单级单吸离心泵设计
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河南理工大学万方科技学院本科毕业设计(论文)中期检查表指导教师: 李新华 职称: 讲师 所在院(系): 机械与动力工学院 教研室(研究室): 机设 题 目 IS单级单吸离心泵设计学生姓名赵西专业班级08机械设计5班 学号0816101035一、选题质量:(主要从以下四个方面填写:1、选题是否符合专业培养目标,能否体现综合训练要求;2、题目难易程度;3、题目工作量;4、题目与生产、科研、经济、社会、文化及实验室建设等实际的结合程度)1 该题能够充分联系大学四年来所学专业知识,能够很好的检测自己这几年来对知识的学习的程度,能够使我们得到综合的训练,所以该题符合专业培养目标2 题目难度适中,在设计时首先要对所设计的泵有一个充分的理解,还要对泵的工作原理得到充分的理解,在叶轮的设计绘型方面会有一定的难度,不过经过自己以及在老师的帮助下相信能够克服这些困难3 题目的工作量还是比较大的,特别是在叶轮设计方面会有大量的计算以及数据的查找等需要设计的4 泵的应用在日常生活中非常的常见,与人们的生活息息相关,还在建筑、化工给排水方面都有重要的作用,所以该题与社会等的结合程度非常的紧密。二、开题报告完成情况: 开题报告已经完成,指导老师已同意开题三、阶段性成果:1、初步构思,形成提纲2、通过大量的资料搜集,整理思路,形成初稿3、对初稿进行初步整理完善4、已经根据用途选定型号,完成选型5、CAD制图软件经过一段时间练习,已基本具备设计所需的能力四、存在主要问题:1、论文的层次有些乱,需要进行逻辑梳理重新调整2、参考资料不足,还需要继续查阅资料3、论文语言倾向口语化,需要向书面化转化4、论文各部分衔接性不够5、论文计算部分已有大体框架,部分内容需要深入计算6、自己进行设计比较封闭,需要和同学加强交流五、指导教师对学生在毕业实习中,劳动、学习纪律及毕业设计(论文)进展等方面的评语指导教师: (签名) 年 月 日2河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 摘 要本论文是设计一台满足设计要求的单级单吸离心泵,通过计算和分析,确定总体参数、配套功率和各部分的尺寸。离心泵的水力性能主要取决于离心泵的水力设计,它包括叶轮设计、压出室和吸入 室的设计。目前离心泵水力设计方法有两种:模型换算法和速度系数法。速度系数法是根 据经验统计获得速度系数经验值来计算设计模型的各参数,也具有一定可靠性,而且不受 水力模型限制,本设计采用速度系数法进行水力设计。使之达到理想的效果,具有良好的性能。关键词:离心泵 叶轮 速度系数法ABSTRACTThis article is to design a centrifugal pump which should be satisfied the designedrequirement, throughing analysis, confirming total parameter, completed set power and each parts size. The waterpower capability of centrifugal pump is mainly lied on its waterpower design, which includes impeller design, extruded room and inhaled room design .At present the waterpower design of centrifugal pump has two type methods: model conversion method and speed coefficient method. Speed coefficient method is according to experience statistic to obtain the experience value for speed coefficient to calculate each parameter of the design model, which has stated reliability, and cant be restricted by the waterpower model. The design adopts speed coefficient method to process waterpower design, so let it reach the ideal effect and have the well capability.Key words:centrifugal pumpimpeller speed coefficient method目录摘 要IABSTRACTII目录III前 言11 泵的相关概述21.1 泵的基本技术要求31.2 国内外泵行业的发展趋势31.2.1 行业现状31.2.2 发展环境分析和需求预测41.2.3 发展目标51.2.4泵技术发展趋势51.3项目提出背景及设计方向52离心泵的设计参数及设计要求62.1离心泵的设计参数62.2 设计要求62.2.1设计原则62.2.2设计要求62.2.3产品特点73 离心泵的结构设计73.1离心泵机构概述73.2结构设计83.2.1总体结构设计83.2.2传动部分设计93.3电机的选择113.4转子轴设计113.5密封114泵的水力设计134.1叶轮的设计144.1.1计算设计泵的比转速及汽蚀比转速144.1.2确定泵的进出口直径:154.1.3效率的计算164.1.4叶轮主要尺寸的计算:174.2叶轮的绘型254.3压出室的水力设计294.3.1 压水室的类型和作用原理294.3.2涡室的设计和计算314.4吸水室的设计计算365离心泵主要零部件的强度计算395.1 叶轮强度计算395.1.1 叶轮盖板强度计算395.1.2叶片厚度计算405.2泵体强度的计算415.3泵轴的强度校核425.4离心泵的临界转速446 汽蚀现象45结论48致 谢49参考文献50IV前 言水泵作为一种通用机械,在社会各行各业中发挥着重要作用。