200D多段离心式清水泵结构设计
200D多段离心式清水泵结构设计,离心,清水泵,结构设计
黑龙江科技学院机械工程学院毕业设计(论文)开 题 报 告题目 200D多段离心式清水泵结构设计与计算 专题 离心泵故障分析 班级 机设01-2班 学号 10号 姓名 张友前 指导教师 韩建勇 黑龙江科技学院学生毕业设计开题报告一、 立论依据(包括项目研究的目的和意义,国内外研究现状分析);1、 项目的研究意义泵,作为一种通用机械,在国民经济各个领域中都得到了广泛的应用。D型多级分段式离心泵,供输送清水及物理化学性质类似于水的液体之用。效率高,性能范围广,运转安全平稳,噪声低,寿命长,零件互换性强,使用维护方便,产品规格齐全,覆盖面广。卧式多级分段式离心泵依靠自身的结构可以满足大流量高扬程供水需求。是农业工业中不可缺少的排水设施。因而该泵的性能应用范围是泵业发展所关注的。在密封采用软填料密封,注入液体或循环液体可以即起到密封作用又可以隔离及冷却。该泵价格底,结构简单、安装检修方便,适用于工厂、城市、矿山、农村的给排水等,随着它应用领域的不断地扩大和先进技术的不断发展,具有广泛的研究意义。2、 国内外的科技现状国外泵业发展迅速,高科技应用起了致关重要的作用,如CAD/CAM技术的应用,推动了泵的设计多样化,生产朝多品种,小批量发展。制造技术的提高给泵业的发展注入了新的力量,80年代中后期以来,国外泵业在制造技术方面的主要特点是采用数控机床和加工中心日益普及,并且正在过渡到采用柔性制造单元(FMC)和柔性制造系统(FMS)。与此同时各种新材料的开发和应用也是推动泵技术发展的一个重要因素,不锈钢、塑料、陶瓷等新型材料正逐步取代老材料,使泵的应用领域得到扩大。密封技术是近几年来的一颗新星。由合成纤维、陶瓷及聚四氟乙烯等材料制成的低摩擦压缩填料和石棉填料相比,在多方面显出优势,显示了新的生命力。国内泵业的发展就近几年来,也很迅速,生产能力已具相当大规模,在原有的基础上开发研究新产品,引进国外的工艺及技术。如泵计算机辅助设计CAD系统,中国泵制造业与相关行业信息计算机运程通讯系统等新技术的设计和开发促进了我国泵业技术水平的提高。总的来说,泵的发展主要体现在以下几个方面:1 泵内在特性的提升和追求外在特性2 机电一体化的进一步发展3 新材料新工艺的加速利用4 产品多元化5 泵设计水平的提升和制造技术优化的有机结合6 产品标准化与模块化二、设计产品的用途和应用领域用途:D型离心式清水泵供输送清水或物理化学性质类似于水的其他液体。它输送介质的温度小于80摄氏度,适用于矿山排水,工厂和城市给、排水等场合。应用领域: (1)消防供水(2)高楼供水(3)工业供水(4)农业灌溉和排涝三、 设计方案1、 设计目标、研究内容和拟解决的关键问题(分别填写)设计目标:实现大流量,高扬程自吸供水的需求研究内容:卧式离心泵方案的确定,总装图、泵轴、进入段,中段,出口段,叶片的结构及密封装置。解决的关键问题:提高泵效率,延长泵的寿命、改进轴的密封性能以及轴向力平衡问题、轴承在串动中磨损、泵的密封装置的选取2、设计方案(须有文字和示意简图说明)1、根据所给参数拟订工况,选择泵型,大体选择各部分材料;2、确定选择原动机,由转数、比转数选择泵的结构形式;3、利用相似设计法和速度系数设计法结合模型设计叶轮;4、轴,压出室、吸入室、托架的设计5、各通用零部件的选择及各部件的校核;6、画图。(总图见最后)。3、题目的可行性分析:就目前的技术完全可以实现卧式多级分段式自吸离心清水泵结构设计。该设计是在原有的基础上,在局部稍微进行了改进,降低了成本,提高了泵的效率,可以大量生产,有一定的市场。从选材上分析,泵的壳体和叶片都可以实现用铸铁通过导叶装置可以实现多级联接从而实现排水扬程大、价格低、结构简单、安装检修方便等优点。4、本项目的创新之处1、将密封改造成软填料密封,使其有利于受损修复,而且结构简单,便于安装拆卸。四、 指导老师审核意见: 指导教师(签字): 年 月 日五、 指导委员会意见审核意见: 专家组长(签字): 年 月 日黑龙江科技学院毕业设计(或论文)说明书目录摘要Abstract.一般部分第1章 诸论 .1第2章 泵的概述 .22.1 泵及其在国民经济中的应用 .22.2 泵的分类 .22.3 叶片式离心泵的型式 32.3.1按主轴方向.32.3.2 按液体从叶轮流出的方向32.3.3 按吸入方式.32.3.4 按级数.32.3.5 按叶片安装方法.32.3.6 按壳体分开方式.32.3.7 按泵体形式.3第3章 离心泵的基本理论知识及主要部件.43.1 离心泵的结构形式 .53.2 泵的基本参数.43.2.1 流量43.2.2 扬程53.2.3 转速63.2.4 汽蚀余量63.2.5 功率和效率63.3 泵的各种损失及泵的效率.73.4 离心泵主要零部件及结构型式93.4.1 吸入室及其结构型式 .93.4.2 叶轮及其结构型式103.4.3 压出室及其结构型式103.4.4 轴封机构及其结构型式113.4.5 轴向力平衡机构及其结构型式123.4.6 其它零部件.12第4章 