流体机械150S-50双吸离心泵水力及结构设计毕业设计说明书

1、流体机械150S-50双吸离心泵水力及结构设计毕业设计说明书 目 录摘 要41 前言511 毕业设计主要内容512 毕业设计预期目标513 设计的目的和意义514 设计的主要任务52 叶轮的水力设计621 泵在设计点的运行参数622泵主要设计参数和结构方案的确定623叶轮主要参数的选择和计算924 叶轮的绘型1325叶片绘型2026绘制叶片木模图2427作叶片进出口速度三角形253压水室的水力设计2631压水室的作用及螺旋型压水室作用的原理2632涡室的设计和计算284 吸入室的水力设计3341吸入室的介绍及作用3342半螺旋吸水室的计算335 结构设计3751技术设计总图初定3752主要零件

2、的选择376泵轴的强度校核3861近似计算转子部件的质量3862计算叶轮径向力4063计算轴套的质量4064计算在各种载荷下轴所受到的力4165计算叶轮不平衡质量所产生的离心力Fc4166强度校核427 结论43总结与体会44谢辞45参考文献46摘 要本设计是根据给定设计参数完成150S-50双吸离心泵水力及结构设计主要包括叶轮蜗壳吸水室的水力设计和泵的结构设计确定出叶轮的几何参数绘制并检查叶轮轴面投影图采用方格网保角变换法完成扭曲形叶片绘型利用数字积分法根据蜗壳内速度矩守恒确定出蜗壳八个断面参数并进行绘型同样对吸水室进行水力设计计算并绘型最后对双吸泵进行结构设计绘制了装配图和部分零件图并对轴

3、进行了强度校核计算关键词双吸泵叶轮蜗壳水力设计结构设计AbstractAccording to the design parameters at the given point this paper accomplished the design of the double-suction pump It mainly contained the hydraulic design of the impeller volute casing and structural of pumpstructural design of the pump Based on the resolution me

4、thod of design of the pump author obtained the geometric parameters of the impeller Then author projected and checked the cross-section of impeller drew the cylindrical blade using methods of grid square conformal transformation On the basis of constant velocity moment author calculated parameters o

5、f cross-section of volute using digital integral method Author also drew the spiral curve and diffuser of volute casing Finally the structural of the double-suction pump was designed and assembly drawing component graphics were drew In addition this program has been checked strength of the pump shaf

6、tKey words pumpsimpellervolute casinghydraulic designstructural design1 前言11 毕业设计主要内容本次毕业设计为根据给定设计参数完成双吸离心泵150S-50水力及结构设计主要包括叶轮压水室吸水室的水力设计计算并完成双吸泵总装图的绘制该双吸泵在设计点运行参数如下扬程流量转速效率必需空蚀余量抽送介质为温度小于80°C 的清水或物理化学性质类似于水的其他液体12 毕业设计预期目标完成毕业设计任务书要求的内容达到毕业设计的要求说明书不少于10000字应包括目录中文关键词正文参考文献完成叶轮压水室水力设计图吸水室水力设计图

7、各一张泵装配图一张完成3000字专业文献英译汉13 设计的目的和意义毕业设计是本科四年的最后一个教学环节也是相当重要的一个环节它是为我们在将来做好工作奠定基础我们在毕业设计过程中将应用自己所学的知识培养解决问题和分析问题的能力使理论知识与实际问题联系起来这一过程不仅锻炼我们的创新能力也要求我们了解并及时掌握本行业发展新动态新方法和新理论14 设计的主要任务1叶轮水力设计进行叶片绘型2压水室水力设计进行压水室绘型3吸水室水力设计进行吸水室绘型4完成总装图的绘制5轴的强度计算6在指导教师指导下完成设计说明书及3000字专业文献英译汉2 叶轮的水力设计叶轮是离心泵的重要过流部件水流在进入叶轮之前其流

8、动方向大体平行于叶轮轴心线水流在叶轮中能量增加后以大体垂直于叶轮轴心线的方向离开叶轮离心式叶轮通常由前盖板后盖板以及它们之间的叶片组成两相邻叶片和前后盖板的内表面形成了若干个叶片流道也就是水流流经叶轮的通道在给定了叶轮的设计参数及设计点的流量扬程转速之后在设计叶轮时首先要确定叶轮全部几何参数它们指叶片数Z叶轮半径出口宽度叶片出口安放角叶片出口的排挤系数以及叶轮吸入口直径 在确定这些几何参数时常用的办法有三个1相似换算法选一个性能符合要求比转速与待设计叶轮比转速相等的叶轮将其放大或缩小2速度系数法已有专家在大量统计基础上将优秀叶轮的上述几何参数写成泵的比转速函数这些函数一般以曲线形式给出设计时可

