【《混流泵叶轮及导叶水力设计方法分析案例》4700字】

混流泵叶轮及导叶水力设计方法分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u25794混流泵叶轮及导叶水力设计方法分析案例 1241381.1木模法制作工艺介绍 1143661.2叶轮叶片的木模图绘制 2233071.2.1叶片木模图轴面分点 256251.2.2叶片木模图展示 469721.3导叶体叶片的木模设计 5178551.3.1导叶体设计理论 5168991.3.2导叶体木模图绘制 765862混流泵结构设计 9115822.1.1总成图及设计标准 9251272.2混流泵主体结构设计 10304002.2.1叶轮导叶的联合设计 10230232.2.2喇叭管设计 11237152.2.3主轴设计 12251362.2.4出水弯管设计 12126032.3混流泵汽蚀原因处理 13191902.3.1汽蚀原理 13141722.3.2造成汽蚀的因素分析 1368702.3.3解决混流泵汽蚀方案 14138432.4电机选型 1551942.4.1电机选型参数 1599992.4.2电机选型注意事项 15木模法制作工艺介绍木模法中的模样是零件铸造生产中最为基本的工艺装备，模样的质量好与坏会直接导致最后成型的铸件形状和尺寸精度，为了保证用木模法绘制的叶轮叶片和导叶叶片质量，减少铸造过程中所耗费的成本，所以制定了以下规范标准。木模法规范标准：（1）木模必须要按照零件图的标准制造，能满足强度、刚度和尺寸精度需求；（2）制造木模的材料要在满足工艺标准的前提下，降低成本和制作难度；（3）木模木材的纹理应整齐平直、坚韧耐磨，不会有结构变形等问题；（4）木模木材加工后的表面应保持光滑，容易脱模；（5）木模木材使用前应进行自然或者人工烘干，使木材里的水分含量低于10%；按照木模法加工出的铸件需要满足以下引用标准：JB/T5106《铸件模样型芯头基本尺寸标准》和GB/T11350《铸件机械加工余量标准》。叶轮叶片的木模图绘制叶片木模图轴面分点（1）沿着轴面流线分点取7条轴面截线，截线分点由上到下按规律增多，取轴面夹角∆θ=3~5°，右视图所示为叶片侧面视图，由轮毂到轮缘按线性变化逐渐变粗。图3.3.3.1轴面流线分点（2）画展开流面图和流线右视图为方格网，方格网的坐标为轴面截线每一个点与水平位置的夹角，将在后面的木模图中体现在叶片绘制图中。图3.3.3.2方格网和流线（3）轴面流线图绘制整个轴面截线的绘制过程要光滑顺手，从进口到出口要顺畅，轴面的截线和流线之间的夹交约为90°左右，Sm为流线与流道的距离大小。图3.3.3.3轴面截线（4）叶片加厚计算由于叶片实际有厚度大小，所以在设计时要在轴面截线上加厚，轴面厚度为SSm=scosβ式中，s——流面厚度；δ——真实厚度；β——叶片角；λ——轴面流线和轴面截线的夹角；实际的叶片厚度应该从外缘到轮毂有规律的增加厚度。（5）绘制叶轮叶片木模图截取叶片的轴垂面（等距或者不等距），每一个截面和叶片工作面和背面有交线，此交线称为木模截线，将其画在平面图中，具体步骤如下：1.画一组轴垂面，给其编号0、1、2、3、42.在平面图中按真实角度编号如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（角度为10°、20°等）3.同时画出工作面和叶片背面，叶片前看是逆时针后看是顺时针。4.画叶片的平面投影轮廓线。5.画工作面、背面的木模截线，将交点对应到平面投影途中。6.给交点赋予坐标位置，便于加工。叶片木模图展示图3.3.3.4叶轮木模图导叶体叶片的木模设计导叶体设计理论（1）导叶体设计原则：1.叶片间流道断面的湿周应尽量减小2.流道的形状是平滑变化的曲线3.流线的形状符合角度的变化4.流速变化应均匀有规律5.