离心泵结构设计.134.1离心泵结构方案的选择 134.1.1 原电机的选择134.1.2 确定电机转数、比转数和级数144.1.3 初步确定吸入口直径、流速和吐出口直径154.1.4 确定泵的最小汽蚀余量和汽蚀比转数174.2轴径的初步设计 194.3离心泵叶轮的设计 204.3.1 确定叶轮入口直径.204.3.2 确定叶片入口边直径 224.3.3 确定叶片入口处绝对速度 234.3.4 确定叶片入口宽度 .234.3.5 确定叶片入口处圆周速度.234.3.6 确定叶片数 .234.3.7 确定叶片入口轴面速度.244.3.8 确定叶片入口安放角.244.3.9 确定叶片厚度.254.3.10确定叶片排挤系数.264.3.11 叶轮包角的确定.274.3.12确定叶轮外径.274.3.13 确定叶片出口安放角.284.3.14 确定叶轮出口宽度.284.3.15 确定叶轮出口绝对速度和圆周速度的夹角.304.4 径向导叶的设计计算.324.4.1 确定基圆直径.324.4.2 确定导叶入口角.324.4.3 确定导叶入口宽度.334.4.4 确定导叶喉部面积和形状.334.4.5 确定导叶入口厚度.344.4.6 确定导叶扩散角.354.4.7 确定导叶扩散段长度.354.4.8 确定反导叶入口角.364.4.9 确定反导叶叶片数 .36 4.4.10 确定反导叶出口角.374.5 吸入室的设计.374.6 平衡装置的设计计算.374.6.1 确定平衡盘两侧压差384.6.2 计算平衡盘半径.394.6.3 计算轴向间隙长度和平衡盘外圆半径.394.6.4 确定轴向间隙和径向间隙 .404.6.5 计算径向间隙长度.404.6.6 计算平衡盘的泄漏量.41第5章 离心泵主要零部件的强度计算.435.1 叶轮盖板强度计算435.2 叶片厚度计算445.3 轮毂的强度计算455.4 分段式多级泵中段计算 .455.5 泵体密封面连接螺栓计算 .465.6 泵轴的校核 485.7 键的强度校核.50第6章 离心泵主要通用零部件的选择.526.1 轴封结构的选择.526.1.1轴封的作用52 6.1.2填料密封.526.2 轴承部件的选择.536.3 联轴器的选择.53第7章 离心泵材料的选择.537.1 壳体537.2 轴547.3 叶轮.54第8章 经济分析.558.1泵经济工作条件.558.2 技术经济分析的性质.55结论.56参考文献.57附录159附录263摘 要泵作为一种通用机械,在国民经济中各个领域都有广泛的应用。农业的灌溉和排涝,城市的供水和排水都需要泵。在工业的各个部门泵更是不可缺少的。本人此次设计的是200D型离心式清水泵。此类泵是利用叶片和液体相互作用来输送液体的叶片泵的一种,输送清水(含杂质量小1%,颗粒度小于0.1mm),物理化学性质类似于水的其他液体。它输送介质温度小于80,适用于矿山排水、工厂和城市给排水等场合。离心泵具有结构简单,系统无需卸压装置,运行安全可靠和性能优良等特点。本文介绍200D型离心泵的各部分结构和几何参数对泵性能的影响,分段式多级泵的用途比较广泛,产量也比较大,这种泵实际上等于将几个叶轮装在一根轴上,串联的工作,所以扬程一般比较高,每个叶轮均有相应的导叶。【关键词】 离心泵 导叶 叶轮 平衡装置Abstract pump is as one kind of general machinery, and all there is the extensive application in each domain in national economy. The agriculture irrigates and draining flooded fields, and the water supply of city and draining off water all needs the pump. Each department pump in industry more cannot lack. What I this time designed is 200Ds mould being at odds with the community or the leadership type clear water pump. This kind of pump is using leaf blade and liquid to interact to carry a kind of liquid vane pump, and carries clear water ( keeping in the mouth the miscellaneous quality small 1%, the granulation is smaller than 0.1mm ), similar other liquid in water of physicochemical property. Its transport medium temperature is smaller than 80, occasions such as