华中科技大学离心泵课程设计

课程设计说明书课程设计说明书 设计题目 设计题目 离心泵水力设计离心泵水力设计 设计参数 流量 0 1m3 s 扬程 62m 转速 1450rpm 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 班班 级 级 完成日期 完成日期 指导教师 签字 指导教师 签字 能源与动力工程学院能源与动力工程学院 精品文档 1 欢迎下载 目目 录录 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 3 D 5 2 压水室的进口宽度 18 5 3 隔舌安放角和隔舌螺旋角 18 0 0 第六章 参考资料 19 第七章 设计感悟 19 精品文档 2 欢迎下载 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 泵用途泵用途 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 21 2 泵的分类泵的分类 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 5 20000 扬程在 8 2800范围内使用离心泵比较合适 hm 3 m 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 精品文档 3 欢迎下载 图 1 1 离心泵输送清水的粘度极限 1 31 3 离心泵主要部件离心泵主要部件 联轴器等主要零部件 轴承体 托架 支架离心泵还有泵轴 中段 衡鼓 多级泵采用平衡盘或平 级泵用平衡孔或平衡管平衡产生了轴向力 单 作用在转子上的力不轴向力平衡机构 浮动环密封 填料密封 机械密封和内 有骨架橡胶密封 泵外和防止空气进入泵 液体流出有轴封机构 减少压力转泵轴和固定泵体之间 泵轴伸出泵体处 旋轴封机构 体密封环和叶轮密封环 泵 环上分别安装了两个密封压区流动 泵体和叶轮为减少高压区液体向低密封环 叶片式导叶 叶 流道式导叶和扭曲螺旋形 环形 径向导一部分动能变为压能 轮 顺便将的引至吐出口或次级叶流出的液体收集 均匀 以最小损失将叶轮中压出室 环形 半螺旋形吸入式匀进入叶轮 锥形 圆 使液体以最小损失均吸入室 很少用 式 半开式和开式叶轮 成 分为闭 后盖板 叶片轮毂组体的零件 一般前盖板将原动机能量传递给液 离心泵 叶 叶 精品文档 4 欢迎下载 第二章第二章 结构方案确定结构方案确定 2 12 1 确定安装高度确定安装高度 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 4 3 65 3 H Qn ns 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 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 6 34 10216 s n 6 34 1075 75216 而 hr 4 292m C 1007 45 1 795 3 4 由于 故可确定为兼顾空化和效率的离心泵 800 1100 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 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 10 33 0 5 0 24 5 58 4 01m 精品文档 5 欢迎下载 2 22 2 确定泵进 出口直径确定泵进 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 经济流速 决定 由于要满足气蚀要求 初选 4 2 3 5 m s 试初选选泵的进口流速m s 3 0 则有 206mm 根据规范手册要求 取 Ds 205mm 4 0 1 3 泵出口直径 Dd 0 7 1 0 Ds 取 Dd 144mm 即取 Dd 0 702Ds 泵进口速度 3 03m s vs 4 2 4 0 1 0 2052 泵出口速度 6 14m s v 4 2 4 0 1 0 1442 2 32 3 确定效率和功率以及电动机的选择确定效率和功率以及电动机的选择 1 估算水力效率 0 884 取 1 0 0835log 3 1 0 0835log 3 0 1 1450 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 0 963 取 0 96 1 1 0 68 2 3 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 精品文档 6 欢迎下载 圆盘损失效率 0 903 1 0 07 1 100 7 6 1 0 07 1 75 75 100 7 6 取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0 88 2 4 计算泵的总效率 0 74 2 42 4 功率的确定功率的确定 1 轴功率 78 909 1000 1000 62 0 1 9 8 1000 0 74 配套电机功率 1 3 78 909 102 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 675 63N m 9550 9550 102 582 1450 取Kg m2 为泵轴材料的许用应力 350 105 则 最小轴径为40 07mm 3 0 2 3 102 582 0 2 350 100000 按计算误差估计可圆整为 40 可选取为 45 的轴径 保证安全 精品文档 7 欢迎下载 第三章第三章 叶轮水力设计叶轮水力设计 3 13 1 叶轮进口直径叶轮进口直径 D D0 0的确定的确定 1 求 0 V 查 泵产品设计规程 图 1 1 15 得 0 12 0 0 2 V VKgH 0 V K 4 18m s 0 0 12 2 9 8 62 2 求通过叶轮的流量 Q 流过叶轮的流量 0 104m3 s 0 1 0 96 3 求叶轮进口直径 0 D 164mm 查 泵产品设计规程 图 1 1 15 0 0 3 4 0 3 0 1 1450 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0mm 