
射流的截面積（Ac）：m2 
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