is suitable in the mine draining off water and factory and city plumbing etc. It is simple that the centrifugal pump possesses the structure, and the system need not the decompression device, the characteristics such as to run safe and reliable(ly) with the function fine etc. This book is introduced the various part of structure of 200Ds mould centrifugal pump and how much influences to the pump function of parameter, extensive, and output is also fairly greatly, in fact this kind of pump is equaled to to load several impellers on an axle, tandem work, so the lift is generally fairly higher, that every impeller all has corresponding(ly) leads.【Key words】centrifugal pump, impeller, the leaf is led by the leaf, the balance installing一般部分第1章 诸论我的设计题目是200D多段离心式清水泵结构设计。根据指导教师给的设计参数的具体分析,我设计的多段离心式清水泵需要的流量是每小时280立方米,扬程是260米水柱,工作效率为70%,转速为每分钟1470转,液体重度为每立方米1000千克。多段离心式清水泵,它属于D型泵。 D型离心式清水泵是单吸多级分段式离心泵,供输送清水及物理化学性质类似于水的液体之用。具有效率高,性能范围广,运转安全平稳,噪声低,寿命长,零件互换性强,使用维护方便,产品规格齐全,覆盖面广等优点。卧式多级分段式离心泵依靠自身的结构可以满足大流量高扬程供水需求。往往是农业工业中不可却少的排水设施。因而该泵的性能应用范围是泵业发展所关注的。在密封采用软填料密封,注入液体或循环液体可以即起到密封作用又可以隔离及冷却。该泵价格底,结构简单、安装检修方便,因此可以隔离及冷却适用于工厂、城市、矿山、农村的给排水等,分段式多级泵的用途比较广泛,产量也比较大,它应用领域也在不断地扩大,具有广泛的研究意义。D型离心式清水泵在国内外有了很大的发展。在国民经济的各个领域都有应用,无论是农业、城市、矿山,还是工业的各个部门都有它的存在。总之,无论是尖端的科学技术,还是日常的生活,到处都需要泵,到处都有泵在运行。只要有泵的地方就有离心泵的存在,其发展前景是可观的。在我国泵业发展庞大。从单级到多级,对泵的研究机理已经达到了国际水准。离心泵是泵中的一个分支。我国的离心泵研究合理,基本上满足从农业到工业跨领域性应用。离心泵是一种用量最大的水泵,在给水及农业工程、固体颗粒液体输送工程、石油及化学工业、航空航天和航海工程、能源工程和车辆工程等国民经济各个部门都有广泛的应用。第2章 泵的概述2.1 泵及其在国民经济中的应用泵是应用非常广泛的通用机械,在国民经济各部门中,泵是不可缺少的机械设备,输送各种液体都离不开它。例如在火力发电厂中,向锅炉送水的给水泵;向汽轮机凝汽器送冷却水的循环水泵;排出凝汽器中凝结水的凝结水泵;在几级加热器之间增加水流压力的中继水泵;排除热力系统各处疏水的疏水泵;向热力网系统补充水的补给水泵以及向热力系统中补充软化水的水泵等。这些泵都是火力发电厂的重要辅助设备。此外,还有用来输送各种润滑油、药液以及排除锅炉灰渣的特殊用途的泵。而且随着科学技术的发展,其应用范围正在迅速扩大。据1984年统计,泵耗电量占全国用电量的20%,耗油量占全国总用油量的5%。可见,提高泵类产品的技术指标,对节约能源,加速四个现代化建设具有重要意义。2.2 泵的分类泵的类型复杂,品种规格繁多。按其工作原理可分为以下三大类:叶片式泵:是利用叶片和液体相互作用来输送液体,叶片式泵是由装在主轴上的叶轮的作用,给液体以能量的机器。按其作用原理可分为以下几类:它主要是包括离心泵和轴流泵、混流泵。离心泵主要是由离心力的作用,给叶轮内液体以压力能和速度能,进而,在壳体或导叶内,将其一部分速度能转变为压力能,进行抽送液体的泵。离心泵是叶片泵的一种,它具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、性能平稳、容易操作和维修等优点。国内外生产实践表明:离心泵的产值在泵类产品中是最高的。这也是我的设计的目的,了解其结构和特点。 还有容积泵包括往复泵和转达子泵。 由于我主要研究的是离心泵在这里就对其它的泵不多作介绍了。