华中科技大学离心泵课程设计.doc

课程设计说明书设计题目：离心泵水力设计设计参数：流量0.1m3/s， 扬程62m， 转速1450rpm学生姓名： 学 号：班 级： 完成日期： 指导教师（签字）：能源与动力工程学院目 录第一章 绪论- 2 -1.1泵用途- 2 -1.2泵的分类- 2 -1.3离心泵主要部件- 3 -第二章 结构方案确定- 4 -2.1 确定安装高度- 4 -2.2 确定泵进、出口直径- 5 -2.3 确定效率和功率以及电动机的选择- 5 -2.4 功率的确定- 6 -第三章 叶轮水力设计- 7 -3.1 叶轮进口直径D0的确定- 7 -3.2确定叶轮出口直径- 7 -3.3确定出口宽度b2- 8 -3.4确定叶片数- 8 -3.5确定叶片出口角- 8 -3.6确定叶片实际厚度- 8 -3.7用速度系数法确定进出口轴面速度- 8 -3.8确定叶片出口排挤系数- 8 -3.9确定叶片包角- 9 -3.10精算叶轮出口直径D2- 9 -第四章 叶轮的CAD设计- 11 -4.1轴面图绘制及过水断面检测- 11 -4.2轴面流线的绘制- 13 -4.3进出口边参数的确定：- 14 -4.4方网格保角法叶片绘型：- 16 -第五章 压水室的设计- 18 -5.1 基圆直径的确定- 18 -5.2 压水室的进口宽度- 18 -5.3 隔舌安放角0和隔舌螺旋角0- 18 -第六章 参考资料- 19 -第七章 设计感悟- 19 -第一章 绪论1.1泵用途农业灌溉和排涝，城市给水排水；动力工业中锅炉给水泵、强制循环泵、循环水泵、冷凝泵、灰渣泵、疏水泵、燃油泵等；采矿工业的矿山排水泵、水砂充填泵；石油工业中泥浆泵、注水泵、深井才有泵、输油泵、石油炼制泵等；化学工业中耐腐蚀泵、比例泵、计量泵。1.2泵的分类泵的定义：通常把提升液体、输送液体和使液体增加压力的机器统称为泵。分类如下：（1）叶片泵：利用叶片和液体相互作用来输送液体，如离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵等。（2）容积泵：利用工作容积周期性变化来输送液体，如活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、齿轮泵、螺杆泵等。（3）其它类型泵：只改变液体位能的泵，如水车；或利用流体能量来输送液体的泵，如射流泵、水锤泵等。流量在520000，扬程在82800范围内使用离心泵比较合适。泵的优缺点：优点：效率高、体积小、重量轻、转速高、流量大、结构简单、性能平稳、容易操作和维修等。缺点：启动前需要灌泵、液体粘度对泵性能有较大影响，如下图1-1所示。 图1-1离心泵输送清水的粘度极限1.3离心泵主要部件 第二章 结构方案确定2.1 确定安装高度 本次设计的泵叶轮参数为比转速ns=75.75，流量Q=0.1m3/s，扬程H=62m。根据比转速选择设计为单机单吸离心泵。 由于比转速为75.75，由比转速和转速关系公式：计算得到转速n=1450r/min。所给参数中没有给定空化余量NPSHr的值以及空化比转速C的值，故只能利用公式hr=H计算有关值。查叶片泵设计手册的表和推荐公式可初选得：“单吸泵”的空化系数=0.0692。而hr=H=4.292m，C=1.795ns3/4=1007.45。由于800C1100，故可确定为兼顾空化和效率的离心泵。同时可以计算给出泵的安装高度：取NPSHa=1.3NPSHr=5.58m，常温下清水的Prg=0.24，吸入液面压力等于大气压力，根据经验，设吸入装置损失hc=0.5m，则Hs=Pag-hc-Prg-NPSHa =10.33-0.5-0.24-5.58=4.01m。 2.2 确定泵进、出口直径 根据水力机械现代设计方法离心泵叶轮设计范例，吸入口直径Ds由进口流速vs (经济流速)决定，Ds=4Qvs ，由于要满足气蚀要求，初选vs=23.5 m/s 试初选选泵的进口流速vs= 3.0 m/s。 则有 Ds=40.13=206mm，根据规范手册要求，取Ds=205mm。 泵出口直径：Dd=（0.71.0）Ds，取Dd=144mm，即取Dd=0.702Ds。 泵进口速度：vs=4QDs2= 40.10.2052=3.03m/s 泵出口速度：vd=4QDd2= 40.10.1442=6.14m/s。 2.3 确定效率和功率以及电动机的选择1）估算水力效率： h=1+0.0835log3Qn=1+0.0835log30.11450=0.884，取h=0.88. 