它是除电动机以外使用范围最广泛的机械,几乎没有一个国民经济部门不使用水泵。泵对发展生产、保证人民的正常生活和保障人民的生命财产安全具有至关重要的作用。在农业方面,水泵及排灌站在抵御洪涝、干旱灾害,改善农业生产条件等方面更是功不可没。作为一个水泵设计人员,设计一台高质量的泵,无论从节能还是从企业生产的经济性角度考虑,都会带来巨大的经济效益。尤其是在深化改革、市场经济运作的今天,围绕价值工程学,以最低的生产投入,设计一种经济、安全、优质高效的泵,无疑是摆在我们面前的一项艰巨任务。经验无疑是一项影响设计优劣的重要因素。在今天,相当多的设计环节仍然是靠经验确定的,很多的计算公式也是根据经验总结出来的,所以,设计精度仍然局限在一定范围内。为了提高设计的准确性,在设计工程中必须要有认真、严谨的科学态度,同时尽量采用适合资深设计情况的公式。光有理论知识是不能做好泵的设计的,此次设计正好为我们提供了一次时间的机会,有助于理解、巩固理论知识和为以后的工作打下基础。因此我们必须端正设计态度,以严肃的眼光看待设计,以严谨的工作作风对待设计,同时在实践过程中多想、多问、多动手,使我们能够在以后的工作中迅速进入角色,完成从学生到工程技术人员的转变。毕业设计是本科学生必须经历的一项重要教学环节,是培养学生综合运用大学四年来所学专业的基本知识,基本理论和基本技能来分析解决生活中实际工程问题的重要环节,它与我们的学习过程是一脉相承的、紧密联系不可分割的整体,是我们学习知识的继续。在毕业设计过程中,我们不仅能够检验总结我们对四年大学生活所学知识的理解而且我们可以从中学到更多的新知识,更重要的还能够磨练我们的意志、考验我们对待分析问题的严谨程度,这对我们即将要踏入社会的学生来说有着非常大的意义。 关于选择单级单吸离心泵的设计,一方面,因为泵与我们的日常成活、与整个社会联系都非常的紧密,其次,泵的结构对于我们来说也不太陌生,难度适中,最后选择这样的课题进行设计也能够充分的检验我们对所学知识的理解程度,培养我们查找工具书的能力以及自己处理问题的能力。1 泵的相关概述泵是将原动机的机械能或其它能源的能量传递给输送的液体,使液体的能量增加 的机械。泵类产品是广泛应用在国防、电力、石油、化工、建筑等工程领域的一种非常重 要的通用机械产品。离心泵是工业泵产品中数量最多、用途最广泛的一种产品,其他产品大 多是在离心泵技术的基础上进行设计的,所以,离心泵的技术水平直接影响着国民经济各行 各业的技术水平。泵的运用在国民经济的各个部门都很普遍, 它的技术性能对各相关行业影响巨大。但由于泵内部流动非常复杂, 对其流动规律的认识还很不够, 造成泵的水力设计还停留在半理论、半经验和试验验证的基础上进行设计, 即” 设计试制试验改进”的过程, 严重 的影响了泵性能的提高和技术进步。为了提高设计效率,缩短设计时间, 优化参数组合, 最终达到提高泵的性能的目的, 清华大学、沈阳水泵研究所、江苏理工大学等单位从二十世纪七十年代开始, 先后开展了泵计算机辅助设计和优化设计的研究工作。八十年代末、九 十年代初, 一些单位开发的泵水力设计软件逐步达到实用化水平。在国外泵的技术发展迅速,美国的 HASKEL 公司、德国 LEYBOLD、日本 NIKKISO 等都生产研究出高性能的泵。此外,新材料技术的研究也是今后泵业发展的重点,泵的可靠性和节能则是最基本要求。1.1 泵的基本技术要求根据调查统计资料表明,从泵的系统设计和使用人员以及大部分的工作场合的角度出 发,要求离心泵必须具有以下基本特点:1、尺寸小,重量轻,占据空间小;2、具有可靠的运转性能,无汽蚀破坏问题;3、无需熟练的技术工人,操作简单方便;4、自动控制程序简单灵活5、能量消耗低 6、零件有良好的耐腐蚀性能和耐磨蚀性能;7、拆装转子时无需专用工具,迅速简便;8、密封结构能防止干转,保证良好的密封性能;9、轴承工作寿命长,能避免水流的喷射或浸渗;10、具有良好的自吸结构和自吸性能;11、零部件通用化程度高,减少备件数量或库存数量;12、能采用符合标准且节省时间的试验和检测方法。1.2 国内外泵行业的发展趋势1.2.1 行业现状(1) 在过去的几年内,我国泵行业的技术发展趋势越来越与世界泵业技术发展趋向一 致,但总体技术水平较低。(2) 在材料、工艺等基础性研究方面取得了一定进展,为国产化提供了有利的依据。(3) 对一般通用泵的更新换代,从性能范围、结构型式、使用用途、方便维修和外观 质量以及系列化、标准化、通用程度方面有了进一步完善。(4) 国家采取积极的宏观经济调控政策,市场持续的需求增长,对环境保护的日益重视以及用户日益严格和不断变化的要求和需求都成为推动行业厂技术水平提升的主要动 力。(5) 产品制造工艺水平有了一定的提高,特别是近两年一些企业扩建和添置了设备, 装备水平、工艺设备得到了进一步完善,但缺少先进的检测和试验手段。(6) 产品品种依然比国外先进国家少。(7) 可靠性、可维修性、寿命有了一定的提高。(8) 在高、精、尖技术含量高的产品领域,泵的产品供不应求。(9) 各种泵的产品出口大幅度增长,从另一个侧面也反映了国内泵行业在某些品种的泵技术方面有了明显的提高。(10) 泵行业生产企业的发展正处于一个两级分化的关键时期。