2.3 叶片式离心泵的型式叶片式泵按其结构型式,可详细分类如下:2.3.1按主轴方向1.卧式:主轴水平放置;2.立式:主轴垂直放置;3.斜式:主轴倾斜放置;2.3.2 按液体从叶轮流出的方向1.径流式:液体主要在与主轴垂直的平面上流出;2.混流式:液体主要在与主轴为中心轴的圆锥面上流出;3.轴流式:液体主要在与主轴同心的圆柱上流出;2.3.3 按吸入方式1.单吸:叶轮只在一面有吸入口;2.双吸:叶轮在两面有吸入口;2.3.4 按级数1.单级:液体通过一个叶轮的结构;2.多级:液体通过同一轴上的两个以上叶轮的结构,称为2级;2.3.5 按叶片安装方法1.可调叶片:叶轮的叶片安放角度可以调节;2.固定叶片:叶轮的叶片安放角度是固定的;2.3.6 按壳体分开方式1.分段式:壳体按与主轴垂直的平面分开;2.节段式:在分段式多级泵中,每一级壳体都是分开的;3.中开式:壳体在通过轴心线的平面上分开;4.水平中开式:在中开式中分开面是水平的;5.垂直中开式:在中开式中分开面是垂直的;6.斜中开式:在中开倾斜的式中分开面是2.3.7 按泵体形式1.蜗壳泵:叶轮压出侧具有带蜗室的壳体;2.双蜗壳泵:叶轮压出侧具有带两个轴心对称的蜗室的壳体;3.透平泵:带导叶的离心泵;4.筒式泵:内壳体外装有圆筒状的耐压壳体5.双壳泵:指筒式泵之外的双层壳体;第6章 离心泵的基本理论知识及主要部件3.1 离心泵的结构形式离心泵结构形式虽然很多,但由于作用原理相同,所以主要零部件的形状是相近的。离心泵的主要零部件有以下几种:叶轮,吸入室,压出室,密封环,轴封机构,轴向力平衡机构。泵的主要过流部件有吸水室、叶轮和压水室,其中还包括导叶。泵的吸水室位于叶轮前面,其作用是把液体引向叶轮、有直锥形、弯管形和螺旋形三种形式。压水室位于叶轮外围,其作用是收集从叶轮流出的液体,送入排出管。压水室主要有螺旋形压水室、矩形形压水室两种形式。叶轮是泵最重要的工作元件,是过流部件的心脏。叶轮由盖板和中间的叶片组成,根据液体从叶轮流出的方向不同,叶轮分为径流式、混流式和轴流式三种型式。径流式叶、混流式叶轮、轴流式叶轮3.2 泵的基本参数表示泵的主要性能的参数有以下几个:流量Q、扬程H、转速n、汽蚀余量h、功率Ne和效率3.2.1 流量流量是泵在单位时间内输送出去的流体量(体积或质量),其中,体积流量用Q表示,单位是:m3/s、m3/h、L/s等,质量流量用表示,单位是:t/h、kg/s等。质量流量和体积流量的关系为式中流体的密度(kg/m3、t/m3),常温清水1000kg/m3。液体重度随温度变化,而压力变化对其影响较小。所以,在计算中可根据实际情况由表查出。3.2.2 扬程扬程是泵所抽送的单位重量的液体从泵进口处(泵进口法兰)到泵出口处(泵出口法兰)能量的增值。也就是一牛顿液体通过泵获得的有效能量。其单位是Nm/=m,即泵抽送液体的液柱高度,习惯简称为米。根据定义,泵的扬程可以写为式中泵出口处单位重量流体的能量(m) 泵进口处单位重量流体的能量(m)单位重量流体的能量在水力学中称为水头,通常由压力水头(m)、速度水头(m)、位置水头Z(m)三部分组成,即,因此 式中 、泵出品、进口处液体的静压力、泵出品、进口处液体的速度、泵出品、进口到任选的测量基准面的距离3.2.3 转速转速是泵轴单位时间的转数,用符号n表示,单位是r/min。它与所用的原动机形式有关,如采用电作为动力源的可以选择电机直接驱动,也可以选择加入一个变速器,来改变转数;也可以选择采用汽油机、柴油机驱动;还可以采用汽轮机驱动。3.2.4 汽蚀余量汽蚀余量是表示汽蚀性能的主要参数。把泵入口的全水头和液体饱和蒸气压力水头之差,作为发生汽蚀的大致标准。汽蚀余量国内曾用表示。式中 P1泵入口处的静压力 V1泵入口处的平均流速3.2.5 功率和效率泵的功率通常指输入功率,即原动机传到泵轴上的功率,故又称轴功率,用表示。泵的有效功率又称输出功率,用表示。它是单位时间内从泵中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。有效功率为:(KW)或(KW)式中泵输送液体的密度(kg/m3)泵输送液体的重度(N/m3)Q泵的流量(m3/s)H泵的扬程(m)g重力加速度(m/s2)若液体重度的单位kgf/m3、Q、H的单位与上式相同,则 (KW)轴功率和有效功率Ne之差为泵内的损失功率,其大小用泵的效率来计量。泵的效率为有效功率和轴功率之比,用表示,即 , 也可以用下式表示 式中 m机械效率v容积效率k水力效率3.3 泵的各种损失及泵的效率机械损失和机械效率:原动机传到泵轴上的功率又称轴功率,首先要花费一部分去克服轴承和密封装置的摩擦损失,剩下来的轴功率用来带动叶轮旋转。但是叶轮旋转的机械能并没有全部传给通过叶轮的液体,其中一部分消耗于克服叶轮前、后盖板表面与液体和盖板表面与泵腔中液体之间的摩擦,这部分损失称为圆盘摩擦损失。而机械损失效率m由轴承损失功率、密封损失功率和圆盘损失功率大小表示。式中 Nm1轴承损失功率Nm2密封损失功率Nm3圆盘损失功率Nm 机械损失N输入水力功率输入水力功率用来对通过叶轮的液体作功,因而叶轮出口处液体的压力高于进口压力。