立式多喷嘴水喷射真空泵设计

1 前言前言 随着我国高等教育事业的迅速发展 实用型的设计已经是迫在眉睫 本设计书正是关于立 式多喷嘴水喷射真空泵的设计 本设计书根据真空泵的设计参数 对真空泵的主要元件进行了强度 刚度 稳定性的计算 和设计 对真空泵的附件进行了选型 以及对真空泵质量检验方法使用和进行焊缝的结构设计 最后提供了真空泵的装配图和水室部件图 首先感谢张茂润老师为本人提供的技术指导以及宝贵的经验 由于本人水平有限 加之初 次进行这种设计 所以设计书中有诸多不完善之处 敬请广大同仁和读者指教 水喷射真空泵 具有能耗低 结构简单 紧凑 加工容易 工作可靠无泄漏无运动部件维护 维修 简单等优 点 这使得水喷射真空系统的应用越来越广泛 目前多级串连的组合式水喷射泵机组已经投入 使用 可以获得很高的真空度 然而虽然水喷射泵应用前景广阔 但是从目前国内使用来看 水喷射泵真空系统的使用并不普遍原因很多 归结起来主要有 1 设计人员受传统观念束缚 首先考虑机械式真空设备 采用其他的真空设备往往会承担风险 且易受业主的影响 2 业 主根据经验 往往认识不到水喷射泵真空系统的各种优势 会提出采用机械式真空设备的要求 3 社会的普及情况 从而形成一种惯性 得不到进一步的推广 4 设计制作及使用方面 的原因正是因为这些原因 虽然水喷射泵真空设备已经出现多年 采用水喷射真空系统从各方 面来说都是效益显著的 在实际生产使用中由于设计制作安装及使用过程中存在的各种问题 往往出现系统无法达到系统能力或设备短寿命等情况 因此优良的设计制作 以及正确的安装 使用及维护可以充分发挥水喷射真空系统的能力 提高生产效率降低生产成本 最次再次感谢张茂润老师 在这炎炎夏日 不辞辛苦的指导我们完成设计 对此表示由衷 的感谢 2 目目 录录 前言 1 第一章 水室的设计 1 1 1 水室筒体的设计 1 1 1 1 设计参数的确定 1 1 1 2 筒体壁厚的强度计算 2 1 1 3 筒体壁厚的刚度计算 2 1 2 筒体法兰联接结构的设计 2 1 2 1 法兰的设计及密封面的选型 2 1 2 2 垫片的设计及螺栓 螺母 垫圈的设计 3 1 3 进液管的设计 4 1 3 1 进液管直径的设计 4 1 3 2 进液管长度的设计及装配尺寸 4 1 3 3 进液管法兰联接结构的设计 4 一 管法兰的设计及密封面的选型 4 二 垫片的设计及螺栓 螺母的设计 5 1 4 筒体长度的确定 6 1 5 压力表接管及法兰联接结构的设计 6 1 5 1 接管的设计 6 1 5 2 法兰联接结构的设计 7 一 法兰的设计及密封面的选型 7 二 垫片的设计及螺栓 螺母的设计 7 1 6 水室的部件图 8 第二章 平板封头的设计 9 2 1 平板封头的强度计算 9 2 1 1 设计参数的确定 9 2 1 2 平板封头壁厚的设计 9 2 1 3 平板封头的结构设计 10 第三章 喷板的设计 11 3 1 喷嘴孔在喷板上的布置 11 3 2 喷板的稳定性计算 12 3 2 1 设计外压的确定 12 3 2 2 稳定性计算 12 第四章 真空室的设计 13 4 1 真空室的长度设计 13 4 1 1 圆筒的长度设计 14 一 进气管直径的确定 14 二 圆筒长度的确定 14 4 1 2 圆锥壳的长度设计 14 4 2 真空室的稳定性计算 15 4 2 1 设计外压的确定 15 4 2 2 筒体壁厚的设计 15 一 试差法 15 二 图算法 16 4 2 3 圆锥壳壁厚的设计 16 3 4 3 真空室的法兰联接结构设计 17 4 3 1 外压圆筒的法兰联接结构设计 17 4 3 2 外压圆锥壳的法兰联接结构设计 17 一 管法兰的设计及密封面的选型 17 二 垫片的设计及螺栓 螺母的设计 18 4 3 3 进气管法兰联接结构设计 19 一 法兰的设计及密封面的选型 19 二 