(11) 国家重点工程所需要的高技术含量配套用泵的研制取得了一定的进展,配套能力 有所提高。1.2.2 发展环境分析和需求预测(1) 电力用泵:在“十五”后两年、“十一五”及未来20年中,我国电力工业将以 更高速度发展。(2) 石化用泵:石化用泵发展方向主要是大型化、高速化、机电一体化及泵产品成套化、 标准化、系列化和通用化;多品种、性能广、寿命长及高可靠性;高效率、小型化;泵用 密封、轴承生产大型化和专业化。特别是高温泵、低温泵和超低温泵、高速泵、精密计量泵、耐腐蚀泵、高速泵、精密计量泵、耐腐蚀泵、输送粘稠介质和带固体颗粒介质泵、屏蔽泵的技术将快速发展,需求量将大幅度增加。(3)环保、城建用泵:环保是我国一项基本国策,“十五”期间国家环保投资 7000亿元,占同期 GDP的1.3% 。环保及城市自来水供应领域需求各类泵的数量约20000台。(4)“三农”及城乡用泵:随着西部大开发进程加快以及中央对“三农”的重视,“十五” 期间“三农”及城乡用泵的增长率约为 16% 。按此增长率测算“十一五”期间每年需 农业泵可达 600700万台。(5)矿山及浆体输送用泵:矿山工业在我国国民经济建设中占有十分重要的地位。矿山 及冶炼行业使用各种浆体和固液混合物输送泵,这种对泵的材料的选择提出了更高的要求,要耐磨损,同 时无堵塞、高可靠、寿命长。预计”十一五”期间需污水离心泵、单级双吸离心泵、多级离心泵、潜水泵及备件等 2 万台套。(6)南水北调工程:该工程是当今世界上最大的调水工程,预计建设期长达50年,总投资5000 亿元。该工程分为东线、中线、西线等三个工程,东线工程分三期。第一期工程总计37座泵站,第二期工程规划新建13座泵站,第三期工程规划新建17座泵站。1.2.3 发展目标“十一五”期间,泵行业将以 25% 的平均速度发展。2010 年工业总产值(不变价)将达 995 亿元。销售产值将达到 1016 亿元。产品销售收入将达到 1190 亿元。泵产品国内市场占有率,“十一五”期间预计可达到 92% 。由于国家注重重大工程国产化率的提高,因此,火电、核电和“三大化工”中的重点产品市场占有率预计可达80% 85% 。1.2.4泵技术发展趋势世纪泵技术的发展趋势有以下几个方面:1)理论与设计方法科学化。2)生产制造高技术化。 3)产品模块化和个性化。4)密封无泄露化。5)原动机无极化和监控系统自动化。1.3项目提出背景及设计方向IS系列单级单吸离心泵是根据国际标准ISO2858所规定的性能和尺寸设计,联合全国设计的节能泵,是BA型、BL型及其他单级清水离心泵的更新,其技术标准均向国际技术标准靠拢,达到国际先进水平。IS系列单级单吸离心泵输送的物质为清水及物理和化学性质类似清水的液体。本次对离心泵设计的主要方向为:1) 离心泵叶轮的设计2) 离心泵压水室的设计3) 泵轴的设计4) 轴承与密封原件的选择设计的单级单吸离心泵适用于城市和工业的给排水、高层建筑增压送水、林喷灌、消防增压、远距离输送、船用消防等。2离心泵的设计参数及设计要求2.1离心泵的设计参数设计一适用于工业和城市给排水,高层建筑增压送水,园林灌溉,消防增压及设备配 套,船舶用泵。结合目前离心泵的型谱,确定如下参数作为本次离心泵设计的参数。流量(m3 / h)扬程(H )转速(r / min)必须汽蚀余量(NPSHr )150m3/h60m2900r/min5 表 2-1设计参数2.2 设计要求2.2.1设计原则按照 “三化”即标准化、系列化和通用化的要求,在离心泵的设计中,产品符合 GB/T5657-1994离心泵技术条件(III)类标准。此次离心泵的设计目标是:在保证性能参 数的前提下,着重提高泵的可靠性和可维修性,提高使用寿命与泄漏性能,提高泵的环境 适应性,尤其是抗泥沙性能和有一定的抗腐蚀性。2.2.2设计要求适用介质:淡水、海水。温度:050环境条件:空气中含少许油雾轴承设计:滚动轴承设计寿命不少于 17500h。轴承体外表面温度不应超过 70。轴承温升不应超过 35转子不平衡力矩:M。2.2.3产品特点1、抗磨损,累计无泄漏运转时间长 ;2、可维修性好;3、效率高,重量轻;4、外形紧凑,占地面积小。3 离心泵的结构设计3.1离心泵机构概述离心泵的结构型式繁多,主要可分为单级泵与多级泵两大类:1单级离心泵 单级离心泵大多采用螺旋形压出室,其叶轮的吸入方式有单吸式和双吸式两种,轴的布置则有卧式和立式两种。最简单最常用的泵如托架式悬臂泵,这是一种单级单吸离心式水泵,即 IS/IB 型泵。如果要求流量较大,且具有一定的吸上性能,则可采用单级双吸离心式泵,即 S 型泵。这两型泵既可作为卧式也可设计成立式结构,为了减少占地面积,降低泵的吸入高度设计成立式结构,同时,这样可将电动机置于泵组上部减少电动机与水的接触机会。2多级泵 为提高泵的扬程,可把泵的叶轮串联起来,做成多级泵。离心式多级泵可分成两大类,一类是水平中开式泵,或称螺壳式多级泵,这一类泵的叶轮布置都是对称的,用以抵消轴向力。另一类是节段式多级泵,它没有螺旋形压出室,而代之以导流器。它的叶轮一般是 串联布置,它是通过专门的平衡机构来平衡轴向力。船用泵当中还有一种多级泵,它是由 一级离心叶轮与一级旋涡叶轮串联组成。它也是为实现小流量高扬程而设计的,它利用了 离心叶轮良好的吸入性能,又通过旋涡叶轮实现了高扬程。现代的高压锅炉给水泵就是采用这种结构型式,由于泵的扬程太高,在分段泵壳配合处常有高压水泄漏出来,为了确保 密封,常采用双层壳体,即在分段壳体之外再套一个整体的圆筒。3. 离心泵工作原理:泵内充满液体后,启动离心泵,叶轮快速转动,叶轮的叶片驱使液体流动,并依靠惯性向叶轮外缘流去,同时叶轮从吸水室吸进液体。