出口和进口的压差,使得通过叶轮的一部分液体从泵腔经叶轮密封环间隙向叶轮进口逆流。这样,通过叶轮的流量Qt又称泵的理论流量,并没有完全输送到泵的出口。其中泄漏量这部分液体把从叶轮中获得的能量消耗于泄漏的流动过程中。即从高压液体(出口压力)变为低压(进口压力)液体。所以容积损失的实质也是能量损失。容积损失的大小用容积效率来计量。容积效率为通过叶轮除掉泄漏之后的液体(实际的流量Q)的功率和通过叶轮液体(理论流量Qt)功率(输入水力功率)之比,即式中Qt泵的理论流量;泵的理论扬程,它表示叶轮传给单位重量流体的能 量泄漏量多级泵有级间泄漏。另外,泵平衡轴向力装置、密封装置等的泄漏量也应算在泵的容积损失之中。这些都是我应该注意的问题。通过叶轮的液体从叶轮中接收的能量Ht,也并没有完全输送出去,因为液体在泵过流部分和冲击、脱流、速度方向及大小变化都会引起水力损失,从而要消耗掉一部分能量。单位重量液体在泵过流部分流动中损失的能量称为水力损失,用来表示。由于存在水力损失,单位重量流体经过泵增加的能量H,要小于叶轮传给单位重量液体的能量Ht,即。泵的水力损失的大小用泵的水力效率来计量。水力效率为去掉水力损失液体的功率和未经水力损失液体功率之比,即总效率为有效输出功率和轴功率之比,即变化为即 泵的总效率等于机械效率、容积效率和水力效率之乘积。3.4 离心泵主要零部件及结构型式我将按液流从泵入口至出口所经过部件的先后顺序,来讨论和介绍各个主要部件及其结构型式。3.4.1 吸入室及其结构型式吸入室的作用是将吸入管路中的液体以最小的损失均匀地引向叶轮。吸入室对液体进入叶轮的流动情况有很大的影响,所以吸入室形状的好坏能影响离心泵的汽蚀性能。对于泵的设计来说也是非常重要的。1. 锥形管吸入室 锥形管吸入室,这种型式的吸入室的结构简单,制造方便,能在叶轮入口前产生不大的加速度,使叶轮前流速均匀,液体在锥形管吸入室中损失很小。但是,它主要用于悬臂式结构,其它结构形式的泵中很少采用。所以并不是我所选的吸入室。2. 圆环形吸入室圆环形吸入室,这种型式的吸入室的优点是机构简单轴向尺寸较短,缺点是液体进入叶轮时有冲击和旋涡损失:在叶轮前,液流分布也不太均匀。但是,由于多级泵的扬程、吸入室中的水力损失所占比重不大,故在多级泵中广泛使用。由于毕业设计需要我也采用了圆环形吸入室。符合设计要求。3. 半螺旋形吸入室半螺旋形吸入室,这种型式的吸入室的优点是液体进入叶轮时流动情况比较好,速度比较均匀,但液体进入叶轮前有预旋,多少要降低离心泵的扬程对比转数较小的泵的影响还不太明显,对转数较大的泵的影响就很显著了。我国的中开式泵都采用半螺旋形吸入室,也有个别悬臂泵采用这种形式。也不在考虑之内。3.4.2 叶轮及其结构型式叶轮的功用是将原动机的机械能传递给液体,使液体的压力能和动能均有所提高的零件。叶轮是影响离心泵性能的主要零件。叶轮一般由前盖板、叶片、后盖板和轮毂所组成。叶轮的材料要求有高强度、抗腐蚀、抗冲刷的性能,因此一般采用铸铁、磷青铜或黄铜制成。而大型给水泵和凝结水泵则一般采用不锈钢。其结构有开式、半开式和闭式。3.4.3 压出室及其结构型式压出室的作用是以最小的损失,将从叶轮中流出的液体收集起来,均匀地引至泵的吐出口或次级叶轮,在这个过程中,还将液体的一部分动能转变为压力能。1. 螺旋形涡室它一般用于单级泵,不在考虑之内。2. 环形压出室由于环形压出室内的各个断面面积相等,所以,各处的流速不相等,因此,无论是否在设计工况下工作,在环形压出室中总是有冲击损失的。所以具有环形压出室泵的效率较高而具有螺旋形压出室的泵效率低,由于我设计的是清水泵,所以环形压出室,也不考虑。3. 径向导叶径向导叶:导叶与涡室的作用相似,可以把导叶看作在叶轮周围安放的几个涡室(也可以把涡室看作是只有一个叶片的导叶)。导叶的作用是以最小损失,把由叶轮流出的高速液体收集起来,并把液体的一部分动能变为压能,还要通过反导叶以最小损失把液体均匀得引向次级叶轮。4. 流道式导叶流道式导叶:流道式导叶的特点是液体丛导叶入口到反导叶出口都在导叶流道内流动,所以速度变化比较均匀。目前,我国的分段式多级泵一般很少采用流道式导叶。符合设计要求,压出室我选择扭曲径向导叶。5. 扭曲叶片式导叶扭曲叶片式导叶:扭曲叶片式导叶引导液流和能量转换的效果虽然没有径向导叶好,但是,扭曲叶片式导叶径向尺寸比较小,所以深井泵、潜水泵、作业面潜水泵和一部分混流泵由于泵的外径受到限制而采用扭曲叶片式导叶。扭曲叶片式导叶收集液体和能量转换工作全部在导叶流道内进行。3.4.4 轴封机构及其结构型式在泵轴伸出泵体处,旋转的泵轴和固定的泵体之间有轴封机构。离心泵的轴封机构有两个作用:减少有压力的液体流出泵外和防止空气进入泵内。尽管轴封在离心泵中所占的位置不大,但泵是否正常运转却和轴封密切有关。1. 有骨架的橡胶密封有骨架的橡胶密封:在这种密封中,密封碗是主要密封元件,它利用橡胶的弹力和弹簧压力将密封碗紧压在轴(轴套)上。这种密封结构的优点是,结构简单、体积小、密封效果比较显著;缺点是密封碗内孔尺寸容易超差。