9、以根据待设计泵的比转速通过查曲线确定待设计叶轮的几何参数这一方法的关键在于所用速度系数资料是否先进如所用速度系数资料确能反映优秀叶轮的几何参数与比转速的关系就能较快的设计出性能良好的叶轮此方法实质是一种广义相似计算3解析计算法此方法创新性明显所用数学理论基础较深因此工作量大设计周期较长有时有风险目前这一方法的发展趋势为确定一设计目标如降低泵的某种损失或使得拖动电机功率最小等等然后通过编程计算优化全部叶轮几何参数此次设计以第二种速度系数法来确定离心泵叶轮的全部几何参数然后绘制并检查叶轮轴面投影图再以方格网保角变换法绘型扭曲形叶片21 泵在设计点的运行参数双吸离心泵流量 转速扬程 效率必需空蚀余量

10、输送介质为温度小于80°C 的清水或物理化学性质类似于水的其他液体22泵主要设计参数和结构方案的确定221确定泵的进出口直径1泵的吸入口直径泵的吸入口直径由合理的进口流量确定泵吸入口的流速一般为3ms左右从制造方面考虑大型泵的流速取大些以减小泵的体积提高过流能力而为提高泵的抗汽蚀性能应减小吸入流速综合考虑初定则吸入口径考虑到泵进口法兰直径圆整反算进口流速与初选流速相差不大2泵排除口直径对于低扬程泵可取与吸入口径相同对于高扬程泵为减小泵的体积和排除管直径可使排除口径小于吸入口径这次设计扬程H 50m故初选出口直径比吸入口直径小的标准值222泵转速的确定及电动机型号确定泵转速应考虑下面因

11、素1泵的转速越高体积越小重量越轻因此应尽量选择高的转速2转速与比转速有关而比转速与效率有关因此 转速与比转速效率综合起来考虑3确定转速应考虑原动机种类和转动装置通常优先选取电动机直接连接传动由参考书2及泵给定转速 选取极对数P 2同步转速为3000rmin的异步电动机电动机带负载后的转速应小于同步转速通常按2的转差率确定电动机额定转速因为电动机的转速比额定转速低所以电动机需要配一个增速装置可选用变频调速器电动机传动方式通过联轴器直接与泵轴连接传动4提高泵转速受汽蚀性能条件的限制223计算泵的比转速ns 计算得 85224汽蚀验算必需空蚀余量由1P表32查得C 780所以汽蚀允许转速3345选定

12、的转速低于汽蚀允许转速满足要求225估算泵的效率功率由于水力效率很难精确计算以及给出了设计的总效率所以先分别计算或估算机械效率容积效率最后由总效率计算出水力效率1 机械效率 2容积效率 3水力效率 考虑到采用提高泵的表面光洁度来减小圆盘摩擦损失以提高效率因此可以在制造过程中对泵的表面质量进行控制 4 轴功率计算功率 工况变化系数K 1112由此确定选用Y200L2-2电动机功率37KW转速2950转分工作电压380V工作电流698A功率因数08923叶轮主要参数的选择和计算231泵的直径应按强度和刚度及临界转速条件确定因为扭矩是泵最主要的载荷开始设计时首先按扭矩确定泵轴的最小直径同时根据所设计

13、泵的具体情况考虑影响和临界转速的大概的因素可做粗略修改并圆整取为标准值按钮矩计算轴径的公式为取联轴器处轮毂处轴径注泵轴材料选用普通优质碳钢选232叶轮进口直径的确定叶轮进口直径与进口速度有关从前限制进口速度一般不超过34ms认为进一步提高叶轮进口流速会降低泵的抗汽蚀性能和水力效率实践证明泵在相应增加进口很广的范围内运转时能保持水力效率不变所以如果所设计的泵对抗汽蚀性能要求不变可以选较小的以减小叶轮密封环的泄露量以提高容积效率决定叶轮内水力损失的是相对速度的大小和变化所以应该考虑泵进口相对速度的影响通常在叶轮流道中相对速度扩散的即这样从减小进口相对撞击损失的流道中的扩散损失考虑都希望减小若假定最

14、小可推出计算叶轮进口直径的公式 进口当量直径 4050兼顾效率与汽蚀轮毂直径 取所以叶轮进口直径取233叶轮出口直径的计算叶轮外径和叶片出口角等出口几何参数是影响泵扬程的最重要的因素另外是影响泵扬程的有限叶片数修正系数也与和及叶片数等参数有关可见影响扬程的几个参数之间有互为影响因此必须假定某些参数为定值的条件下求解叶轮外径 因为压水室的水力损失和叶轮出口的绝对速度的平方成正比为了减小压水室的水力损失应当减小叶轮出口的绝对速度因此在满足设计参数下使叶轮出口绝对速度最小作为确定的出发点由此可推出的计算公式为 取234叶轮出口宽度的计算和选择取235叶片数的选择叶片数对泵的扬程效率汽蚀性能都有一定的

15、影响选择叶片数时一方面考虑质量减少叶片的排挤和表面的摩擦另一方面又要使叶轮流道有足够的长度以保证液流的稳定性和叶片对液体的充分作用根据以往优秀叶轮的叶片数我取Z 6236精算叶轮外径叶轮外径是叶轮最主要的尺寸故需要精确计算方法是以基本方程式为基础从理论上讲是比较严格的但选其中有用的水力效率有限叶片修正系数也只能用经验公式计算实践证明精确计算的数值基本可靠的 由基本方程式由出口速度三角形所以整理后得解上面的一元二次方程得由可以求得离心泵一般是选择适当的角精算1叶片出口安放角一般在范围内通常选用对高比转速泵可以取小些低比转速泵可以取大些但是根据以往优秀叶轮的设计参数这里取2求叶片出口排挤系数需要缺