3 23 2 确定叶轮出口直径确定叶轮出口直径 由速度系数法得到 2 2 2 0 98 2 9 8 62 34 16m s 查图知 0 98 2 精品文档 8 欢迎下载 叶轮出口直径 449 97mm 圆整取 2 60 2 60 34 16 1450 450mm 2 3 33 3 确定出口宽度确定出口宽度 b2b2 根据水力机械现代设计方法泵设计范例 由经验公式 20 66mm 其中 圆 2 2 3 0 635 100 5 63 2 0 635 100 5 6 整取22mm 2 3 43 4 确定叶片数确定叶片数 当比转速为 60 120 时 取 Z 6 7 根据经验 暂取 Z 7 3 53 5 确定叶片出口角确定叶片出口角 根据实际情况 一般取叶片出口角为 2 22 5 3 63 6 确定叶片实际厚度确定叶片实际厚度 叶片实际厚度 5 44mm 查表 2 1 3 315 450 62 7 1 再利用线性插值法取 A 3 315 取整得6mm 3 73 7 用速度系数法确定进出口轴面速度用速度系数法确定进出口轴面速度 4 88m s 查图知 1 1 2 0 14 2 9 8 62 1 0 14 3 834m s 查图知 2 2 2 0 11 2 9 8 62 2 0 11 精品文档 9 欢迎下载 3 83 8 确定叶片出口排挤系数确定叶片出口排挤系数 0 9224 2 1 2 2 1 7 6 0 45 22 5 3 93 9 确定叶片包角确定叶片包角 根据设计经验 初步选择包角为 120 3 103 10 精算叶轮出口直径精算叶轮出口直径 D2D2 由于叶轮外径 D2及叶片出口安放角对泵的性能影响很大 尤其是在设 2 计流量下能否达到要求的扬程是一个重要问题 用速度系数法确定时 稀疏 2 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和 2 是必要的 2 精算公式为 2 60 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 根据原先设想 由于吸入室选择为直锥型入口 故有 1 0 其中取为前知的 0 88 22 1 2 60 取0 62 0 8525 0 62 1 22 5 60 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 0 0291 精品文档 10 欢迎下载 将数据带入得到第一次精算 将此数据带入得到 P1 0 2122 2 60 1450 3 834 2 22 5 3 834 2 22 5 2 9 8 1 0 2122 62 0 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 0 9218 3 653m s 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2095 443 37mm 与前一次相差 0 84 2 同理可得 第三次精算得到443 44mm 差别不大 取444mm 2 2 精品文档 11 欢迎下载 最终结果 444mm 2 22 5 2 计算截图如下 第四章第四章 叶轮的叶轮的 CADCAD 设计设计 4 14 1 轴面图绘制及过水断面检测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 精品文档 12 欢迎下载 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 精品文档 13 欢迎下载 过水断面的面积 做出每一个断面的面积随过水断面中 2 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 精品文档 14 欢迎下载 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 24 2 轴面流线的绘制轴面流线的绘制 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 等 具体的做法是 先将出口边分为相等的两段 在进口边按照进行 3 3 2 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57mm 1 2 2 0 2 4 0 精品文档 15 欢迎下载 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 34 3 进出口边参数的确定 进出口边参数的确定 进口参数 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 精品文档 16 欢迎下载 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 mm 165 540 进口直径 D1b mm 119 417 进口直径 D1c mm 79 445 由此可得 进口圆周速度 1 1 60 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 而进口角 1a 可以由公式 1 1 1 得到 进口角 是进口冲角 一般采用正冲角 1 1 1 1 1 1 1 大小在 3 15 之间 精品文档 17 欢迎下载 出口参数 出口参数 叶轮的出口圆周速度为 33 69m s 2 2 60 0 444 1450 60 理论扬程为 70 45m 62 0 88 出口圆周分速度为 20 49 m s 2 2 70 45 9 8 33 69 根据公式 无穷叶片数的理论扬程为 84 97m 1 1 0 206 70 45 无穷叶片数的出口圆周分速度为 24 71m s 2 2 84 97 9 8 33 69 4 44 4 方网格保角法叶片绘型 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 精品文档 18 欢迎下载 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 精品文档 19 欢迎下载 第五章第五章 压水室的设计压水室的设计 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