【《大流量高扬程潜水混流泵的结构计算设计》16000字】

PAGE10 大流量高扬程潜水混流泵的结构计算设计目录TOC\o"1-3"\h\u91421绪论 3176581.1课题的研究背景及意义 354591.1.1混流泵的国内外现状 3235001.1.2混流泵的设计方法和进展 497341.2本章小结 5250472大流量高扬程混流泵的叶轮及导叶设计理论 6175612.1叶轮导叶正交试验设计优化方案 6267832.1.1正交试验目的及参数选择 6109712.1.2直观及极差分析结论 7244902.2叶片轮缘和轮毂设计理论 8315882.3叶片的安装位置设计理论 9132362.3.1叶片的进出口边位置设计 9313522.3.2叶片安放角的设置 9247052.3.3叶轮叶片的水体设计理论 1189852.4叶轮叶片的设计参数计算 11210392.5叶轮轴面图绘制所需数据计算 1285772.5.1叶轮叶片轴面图尺寸计算 1267172.5.2叶轮叶片的流线流道设计 14180803混流泵叶轮及导叶水力设计方法 18239683.1木模法制作工艺介绍 18256823.2叶轮叶片的木模图绘制 18196083.2.1叶片木模图轴面分点 18164803.2.2叶片木模图展示 21148913.3导叶体叶片的木模设计 22318933.3.1导叶体设计理论 22226313.3.2导叶体木模图绘制 2311314混流泵结构设计 2520224.1.1总成图及设计标准 25217804.2混流泵主体结构设计 26235814.2.1叶轮导叶的联合设计 26232854.2.2喇叭管设计 27172824.2.3主轴设计 28142834.2.4出水弯管设计 28311214.3混流泵汽蚀原因处理 2979474.3.1汽蚀原理 29230864.3.2造成汽蚀的因素分析 2987704.3.3解决混流泵汽蚀方案 29104974.4电机选型 31218904.4.1电机选型参数 31134964.4.2电机选型注意事项 31133385混流泵的经济型分析 32157025.1混流泵各部件选材的基本要求 32123335.2混流泵的部件的选材 32322455.2.1叶轮和导叶体的木模铸造选材 32276215.2.2其他零部件选材 33321695.3混流泵整体选材的经济分析 34208195.3.1木模制作成本 34103405.3.2不锈钢锻造制作成本 3497875.3.3选用电机成本 34307275.3.4总成本及市场调研 34254396混流泵设计总结 35304786.1.1毕业设计研究成果 3548746.1.2研究展望 35摘要： 泵作为一种日常的水力机械，在供水系统中起到了极大的作用，随着人口的逐步增多和日常的需水量不断增加，我国对于泵的技术革新也在逐步提出要求，所以水泵的设计在我国经济发展中占有举足轻重的地位，并且泵的技术的进展在诸多行业受到关注，在材料、力学、计算机等多种应用和相关学科的推动下，泵的理论研究和技术更新都取得了长足的进步。混流泵是一种介于离心泵和轴流泵之间的泵型，其既有离心力又有轴向推进力，可以满足大流量高扬程的工况要求,广泛应用于污水排放,排洪防涝,农田灌溉,发电站冷却等领域，甚至在大型市政引水中也有着一席之地。但由于混流泵在我国的研究并非十分深入，其设计往往仿效轴流泵和离心泵的设计，因此往往达不到想要的设计需求，所以本次的混流泵设计将参考国外的混流泵模型，希望能寻求突破。关键词： 混流泵；大流量；高扬程；离心力；轴向推进力绪论课题的研究背景及意义泵作为一种常用的水力机械在我国的经济发展中有着重要的作用,其技术进展一直受到多个行业的关注，在各种应用需求的驱动以及材料、力学、信息和计算机等相关学科的带动下,泵理论和技术研究已取得巨大进展。