式中Q为泵的流量（m*3/s）（双吸泵取Q/2），n为泵的转速（r/min）2）估算容积效率： v=11+0.68ns-2/3=0.963,取v=0.96.该容积效率只为考虑叶轮前密封环的泄漏，对于有平衡孔、级间泄漏和平衡盘泄漏的情况，容积效率还要相应降低。 3）估算机械效率： 圆盘损失效率 m=1-0.071ns10076=1-0.07175.7510076=0.903取m=0.90 由于要考虑轴承和填料损失的效率，故假定轴承、填料损失为2%，则有最终机械效率m=m-2%=0.88。 4）计算泵的总效率： =vmh=0.74。 2.4 功率的确定 1）轴功率：Pa=HQg1000=1000620.19.810000.74=78.909 配套电机功率Pe=KPa=1.378.909=102.582kw，查机械设计课程设计附表9-1选用电动机，选用Y315S-4 型电动机。其参数为同步转数为1500r/min，满载转数为1480 r/min,额定功率为110 kw，可满足设计要求。 2）最小轴径的确定： 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。因为扭矩是泵轴最主要的载荷，所以在开始设计时，可按扭矩确定泵轴的最小直径，最小直径一般位于联轴节处。 电动机实际扭矩Mn=9550Pen=9550102.5821450=675.63Nm，取=350105Kg/m2。（为泵轴材料的许用应力） 则，最小轴径为dmin=3Mn0.2=3102.5820.2350100000=40.07mm 按计算误差估计可圆整为40，可选取为45的轴径，保证安全。 第三章 叶轮水力设计3.1 叶轮进口直径D0的确定 1)求 ,查泵产品设计规程图1-1-15得=0.12 v0=0.1229.862=4.18m/s 2）求通过叶轮的流量 流过叶轮的流量 Q=QV=0.10.96=0.104m3/s。 3）求叶轮进口直径 D0=K03Qn=4.030.11450=164mm（查泵产品设计规程图1-1-15得 K0=4.0）取该值为叶轮进口直径，即D0=164mm。（由于是单级单吸泵，所以轮毂直径dh=0mm）。3.2确定叶轮出口直径由速度系数法得到u2=Ku22gH=0.9829.862=34.16m/s(查图知，Ku2=0.98)。叶轮出口直径：D2=60u2n=6034.161450=449.97mm，圆整取D2=450mm3.3确定出口宽度b2 根据水力机械现代设计方法泵设计范例，由经验公式：b2=Kb23Qn=0.635（ns100）5/63Qn=20.66mm,其中Kb2=0.635（ns100）5/6，圆整取b2=22mm。3.4确定叶片数 当比转速为60-120时，取Z=6-7，根据经验，暂取Z=7。3.5确定叶片出口角 根据实际情况，一般取叶片出口角为2=22.5。3.6确定叶片实际厚度 叶片实际厚度 =AD2HZ+1=3.315450627+1=5.44mm（查表,再利用线性插值法取A=3.315），取整得=6mm。3.7用速度系数法确定进出口轴面速度vm1=Kvm12gH=0.1429.862=4.88m/s，查图知Kvm1=0.14vm2=Kvm22gH=0.1129.862=3.834m/s，查图知Kvm2=0.113.8确定叶片出口排挤系数 2=1-ZD2sin2=1-760.45sin22.5=0.92243.9确定叶片包角根据设计经验，初步选择包角为120。3.10精算叶轮出口直径D2由于叶轮外径D2及叶片出口安放角2A对泵的性能影响很大，尤其是在设计流量下能否达到要求的扬程是一个重要问题。用速度系数法确定D2时，稀疏的选取时按一般情况确定的，有一定的近似性。基本方程为主的精确计算D2和2A是必要的。精算公式为：D2=60nvm22tan2A+vm22tan2A2+g1+PHh+u1vu1根据原先设想，由于吸入室选择为直锥型入口，故有vu1=0。其中取h为前知的0.88，P=r22ZM，=(1+2A60)。取=0.62，=0.621+22.560=0.8525。利用初步设定的数据画出轴面图，利用制图CAD软件将中心线分为11段，并求出弧长值Si，取每段中点，得到ri，从而得到静力矩：M=siri=0.0291将数据带入得到第一次精算P1=0.2122，将此数据带入得到：D2=6014503.8342tan22.5+3.8342tan22.52+9.81+0.2122620.88=447.12mm与初步计算的数据误差为0.67%，小于2%，可以选用，但是为了保险起见，进行再次精算：2=1-ZS2D2sin2=0.9218，vm2=QvD2b22=3.653m/s，P2=0.2095D2=443.37mm，与前一次相差0.84%。