垫片的设计及螺栓 螺母的设计 19 4 3 4 进气管的装配尺寸 20 4 3 5 支座的装配尺寸 20 4 3 6 真空表接管的装配尺寸 20 4 4 真空室的部件图 20 第五章 喷嘴的设计 21 5 1 喷嘴的设计 21 5 2 防旋装置的设计 22 第六章 喉管 尾管的结构设计 22 6 1 喉管的设计 22 6 2 1 尾管的设计 23 6 2 2 法兰联接结构设计 23 一 管法兰的设计及密封面的选型 23 二 垫片的设计及螺栓 螺母的设计 24 第七章 压力试验 25 7 1 水室的水压试验 25 7 1 1 试验压力的确定 25 7 1 2 压力试验的强度校核 25 7 1 3 水压试验的操作 25 7 2 真空室的气压试验 26 7 2 1 试验压力的确定 26 7 2 2 压力试验的强度校核 26 7 2 3 气压试验的操作 26 第八章 支座的设计 27 8 1 设备工作时总质量的估算 27 一 水室的金属质量 27 二 真空室的金属质量 27 三 喷板及喷嘴的金属质量 28 四 尾管的金属质量 28 五 附件的金属质量 28 8 1 2 操作介质的质量 2 Q 的估算 28 8 2 支座的选型及尺寸设计 29 8 2 1 支座的选型 29 8 2 2 支座的尺寸设计 29 第九章 开孔补强的设计计算 30 9 1 水室开孔补强的设计计算 30 9 1 1 水室的筒体开孔后被削弱的金属面积A的计算 30 9 1 2 有效补强区内起补强作用的面积计算 30 一 筒体起补强作用金属面积 1 A的计算 30 4 二 接管起补强作用金属面积 2 A的计算 31 三 焊缝起补强作用金属面积 3 A的计算 31 9 1 3 补强面积的的确定 31 9 2 真空室开孔补强的设计计算 32 9 2 1 真空室的筒体开孔后被削弱的金属面积A的计算 32 9 2 2 有效补强区内起补强作用的面积计算 32 一 筒体起补强作用金属面积 1 A的计算 32 二 接管起补强作用金属面积 2 A的计算 33 三 焊缝起补强作用金属面积 3 A的计算 33 9 2 3 补强面积的的确定 33 第十章 主要焊缝的结构与尺寸设计 34 第十一章 装配图及主要部件图的设计 35 11 1 技术特性表 35 11 2 接管表 36 11 3 技术要求 36 11 4 标题栏及明细表 37 11 5 装配图及部件图 38 参 考 文 献 38 5 由设计条件单可知 设计的喷射真空泵的内径为 喷板上按等边三角形方式mmDi500 布置若干个喷嘴 利用喷嘴将水的绝大部分静压能转化为动能 使水高速喷出 将气室中的气 体带出而形成真空 装置上设有 2 个工艺接口 4 个耳式支座 2 个测控接口 设计主要内容有 1 水室的强度 刚度计算和结构设计 2 平板封头的强度计算和结构设计 3 喷板的稳定性计算和结构设计 4 真空室的稳定性计算和结构设计 5 喷嘴的结构设计 6 喉管 尾管的结构设计 7 水室的水压试验 8 真空室的气压试验 9 支座的选型及校核 10 进液管 进气管开孔补强的设计计算 11 主要焊缝的结构与尺寸设计 12 绘制总装配图及水室部件图等 6 第一章 水室的设计第一章 水室的设计 水室的作用 贮存具有一定压力的引射流体 水 并容纳若干个喷嘴 由条件设计 单中可知水室的工作压力为 属低压设备 操作介质为水 不具有污染性 MPapW2 0 操作温度为室温 因此 筒体和接管材料均选用 Q235 B 法兰材料选用 16Mn 其基本结构 如图 1 所示 1 1 水室筒体的设计水室筒体的设计 1 1 1 设计参数的确定设计参数的确定 设计压力 1 1 取 1 1 1 1 0 2pp W pp W pMPa 液体静压 按筒高近似为 估算 0 01 L p mmH1000 L p MPa 因 0 01 0 011 故可以忽略 L