常见的泵有许多类型，如自吸泵、试压泵、转子泵、计量泵、离心泵泵和轴流泵等，离心泵靠离心力形成真空抽水，轴流泵通过轴向推力来促进进水，适用于不同种的工况环境。为了满足高流量和高扬程工况的要求，弥补离心泵不适用于低扬程和轴流泵在低流量工作环境下不稳定的缺点，兼有两者优点的混流泵于是便脱颖而出。混流泵的结构和形状介于轴流泵和离心泵之间，由于叶轮叶片的特殊扭曲设计，混流泵具有离心泵的离心功能以及轴流泵的轴向推进功能，因此混流泵在流量和扬程方面具有高要求的工况可以发挥巨大的作用。混流泵不论是水电、火电还是核电都有广泛的应用,也用于大型市政引水工程、石油化工工程等，由此可见混流泵的在国家经济中起到了极大的作用。随着时代和技术的发展和进步，国家对大型泵站的要求日益想高、泵站工程对水泵机组的要求逐步向安全稳定、高效节能、维护检修方便的方向发展由于国内市场对高扬程大流量的混流泵有较大的需求，因此，设计一款水力性能强、能源消耗低、振动噪音小、寿命长的混流泵就显得尤为重要。然而传统的设计方法和研制样机及试验费用较大,并且时间较长，失败的风险较大，所以本文将通过实例详细介绍混流泵创新设计的过程,来解决混流泵提高扬程和增大流量的问题。混流泵的国内外现状国外在军工领域对混流泵的研究非常深入，针对不同的工程应用要求，开发了大量具有不同性能特点的混流泵水力模型。将升力面理论应用于麻省理工学院船舶水动力实验室喷水泵的分析与设计，采用流线曲率法和二维面元法实现了新西兰希尔顿喷水泵的准三维叶轮设计。基于Hronee等人在1984年提出的无粘、无旋流、无厚度平面叶栅的设计方法，提出了一种给定环量分布的全三维势流设计方法。将转轮内部流动分解为轴向平均流动和轴向脉动流动，根据劈裂公式确定叶片附着涡的强度，通过调谐分析求解轴向流动，通过迭代实现叶片建模。1991年，Zangeneh将这种方法推广到离心泵和混流泵的设计中，成为混流泵设计采用的主要方法。国内在混流泵方面的研究远不如离心泵和轴流泵，低比转速混流泵的设计方法通常采用离心泵的设计方法，高比转速混流泵的设计是基于轴流泵的设计方法。现有的混流泵水力模型与国外水力模型存在较大差距，特别是高比转数混流泵的水力模型，这常常会导致在具体需要泵的场景中选型不当，导致效率低下、运行不当等问题。在已有的科研报告里，对混流泵的期刊也较少，尤其是缺少各个工况下相匹配的叶轮和导叶体设计，对叶轮叶片不同设计参数所达到最后效率的研究数据也较少。因此，需要机械从业者大力研究并开发混流泵高效水力模型，满足我国南水北调等一系列重大水利工程的需要。混流泵的设计方法和进展速度设计法速度系数法是一种应用在叶片设计上，基于一元理论和不断假设，在理论与经验的支持下完成的设计方法。随着混流泵的应用在日常生活中不断丰富，国家对混流泵的使用性能提出了越来越高的要求，现状的研究方向开始对传统的设计方法进行改进和调整。王洪志[1]基于斜流泵优良的水力学模型和一元设计理论，以离心泵叶轮的设计流量和扬程作为参考，提出了用经验系数确定斜流泵叶轮尺寸的设计方法。在传统设计方法的基础上，何希杰等人[2]提出了创新式的混流泵叶片设计理念。采用叶片轴长比率和扩散面积比率相结合的方法，对斜流泵的叶片设计进行了优化设计，有效地提高了泵设计点的性能。张鑫太[3]通过给定的斜流泵的冲角和载荷分配，完成了斜流泵的整体水力设计，并通过后续的计算证明了该泵具有较高的效率。袁春元[4]采用相似换算法和传统的速度系数法，设计了流量为480m3/h反问题设计法反问题设计方法是在设计前给出合理的叶片载荷分布作为初始值，然后通过对多个涡流叶片进行迭代得到满足给定条件的逆设计方法。Hawthorene[5]使用Clebsch算法开发了反问题设计方法，并详细描述了该方法。Goto等[6]应用反问题设计方法设计了低比转速斜流泵，通过控制叶片压力分布来解决叶轮叶片子午面吸力面上的二次回流问题。