同理可得，第三次精算得到D2=443.44mm，差别不大，取D2=444mm。最终结果：D2=444mm，2=22.5。计算截图如下：第四章 叶轮的CAD设计4.1轴面图绘制及过水断面检测利用上面所得到的数据，初步设计出叶轮的轴面图如下：设计之后对其进行过流断面检测：方法是在流道中作许多个内切圆，以内切圆的圆心向前后盖板流线作垂线，连接A、B两点，形成三角形ABO，然后过O点作AB垂线并将其三分，如上图所示。作圆弧AEB与AO、BO相切，长度为bi，作为过水断面形成线，C点作为过水断面中心，半径Rc。成型后如下图所示：过水断面的面积Fi=2Rcbi，做出每一个断面的面积随过水断面中心线长度变化的趋势即可。计算结果如下图：用MATLAB绘制出相应的过水断面检测图：图形成平缓上升趋势，属于高效率的曲线，符合要求，故可采用。4.2轴面流线的绘制采用的方法是将过水断面分为两个流道，并且两个流道的过水断面面积相等。具体的做法是：先将出口边分为相等的两段，在进口边按照Ri=i（Rj3-Rh3）n+Rh2进行计算，其中n所分流道数 i从轴线侧算起欲求的流线序号（不包括前后盖板流线）此处R1=22R0=24D0=57mm。然后从出口便开始，用与“过水断面检测”相同的方法用小内切圆分流道，并且是两个流道过水断面面积相等，如图所示：如果两个内切圆所在的过水断面面积不相等，则需继续调整，知道两个过水断面面积差别在3%以内时才行，最终结果如上图所示。 4.3进出口边参数的确定：进口参数：在轴面流线上初步确定叶片的进口边，分别与前盖板流线、中间流线。后盖板流线交于A、B、C三点。如下图所示：分别过A、B、C三点作过水断面形成线，可以得出：进口直径D1a/mm165.540 进口直径D1b/mm119.417 进口直径D1c/mm79.445 由此可得，进口圆周速度u1=D1n60： 进口u1a/(m/s)12.56 进口u1b/(m/s)9.06 进口u1c/(m/s)6.03 在图中可以求出A、B、C三点对应的过水断面面积进口轴面速度为：vm1=QvF11，而进口角1a可以由公式：tan1=vm1u1得到，进口角1=1+1，1是进口冲角，一般采用正冲角，大小在315之间。出口参数：叶轮的出口圆周速度为：u2=D2n60=0.444145060=33.69m/s理论扬程为：Ht=Hh=620.88=70.45m。出口圆周分速度为：vu2=Htgu2=70.459.833.69=20.49 m/s。根据公式，无穷叶片数的理论扬程为：Ht=1+PHt=1+0.20670.45=84.97m。无穷叶片数的出口圆周分速度为：vu2=Htgu2=84.979.833.69=24.71m/s。4.4方网格保角法叶片绘型： 保角变换是将流面展开成平面的方法，本次设计中采用网格法保角变换具体步骤如下：在轴面投影图旁画两条夹角等于6的射线，作两条射线表示夹角为6的两个轴面。从出口开始，沿轴面流线试取长度s，若s中点对应的两射线间的弧长u与s相等，则往下继续取；若不相等，则调整后再算。（注意：s是流线的长度，而不是射线段之间的垂直长度）。具体过程如图： 按照顺序，从出口边开始，分别对前盖板流线，中间流线和后盖板流线进行分割，得到如上图所示的结果，过程中可以根据相应的数据列出方程帮助计算：出口边编号为0，依次往下编号，对应网格图中的横线，竖线为包角的角度，将流面图展开成平面图如图：第五章 压水室的设计压水室是指叶轮出口到泵出口法兰（对节段式多级泵是到次级叶轮出口前，对水平中开水泵则是到过渡流道之前）的过渡部分。设计压水室的原则：1、水力损失最小，并保证液体在压水室中的流动是轴对称的,以保证叶轮中的流动稳定； 2、在能量转换过程中，轴对称流动不被破坏；3、消除叶轮的出口速度环量，即进入第二级叶轮之前，速度环量等于0。 4、设计工况，流入液体无撞击损失。 5、因流出叶轮的流体速度越大，压出室的损失hf越大，对低ns尤甚，因此对低ns泵，加大过流面积，减小损失hf。 在水力方面，螺旋形压水室的流动比较理想，适应性强，高效率范围宽。本次设计采用螺旋形压水室。5.1 基圆直径的确定 D3=(1.031.05)D2，因此取整数D3=460mm。5.2 压水室的进口宽度 =22+26+10=44 mm （查资料知一般取