在这一过程中,叶轮中的液体绕流叶片,在绕流运动中液体将作用力作用于叶片,反过叶片将相等大小的作用力作用于液体,这个力对液体做功,使液体得到能量而流出叶轮,这时液体的动能与静压能均增大。随着液体的静压能的增加,液体被迫经压水室压出。3.2结构设计参照国内外此类单级离心泵的结构,并吸收其优点,确定了本次离心泵的总体结构布 置。由于是单级泵,取消了串并联结构中的最薄弱环节-水轴承,可使其可靠 性大为提高。采用加长联轴节,泵体采用后开式的结构,在不拆卸进出水管路和电机的情况 下即可取出转子。这样,泵内的零件如泵体密封环和机械密封等密封易损件,在维修保养 或更换修理时,可大大减轻使用者的劳动强度,缩短维修时间,并保证承压管路尤其是高 压管路的密封性,这一点对于现代机械设备是十分重要的。3.2.1总体结构设计本次设计的单级单吸离心泵整体为卧式结构,泵由单级离心泵和电机组成,泵组为整装机组,电机固定在泵架上,泵组通过底座安装在地基上,也可通过泵架采用中间悬挂安装。电机通过联轴器将动力传入泵转子部件上带动其旋转。泵的转子部件包含了主轴、 叶轮、轴承、机械密封、轴承座等零件,通过轴承座与泵体相连。泵体采用后开始结构, 转子部件可以从泵体上部实现安装与拆卸。离心泵的吸水口于排水口轴心线垂直。离心泵叶轮通过轴端螺纹固定在主轴端上,用螺母进行轴向固定,用止动垫片进行防松止动。叶轮与主轴通过不锈钢平键传递动力。泵的轴端密封采用了泄漏极少的机械密封,同时在泵体密封涵中设计了防干转空腔,以保护 机械密封在刚起动或泵内不完全排气时在没有液体润滑的条件下运转。机械密封的润滑与 冷却液通过增设的综合防泄漏系统来提供与保证。3.2.2传动部分设计离心泵的原动机一般都选择电动机,电动机通过联轴器将动力输入泵中。因 此联轴器的设计好坏将会决定整个机组的效率以及传动的平稳性,进而影响泵运 行的平稳性。同时联轴器的选择与设计还直接关系到泵的拆卸与维修性能。目前 国内同行业中一般还是用传统的凸缘式(图 3-2)或柱销式(图 3-3)联轴器。图 3-1 凸缘式联轴器图 3-2 弹性柱销联轴器柱销式联轴器是最早采用的一种联轴器,该联轴器如图所示存在结构复杂,安装定位调整困难,寿命短等缺点。在国内离心泵上已逐步用爪式联轴器替代了柱销式联轴器。爪式联轴器相对结构简单,通过增加弹性橡胶垫具有了一定的柔性补偿能力。但同时也带来 了薄弱环节,即弹性橡胶垫寿命很短,使用一段时间就需要更换,需要经常维护,而且更 换时还需将电机拆下,很不方便。图 3-3 渐开线花键轴联轴器渐开线花键联轴器是一种新型的联轴器形式(图 3-4),该联轴器在国外离心泵上已经得到大量应用,但国内离心泵中应用范围不广。在此次设计中,引入了该种形式的联轴器,该联轴器有易拆卸、转动惯量小、可柔性补偿等优点。该联轴器的设计计算主要是花键的挤压强度校核,校核公式如下:其中:T扭矩,T=177400N.my 各齿不平衡系数,取 0.7 z齿数,z=28h齿的工作高度,h=m=3mml齿的工作长度,1=30mm Dm平均直径,Dm=87mm P 许用压强,Ppp=15Mpa将以上各设计参数代入公式,得:可见强度满足要求。3.3电机的选择根据计算得,电机的功率大约是38.68kw.根据运用场合的不同选择电机型号为Y225M-2,电机额定功率45KW,同步转速3000转/分,满载转速2970转/分。3.4转子轴设计本次设计的泵为卧式泵,它的转子采用传统的双支点支撑悬臂结构,其结构简图如图3-4所示。3-4转子结构简图3.5密封离心泵的密封主要包括机械密封、填料函密封及弹性材料密封的常用设计方法。机械密封:是为了克服填料函中采用柔软填料的问题。为使运转中的密封表面小,在大多数情况下,两个接触面之间充入一层具有密封作用的夜膜。机械密封依靠的就磨损最是这样一层稳定的液膜填料函密封:使用柔性材料作为密封材料,由于新材料的出现,密封材料更是层出不 穷,如聚四氟乙烯纤维、石墨纤维、金属纤维、玻璃纤维、硅铝纤维等。弹性填料:弹性密封可用作静态、旋转与往复运动状态下的密封,具有良好的柔软性 和弹性。但它的摩擦系数高,会造成过热从而导致橡胶变脆和破裂。最后致使密封损坏由于机械密封具有以下优点:1) 泄露量极小。2) 寿命长。3) 对轴的摩擦小。4) 可自动运行而不需要在运行时调正。5) 功率损失小。6) 耐振动性好。7) 使用广泛。 所以本次设计采用单端面机械密封。需注意的是机械密封有零件多,精度高,安装拆卸要求高,相应的造价也高等缺点。但从实际需要及生产角度来看,采用机械密封利大与 弊,机械密封也是今后的发展趋势。3-5机械密封简图1)主要密封原件:由动环、静环、组成。动环和静环一般用不同材料制成,一个硬度 较低,一个硬度较高。但也可根据具体情况将两个环用同一材料制成。2)辅助密封原件:由动环密封圈、静环密封圈和其他适当的垫片组成。根据不同的要求,辅助密封原件常采用 O 型环、V 型环或其他形状的密封环。以便能吸收对密封面有不 良影响的振动,辅助密封环原件常用橡胶或塑料等材料制成。3)压紧原件和其他辅助原件:如弹簧、推环、传动座、防转销等,以及保证动环和静环所工作所必须的其他零件,都属于这一类原件。由于机械密封工作条件复杂,工作时,在动环和静环密封面不断产生摩擦热,致使动 环和静环间的液膜汽化,某些零件老化、发焦、变形,这些都影响使用寿命。因此,在选 择机械密封时,还必须注意机械密封的冷却。本节小结:本节主要讲述了一下所所设计泵的总体结构、部分零部件的设计构造,以及部分零部件的作用,这将为接下来的设计提供参考。4泵的水力设计离心泵的水力性能主要取决于离心泵的水力设计,它包括叶轮设计、压出室和吸入室 的设计。目前离心泵水力设计方法有两种:模型换算法和速度系数法。