Zangeneh[7]描述了叶轮子午边缘圆周涡速计算方法和迭代计算叶形载荷的方法，以及通过可压缩流轴向和径向流涡轮机械逆向设计方法的三维设计理论使叶片设计得到改善。Borges[8]阐明了反问题设计方法的设计理论，并通过反问题设计法设计了斜流泵叶轮，由此得出了更合理的叶片流线分布和压力分布。Bonaiuti等[9]采用反问题设计方法设计了斜流喷射泵的叶轮和导叶，在设计过程中分析了所设计叶轮和导叶表面的压力和速度分布，并对泵的汽蚀性能进行了数值分析，结果实验数据与预期设计达到的参数差距不大。邴浩[10]基于两种相对流面理论和轴向面速度分布规律，提出了斜流泵叶轮正反问题的迭代设计方法。控制速度矩阵设计法控制速度矩设计法是通过正交曲线坐标系表面速度矩分布规律，从而探索三元速度场确定叶片形状的一种设计方法。蔡佑林[11]以速度扭矩为控制变量，基于反问题设计方法，通过迭代计算，最终设计出更符合叶轮内部三维流动状态的叶片型面，并提出了叶片可控转速扭矩的设计方案，采用该方法对489转数的斜流泵进行了设计和试验研究。实验证明，所设计的斜流泵效率可达82.5%，汽蚀比转数可达1486。聂培军等[12]运用二元设计理论，通过matlab编程计算斜流泵叶轮轴面的速度场，设计了斜流泵叶片。聂沛军等[12]采用可控转速扭矩设计方法，设计了比转速为618的斜流泵，有效地抑制了叶片子午面的二次回流。张勤昭等[26]通过对速度矩分布规律的研究，确定了反“S”型、“S”型和“I”型三种速度矩分布规律，并详细描述了它们的规律，采用“S”型速度矩分布规律设计的叶片表面负荷分布更加平滑。本章小结随着斜流泵在市政工程和核电设备等地区的实施，基于传统水力设计方法的斜流泵模型难以满足工况更加复杂的使用情况。由于国内对混流泵水力模型研究的不足，因此加快混流泵高效水力模型的研究与开发势在必行。同时，由于我国设计方法的不完善，迫切需要研究高效混流泵模型的水力设计和优化方法，因此提出混流泵叶轮的水力优化方法具有重要意义。所以本次设计将归纳国内外混流泵的优化设计方法，基于已有的设计基础得到更优秀的混流泵水力模型。将基于比转速相近的斜流泵模型，以叶轮的进口安放角、出口安放角，出口宽度和包角为设计变量，以多个工况的效率最高为目标，建一个多工况的混流泵模型。大流量高扬程混流泵的叶轮及导叶设计理论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。由于叶片的几何形状是一个有曲率的面，子午面微小的变动都可能造成叶轮整体形状的改变，从而对其内部的水力性能有所影响，所以叶片的合理设计是本次设计的重点内容之一。叶轮导叶正交试验设计优化方案正交试验目的及参数选择选用比转速为300左右的混流泵模型，通过对叶片进口安放角β1、叶片出口安放角β2、导叶进口安放角α1、导叶出口安放角α2、直径D2、叶片包角φ1、叶片包角φ2七个几何因素进行正交设计，分析混流泵叶轮和导叶各参数对设计工况点扬程和效率的影响。将所观测的模型设置的扬程在25.5m至26.5m之间，观察七项因素对效率和扬程的影响。本次实验目的是为了后续设计能通过实验结论来提升泵的高效范围和效率，并改善工艺设计段的表STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s11.1.1参数取值试验序号ββφD2ααφ120251103503080100220301153543585105320351203584090110425251103583585110525301153504090100625351203543080105730251153583090105830301203503580110930351103544085100102025120350408510511203011035430901