16、点叶片厚度轴面截线与轴面流线的夹角取叶片厚度叶片厚度计算为了加强抗汽蚀性能叶轮叶片的材料选用铸铁其密度叶片出口边厚度则取叶片进口边厚度为35出口边厚度为4其中k-经验系数与材料和比转速有关这里取K 43叶轮初定外径单级扬程Z叶片数具体精算需一次次逼近计算可以用计算机编程计算本次设计采用EXCEL表格计算第一次逼近计算时所用的由前面粗算出的如果求得的与假定的不同刚同一个方程对应两个不同的说明求得的是建立在不正确的基础上这种情况下需用求得的或任何假定一个按上述步骤重新进行计算直到求得的与假定的相同或相近为止这里将所需要的几个初始数据计算于下1理论扬程 2叶片修正系数P 所以3无穷叶片数理论扬程在每

17、次计算中都可以认为不变 计算结果24 叶轮的绘型叶轮是影响离心泵性能的主要零件因此准确的绘型是保证叶片形状的必要前提叶轮各部的尺寸确定之后可画出叶轮轴面投影图绘图时最好选择相近性能良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应经过反复修改力求光滑通畅同时应考虑到1前后盖板出口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这里设计的叶片为扭曲叶片形状较为复杂所以采用保角变换法来绘型具体步骤参见1241绘制轴面投影图1取12 做轴心线00的平行线2做轴心线00的垂线0B使3参照比转速相近的水力模型以适当的半径r做圆弧分别与DE和O

18、B相切即得叶轮后盖板的初步轮廓线4过B点做轴心线00的平行线并使FB 5做轴心线00的平行线GH使GH距轴心线的距离为6以JK线上相应点为圆心以为半径作圆使之与叶轮后盖板轮廓线相切7参考相似的水力模型做叶片的轴面投影图图21 初步绘制叶轮轴面投影图242轴面投影图的检查轴面投影图画出之后必须检查流道面积是否合理化如果流道面积无规律变化则要产生局部旋涡增大损失检查步骤如下 1 在轴面投影图流道内做810个内切圆内切圆个数越多检查的精确度越高将这些内切圆圆心用光滑曲线连接起来便是叶轮流道中心线 2 连接相应的圆心与前后盖板的切点如图21中三角形AOB将三角形中垂线OC三等分F点即为三角形的重心分别

19、过AB点做AOBO垂线交于D点以D 点为圆心DA长为半径画弧弧AB即为轴面液流过水断面形成线可以近似认为弧AB的形心与三角形AOB重心重合设弧长AB为弧AB绕叶轮轴心线一周所得轴面液流过水断面面积可用和他的行心到叶轮轴心线距离与的乘积来表示即 3 依次量出各计算点过水断面形成线与流道中线交点到叶轮进口中点的曲线距离并分别按上述方法计算出 4 如果比转数比较小则在流道中线上取各相应点的内切圆半径内切圆圆心距轴心线的距离为按计算各相应点的过流面积表21 轴面流道面积检查计算表数据Rc形成线b面积F流道中线Li进口4122566456 000 14734216642158 2348 25492206

20、89795 3359 3630718712943 4243 4740416743954 5347 5835815787324 6302 6931214818711 7258 出口10313840892 8247 4 作出FL曲线图22 叶轮过流面积检查F-L曲线243作中间流线图22 叶轮过流面积检查F-L曲线一元理论假设流动是轴对称的即每个轴面上的流动是相同的在同一过流断面上轴面速度相等做流线就是将每一过流断分成几个面积相等的单元面积反映在轴面投影图上就是这些流线将过流断面形成线分成若干小段而每段长度和其形心到叶轮轴心线距离与的乘积相等图23 初步划分中间流线图三条流线将过流断面形成线分成两

21、部分而形心到轴心线距离分别为得 或 作中间流线时可以随手勾画出流线的形状然后进行验算在同一过流断面上分成的每一单元过流断面面积都相等否则重新修改流线形状直到面积相等为止当过流断面形成线被分成几部分后这些小段曲线与直线相近检查时可以近似的取每一小段弧线的中心点作为该小段的形心在作中间流线过程中要想在同一过流断面上分成几个绝对相等的面积是可能的但是这样工作量太大因此在作中间流线过程中允许在同一过流断面上分成若干个有一定误差的断面一般允许误差不得超过在同一过流断面上各小段面积的平均值的3进口边流线适当延长之后使之与轴线平行按每个圆环面积相等确定分点本次设计分成2个小流道则进口分点半径为n 20123

22、0424552最后根据计算数据得表22 划分中间流线面积检查计算表过流断面RimmBimmFimm2误差114832978296774 041237621251295553 215149984318183 005242451193318037 315754951343645 -078251591069346340 416507882360420 09026271907357194 517238805365910 -04027178815367384 618006767385630 -01927959773386365 718785725399981 -07328741734402918 819