模型换算法就是参 照已有的优秀水力模型进行相似换算来设计新的水力模型,参照的水力模型必须与设计模 型几何相似和工况相似。速度系数法是根据经验统计获得速度系数经验值来计算设计模型 的各参数。两种设计方法各有优缺点,模型换算法设计可靠性与准确性较高,但受水力模 型所限,不能超越已有的模型水力性能。而速度系数法所取的经验系数由于是来自于经验 统计,也具有一定可靠性,而且不受水力模型限制,因此很多时候被设计者所采用。本设 计用度系数法进行设计。离心泵叶轮速度系数如图 4-1 所示图4-1叶轮速度系数图4.1叶轮的设计 4.1.1计算设计泵的比转速及汽蚀比转速比转速 :汽蚀比转速C: 4.1.2确定泵的进出口直径:1) 泵的进口直径表4-1泵的吸入口径、流速流量的关系泵的进口直径也叫泵吸入口径,是指泵吸入法兰处管的内径,吸入口径有合理的进口流速决定,泵的进口流速一般为3m/s左右。常用泵的吸入口径、流量流速的关系如表4-1所示。首先选取泵进口直径的计算公式为:取2) 泵的出口直径泵出口直径也叫泵的排出口直径,是指泵排出法兰处管的内径,对于低扬程泵,排出口径可与进口直径相同;对于高扬程泵,为减少泵的体积和排出管路直径,可取排出口径小于进口直径,一般取 这里取得:4.1.3效率的计算 1) 容积效率计算在设计泵时要用泵的效率,但泵尚未设计出来,故只能参考同类产品,或借助经验公式和曲线近似的确定泵的总效率和各种效率值,并设法在设计中达到确定的效率值。容积效率可按下列公式进行计算:所以容积效率为:设平衡盘泄露量与理论流量之比为:2) 机械效率的计算圆盘摩擦损失效率和机械效率可有一下公式计算得出:考虑到轴承等的损失,这里取轴承的损失为0.02,所以机械效率为:3) 水力效率的计算:水力效率的计算可按下列公式进行计算4) 泵的总效率:4.1.4叶轮主要尺寸的计算:泵轴径和叶轮轮毂直径的初步计算 叶轮主要几何参数有叶轮进口直径、叶片进口直径、叶轮轮毂直径、叶片进口宽度、叶片进口角、叶轮出口直径、叶轮出口宽度、叶片出口角、叶片数、叶片包角等。叶轮进 口几何参数对气蚀性能有重要影响,叶轮出口几何参数对性能具有重要影响,两者对泵的 效率均有影响。下图表示的是穿轴和叶轮几何形状和主要尺寸参数。图4-2离心泵的叶轮图1. 叶轮的主要尺寸计算:1. 轴功率:2. 电机的配套功率:根据电机的配套功率选择电机为Y系列电机,电机号为Y225-2型,电机的额定功率为45KW,同步转速为3000r/min,满载转速为2970r/min。3. 扭矩可按照以下公式进行计算:4. 最小轴颈泵轴的直径应按其承受的外载荷(拉、压、弯、扭)和刚度及临界转速条件确定。因 为扭矩是泵轴的主要的载荷,所以在开始设计时,可按扭矩确定泵轴的最小直径(通常是 联轴器处的轴径)。同时应根据所设计泵的具体情况,考虑影响刚度和临界转速的大概因素, 可对粗算的轴径作适当的修改,并圆整到标准直径。待泵转子设计完成后,再对轴的强度、 刚度和临界转速进行详细的校核。按扭矩计算泵直径的公式如下:式中为扭矩泵轴材料选 1Cr18Ni9Ti许用切应力 t =25Mpa所以最小轴颈为:取叶轮的轴颈为35mm轮毂的直径为在画泵轴结构草图时应注意以下几点:a、 各段轴径应尽量取用标准直径;b、 轴上的螺纹一般采用标准细牙螺纹,其内径应大于螺纹前轴段的直径;c、 轴定位的凸肩一般为 12mm。叶轮进口直径Dj的计算叶轮进口直径又叫吸入眼直径或叶轮颈部直径。叶轮的进口速度和叶轮进口直径有关。可根据如下公式进行计算: 根据统计资料进行选值,对大多数泵来说,现取整取2. 叶轮进口速度的计算:取3. 叶片入口边绝对速度:v1 = 0.757v0 = 0.757 5.5= 4.13(m / s)4. 叶片入口边的直径:D1 = 0.92D0 = 0.92 97 = 90mm5. 叶片入口圆周速度:6. 叶片入口宽度7. 叶轮的出口宽度叶轮的出口宽度可有一下公式求得:所以 8. 叶片进口角的计算叶片进口角也就是叶片入口安放角,它是叶片入口处叶片工作面上的切线(严格地说, 应该是在流面上叶片股线的切线)与圆周切线间的夹角。对于直锥形吸水室取 ,冲角一般取39. 叶轮的出口直径的计算叶轮出口直径可按下面公式进行计算:10. 精算叶轮出口直径:根据比转速去叶片数有叶片数,取出口安放角叶片出口厚度取下面采取逐次逼近法精算叶轮出口直径:第一轮验算其中:理论扬程: 取将以上参数代入下列公式中得:第二次验算:根据第一次计算的结果,取将以上计算参数代入下列公式得:计算结果与初始值一致,计算完毕。11. 有限叶片液体出口速度和圆周速度因此:12. 液体流出叶片的绝对速度:至此,叶轮的绘型所需的尺寸,角度等参数,已经全部计算完毕。上述参数都能影水泵的性能,其中, D0 、 D1 、 b1 对离心泵的汽蚀性能和流量影响较大; D2 、 b2 对水泵 扬程的影响较大;b2 还对泵性能曲线的形状影响较大。但是,对叶轮其他因素(如叶片数、 包角、叶片厚度、冲角、叶片入口直径等)也需认真对待。这些参数的合理性将直接对泵的性能产生影响。 叶轮是影响离心泵性能的主要零件,叶轮的主要尺寸计算完毕后,就可以进行绘型。准确地绘型是保证叶片形状正确的前提。4.2叶轮的绘型目前常用的叶轮绘型方法有:圆柱叶片叶轮绘型法和保角变换绘型法。本次设计采用 最常用的圆柱叶片叶轮绘型法。1)轴截面设计叶轮各部的尺寸确定之后,可画出叶轮轴面投影图。 画图时,最好选择 ns 相近,性 能好的叶轮图作为参考,考虑设计泵的具体情况加以改进。轴面投影图的形状,十分关键, 经过反复修改,力求光滑通畅。同时应考虑到:1、前后盖板保持一段平行或对称变化;2、流道弯曲不应过急,在轴向结构允许的条件下,以采用较大的曲率半径为宜。 传统低比转速离心泵叶轮基本上属于径流式叶轮。