101220351153583580100132525115354408011014253012035830851001525351103503590105163025120354359010017303011035840801051830351153503085110表STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s11.1.2数值模拟结果实验序号123456H/m24.3825.0425.2625.6024.4725.54ϑ/%86.2183.5180.2186.3385.5084.29实验序号789101112H/m24.6023.7625.6023.3525.7725.59ϑ/%86.2386.1983.3785.6584.4579.66实验序号131415161718H/m24.2025.3725.8423.1025.7325.13ϑ/%86.5084.6284.8286.2684.0385.48直观及极差分析结论直观分析通过对十八组数据的对比，可以发现方案4、6、9、11、12、15和17满足扬程优化的需要，其中方案4为最优方案，其各个参数分别为β1=25°、β2=25°、α1=35°、α2=85°、D2=358mm、φ1极差分析极差分析指的是通过数据可以直观地看到在不同参数影响下最终所求的数据的最大差值，因素的影响程度越剧烈会使得差值越大。综合整体进行极差分析，我们可以得知叶轮出口安放角β的大小对效率和扬程影响程度最大、导叶出口安放角α的大小对效率和扬程的影响程度最小、包角φ对扬程和效率影响有着较为显著的效果。综合上述结果，将在后续对每一项影响混流泵工作情况的几何因素进行具体分析。叶片轮缘和轮毂设计理论在轮缘形状一定的情况下，叶轮出口轮毂半径对叶轮效率有较大影响。在小流量工况，叶轮效率随叶轮出口轮毂半径的增大而增大，轮毂RH2效率最高而轮毂RH1效率最低；在大流量工况，叶轮效率随叶轮出口轮毂半径的增大而减小，轮毂RH1效率最高而轮毂RH2效率最低。在轮毂形状一定的情况下，叶轮出口轮缘半径对叶轮效率有较大影响。在小流量工况，叶轮效率随叶轮出口轮缘半径的增大而减小，轮缘RS1效率最高而轮缘RS2效率最低；在大流量工况，叶轮效率随叶轮出口轮缘半径的增大而增大，轮缘RS2效率最高而轮缘RS1效率最低，所以轮毂和轮缘大小是叶轮设计的重要参数。图STYLEREF1\s2.2.1RH1和RH2的叶轮子午面[13]图STYLEREF1\s2.2.2RS1和RS2的叶轮子午面[13]图2.2.1和图2.2.2所示为叶轮子午面图，其中轮毂半径RH2（最大）＞轮毂半径RH1（最小），轮缘半径RS1（最小）＜轮缘RS2（最大）。图2.2.3、2.2.4为RH1、RH2和RS1、RS2的效率随流量大小变化图。图STYLEREF1\s2.2.3RH1和RH2的叶轮效率对比[13]图STYLEREF1\s2.2.4RS1和RS2的叶轮效率对比[13]图2.2.3和图2.2.4所示为叶轮效率对比图，其中轮毂半径RH2（最大）在低流量范围内效率较高，轮毂半径RH1（最小）在高流量范围内效率较高；轮缘半径RS1（最小）在低流量范围内效率较高，轮缘RS2（最大）在高流量范围内效率较高。由于本次设计的流量较大，将采用RH1、RS2形状的叶片形状。叶片的安装位置设计理论叶片的进出口边位置设计叶片的进出口边位置的选择对于时轮水力性能有重要的影响，所以对叶片进出口边位置的选择显得尤为重要。在一定范围内，随着叶片出口边与进口边轴面距离增大叶轮水力效率会得到提升但增幅会逐渐减小。但当进出口边距离增大到一定程度时叶片包角过大,导致表面摩擦损失急剧增加,水力效率反而会下降；叶片进口边位置在一定范围内适当前移有利于改善叶轮内部压力分布可以提升叶轮水力效率。