因此,将轴压得太紧,造成消耗功率太大。这种密封结构安装要求较严,寿命比较短,所以在小泵上用得还比较多,在大泵上很少采用。2. 填料密封填料密封:是一般离心泵中最常用的密封结构,一般由填料套、填料环、填料、填料压盖、长扣双头螺栓和螺母组成,靠填料和轴(或轴套)的外圆表面接触来实现密封的。轴封的严密性可以用松紧填料压盖的方法来调节。填料密封的合理泄漏量是液体从填料函中渗漏出来,成滴状,每分钟泄漏量为60滴左右。根据计算和资料我采用了此密封。3. 机械密封机械密封:主要密封原件、辅助密封原件、压紧原件和其他辅助原件组成。优点是密封性好、寿命长、泄漏少、功率消耗少,在运转中可以达到几乎不泄漏的程度,所以广泛应用于输送高温、高压和强腐蚀性的液体的离心泵。缺点是制造复杂、价格较贵、损坏时不易更换,另外主要密封原件和其他辅助密封原件的材料不好选择。4. 浮动环密封浮动环密封:浮动密封是籍浮动环端面和浮动套端面的接触来实现轴向密封的,径向密封是籍轴套外圆表面与浮动环内圆表面形成的狭窄缝隙以产生节流来密封的。浮动密封的优缺点是结构简单、泄漏量介于机械密封和填料密封之间,运转可靠,但争购向尺寸略大于其他密封机构。3.4.5 轴向力平衡机构及其结构型式多级泵一般用平衡鼓或平衡盘平衡轴向力。因为,泵在运行中由于作用在转子上的力不对称就产生了轴向力。由于轴向力的存在,泵的转动部分必然在轴向力的推动下发生串动,转子与泵体发生研磨,使泵不能正常工作。3.4.6 其它零部件离心泵除上述主要零部件以外,还有泵轴、中段、轴承体、托架、支架、联轴器等零部件。第7章 离心泵结构设计设计题目:多级离心式清水泵结构设计与计算设计参数: 流量Q=280 m3/h扬程H=260 m 效率=70% 转速n= 1470 r/min液体重度=1000 kg/m34.1离心泵结构方案的选择4.1.1原电机的选择选择原电机时应该综合考虑动力来源、价格、投资和维护管理费用等。由于电源比较方便,一般均采用电机驱动。所以本设计采用电机直接驱动。离心泵轴功率的计算: 41式中:Ne泵的有效功率 KW离心泵的效率清水的重度 =1000kg/m3Q离心泵的流量 Q=280m3/hH离心泵的扬程 H=260m查“离心泵总效率”图4-1取 =0.70则: 图4-1 多级离心泵总效率则计算功率: Nc=1.2N=1.2283.22=339.86kw 4-2查“机械设计手册”选电机型号为Y355L1-2型4.1.2确定电机转数n、比转数ns和级数i由于本泵是采用电机直接驱动的形式,所以电机转数确定,满载转数n=1470r/min 。根据比转数计算公式: 43式中: n s比转数 n泵的转数 n=1470r/min Q泵的流量 Q=280m3/h H泵的扬程 H=260mi多级泵的级数将上述数值带入上式可得如下关 n= 分别带入级数i=3、4、5、6、7、8级,分别求出相应的比转数ns的值,见表42级数i与比转数ns关系表表42级数i与比转数ns关系表级数i345678比转数ns135167197226256283由上表以及查阅了“离心泵总效率”图4-1,综合考虑,确定级数为i=6级,比转数 ns=226。在确定比转数时应考虑下列因素:(1)的区间,泵的效率最高,泵效率显著下降;(2)采用单吸叶轮,过大时可考虑采用双吸式,反之,采用双吸过小时,应改为单吸式;(3)比转数和泵的级数有关,级数越多,越大。卧式泵一般不超过10级,立式深井泵和潜水泵级数多达几十至几百级。但目前的趋势是尽量提高转速,减小级数,以提高泵运行的可靠性。4.1.3初步确定吸入口直径D、流速Vs和吐出口直径泵吸入口径的确定主要看吸入管内的流速,根据国内资料看外管路经济流速分析和有关规定,吸入管内最大流速一般不超过5米/秒,最常用的流速为3米/秒左右,管径大时,流速可适当慢些,但流速慢了管径就要大些,又不经济。因此,必须根据具体情况作综合分析比较。常用的泵吸入口径、流量和流速的关系见表43。表43 泵吸入口径、流量和流速的关系吸入口径(mm)506580100150200250300400多级泵流速m/s1.772.12.5432.442.482.542.843.42流量m3/s12.52546851552804507201500 对汽蚀性能要求较高的泵(汽蚀比转数C1000),在吸入口径小于250毫米时,建议取吸入口流速Vs=1.01.8 m/s;在吸入口径大于250毫米时,建议取吸入口流速Vs=1.42.2 m/s。根据上述分析取吸入口流速 Vs=2.4 m/s,则由公式: D= 44式中, Q流量, Q=280m3/sVs吸入口流速, Vs=2.48 m/s则, D= 0.198 m由上表可圆整为,D=0.20 m=200 mm由吸入口流速公式: Vs= 45可得: Vs=2.477m/s由吐出口流速公式: =D=200 464.1.4确定泵的最小汽蚀余量hmin和汽蚀比转数C泵的允许吸上真空度是随泵使用地点的大气压,吸入管路中的阻力和流速,以及所抽送液体的性质和温度的不同而变化的。所以使用时不太方便,故引入了一个表示泵汽蚀性能的参数,这就是汽蚀余量。