前,后盖板型线均由直线和圆弧构成。进口先是一段短的轴向流道,然后迅速向径向,出口方向也是径向。在设计轴截面型 线时,参考了定型的水力模型,结合经验,确定了以下几项设计准则:1、前盖板由一段进口水平直线,两段圆弧和出口端的一段直线组成。2、后盖板由一段进口水平直线,一段圆弧和出口端的一段直线组成。3、前,后盖板出口端直线的斜率绝对值相等,符合相反,以保证出口水流处于径流方 向。调整圆弧半径的大小和位置,可以找到光滑的前,后盖板的型线。判断前,后盖板的型线光滑的条件是检查过水断面面积沿轴面流线的变化规律是否平滑。一般要求流道呈轻度扩散或连续收缩状。特别是去除叶片所占空间后的净过水断面面积沿轴面流线的变化规律更为重要。图4-3叶轮轴面投影图圆柱形叶片叶轮绘型的主要步骤如下:1、作轴画投影图轴面就是包含轴心线的截面,如图 4-3 中的 O-A 面就为轴面。轴面投影就是将叶轮上 的点按圆弧投影在某一轴面上的图形。如图 4-3 中的 a 点本来不在轴面 O-A 上,但是以 O 点为圆心,以 r1 为半径旋转,即可将 a 点投影到 O-A 面上,得 a点;同理 c 点本来也不 在轴面 O-A 上。但是以 O 点为圆心,r2 为半径旋转,即可将 c 点投影到 O-A 面上,得 c点。 将轴面 O-A 投影,如图 4-3,此图即为轴面投影图。在轴面投影图上,可以比较全面地看 到叶轮前后盖板形状,叶片入口边、出口边各点相对于叶轮轴心线的径向位置和轴向位置, 但是,入口边、出口边上备点并不一定在同一轴面上。作轴面投影图时,尽量参考比转数相等、性能良好的叶轮的轴面投影图。作轴面投影 图的步骤为:(1)取 ,作轴心线 O-O 的平行线 DE,如图 4-3 所示。(2)作轴心线 O-O 的垂线 AB,使图4-4轴面投影图的绘制(3)过点 B 作 BC 线,使角ABC =-35。 ABC 的大小与比转速和泵的结构形 式有关,比转速小的取 0一些蜗壳式泵取-3。(4)以适当半径作圆弧,使之与直线 DE 和 BC 相切,即得叶轮后盖板的初步轮廓线。(5)过 B 点作轴心线 O-O 的平行线,并截取 FB=b2。(6)作轴心线 O-O 的平行线 GH 和 JK。GH 距轴心线距离为(7)以 JK 线上相应点为圆心,以为半径做圆,使之与叶轮后盖板轮廓线相切。(8)以适当的圆弧和直线作成叶轮前盖板的轮廓线,此轮廓线必须与 GH 线和叶轮入口 圆相切,并通过 F 点。(9)作叶片入口边:对低比转数的泵,入口边可以平行于轴线,按计算的 D2 值作轴线 的平行线即可。但也有一些比转数小于 100 的泵,叶片入口边伸向吸入口。此处所作的叶 片入口边仅是初步的,在作平面投影图或方格网时,还要根据具体情况作适当的修改。2轴面投影因的检查 轴面投影图画出后,必须检查流道面积变化是否合理。如果流道面积无规律地变化,则液体在叶轮流道内有加速和减速、要产生局部旋涡,增大损失。轴面投影图的检查方法 如下:在轴面投影图流道内,作很多内切圆,内切圆圆心距的大小视轴面投影图的大小而定,距离越小,检查精确度越高,但工作量也越大。将这些内切圆心用圆滑曲线连接起来,就 得到了叶轮轴面流道中线 ab,如图 4-5 所示。图4-5轴面图的检查4.3压出室的水力设计4.3.1 压水室的类型和作用原理吸水室位于叶轮之前,压水室位于叶轮之后,它们和叶轮一起构成泵的过流部件。因 为吸水室和压水室是固定的过流部件。研究其中的流动时,一般不引入相对速度。绝对速 度的大小和过水断面积有关,方向与其几何形状有关。绝对速度可分解成两个分量:圆周 分量和轴面分量。通常所说的压水室是指螺旋形压水室、环形压水室和导叶等的总称。流出叶伦的液体,其绝对速度值很大,且具有很大的旋转分量。但液体通过压水室以后,绝对速度变小,旋转分量等于零或者是很小的值,因而压水室是转换能量的过流部件。压水室的作用1)收集从叶轮中流出的液体,并输送到排出口或下一级叶轮吸入口;2)保证流出叶轮的流动是轴对称的,从而使叶轮内具有稳定的相对运动,以减少叶轮 内的水力损失;3)降低液流速度,使速度能转换成压能;4)消除液体从叶轮流出的旋转运动,以避免由此造成的水力损失。压水室具有以下三种基本形式图 4-8 所示。通常,主要采用两种形式。从水力方面看,螺 旋形压水室的流动比较理想,适应性强,高效率范围宽。但流道不能机械加工,尺寸形状、 表面光洁度直接靠铸造来保证。叶片式压水室一般可以单独制造。并可以进行机械加工,但水力方面不如螺旋形压水室理想。涡室主要用于多级泵,而带导叶的环形压水室,因能消除径向应力,主要用于大型单级泵。图 4-6a-螺旋形压水室b-导叶c-带导叶的环形压水室2、压水室的作用原理螺旋形压水室的作用原理,如图 4-9 所示。液流从叶轮流出后,进入两个平行的平 板之间,当忽略液体的粘性摩擦力时,这种液流不受任何外力作用,应遵从速度矩保持性定理,即:, (常数)图 4-7压水室工原理压水室的形状,按符合这种流动规律来设计,得到流体流动的轨迹之后,按此轨迹加 做固体壁,就作出了符合流动的压水室。如上图所示。4.3.2涡室的设计和计算螺旋形涡室称涡形体如下图 4-8 所示。其优点主要是制造方便,泵性能曲线高效率区 域比较宽,车削叶轮后泵效率变化较小。在设计螺旋形涡室时通常认为液体从叶轮中均匀 流出,并在涡室中做等速运动,涡室只起收集液体的作用,在扩散管中液体的一部分动能 变成压能。图4-8涡室的几何参数基圆直径切于隔舌头的圆被称为基圆,用 D3 表示。 应稍大于叶轮外径 D2 ,使隔舌和叶轮间有适当的间隙,该间隙过小,容易因液流阻塞而引起噪声和振动;但间隙过大,除增加径向 尺寸外,因间隙外存在着旋转的液流环,消耗一定的能量,间隙越大,泵的效率下降的越多,通常取:所以 涡室进口宽度 b3通常大于包括前后盖板的叶轮出口宽度,至少有一定的间隙,以补偿转子的串动和制造误差。