23、562684410738 -09129524693414488 图24 确定中间流线后的流道图244计算出口速度出口圆周速度出口轴面排挤系数出口轴面速度出口圆周分速度无穷叶片出口圆周分速度245作叶片进口边计算并计算叶片进口速度叶片进口边在平面上的投影在一个轴面上的为好但是也可以不在一个轴面上在叶轮的轴面投影上作叶片的进口边应尽量使叶片进口边之间的几条流线趋于相等进口边和流线夹角最好是直角叶片进口边轴面投影的形状从铸造角度出发最好为一直线或是有一曲率的圆弧叶片进口边向吸入口方向适当延伸以提高叶轮的抗汽蚀性能并能使泵性能曲线上出现驼峰的可能性减小并要求所做的进口边应使前后盖板流线长度不能相差太大

24、否则易产生二次回流作图时应该考虑以上的综合因素并参照比转速相近的模型作出出口边计算叶片进口速度步骤和计算过程如下 1 作叶片进口边 2 计算各流线的进口速度A流线B流线C流线3B流线各相关参数先取C流线各相关参数先取一般来说应该采用正冲角能够减小排挤增大过流能力减小叶片弯曲增加叶片进口过流面积且采用正冲角在设计流量下液体在叶片进口背面产生脱流因为背面是叶道的低压侧在这里形成的旋涡不容易向高压侧扩散因而旋涡是稳定的局部的对汽蚀影响较小采用正冲角还能改善在大流量下的工作条件即泵在大流量下运转则应选较大正冲角25叶片绘型所谓叶片绘型就是画叶片为此应该在几个流面上画出流线叶片骨线然后按一定规律把这些流

25、线串起来变成了无厚度的叶片画叶片有两种方法作图法和解析法流面是一个空间曲面直接在流面上画流线不容易表示流线形状和角度的变化规律因此要设法把流面展开成平面在展开的平面上画流线然后在展开图上画出流线按预先作好的记号返回到相应的流面上通常这种作图是借助特征线利用插入法进行的下面介绍保角变换法绘型原理步骤绘型原理在一流面上其上有一条流线用一组夹角为的轴面和一组垂直轴线的平面去截流面使之在流面上构成小扇行格网并且令小扇行的的轴面流线长度和圆周方向上的长度相等即 当所分的这些小扇行足够小时则可以把流面上的曲面扇行近似看作是平面小正方形流面上的小扇行从进口到出口逐渐增大所谓保角变换顾名思义就是保证空间流面上

26、流线与圆周方向的角度不变的变换在平面上的展开流线只要求其与圆周方向上的夹角和空间流线的角度对应相等展开流线的长度和形状则于实际流线可能不相同因此只在相似而不追求相等可以设想把流面展成圆柱面然后把圆柱面沿母线切开展成平面由此可见空间流线穿过流面上小扇行将扇行两边分别切成两段相应的流线在平面方格网上把正方形两边分别切成正比例的两段由相似的关系则对应的角度相等即保持角度不变设计叶片和上述相反是把在平面展开图上绘制的流线利用特征线保持角度不变变换到平面和轴面投影上因为所有绘制扭曲叶片的方法均适宜绘制圆柱叶片故以扭曲叶片为例进行叙述1沿轴面流线分点分点的实质就是在流面上画特征线组成扇行格网因为流面可以用

27、轴面图和平面图表示因此分点在轴面图上沿一条流线相当于一个流面进行流面是轴对称的一个流面的全部轴面流线均相同所以只要分相应的一条轴面流线就等于在整个流面上绘出了方格网流线分点的方法很多现在介绍两种a 逐点计算法式中任取的两轴面间的夹角一般取 取的度数越小分的点就越多 流面上的扇行中心轴面流线两分点中间的半径分点的方法是叶轮出口沿轴面流线任意取量出段中点的半径按照计算如果算得的等于预取的分点是正确的若不等于重新取再算知道两者相等继之从分得的点起分第23点这种方法的缺点是容易产生积累误差b 作图分图法在轴面投影图旁画两条夹角等于的射线这两条射线表示夹角为的两个轴面与逐点计算分点法相同一般取 从出口开

28、始先试取先试取若中点半径对应的两射线间的弧长与试取的相等则分点是正确的如果不等就逐次逼近直到 为止第1点确定后用同样的方法确定第234点当流线平行轴线时不变用对应的截取流线即可各流线用相同的分点2画展开流面平面方格网并在其上绘制流线因为保角变换法绘型是基于局部相似而不追求局部相等所以几个流面可以用一个平面方格网代替方格网的大小任意选取横线表示轴面流线的相应分点竖线表示夹角为对应分点所用的轴面而后在其上绘制流线通常先画中间流线流线在方格网的位置应该与相应轴面流线分点序号相应进出口角度应与预先确定的值相符包角大小可以灵活掌握型线的形状极为重要不理想时应坚决修改必要时可改变叶片进口边的位置包角的大小