控制流道扩散角，使其为定值图3.4.1.1扭曲三角形法绘制导叶体原理图由于空间导叶随比转速的变化有较大的形态差异，因而导致导叶的轴面投影图形状差别大，因此要选用已有的比转速相近且性能良好的导叶体图形作为参考。（2）轴面投影图绘制要求1.和叶轮出口通顺衔接2.导叶进口部分有把叶轮出口液流收集起来，导入轴向的趋势。3.合理确定导叶进口便的形状。（3）导叶数据参考1.导叶内流线进口直径大致等于叶轮出口轮毂直径2.导叶外流线进口直径稍稍大于叶轮出口轮缘直径3.导叶轴向长度L=（0.5~0.7）D24.导叶叶片数和叶轮不成倍数关系。5.导叶叶片包角一般为60°~95°6.导叶进口边离叶轮出口边距离为0.4~0.5倍b2，32.8~41mm7.检查轴面液流过水断面的变化情况经计算，本此设计导叶进口直径Dd=314mm出口直径D导叶体木模图绘制绘制导叶的轴面投影图，并作垂直的木模截线。图3.4.2.1导叶体轴面投影图绘制流线展开图，展开图的平行线距离等于木模图所截轴面流线的曲线长度。图3.4.2.2导叶体流面展开图绘制导叶的叶片绘形图，标注角度。图3.4.2.3叶片绘形图完成导叶木模图处理。图3.4.2.4导叶木模图混流泵结构设计总成图及设计标准在混流泵280HL—1000—15—55主体结构的设计中应满足外观以及性能要求，所有的零部件皆为按已设计的叶轮和导叶尺寸设计，且满足外观要求和性能要求。外观要求：泵的结构应保持完整，无污损碰伤、裂痕等。泵的紧固螺栓不能够松动。性能要求：1.泵应该转动平稳、停滞、无卡阻等现象；运行时不能够有异响、摩擦、震动。2.泵在规定的流量下，扬程应在规定扬程94%~110%范围内变化。叶片数Z5进口平均直径D258mm出口平均直径D281mm轮毂半径SR109mm轮缘半径SR210mm轮毂大小91mm泵轴线与水平线夹角60°混流泵主体结构设计叶轮导叶的联合设计叶轮和导叶是混流泵的核心做功部件，其性能好坏对混流泵总体性能优劣起到了非常大的作用，但由于其拥有极其复杂的空间结构，这对叶轮和导叶的设计造成了极大的难度。叶轮的整体设计必须配套与其相同尺寸的导叶体，既先设计叶轮再设计导叶体。导叶体要与叶轮轮盖的尺寸数据相吻合，且叶片数不能是倍数，此次设计叶轮叶片数Z1=5、导叶叶片数Z2叶轮设计水泵是水力机械，因此液体的流动效率将是衡量整个混流泵设计是否成功的关键，然而混流泵叶轮的在整个泵的运行效率中起到了决定性作用，可以说是核心部件。已知水流在喇叭管收集水流之后会进入叶轮，由于混流泵叶轮对流体具有离心力和轴向推进力的叠加作用，采取叶轮轮缘外侧有外壁的设计，外壁根将与导叶体的外壁无缝隙连接以达到闭式的设计，能充分利用离心力将水压入泵内。为了减少水流对叶轮的冲击，叶片将以木模图绘制的设计标准铸造，采用固定叶片的设计方式，以达到降低成本的目的。如图4.1.1所示是本次设计叶片的三维实体造型,其主要参数为叶片包角φ=20°、叶片数z=5,轮缘直径D2=281mm、轮毂直径dh图4.1.1固定叶片轴面流线图（2）导叶体设计导叶体的位置紧连着叶轮根部，起到了收集了从叶轮流出的扩散液体，将流体动能转化为静压能，将水流的轴向运动转化为旋转运动，极大减轻了壁面压力。本次导叶的参数：叶片数z=6片、轮毂尺寸D3=162mm、D图4.1.3固定叶片轴面流线图喇叭管设计喇叭管是帮助混流泵吸收液体的重要配件，所设计的入口直径大小应该远大于流道的直径，吸盘的形状与大、小头的形状相似。本次的喇叭管最大外径D=925mm，参照了易艳林[16]新开发的导叶式混流泵模型按比例尺绘制了喇叭管的外形，能够充分吸入所要运输的流体，采取较短的中段管径设计减轻了水流在管内的动能损失，与叶轮采用12×∅22图4.2.1喇叭管三维图主轴设计主轴是指通电后电动机开始运作将动力并将它传递给其它配件的重要部件，在混流泵的运行中起到了带动叶轮、导叶旋转的作用。本次设计的主轴串连了所有的混流泵部件，将叶轮、导叶体、出水弯管与电机联轴器紧密连接。