目前,有些涡室的 b3 取得相当宽,这样,使叶轮前后盖板带动旋转的液体可畅通 的流入压水室,回收一部分圆盘摩擦功率,提高泵的效率,另外可适应不同宽度的叶轮,提高产品的通用性,一般取:-叶轮的出口宽度 S叶轮盖板的厚度 C常数 一般取涡室的隔舌安放角 隔舌位于涡室螺旋线部分的始端,将螺旋线部分与扩散管隔开。习惯称过隔舌头部的断面为 0 断面,隔舌和第断面的夹角为隔舌安放角,用 0 表示。0 的大小保证螺旋线 部分与扩散管光滑连接,并尽量减少径向尺寸。下表列出了 0 和比转速的关系。表4-2隔舌安放角和比转速的关系所以取隔舌螺旋角a0隔舌安放角是隔舌处内壁与圆周方向的夹角,为了符合流动规律,减小液流的撞击,隔舌螺旋角应等于叶轮出口稍后的绝对液流角。涡室的断面形状和断面面积涡室断面面积对泵的性能影响很大。对同一个叶轮,如果涡室断面面积过小,则流量一扬程曲线变陡,最高效率点向小流量方向移动,效率低;如果涡室断面过大,则流量扬程曲线比较平坦,最高效率点向大流量方向移动,效率也降低,降低值比涡室断面面积过小时要小。速度系数法是一种广义的相似换算法,它是根据统计的性能良好的速度系数进行设计的,和叶轮速度系数法类似。涡室中液流速度可按下式进行计算:K3 螺旋形涡室中的速度系数,可由下表选取:表 4-3 螺旋形涡室和导叶中的速度关系由表4-3可查得涡室中的速度确定后,可计算出涡室的最大断面处的面积。由于液流是慈宁宫叶轮均匀流 出的,故涡室的各个断面面积也均匀的变化,可按比例求出。通过第断面的流量第断面的面积 S各断面面积计算可按下列公式进行计算计算得各断面面积为:涡室扩散管的设计计算液体离开涡室后进入扩散管,在扩散管中,一部分动能变为压能。扩散管末端为泵扩散管末端为泵的 突出口,一般与吐出管相连接。扩散管的作用在与降低速度,转换为压能,同时减少排出管路中的损失。 扩散管的进口可以认为是涡室的第断面,出口是泵的排出口,扩散管的主要结构参数是:A 排出口径应符合经济流速和标准直径,间叶轮设计部分。B 扩散管高度 ,在保证扩散角和加工及螺旋连接的条件下,应尽量取小值,以减少泵的尺寸。C 扩散角取 9o 。涡室壁厚的计算图4-9离心泵的涡室对于一般的涡室壁厚可以按下式进行计算:s 为许用应力,涡室所选的材料为铸铁,许用应力为 s =100150,取 120.得:4.4吸水室的设计计算吸水室,指泵进口法兰到叶轮进口的过流部分。吸水室的功用是把液体按要求的条件引入叶轮。吸水室中的速度较小,因而水力损失和压水室相比要小得多,但是吸水室的流动状态,直接影响叶轮中的流动情况,对泵的效率也有一定的影响,尤其对泵的汽蚀性能影响较大。 对吸水室的要求是:1、保证叶轮进口有要求的速度场,如速度分布均匀,大小适当,方向符合要求等。2、吸水室内的速度分布均匀,水力损失最小。 因为直锥形吸水室,结构简单,性能优良。本设计中吸水室采用直锥形吸水室。如图4-14 所示。其中液体在直锥形收缩管中流动,流速渐增,分布均匀,水力损失小,保证叶轮进口有均匀的速度场。吸水室进口直径 Ds ,通常取为图4-10直锥形吸水室 叶轮进口直径 所以吸水室进口直径,也是泵进口法兰处的内径。由于直锥形吸水室的长度,视泵的总体 尺寸结构而定,没有特殊要求。所以取长度 L=120mm。本章小结:本章主要论述了离心泵的水力设计部分。水力设计是离心泵设计工作的关键内容之一本章采用速度系数法进行了水力设计,确定了叶轮与压出室的主要尺寸,给出了详细的计算过程。首先利用通过经验积累的系数法确定初步的数值,再通过逐次逼近法计算确定叶轮的出口直径,最后根据计算结果,完成对叶轮轴面投影图的绘制由于 速度系数设计法是通过经验统计获得速度系数经验值来计算模型的各参数的方法,虽具有 一定的可靠性与准确性,但为了保证设计方案最终能成功,在设计参数的确定上都留有一 定的余量。5离心泵主要零部件的强度计算由于离心泵零件在工作过程中承受各种外力的作用,会使零件产生变形和破坏。故设计离心泵零件时,应使零件具有足够的强度和刚度,尽量使零件的尺寸大些,材料用得好些,以提高泵运行的可靠性和寿命。但另一方面,又希望零件尺寸小,重量轻,成本低,这是相互矛盾的在设计计算时要正确处理这个矛盾,合理地确定零件的尺寸与材料。由于零件的形状不规则,一般材料力学公式难以解决这些零件的强度和刚度计算的问 题。以此,经验公式是必不可少的。5.1 叶轮强度计算叶轮强度的计算可以分为计算叶轮盖板强度、叶片强度两部分。5.1.1 叶轮盖板强度计算叶轮盖板厚度一般由结构与工艺的要求决定的,单吸泵的叶轮盖板厚度可以从表 5-1得到。表5-1叶轮盖板厚度与叶轮直径的关系由叶轮直径取盖板厚度为5mm.离心泵现在不断向高速化方向发展,泵转速提高后,叶轮因离心力而产生的应力也随之提高,当转速超过一定数值后,就会导致叶轮破坏。在计算时,可以把叶轮盖板简化为 一个旋转圆盘(即将叶片对叶轮盖板的影响忽略不计),计算与分析表明,对旋转圆盘来说, 圆周方向的应力是主要的,叶轮的圆周速度与圆周方向的应力 s 近似有以下关系盖板的材料为ZCuSn3ZnPb6Nis =40Mpa小于40M,符合要求。5.1.2叶片厚度计算为了扩大叶轮流道有效过流表面,希望叶片越薄越好;但如果叶片选择得太薄,在铸造工艺上有一定的困难,而且从强度方面考虑,叶片也需要有一定的厚度。目前,铸铁叶轮的最小叶片厚度为 3 4 ,铸钢叶片的最小厚度为 5 6 。叶片也不能选择得太厚,否则会降低效率,恶化泵的气蚀性能。大泵的叶片厚度可适当加厚一些,这对延长叶轮寿命有好处。