29、等3画轴面截线用轴面相当于方格网中的竖线去截这五条流线相当于用轴面去截叶片所截五点的连线是一条轴面截线把方格网中的每隔一定的角度的竖线和三条流线的交点对于应编号1234的位置用插入法分别点到轴面投影图相应的五条流线上把所得的点连成光滑的曲线就得到叶片的轴面截线轴面截线应该光滑按照一定规律变化轴面截线和流线的夹角最好接近90°一般不要小于60°4叶片加厚方格网保角变换绘型一般在轴面投影图上按照轴面截面所得的轴面截线为骨线向两边加厚或认为是工作面向背面加厚沿轴面流线方向的轴面厚度按照下式计算式中S流面厚度 真实厚度可按流线长度如轴面截线给定通常最大厚度在离进口为叶片全长1312

30、处进出口部分应量减薄一般小泵叶片进口流面厚度或根据工艺允许的真实厚度算的流面厚度约为了最大厚度为给定了真实厚度之后可以列表计算各点的轴面厚度Sm其中的角从方格网展开图上的对应点量取角从轴面投影图上轴面截线对应点量取其它流线的厚度可以类似算出小泵各流线可以取相同的厚度大泵应考虑拔模从后盖板向前盖板厚度递减因为叶片通常向后盖板方向拔模图25 流面展开方格网和叶片厚度变化规律表23 叶片加厚计算表轴面0 S mm 350 369 388 400 400 400 400 A流线a°2300 2330 2330 2330 2330 2800 2800 cosa092 092 092 092 0

31、92 088 088 ma Scosa mm 380 402 422 435 435 453 453 B流线b°2600 2790 2790 2790 2790 2800 2800 cosb090 088 088 088 088 088 088 mb Scosb mm 389 417 439 453 453 453 453 C流线c°2900 3180 3180 3180 3180 2800 2800 cosc087 085 085 085 085 088 088 mc Scosc mm 400 434 456 471 471 453 453 26绘制叶片木模图绘制步骤1在

32、叶片的轴面裁剪图上做垂直于叶轮线的垂线1122这些垂线实际上就是一些垂直于叶轮轴心线的平面通常称为割面或者等高面它们与叶片的交线就是叶片的木模截面如果从叶轮入口方向看叶轮为逆时针方向旋转我们就把叶片工作面的木模截线画在平面投影图的右侧把背面的木摸截线画在投影图的左侧本次设计的叶轮为逆时针方向旋转直线1122是等距离的但也可以不是等距离看设计者的需要而定叶片扭曲较大处距离可以取小一些2以O点为圆心作叶轮外圆并在其中做中心角为的轴面投影线03将沿后盖板处的叶片工作面背面与后盖板的交线以及前盖板处的叶片工作面与前盖板的交线投影到0点垂直线的左部又将沿前盖板处的叶片工作面背面与前盖板处的叶片工作面与后

33、盖板的交线投影到0点垂直线的右部于是便得到叶片的内外极限轮廓曲线它们与叶片的入口和出口边在平面图上投影就绘出了制造叶轮叶片木模的外围线4作模型截线在叶片的轴面投影图上3-3割面截叶片背面的0轴面截线于abc三点它们到轴心线距离分别为在平面投影图上以0为圆心以为半径画弧交于0轴面投影线于abc三点将abc三点光滑连接就可以得到割面 11截叶片背面的模型截线 同理可作出其它各条模型截线这样就完成了叶片木模图的绘制图26 叶片木模图 注在制造叶轮模型时常常直接利用叶片木模裁剪图因此应在箔尺上量取叶片裁剪图的尺寸如果没有箔尺铸铁叶轮的所有尺寸应该加115作为收缩量钢和铜的叶轮应该加25作为收缩量27作

34、叶片进出口速度三角形在前面的设计计算中得到了各流线上的叶片的进出口流速轴面流速圆周速度以及叶片的进出口液流角或出口角加之叶片出口的圆周分速度则可以作出进出口速度三角形图27 叶片进出口速度三角形3压水室的水力设计吸水室位于叶轮之前压水室位于叶轮之后它们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一般不引入相对速度来研究其流动通常所说的压水室是指螺旋型的压水室环型压水室和导叶体的总称获得能量的水流沿叶轮圆周流出后将进入泵的压水室压水室是泵不可缺少的重要过流部件其设计制造水平高低对泵的性能特别是泵的效率指标和H-Q曲线形态有十分明显的影响根据泵的用途不同泵的压水室有不同的结构形式但它们的

35、基本功能则是相同的收集从叶轮中的来流将水流送到泵出口或下一级叶轮入口水流在叶轮出口处绝对速度比较大在低比转速叶轮中尤其是这样水流在压水室出口的平均速度将显著下降这种将水流的部分动能转化为压力能的结果将使水流在泵出口管路中的水力损失减小应该指出由压水室排出的流量在设计点应当是用户给定的设计流量而不是考虑了容积损失后引入的理论流量此外由于压水室是静止部件设计中也不引入相对速度的概念单级单吸及单级双吸泵中主要采用压水室为螺旋形压水室多级泵中则采用径向或流道式导流器及空间导叶螺旋形压水室具有适应性强效率高高效区宽的优点其主要不足是过流内表面难以机械加工螺旋形压水室由一段面积不断增大的螺线管蜗壳和一扩散

