漫谈离心泵叶轮的优化设计
有朋友希望我谈一谈离心泵叶轮的优化设计。
为此，
首先，必须要弄清楚优化的目的：改善吸入性能？提高水力效率？调整Q-H曲线的上升幅度……
然后，根据具体需要进行针对性优化。
另外，对于泵的性能，起决定影响因素的不仅仅是叶轮，还包括一些其它因素（如蜗壳、导叶等）。其实，对于离心泵叶轮的优化设计，泵沙龙的不少文章中有部分涉及，如：《全面理解汽蚀及其对离心泵的影响》、《吸入比转速解读及其对离心泵性能的影响》、《全面理解离心泵吸入比转速》、《叶轮几何参考对离心泵性能的影响》等等。在此，将对其进行汇总、并根据个人经验进行简单补充介绍。仅供参考。
改善吸入性能
对于改善叶轮的吸入性能，泵沙龙在《全面理解汽蚀及其对离心泵的影响》一文中有详细介绍：
1）叶轮叶片向泵入口边适当延伸，相当于增加一只小的诱导轮。
2）优化叶轮叶片前缘轮廓（如采用抛物线前缘轮廓、减薄吸入侧叶片厚度等），可有效限制叶片前缘的压力峰值和降低对部分负荷下运行的敏感程度。
3）利用现代计算机计算分析技术（CFD）给定叶轮入口设计可优化的条件，从而更好地控制和了解叶轮流道中流量及压力分布情况（防止出现压力突降而引起汽蚀）。
注意事项
1）尽量避免采用加大叶轮入口面积的方法来改善吸入性能 - 避免吸入比转速严重超标【如，对于BB2型泵，通常控制在14400（m3/h, m）以内】，否则极易引起入口回流，导致泵运行的不稳定区域扩大。
2）应避免出现叶片流道综合症汽蚀。这种汽蚀破坏是由于导叶（对于导叶式泵）或蜗舌（对于蜗壳式泵）与叶轮叶片外径之间的间隙太小所引起的。当液体流经该小通道时，液体的流速增加引起液体压力的下降、局部汽化，产生汽泡，然后在较高的压力下破裂，导致汽蚀。
3）当切割叶轮时，离心泵的汽蚀性能会变差。
提高水力效率
影响叶轮水力效率的因素较多，具体有：
1）叶片数。就离心泵来说，一般情况下，增加叶片数可以改善液体流动情况，适当提高泵的扬程。但叶片数增加后会减少流道过流面积，导致流速增加、叶片的摩擦损失增加，所以，过多的增加叶片数，不但会降低效率，并使叶轮的汽蚀性能恶化，还可能导致泵性能曲线出现驼峰[1]。通常，离心泵叶轮叶片数较多地选用5～7片。
2）长短叶片。研究表明，泵叶轮中短叶片和长叶片之间的任何组合都将导致泵效率的提高，因为它可以有效阻止任何由于叶轮入口附近流速均匀分布而被称为尾迹流的发展[2]。
3）扭曲叶片。试验表明，扭曲叶片的泵在设计工况点附近及大流量区域，要比圆弧叶片的泵具有更高的效率。同时，具有扭曲叶片的泵其关死点的扬程要比圆弧叶片高（能改善扬程特性曲线，使驼峰值减小）。
4）叶轮出口直径。API 610泵要求通过切割叶轮来满足泵所需要的性能。随着叶轮外径的切小，泵的扬程降低，最高效率值有所下降（切割量越大，效率下降越多，与比转速相关），且高效区会往小流量方向偏移。
其它参数对泵性能的影响
1）叶轮出口叶片高度。当叶轮出口叶片高度增加时，扬程会有所提高，流量-扬程曲线会由陡峭变得相对平缓；而泵的最高效率值随着叶片高度的增加而增加，同时高效区会向大流量方向偏移。
2）叶轮叶片宽度。扬程随叶轮叶片宽度的增加而减小；最高效率值随着叶轮叶片宽度的增加而增加，高效区随叶片宽度的增加而向小流量方向偏移，且效率曲线在最佳效率点的右侧迅速下降。
3）叶轮出口叶片角。扬程随出口叶片角的增大而增大；最高效率值随出口叶片角的增大而降低。当出口叶片角较小时，在最高效率点右侧泵的效率迅速下降。
特别说明
随着计算技术和ANSYS等分析软件的迅速发展，使得数值模拟和计算流体力学（CFD）成为研究和评价水泵最佳特性的较好工具之一。这种类型的模拟在预测和估计泵性能的许多特性方面非常有用，并且在任何进一步的步骤之前给出了许多解决方案。
因此，在离心泵叶轮优化设计过程中，离不开计算流体力学（CFD）的支持。通常，先设计出几种不同的水力（方案）；接着利用CFD进行模拟分析；最后根据分析结果选出一种最符合设计要求的方案。
利用CFD进行模拟分析是一种有效的设计和估算水力设计的方法，可以减少时间、降低成本、提高计算结果。它可以在很大的范围内减少误差，并提供可供选择的方案。
参考文献
[1] 马银珍等，离心泵叶轮设计参数对性能的影响，山西水利科技增刊，Nov. 1995
[2] Malik N. Hawas, Improving the Efficiency and Performance of Centrifugal Pump through Model Development and Numerical Analysis for the Pump Impeller, International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research Vol. 9, No. 1, January 2020