材 料比转速/rmin4060708090130190280系数 K铸铁3.23.53.84.04.56710铸钢33.23.33.43.5568表5-2叶片厚度的经验系数叶片厚度按经验公式进行计算即:取 , 取S=4mm5.2泵体强度的计算常见的离心泵泵体主要对涡室壁厚的计算,并且采用近似的计算方法。 涡室是离心泵中较大的零件,并承受高压液体的作用。所以涡室除了应有足够的强度和良 好的工艺性以外,为了保证运转的可靠性,还必须有足够的刚度。在实践中,有个别涡室 虽然强度足够,但由于刚度不够,在加工、实验、存放和运行过程中会产生变形。从而影 响泵的装配与运行。目前,一般低压泵和中压泵的涡室均以铸造工艺制造,实践表明,如果泵体壁超过40mm,在铸造时容易产生疏松现象。所以,对吐出压力超过 5Mpa 的泵,很少采用普通铸 铁泵体,一般均采用高强度铸铁,铸钢或合金钢制造。由于涡室形状很不规则,很难准确地计算涡室中的应力,现推荐建在统计的基础上的方法,壁厚为:即:所以S=11mm5.3泵轴的强度校核在泵的水力设计和结构设计初步完成后,应该校核轴的强度和刚度。使泵轴弯曲的原因有:泵轴的质量和套装在轴上的叶轮、轴套等零件的质量;转子的径向力;由叶轮平衡后的剩余不平衡所影起的离心力等。因此,泵轴是在弯曲与扭转联合作用下工作的,通常 应按弯曲与扭转联合作用来校核轴的强度的校核。1. 作用在泵轴上的载荷泵轴上的载荷有以下几种;a) 径向力具有螺旋形压水室的泵,在运转中会产生作用于叶轮上的径向力,使轴受交变应力,并会产生一定的挠度。在校核强度时,要予以考虑。螺旋形压水室是按设计流量设计的,此刻液体在叶轮周围压水室中的速度和压力是均匀的,轴对称的。因为压力是轴对称的,故作用于叶轮上的合力为零,理论上无径向力。 但是,当压水室和叶轮相互协调的条件(设计流量),被破坏时,两者出现尖锐的矛盾,从 而破坏了压力沿叶轮轴对称分布的条件,因而产生了径向力。产生径向力的另一个原因是, 从叶轮流出液体的动反力对叶轮作用。叶轮周围压水室中的压力,对液体流出叶轮,起阻 碍作用。由于压水室的压力不对称,液体流出叶轮的速度,也是不对称的,压力大的地方 流速小,压力小的地方流速大,方向与叶轮出口绝对速度方向相反,近似与圆周相切,故 动反力引起的径向力 R 的方向大致为压力引起的径向力 P 反转方向旋转 90。在小流量时 大约指向隔舌相反的方向。P 和 R 合成得总的径向力 F。消除和减弱径向力对轴的作用十分必要,为此,可将涡室分成两个对称的部分,即构 成双层涡室或双涡室。在双涡室里,虽然每个涡室的压力分布是不均匀的,但由于对称性, 作用在叶轮上的径向力是互相平衡的。轴向力 泵在运转中,转子上作用着轴向力,该力将拉动转子轴向移动。泵转子上作用的轴向力,主要有以下各分力产生:1) 叶轮前、后盖板不对称产生的轴向力2) 动反力。3) 轴台、轴端等结构因素引起的轴向力。4) 转子重量引起的轴向力。5) 其它影响轴向的力。 单级叶轮的轴向力平衡措施(1)采用双吸式叶轮使轴向力相互抵消。(2)开平衡孔或加装平衡管(3)采用平衡叶片2. 计算泵轴上的载荷1)径向力Fr =1.797KN轴向力Fa =4.53KN扭矩3. 强度校核根据第三强度理论轴颈D按下式计算取轴的材料为1Cr18Ni9Ti s =45Mpa4. 确定轴的危险断面断面A端按上述公式计算得同理得断面B的轴颈为由于A、B两点的轴颈分别为35mm和45mm,故强度满足要求5.4离心泵的临界转速当泵袖的转速逐渐增加并达到某一数值时,泵就会猛烈的振动起来,转速低于或高于这一转速时,泵就能平稳地工作,当转速达到另一个较高的数值时,泵又会重复出现振动现象。通常把泵发生振动时的转速称为临界转速 nc 。泵发生振动的临界转速有好几个,这些临界转速由低到高,依次称为第一临界转速、第二临界转速等等。泵的工作转速不能与临界转速相重合、相接近或成倍数,否则,将发生共振现象而使泵遭到破坏。计算泵临界转速的目的就是为了使泵的工作转速避开临界转速,以免泵在运转时发生振动。 泵的工作转速低于第一临界转速的轴称为刚件轴;高于第一临界转速的轴称为柔性抽。通常将单级泵的轴设计成刚性袖,即系的工作转速低于轴的临界转速。因为如果把单级泵的铀设计成柔性铀时,每次开车和停车,袖都要通过第一临界转速而发生振动,这些振动 会使叶轮密封环和机械密封等加速磨损,一般刚性轴的上作转速必须满足下列关系:通常把多级泵的轴设计成柔性轴较为合理,即泵的工作转速大于第一临界转速。因如果把多级系的轴设计成刚性铀时,轴的直径增大,轮毅直径和叶轮入口直径。也要相应 增大,这样会降低泵的效率和汽蚀性能。一般来说,泵轴的临界转速仅与转子质量和刚性系数有关,与轴的位置形式(如立式 与卧式)无关。计算临界转速是一项很烦琐的工作,通常用材料力学中的图解法求出轴系的静挠度, 再根据静挠度求临界转速。本次设计由于时间关系,不做具体求解。6 汽蚀现象汽蚀现象又称空蚀现象或空泡现象,它是水力机械及其某些有关的机器中特有的现象。 汽蚀的结果是破坏水力机械金属的表面,而这种破坏与液体气化成气泡、气泡再凝结成液 体的过程相关,因此称它为汽蚀或汽蚀现象。大约在 19 世纪末,人们在远洋轮船的螺旋桨上最先发现了汽蚀现象。当轮船的推进机 械被较高速的螺旋桨所代替时,使用过的螺旋桨上发现有海绵状的金属表面破坏,严重的则将叶断裂失落。后来,在其他与液体有关的机器零件上先后也发现了类似的破坏现象, 如水泵、水轮机的叶轮,导水机构及叶轮与壳体的间隙中,均发生了这种破坏现象。于是 人们开始寻找破坏的原因,发现在某种情况下,液体在流动过程中连续性会遭到破坏,在 液体中产生很多气泡,这些气泡在稍后的地方又缩小和消失。如果机器的零部件在液体之 中,气泡附
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