在设计离心泵时,需要有一个能表示泵的汽蚀性能,而又与泵的设计参数有联系的综合性参数,作为比较泵汽蚀性能和选择模型泵的依据。故引入一个汽蚀比转数C来表示离心泵的最小汽蚀余量与泵设计参数间的关系。取, C=680 n=1470 r/min Q=280 /h=(5.62nC) =4.07 m由“清水的汽化压力与温度的关系曲线”在泵的设计手册上第四章第四小节可查得,常温下清水的汽化压力Pv=0.024kg/cm2根据计算公式: 47式中:Pa标准大气压Pa=1 kg/cm2Pv温下清水的汽化压力Pv=0.024 kg/cm2最小汽余量=3.2 mVs吸入口流速 Vs=2.5 m/s将上述数值带入上式可得: m根据汽蚀比转数计算公式: 48式中: Q=280 m3/hn=2950 r/min=4.07 m将上述数值带入上式可得:=802汽蚀比转速是在入口几何相似,运动相似和动力相似的条件下推导出来的,所以对一组入口相似的泵,在相似的工况下,他们的C值相同。因此,C值可以作为叶轮入口和吸入室几何相似的判别数。泵的最小汽蚀余量越小,汽蚀比转速越大,所以C值可以作为在考虑汽蚀性能时选取模型泵的一个参数。允许吸上真空度为:为了安全,最大吸入口真空度常减去0.3做允许吸上真空度。m汽蚀比转速是在入口几何相似,运动相似和动力相似的条件下推导出来的,所以对一组入口相似的泵,在相似的工况下,他们的C值相同。因此,C值可以作为叶轮入口和吸入室几何相似的判别数。泵的最小汽蚀余量越小,汽蚀比转速越大,所以C值可以作为在考虑汽蚀性能时选取模型泵的一个参数。4.2轴径的初步设计从机械零件书中可知,可按下式计算泵轴所传递的扭力矩M M= 49式中:M泵轴所传递的扭力矩 Nm Nc计算功率 Nc=339.86 KW n泵转数 n=1470 r/min将上述数值带入公式49得:M=2186.9 Nm按扭矩初步计算的最小轴径d为: d= 410式中 材料的许用应力(Pa)d 最小轴径(m)机械手册上查“泵轴常用材料的许用切应力”, 本泵选择45调质处理HB=500-600 则=550Pa 则最小轴径d: d= m=60 mm由于电机与泵轴之间采用凸缘联轴器,这种联轴器结构简单,工作可靠,装拆方便,刚性好,传递转矩大。但当两轴对中精度较低时,将引起较大的附加载荷,适用于对中精度良好的一般传动。所以选用该类型联轴器。选择YL1型联轴器,根据联轴器将最小轴径圆整为d=60mm。 固定转子的零件螺纹直径为: d=72 mm 安装轴承和叶轮处的直径为: d1=75 mm 由于叶轮和轴通常是用键联结的,因此,轮毂要有一定强度,轮毂的直径dh可按下列经验公式计算。确定轮毂处的直径: 、 411式中: k经验系数,一般取k=1.21.4,这里去k=1.4d1安装叶轮处的轴的直径 d1=75 mm则: dh=kd1 =1.475=105 mm泵轴在运行中,除了承受扭矩外,还承受由皮带传动所引起的径向力、转子自重及由不平衡所引起的离心力等,这些力都会使轴产生弯曲;而轴向力会使轴产生拉伸或压缩。在轴径初步计算中,合理选择许用应力,除可节省材料外,对泵来说还有其特殊意义:如果轴的许用应力取得小,轴就粗,叶轮入口尺寸就要加大,这就恶化了吸入条件,降低了离心泵效率;反之,如果许用应力取得大,轴就细,对泵的吸程和效率都有好处,但必须保证轴的安全可靠。因此,必须合理选择许用应力,充分发挥材料的效能。4.3离心泵叶轮的设计叶轮是将来自原动机的能量传递给液体的零件,液体流经叶轮能量增加。叶轮一般由前盖板、后盖板、叶片和轮毂组成。如果叶轮没有前盖板,就是半开式叶轮,没有前盖板、也没有后盖板的叶轮叫开式叶轮,开式叶轮在一般情况下很少应用。叶轮主要几何参数有叶轮进口直径D0、叶片进口直径D1、叶轮轮毂直径dk、叶片进口宽度b1、叶片进口角1、叶轮出口直径D2、叶轮出口宽度b2、叶片出口角2、叶片数、叶片包角等。叶轮进口几何参数对汽蚀性能有重要的影响,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。分段式多级泵的第一级叶轮,因为要考虑到泵的汽蚀性能,需要特殊设计,故以次级叶轮为例,设计设计算步骤如下:4.3.1确定叶轮入口直径D0由于泵要求效率比较高,而多级泵的次级叶轮入口已有一定压力,故可将泵入口速度系数尽可能取得高些。先确定叶轮入口速度,可用公式 412式中:叶轮入口速度系数 H 泵的单级扬程由图43“离心泵叶轮的速度系数”表图43 离心泵叶轮的速度系数由上图可以查到叶轮入口速度系数=0.22,泵的单级扬程Hi=260/6=43.3m所以:m/s通过叶轮的流量Q可用公式: 413式中: 泵的容积效率查图离心泵的设计基础44可得流量等于38m3/h的容积效率,根据比转数可查得=0.942则: m3则叶轮入口的直径可根据公式: 414取 D0=70mm4.3.2 确定叶片入口边直径D1在叶轮流道入口边上取圆心,做流道的内切圆,内切圆圆心到轴心线距离的两倍即为叶轮入口边直径。确定叶片入口边直径,一般与比转数有关,由于本设计的比转数ns=167在100200之间,所以D1D0,一般入口边平行于轴心线;对流量较小的泵,可取D1D0;对流量较大的泵,也可将入口边伸入吸入口,但是应注意铸造造型的工艺性。