由于所要连接的零件较多，采用了阶梯式的设计方式，轴的总长为2420mm，最大直径为90mm，在与叶轮和电机联轴器的连接部分采用了平键连接的方式，有定心精度高、承载能力高的优点，能有效防止水流带来的巨大动能对轴产生的冲击所带来的位移，满足工作的需要。图4.2.2混流泵轴承三维图出水弯管设计大型立式混流泵水流经导叶体后流出，要经过出水弯管来接受流速较急的水流，一般用刚劲或者混泥土铸造而成。弯管的仰角一般要小于30°,平面扩散角的设计也需要较小才合理，为了防止流量较小时水流脱壁，平面扩散角大小要根据流速大小决定。本次设计的出水弯管出水直径D=748mm，与导叶体连接的底板部分采用10×∅30的通孔双面对称，参照标准ISO273-1979紧固件国际标准，选用M27的螺栓紧密联结，在出水弯管与外部水管也采用了6×∅30的通孔用M27的螺栓连接，在与填料函处采用了6图4.3混流泵出水弯管三维图混流泵汽蚀原因处理汽蚀原理混流泵的汽蚀发生在叶轮的进口处，由于液体在此处压力小于当时水温的汽蚀压力，即水发生了汽化，不断会有数以百计的气泡生成，这些气泡会随着叶轮的离心作用来到高压区，在高压的作用下这些气泡会不断破裂，对叶轮叶片形成巨大的水力冲击。在长时间的工作下，叶轮的叶片会随着汽蚀扭曲、剥落、破坏，使其失去原有的结构形状，并且运输内的液体若夹杂活性气体会在金属表面形成电解，加快了机械腐蚀。造成汽蚀的因素分析叶轮的汽蚀可以分为内在因素和外在因素两部分。内部因素是由压水室结构设计、核心部件材料选用等因素导致。外部因素是由环境因素、使用和安装因素、输送液体因素、员工操作因素等造成。在叶轮汽蚀过程中，当汽泡在低压区不断生成并进入高压区时，汽体开始凝结，导致气泡破裂撞击叶片。但随着气泡的消失和局部真空的发生，高压液体冲向气泡的初始位置，液体颗粒相互碰撞，金属表面发生蒸汽凝结破裂。汽蚀会导致混流泵的流量随着液体在通道内的流动而减小，混流泵的扬程、功率和效率也会随着流量的变化而变化，严重影响使用性能，甚至会导致出现严重的断流和机械设备损坏。解决混流泵汽蚀方案内部因素解决方法：1.适当增加前后盖板的曲率半径，合理控制泵内压力和液体流速，也可以通过缩短叶轮进口与导叶体的距离减少行程。2.通过增加介质（水等液体）的进入面积，减少水力损失，提高泵内的空化抗力。具体操作为减小进口叶片的厚度，增加进口叶片的表面光洁度，或改变进口叶片的形状使其接近流线形状。3.在进口管道的设计中，通过调整管道的长度和曲率，尽可能减少管道引起的压力损失，保证管道中介质的平稳流动。4.选择合理的叶轮制造材料，选用标准一般是强度高、硬度高、化学稳定性强等材料。根据设计时的使用要求，材料可采用热强化处理和渗碳处理等方法和技术，提高叶轮叶片材料的耐腐蚀性和抗空蚀性。外部因素解决方法：1.如果混流泵输送的介质为水，需要使水流保持较为平稳的流速。2.如果混流泵输送的介质为其他液体，需要尽可能降低输送介质的密度，合理控制输送介质的温度，减少高密度、高温对气化压力带来的影响，且有效地降低汽蚀带来的负面影响。3.根据混流泵的噪声和震动状况对气蚀的位置和严重程度进行评定，通过运用维修技术处理腐蚀零件，延长零件的使用寿命。如果部件损坏过于严重，应及时更换耐腐蚀性强的新部件，以保持混流泵的稳定和使用安全。4.建立健全的操作体系，提高整体操作人员的安全意识和管理意识，规范操作人员的操作行为，避免安全意识的疏忽对混流泵的运行稳定造成不利影响。电机选型电机选型参数已知混流泵280HL—1000—15—55的设计参数：流量Q=1000m3/h，H=15m，n=1500rpm，P=48.07kw，选用电机应大于P=48.07kw，经严格的价格对比最后选用上海犇鑫电机有限公司的YE2—250M—4三相异步电动机，具体参数为额定电压V=300V、额定转速p=1480rpm、额定功率P=55kw。图4.3.1YE2—250M—4三相异步电动机图电机选型注意事项参照长沙水泵场相似