隨著世界人口的持續(xù)增長，能源需求也在增加。一段時間以來，我們家庭，工作乃至社交生活中的大多數(shù)常見設備都依賴于功能來發(fā)揮作用。發(fā)展中國家也更多地依靠重工業(yè)來促進繁榮。但是，趨勢主題是氣候變化和可再生能源。可以利用清潔能源來確保人口擁有維持其生活方式所需的力量，而不會耗盡重要資源。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，例如風能，太陽能，水能和勢能。通常，空氣或水資源的自然運動（如河流和強風地區(qū)）是通過感應電動勢（EMF）的機械體轉(zhuǎn)換為電能的，化學或太陽能除外，它們以其他方式利用能源。大多數(shù)工業(yè)應用，例如蒸汽輪機，核電站和風力渦輪機都依賴于這種類型的轉(zhuǎn)換。正如為減少人們對破壞環(huán)境的化石燃料的依賴而進行的電動汽車競賽一樣，對更清潔的發(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％，但越來越多的國家正在尋找可再生資源來替代它。

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

水輪機設計類型

共有三種類型的水輪機，您可以在此水輪機設計類型概述中找到更多信息。三種類型是：

• 脈沖式渦輪機，包括Pelton，Turgo和錯流式渦輪機

• 反應渦輪，包括螺旋槳渦輪，Kaplan渦輪和Francis渦輪

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

對于脈沖渦輪，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量。這會在葉片上施加力，從而產(chǎn)生允許葉片旋轉(zhuǎn)的扭矩。然后旋轉(zhuǎn)會由于電磁感應而產(chǎn)生EMF。

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

在共享相似的渦輪機械機構的同時，渦輪機的作用是減少系統(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計。離心泵。

離心泵；受歡迎的葉輪泵選擇

通常，工業(yè)使用離心泵來進行應用，包括泵送污水，處理食物或處理水。實際上，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，并且易于擴展到更大的應用程序。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，都可以輕松地適應離心泵。這導致離心泵的許多其他子類型獲得了自己的名字。它們的大小和設計可能會根據(jù)所使用的應用程序而有所不同，但是它們的工作機制保持不變。

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

為了使離心泵發(fā)揮最佳性能，需要進行許多設計更改和測試。從物理上優(yōu)化設計需要大量的人力和時間。為了在設計階段降低成本，我們需要一個虛擬測試工具，使我們能夠快速可靠地進行修改。差價合約為我們提供了這一優(yōu)勢。CFD分析可以幫助預測和可視化泵內(nèi)的流體（水）流動，還可以使我們了解在哪里可以優(yōu)化設計，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？

離心泵的關鍵部件是其葉輪，因為它將能量從泵馬達傳遞到流體。葉輪泵依靠慣性，物體或流體在圓周運動中沿直線運動的自然趨勢。碰到葉輪葉片的水自然會沿與半徑相切的方向向外移動。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。對任何泵葉輪的設計進行優(yōu)化以確?？赡艿淖钣行阅苤陵P重要。葉輪可能有一個，兩個或沒有外罩（葉片上的覆蓋物），蝸殼或擴散器以捕獲壓力，并可能允許流體進入葉片的一側(cè)或兩側(cè)。這意味著葉輪泵可能出現(xiàn)在許多不同的設計中，工程師或設計師需要找出最適合該應用的泵。

可以使用泵葉輪慣性矩等數(shù)據(jù)對泵葉輪進行瞬態(tài)分析，以測試效率。對于已經(jīng)存在的泵，通常由供應商提供，但是在設計階段，可以估計慣性矩。在葉輪泵的設計上進行的流體流動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修改葉輪泵的設計，例如通過包括其他葉片或在不需要時移除外罩的方法。

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

優(yōu)化水輪機設計

有可能以不同的方式適應水輪機的設計，以適應各種地形。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。

新渦輪機的設計從一個簡單的想法開始，然后演變?yōu)橐粋€需要測試，原型設計和優(yōu)化的概念。在原型制作之前測試產(chǎn)品的最有效方法是使用仿真功能，無論是水輪機葉片等零件的結構分析（FEA）還是評估流體在其周圍流動的計算流體力學（CFD）。主要地，測試渦輪機的性能是基于諸如進入渦輪機的力，葉片速度，功率輸出以及流動的流速之類的屬性。

水輪機背后的物理學

為了計算施加在水輪機上的扭矩，必須首先評估動量交換。下圖顯示了一個彎曲的葉片，其射流以一定角度進入和離開。因此，動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，力僅僅是動量的變化，可以是方向變化或標量變化：

通過計算動量的變化，可以計算施加在渦輪葉片上的力。

第1步：

使用三角函數(shù)找到相對入口速度向量的x和y分量：

第2步：

找到相對出口速度矢量（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，為了計算質(zhì)量流率，我們應該將流體的密度乘以射流的橫截面積，然后乘以進入速度的標量值：

第四步：

通過重復與步驟3中相同的過程，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，我們應該計算合力：

要找到合力的傾斜角（α）：

如何計算相對速度

當渦輪機運轉(zhuǎn)時，葉片以特定速度繞軸旋轉(zhuǎn)。為了計算施加在葉片上的有效力，有必要計算進入的射流的相對速度。計算必須使用速度三角法來確定相對速度的大小和方向。

U：葉片速度
Va1-in：進入射流的絕對速度
Va2-out：離開射流的絕對速度
V1rel-in：進入射流的相對速度，是U和Va1-in速度矢量的總和
V2rel-in：射流的相對速度，是U和Va2-out速度向量的總和

功率輸出

渦輪的驅(qū)動力為：

水輪機效率計算

為了計算水輪機的效率，我們應該找到功率輸出與驅(qū)動動能之比。

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