p MPa 5pMPa L p 计算压力 1 1 0 2 c p cL ppp pMPa 设计温度 25 15 40 t 焊缝系数 单面焊透 不做无损探伤 6 0 钢板负偏差 0 25 GB6654 96 1 C 1 Cmm 因设备材料为尚耐腐蚀材料且为微弱单面腐蚀故取腐蚀裕量 1 2 C 2 Cmm 1 法兰 法兰 2 筒体 筒体 3 仪表接管 仪表接管 4 进液管进液管 图图 1 水室的结构水室的结构 7 1 1 2 筒体壁厚的强度计算筒体壁厚的强度计算 假设筒体壁厚的 由 Q235 B 25 查钢板的许用应力mmSn5 tmmSn5 表可知 113 t MPa 根据得 21 C 2 C p Dp S C t iC d 81 1 0 1 2 01 16 01132 5002 01 1 mmSd 考虑 则 圆整 1 C06 2 25 0 81 1 1 CSS dn mmmmSn0 2 由于 故假设的筒体壁厚太大 应重新假设 考虑到设计压mmSmmS nn 0 25 n S 力较小 因此 强度条件已不是确定筒体壁厚的主要因素 应按刚度条件设计筒体壁厚 1 1 3 筒体壁厚的刚度计算筒体壁厚的刚度计算 对于 Q235 B 制容器 当 3800 2 1000 且不小于 3 另加 i Dmm min S i Dmm 2 C 并圆整至 故 考虑到筒体加工壁厚不小于 5mm 取 n SmmSn413 mmSn5 1 2 筒体法兰联接结构的设计筒体法兰联接结构的设计 1 2 1 法兰的设计及密封面的选型法兰的设计及密封面的选型 根据法兰的 DN 500 PN 0 25MPa 查表可知 法兰的类型为甲型平焊法兰 密封面的型式为平密封面 结构及尺寸如图 2 法兰标记 法兰 500 0 25 JG T4701 2002 材 料 16MnFF 螺栓规格 16 螺栓数量 20 法兰数量 3M 图图 2 法兰的结构与尺寸法兰的结构与尺寸 图图 2 法兰的结构与尺寸法兰的结构与尺寸 8 1 2 2 垫片的设计及螺栓 螺母 垫圈的设计垫片的设计及螺栓 螺母 垫圈的设计 根据密封的介质为水 操作温度为 25 操作压力为 0 2 由垫片选用表可知 MPa 选用橡胶垫片 材料为橡胶板 GB T3985 垫片的尺寸如图 3 垫片标记 HG20606 垫片 FF 500 0 25 XB350 本设计选用六角头螺栓 A 级 GB T5780 2000 型六角螺母 A 级 GB T41 2000 平垫圈 100HV GB T 95 2002 螺栓长度的计算 L 螺栓的长度由法兰的厚度 平板封头的厚度 垫片的厚度 螺母的厚 1 2 S 度 垫圈厚度 螺栓伸出长度 0 3 0 5 确定 其中Hhd 30 14 见第二章 3 14 8 3 螺栓伸出长度 1 mm 2 mmSmmHmmhmm 取 0 4 18 0 4dmm 与平板封头联接的螺栓长度为 dhHSL4 02 21 75184 032 8 1431430mm 取长度 mmL80 螺栓标记 螺栓 GB T5780 2000 M16 80 材 料 Q235 A 螺母标记 螺母 GB T41 2000 M16 2 材 料 Q235 A 垫圈标记 垫圈 GB T 95 2002 16 100 HV 9 1 3 进液管的设计进液管的设计 1 3 1 进液管直径的设计进液管直径的设计 取进液管液体流速sm0 2u q 一般取 0 6 由得 lg QQq 2006 0 120 3 hmqQQ gl 根据得 uDQ il 2 4 mmm u Q D l i 188 188 0 36000 2 20044 由查钢管标准可知 进液管 外径 壁厚mmDi188 200 DNmmDOt219 6 nt Smm 开孔直径 170 26 123 AAA 2 mmA 2 mm 所以不需要补强 9 2 