36、管构成水流在压水室中流动时如果作用于水流的外力对叶轮轴心线的力矩为零水流将因惯性而实现自由流动这时水流在压水室中的水力损失为最小压水室的内表面的几何形状应保证水流实现这一流动的要求在作用于水质点的外力对泵轴心线力矩为零的条件下压水室中水流速度将有特殊的分布规律这一规律可以由动量矩定理获取由此得到重要结论水流对泵轴心线的力矩为零时蜗壳中水流的速度矩为常数因此不论蜗室在轴断面上形状如何都必须保证在设计流量下水流速度分布符合这一要求31压水室的作用及螺旋型压水室作用的原理311压水室的作用1收集从叶轮流出的液体并输送到排除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

37、动以减小叶轮内的水力损失3降低液流速度使速度能转换成压能4消降液体从叶轮的流出的旋转运动以避免由此类造成的水力损失压水室的种类有三种相互比较螺旋形压水室有以下优点压水室的流动比较理想适应性较强高效率范围宽因此螺旋形压水室为泵压水室的首选的考虑对象但其流道不能机械加工尺寸形状表面粗糙只能靠铸造来保证所以要保证螺旋形行压水室的形状的设计质量铸造及工艺设计质量是关键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单级泵和中开式多级泵叶片式多用于多级泵而导叶的环形压水室能消除径向力主要用于大型单级泵考虑所设计泵的基本参数和设计要求选择螺旋形压水室312螺旋形压水

38、室的作用及原理 液体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液体不受任何外力作用应遵从速度矩保持定理即压水室的形状应当按照符合这种规律来设计下面用数学公式来表示这种流动的迹线得到液体流动的轨迹后按此轨道加作此固体壁就作出了符合液体流动的压水室因为常数所以流动的液流角保持不变即液体从叶轮流出后的迹线是一条对称的螺旋线液体的流动方向与圆周方向的夹角保持不变这就是螺旋形压水室对称的由来螺旋线上任意点的坐标可以为设时 积分所以 给定不同的弧度 利用叶轮出口稍后的速度三角形求得给定不同的角可以求得相应的半径来从而可作出这条对数螺旋线来实践中所作的螺旋形压水室为了减小径向尺寸压水室宽度多

39、是扩散的这样可以减小角从而达到减小径向尺寸的目的所设计的螺旋形压水室能满足压水室的要求第一压水室布置在叶轮出口外周能够把从叶轮流出的液体收集起来第二在设计工况下液体符合自由流动轴对称的从而保证了叶轮内的相对流动的稳定性第三压水室随着收集流量的增加半径逐渐向排出口增加减小减小从而实现动能向压能的转换第四由于压水室的出口的流动方向和涡室半径垂直这种结构保证清除流动的螺旋分量32涡室的设计和计算321涡室的主要结构参数1基圆半径切于隔舌头部的圆称为基圆用表示应稍大于叶轮外径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振动和操声但间隙过大出增大径向尺寸外因间隙处存在着流动环消耗一定的能量间

40、隙越大泵的效率下降越多对于高和尺寸较小的泵取大值反之取小值故取2涡室进口宽度通常大于包括前后盖板的叶轮出口宽度至少应有一定的间隙以补偿转子的转动和制造误差目前有些涡室取得相当宽以减少泵的径向尺寸也好使得叶轮前后盖板带动的旋转的液体可通畅地流入压水室回收部分圆盘摩擦的损失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参4可利用下式计算或式中为叶轮出口宽度为叶轮外径则考虑到此次设计为矩形断面故结合叶轮的尺寸以及为了减小泵的径向尺寸可适当加大b3取3涡室隔舌安放角隔舌位于涡室螺旋线部分的始端将螺旋线与扩散管隔开习惯称头部的端面为断面隔舌与第断面的夹角为隔舌安放角的大小应保证螺旋线部分与扩散管光

41、滑连接并尽量减少径向尺寸高的泵大大涡室外壁向径向扩展的较大因而取较大的角以使形状协调参考4P246表81取20°4隔舌螺旋角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少液流的撞击隔舌螺旋角应等于叶轮出口稍后的绝对液体流角由前面的计算得知得取322涡室断面形状和各断面面积为了便于计算和绘图涡室通常取个彼此成45°的断面即用个轴面切割涡室设计时先计算第断面其他断面以第断面为基础进行确定根据涡室的几种断面形状梯形矩形任意形状在此选择矩形断面形状进行设计计算参2计算涡形体各断面面积时是把涡形体中的圆周方向平均速度看作常数来设计的计算时应先根据查取一个系数参3查利用公式

42、计算 据参3 P188查取得计算断面的过流量参4利用以下公式计算则 其它断面面积可利用公式同理 在计算出各断面的面积后应根据选定的断面形状推出的断面面积计算公式计算各断面距离轴心线的半径由于此次绘制的为矩形断面则取r 15mm则计算结果如下表所示表31 矩形涡壳断面尺寸计算表断面包度计算面积S矩形面积SH R-r3R倒角r340323100 332775 555 1615 150 295280340 290015 483 1543 150 250237570 247245 412 1472 150 205194810 204485 341 1401 150 160152050 161725 2