取D1=(10.8)D0=150 mm=0.150 m4.3.3 确定叶片入口处绝对速度V1一般取=,对汽蚀性能要求高的泵,取=(0.40.83) 这里取 =0.7 415=0.7=0.74.4=3.08 m/s4.3.4 确定叶片入口宽度b1离心泵叶轮入口尺寸,入口宽度和入口边直径除影响泵的抗汽蚀性能影响很大。 4164.3.5确定叶片入口处圆周速度计算用公式: 417则: 4.3.6 确定叶片数Z泵的效率跟叶片数的多少有直接关系。叶片数多,泵的效率就能得到提高,这是因为叶片数增加后,叶片间流道的扩散程度减弱,液流的扩散损失减小,泵的效率上升,但叶片数过多的时候,叶片与液流的摩擦损失增加,结果反而导致泵的效率下降。对 的泵,取6片;对低比转速的泵可以取9片,但应注意勿使入口流道堵塞;对高比转数的泵可以去45片。在一般情况下,增加叶片数可以改善液体流动情况,适当提高泵的扬程,但叶片数增加后将增加叶片摩擦损失,减少流道过流面积。取z=6片4.3.7 确定叶片入口轴面速度叶片入口轴面速度Vm1可按下式确定 = 418式中 为叶片入口排挤系数,在设计离心泵时先选取排挤系数进行试算,待叶片厚度和叶片入口安放角确定后,在来校核值。在估算时一般取,这里取=1.3。则: = 419 =1.33.08=4.00 m/s 4.3.8 确定叶片入口安放角叶片入口安放角就在叶片入口处,叶片工作面的切线与圆周切线间的夹角,如图4-5示。假设液体是无旋流入叶轮内,则由速度三角形知: 420式中:液体进入叶轮相对速度的液流角。 、前面已经计算过。则: 叶轮入口安放角比相对速度角增大了一个角度,这个角度叫冲角,用表示,叶片入口安放角为: 421一般冲角取=,叶片入口安放角 则叶片入口安放角:= 选择一个冲角的原因是:液体在进入叶轮前,已受吸入室、轴或叶轮的影响而旋转运动,增加冲角就是考虑了预选的影响,以减少液体冲击损失;取正冲角后,叶片入口处排挤系数减小了,几增大叶片入口积,改善了液体流动情况,可以提高泵的汽蚀性能。冲角对泵抗汽蚀性能有一定的影响。4.3.9确定叶片厚度S1从水力性能的角度考虑,叶片应尽量薄,这样一方面可以减少叶片对液流的排挤,提高泵的扬程,同时还可以减小叶片前缘处的尾流损失,提高效率。而从强度方面的要求考虑,则叶片应有一定的厚度。在确定叶片厚度时应注意:对较小的泵,要考虑到铸造的可能性,对铸铁叶轮,叶片最小厚度为毫米;对铸钢叶轮,叶片最小厚度为毫米。对大泵应适当增加叶片厚度,以使叶片有足够的刚度。我选用了铸钢材料的叶轮,故叶片厚度S1=6 mm4.3.10确定叶片排挤系数叶片排挤系数是叶片厚度对流道入口过流断面面积影响的系数。它等于流道入口叶片厚度的过流面积与考虑叶片厚度过流面积之比值: 422式中 叶片节矩,如图4-5,可按 : =, 423叶片在圆周方向上的厚度,如图4-5按公式:= 424入口处的叶片实际厚度(严格的说是液面上的厚度)将上述422、423、424三个式子联立可得: 425式中, D1叶片入口边直径S1叶片厚度Z叶片数目叶片入口安放角则, 4.3.11 叶片包角的确定叶片包角就是入口边与圆心的连线和出口边与圆心连线间的夹角。包角越大、叶片间流道越广,则叶片单位长度负荷小,流道扩散程度越小,有利于叶片与液流的能量交换。如叶片包角太大,则叶片与液体的摩擦损失增加,铸造工艺性差,所以包角大小应适当选取。对的泵,一般取=。取=4.3.12确定叶轮外径由公式: 426式中,叶轮出口圆周速度,m/s,可按下式计算: = 427式中,叶轮出口圆周速度系数,由图43选取 为0.38。 H 多级泵的单级扬程则, = m/s则, D2=360 mm根据公式, 428则:取系数为1.1, Z=6 片取6片与前面假设相似。4.3.13 确定叶片出口安放角叶片出口安放角一般在1640范围内,通常选用2030,通常选用200300。对高转速的泵,安放角可以取得小一些,低比转速的泵可取得大一些。叶片出口安放角对性能曲线的形状,叶轮流道形状和泵的扬程影响都较大。取 =4.3.14 确定叶轮出口宽度实测表明,当叶片宽度改变时,通过叶轮的流量变化不大。因此,若叶片宽度过窄,则叶片单位面积上的负荷增加,滑移系数增大而使叶轮的理论扬程减小,同时叶轮的相对速度增大,液流与叶片表面的摩擦损失增加,从而造成泵效率的下降。b2可以通过叶轮出口轴面速度确定,离心泵的设计基础叶轮出口速度三角形图58,VM2可按下式计算: 429式中,为叶轮出口轴面速度系数,可按图44选择。取值0.15。H多级泵的单级扬程。则, m/s由于已确定,所以可以按下式计算b2: 430式中:流经叶轮的流量,m3/sD2叶轮外径,mZ叶片数目叶片出口处圆周方向的厚度,可有下述公式计算: 431式中:S2叶轮出口处叶片真实厚度(严格地说是流面上的速度)见图离心泵设计基础叶轮出口排挤59,这里取叶片的厚度。
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