真空室开孔补强的设计计算真空室开孔补强的设计计算 真空室的筒体上有两个开孔 即仪表接口和进气管接口 由于进气管开孔尺寸最大 因此 只需对进气管孔进行补强计算 9 2 1 真空室的筒体开孔后被削弱的金属面积真空室的筒体开孔后被削弱的金属面积的计算的计算A 1 2 5 0 retOO fSSdSA 式中 219 12 2 1 6 10 2 i ddC 210 2 mm 2 ci o t c p D S p 81 0 2 01 16 01132 5002 01 1 mm 4 4 10616mmCSS ntet 163 113 1 44 1 0 取 1 0 t nt r f 将已知值代入得 11 4 481 0 281 0 2 210 5 0 A 85 13 mm2 9 2 2 有效补强区内起补强作用的面积计算有效补强区内起补强作用的面积计算 一 筒体起补强作用金属面积一 筒体起补强作用金属面积的计算的计算 1 A 1 2 1 eoeteor ABdSSSSSf 38 式中 2 2326252 2 21022 4 420 2 21022 mmSSdB mmdB ntn 取两者中较大值 取mmB 4 420 筒体的有效壁厚 5 1 25 3 75 en SSC mm 将已知值代入得 11 81 0 75 3 4 42 81 075 3 2 210 4 420 1 A 99 617 2 mm 二 接管起补强作用金属面积二 接管起补强作用金属面积的计算的计算 2 A 212 2 2 etOtretr Ah SSfh SC f 式中 取两者中较小值 mmh mmdSh nt 200 5 356 2 210 1 1 mmh 5 35 1 0 2 h 0 140 2 ci Ot t c p d S p 2 01 10 11632 12219 2 01 1 mm 将上述值代入得 302 5 2 10614 4 020 1 140 0 4 4 5 352 2 Amm 三 焊缝起补强作用金属面积三 焊缝起补强作用金属面积的计算的计算 3 A 焊缝高度 6 K nt Smm 62 3 A 1 2 2 K 1 2 18 2 mm 起补强作用的总面积为 617 99 302 5 18 938 49 123 AAA 2 mm 9 2 3 补强面积的的确定补强面积的的确定 39 因为 617 99 302 5 18 938 49 85 13 123 AAA 2 mmA 2 mm 所以不需要补强 第十章第十章 主要焊缝的结构与尺寸设计主要焊缝的结构与尺寸设计 焊接是将需要连接的零件 通过在连接处加热熔化金属得到结合的一种加工方法 是 一种不可拆连接 具有工艺简单 连接强度高 结构重量轻等优点 在化工容器及设备的 制造行业中应用广泛 工件焊接后所形成的接缝称为焊缝 设备的主要焊缝有水室 真空室壳体的纵向焊缝 进液管 进气管与壳体的连接焊缝 仪表接管与壳体连接的焊缝 壳体与法兰的连接焊缝 水室 真空室壳体的纵向焊缝 按焊接坡口的基本形式与尺寸 GB985 88 进行设计 液管 进气管与壳体的连接焊缝 按焊接坡口的基本形式与尺寸 HGJ17 89 进行设计 仪表接管与壳体连接的焊缝 按焊接坡口的基本形式与尺寸 HGJ17 89 进行设计 法兰 的焊接按相应法兰标准中的规定 有关的设计结果如图 24 40 41 图图 24 主要焊缝结构与尺寸主要焊缝结构与尺寸 第十一章第十一章 装配图及主要部件图的设计装配图及主要部件图的设计 11 1 技术特性表技术特性表 技术特性表技术特性表 水 室 0 2 MPa 水室 25 工作压力 真空室 680mmHg 工作温度 真空室 25 水 室 0 2 MPa 水室 40 设计压力 真空室 0 2 MPa 设计温度 真空室 40 水 室 水水室 1 0 物料名称 真空室 空气 腐蚀裕度 mm 真空室 1 0 水 室 0 6 