43、70 1330 150 115109280 118955 198 1258 150 7066520 76195 127 1187 150 2523760 33435 56 1116 150 图31 矩形断面示意图323确定扩散管的扩散角和长度涡形体扩散管部分的作用在于降低泵压出口的液流速度使液体一部分动能变为压力能减少压出管路水力损失扩散管的进口可看作是涡形体的断面见图32其出口是泵的压出口设计计算扩散管的长度和压出口直径时原则上长度应尽可能小并应照顾到泵压出口法兰尺寸符合法兰标准便于加工拆装螺栓另外为了减少扩散损失扩散角应在8-12°的范围考虑所设计的泵实际情况及及所选取的法兰出口

44、直径取扩散角 11°参考4由于断面是矩形的而泵的压出口为圆形所以只能求出涡形体扩散管的当量压出角其计算公式如下式中为扩散管当量扩散角取°为压出口径为扩散管长度为断面当量直径取L 则代入得 则取324涡室的绘形步骤1画第断面根据确定的及计算得的圆弧半径可以作出断面图2画其它断面图其它断面图通常画在同一平面上相当于多断面的轴面投影即用轴面截涡室的断面圆弧投影到一个轴面上各断面面积应等于计算面积具体作法如图压水室水力设计图3 画涡室平面图根据计算得到的各断面半径在平面图上相应的射线上点出然后光滑连接所得的各点得到涡室平面螺旋线应注意各点应在圆弧光滑连接即后段圆弧的圆心应当在前一段

45、圆弧终点延长线上同时根据已知扩散管长度出口直径作出扩散管外形具体图样如压水室水力设计图样图32 压水室水力设计图 4 吸入室的水力设计41吸入室的介绍及作用吸入室泛指泵进口吸入口到叶轮进口前的一段流道因此设计吸入室时应该保证叶轮进口前液流分布均匀液流运动的速度方向符合要求吸水室中的水力损失要比压水室中的水力损失小得多因此与压水室相比吸水室的作用要小一些尽管如此吸水室仍是水泵中不可缺少的重要部件而且在设计中对吸水室绝对不可以掉以轻心这是因为吸水室设计的好坏直接影响到水泵汽蚀性能因此设计吸水室时要在水力损失最小的条件下保证1为了创造在设计工况下叶轮内稳定的相对运动沿吸水室所有断面的流速尽可能的均匀

46、分布2将吸入管内的速度变为叶轮入口所需的速度按照结构吸水室可以分为直锥形吸水室弯管形吸水室环形吸水室半螺旋形吸水室半螺旋形吸水室是一种广泛应用的吸水室的形式主要用在单级双吸式水泵水平中开式多级泵以及一些其它的泵上液体在半螺旋形吸水室中流动将产生旋转运动在叶轮进口造成一个速度环量 所以考虑到我所设计的泵的参数及要求该泵吸入室采用半螺旋形吸水室42半螺旋吸水室的计算421各断面的面积计算按照习惯通常从隔舌位置起每隔225°作一断面令通过隔舌断面的编号分别为00断面与断面之间刚好为180°且0断面一般与水平线成45°的夹角如图41所示经有关试验表明从0断面到断面各断面的

47、液流速度基本上是相等的且流量沿圆周方向分布也基本上是均匀的因此在设计八个断面时可以按照吸入室的平均速度来进行计算在进行半螺旋形吸水室的时候可以假定沿整个圆周流量均匀分布这样当单级双吸泵采用螺旋形吸水室通过断面的流量为Q Q4 Q为泵的设计流量通常半螺旋形吸水室各断面的平均流速可以按照下式确定 为叶轮进口速度由叶轮设计确定对于双吸泵所以 取 33 ms则因为其余断面的面积可以按圆周方向流量均匀分布来确定即 所以 半螺旋形吸水室A 125-135×A 4545A 15-18 ×A 6000Adj 314×Dj24 849056A- 125-155 Adj 13000A

48、- 120-145 Adj 12000A- 105-115 Adj 9500422各断面的径向尺寸的计算通常按照如下的经验数据选取各断面的径向尺寸00 065075 750 091 1000 125135 130 182 187423半螺旋形的绘制1有了上述各断面的径向尺寸后在如图各射线上点出各点并按照计算的值确定 两点然后依据确定的LH 与就可以确定泵吸入口在平面投影图上的两端点的位置最后在确定点的位置将这些点用光滑曲线连接起来即可以绘制出半螺旋形吸入室的平面投影图这也就可以确定出了各断面的径向尺寸2绘制各断面的轴截面图通常是将0八个断面轴截面都回转到一个轴截面图上轴截面上靠近叶轮的轮廓线是

49、依据结构主要是泵体的壁厚5 结构设计51技术设计总图初定在水力设计完成之后包括吸水室压水室等有关尺寸有相关尺寸需要与装配图配合起来设计之外应该进行装配图的总体设计包括泵的布置形式零件结构零件型号选择等见1比较立式卧式两种布置形式的泵体结构为了结构简单便于机组的拆装检修采用卧式布置511泵轴的结构设计在设计泵的结构时应该首先考虑泵轴的结构设计由于泵轴上所装零件的不同就决定了泵轴的不同的轴颈系列同时考虑到槽倒圆倒角等同时轴的轴向尺寸是由零件装配尺寸以及零部件之间所需间隙尺寸所决定的因此泵轴的设计只能是先确定轴的径向尺寸512装配图轮廓尺寸的的初定装配图的大体轮廓需要定出轮廓线叶轮中心线叶轮流道压水

50、室断面吸水室断面加上泵体壁厚叶轮盖板的厚度具体尺寸参数见总装图52主要零件的选择对照设计装配图选择一些主要零件如下所示但是选择的零件主要针对标准件及重要非标准件其余零件可参照总装图轴承参见5选择深沟球轴承型号 GBT276-94-6007 2个联轴器参见1选择弹性柱销联轴器型号B1101-66-20-30 1个柱销参见1B1101-66-3-10 8个填料环参见1B2102-70-45 2个填料压盖参见1B2101-70-45 2个以上零件的选择只列了主要零件对于其他没有列出以及列出了的对于具体材料查看总装图明细表栏6泵轴的强度校核泵轴的自重和套装在轴上的叶轮轴套等零件的重量转子的径向力由叶轮

51、平衡后的剩余不平衡力所引起的离心力使泵轴弯曲因此泵轴是在弯矩和扭矩联合作用下工作的通常以扭矩联合作用来校核泵的强度依据材料力学第三章强度理论弯矩扭矩联合作用轴的轴颈d可以按照以下公式计算式中材料许用弯曲应力 当量弯矩 kgcm式中计算断面的弯矩 计算断面的扭矩考虑到弯矩应力和扭矩应力的校正系数对离心泵的轴一般取 057061这里取 058对泵轴轴套和叶轮等重要部件的质量采用近似计算61近似计算转子部件的质量1计算泵轴的质量 i 128取所以G 12922计算叶轮质量叶轮的形状不规则在计算具体不规则部分可以分成若干个小部分然后采用近似的规则图形近似计算这里采用以部分求整体 求叶片质量将叶片简化为

52、一个厚度均匀的长方体 图61 叶片近似图如图 单个叶片质量为0135×0037×00038×78×100148kg叶片总重量为 ×60888kg计算前盖板质量根据叶轮前盖板形状将其简化为厚度均匀的圆环如图图62 前盖板圆环厚度S6mm考虑到前盖板有弯曲可以适当的缩小圆环内径3kg计算后盖板的质量将后盖板简化为下图所示图63叶轮后盖板简化断面图由图形计算 得到0994kg 计算叶轮总质量 088830994 4882kg62计算叶轮径向力最大径向力公式见2最大径向力公式F 098KH式中F作用于叶轮的径向力牛顿 K径向力系数H扬程米叶轮出口直径厘

53、米包括前后盖板在内的叶轮出口宽度厘米F63计算轴套的质量如装配图可以将其折合为一个套筒计算 148kg64计算在各种载荷下轴所受到的力依据材料力学的相关知识将轴化为一简支梁再计算校核轴考虑到受载对轴的影响主要考虑计算轴的径向力看选择材料是否合适依据所选的联轴器3787kg 见1 图64 泵轴的受力分析叶轮径向力要取决于外表面力的合并指向方向沿方向的力很小但是它使径向力向着隔舌方向偏移在计算中取与的夹角为30°由上图列方程由得到 如下图05×F×cos30° 5343kg图65 Y方向的受力情况65计算叶轮不平衡质量所产生的离心力Fc 图66 叶轮不平衡质

54、量所产生的离心力由于轴承两端距叶轮是对称结构则66强度校核根据计算做出弯矩扭矩如下图所示 图67 泵轴的弯矩扭矩图1确定危险断面G断面即叶轮中心处最为危险2弯矩很小可以忽略不计3当量扭矩4计算危险断面的直径为考虑轴的强度选用普通优质钢为343105而叶轮处同时靠考虑装键叶轮处也足以满足强度要求所以经过校核设计的轴合格7 结论此次设计完成了双吸泵的设计包括叶轮压水室和吸水室的水力设计和绘制泵的装配图零件图以及部分零件校核其中水力设计和零件校核部分很多数据都采用Excel编制公式进行计算装配图和零件图的绘制参考了实物在泵的装配图绘制中由于对结构不太清楚很多零件也并不认识在绘制中出现了不少的错误今后会多接触实物加强动手能力来充实机械零件等方面的知识总结与体会在这次毕业设计中我学到了很多设计方面的知识也有很多感触通过这次双吸泵的水力设计和结构设计我初步接触到了设计一台泵的基本过程在设计过程中如果有扎实的理论知识就容易创新设计方法也不是单一的针对不同类型的泵和客户不同的要求设计上可以采取很多不同的方式在设计中需要查阅很多资料包括对别人优秀成果的借鉴和一些国家标准这就需要我们即时了解本行业的现状和发展的新动态自己在设计过程中难免会因为知识和经验的不足碰到很多困难所以培养良好的团队精