焊缝系数 真空室 0 6 容器类别 11 2 接管表接管表 接管表接管表 编号公称尺寸联接尺寸标准联接面形式名 称 a200PN0 25DN200HG20592RF气体进口 b20PN 0 25DN20 HG20592RF压力表接口 c200PN0 25DN200HG20592RF进水管 d20PN 0 25DN 20HG20592RF真空表接口 42 11 3 技术要求技术要求 技技 术术 要要 求求 1 本设备按 GB150 钢制压力容器 和 HGJ18 89 钢制化工容器制造技术要求 进行 制造 试验和验收 并接受劳动部颁发 压力容器安全技术监察规程 的监督 2 焊接采用电弧焊 水室和真空室焊条牌号 J427 3 焊接接头型式及尺寸除图中注明外 按 HGJ17 89 中规定 对接焊缝为 DU19 接管 与筒体 封头的焊缝为 G1 角焊缝的焊角尺寸按较薄板的厚度 法兰的焊接按相应 法兰标准中的规定 4 设备上的类和类焊缝应进行无损探伤检查 探伤长度 20 射线探伤符合AB GB3323 89 规定中 级合格 超声波探伤符合 JB 1152 81 规定中 级合格 5 压力试验和致密性试验 水室制造完毕后 以 0 32进行水压试验 真空室以 0 2的压缩空气做内压MPaMPa 进行致密性试验 6 所有管接口除注明外伸长度外 其余为 150mm 7 管口及支座方位见本图 8 设备检验合格后 外壳涂两层红丹漆 再涂一层银粉漆 11 4 标题栏及明细表标题栏及明细表 35GB T95 2002垫圈 30 17 3mm 16100HV 34GB T41 2000螺母 M 16 28Q235 A0 0290 232 33GB T5780 2000螺栓 M 16 808Q235 A0 1651 32 32JB T4725 2000耳式支座 B24Q235 A F 3 012组合件 31HG20593法兰 PL200 0 25 RF116MnR6 856 85 30GB13296接管 200 61Q235 B7 902 200l 29防旋十字挡环13聚四氟乙烯 28手 柄2Q235 A2 0 27平板封头1Q235 B21 7 26GB T95 2002垫圈 37 21 3mm 72100HV 25GB T41 2000螺母 M 16 220Q235 A0 0290 58 24GB T5780 2000螺栓 M 16 5020Q235 A0 1653 30 23JB T4704 2000垫片mm0 3 1石棉橡胶板 22HG20593法兰 PL20 0 25 RF2Q235 B0 61 2 21GB8163接管 27 32Q235 B0 310 62 150l 20喷 嘴13KMTBCr21 3918 07组合件 43 19筒体 500 5 H 4001Q235 B106 18GB T95 2002垫圈 30 17 3mm 72100HV 17GB T41 2000螺母 M 16 220Q235 A0 0290 58 16GB T5780 2000螺栓 M 16 12520Q235 A0 2770 554 15JB T4701 2002法兰 FF500 0 25316MnR23 771 1 14喷 板1Q235 B19铸 件 13HG20593法兰 PL200 0 25 RF216MnR14 314 3 12GB8163接管 219 61Q235 B14 7 200l 11真空室筒体 500 5 H 6001Q235 B105 10真空室锥壳 500 161 Sn 5mm1Q235 B62 9HG20593法兰 PL200 0 25 RF116MnR6 856 85 8GB T 9126 2003垫片mm2 1石棉橡胶板 7JB T4704 2000垫片mm2 1石棉橡胶板 6喉 管1KMTBCr220铸 件 5G