但进口边前移距离过大时进出口边在轮毂所截轴面流线过长,叶片轴面投影面积过大反而会导致叶轮水力效率下降。确定效率最高的进出口边位置便显得十分重要。叶片安放角的设置叶片安放角的调整将影响混流泵的效率和扬程。随着叶片安装角度的增大，叶轮内部涡结构的数量逐渐增多。叶轮内高强度的涡结构主要集中在壁面附近，这会导致混流泵叶片结构随着工作运行而损坏，叶轮盖壁和导叶外缘涡结构的尺寸和强度增大，导叶内涡的数量增加，流道内涡结构的强度和数量增加，说明流道内涡结构对泵的效率有一定的影响。综上所述，叶片角度的变化将引起叶轮内部涡结构的变化，合理的角度调节可以提高混流泵的效率。图STYLEREF1\s2.3.2.1不同叶片安放角时叶轮的结构由图2.221可知，混流泵叶轮内部涡结构（紫色上色的为涡结构，集中在叶轮外壁）呈周期性分布，其主要有叶尖涡、叶尖分离涡、壁面附着涡、叶轮通道涡、尾缘脱落涡等整体而言，叶轮内部涡结构的数量会随着叶片安放角的增大而逐渐增多。图STYLEREF1\s2.3.2.2采用涡量着色的叶轮内涡结构叶尖涡位于叶片进口边，一般会在壁边分离，其会向叶尖分离涡和叶片翼型方向这两处分流，最终目的地为叶轮出口。叶尖涡范围会随着叶片安放角越小而越大，而且在α=4°时叶尖涡范围越小，叶尖涡会在分离后迅速消耗散去，一直发展到接近叶片中部完全消失；在α=0°时，叶尖涡分离后会发展到叶片出口处；在α=-4°时，叶尖涡分离后会平行于叶片向后发展，最终形成长涡进入导叶，如图2.3.2.3所示。图STYLEREF1\s2.3.2.3采用涡量着色的导叶内涡结构导叶内的强涡附着在叶片壁面上，导叶外缘的涡强度随叶片排列角度的减小而减小。然而，当叶片安放角为α=4°、α=0°、α=-4°三种不同情形下，导流叶片中的通道涡强度几乎没有差别，并且涡强度没有变化，能量没有消散的趋势，但可能在导流叶片中形成连续的堵塞。综上所述，叶片安放角的变化会导致叶轮内部涡结构的增加，进入导叶的涡量增大，通过调整导叶的扫掠角可以在一定程度上提高混流泵的效率。当α=-4°时，泵型叶轮和导叶的适应性最好，从叶轮进入导叶的涡结构更接近流线方向，并且随着安装角的增大，从叶轮进入导叶的涡质量增大并偏离主流方向，这是导致效率下降的原因之一。在后续的设计中，会采取较小的叶片安放角设计。叶轮叶片的水体设计理论通过BladeGen软件设计了3款包角分别为φ=20°、φ=35°、φ=50°的前弯型叶片叶轮如图2.231所示。经过CFD数值模拟后得出了以下结论，高效区的流动范围会随着叶轮包角的逐步增大而减小，这意味着包角的不断增大，会使得效率不断地增高，但是与此同时其高效运行范围的区间也会随之减小。不止如此，随着包角的增大，涡轮高效点会向小流量区域移动、涡轮轴向功率逐渐增大、涡轮轴向功率逐渐增大，这会导致叶片与叶片之间的流道逐渐拉长，所需要绘制的轴面截线更多，整体的压力梯度变化更加平滑，特别是在叶轮出口处的低压区更加平均。而在流量较大的区域，包角的增大也会使得叶轮叶片间的流道变长，同时也会让叶片对液体的约束能力有所上涨，减少相当一部分水力损失。综上所示，叶轮叶片间的包角存在最佳值使叶轮机具有最高的效率和较好的稳定性和可靠性，在包角为φ=20°、φ=35°、φ=50°的三种叶轮模型中，包角的减小会使得叶轮在大流量和高扬程工况下有着更良好的效率和工作表现，所以在后续的设计中会采用较小的包角。图STYLEREF1\s2.3.3.1采不同包角前弯形叶片叶轮图叶轮叶片的设计参数计算任务书设计参数：设计流量：Q=1000Nm3/h=0.278m3/s设计扬程：H=15m设计转速：n=1500rpm（1）比转速计算——比转速是反应流量、扬程和转速在内的综合特征数。ns由于混流泵轮毂的尺寸大小需要参照比转速相近的优秀混流泵水力模型，本次设计将参照易艳林[16]新开发的导叶式混流泵模型。（2）泵的效率估算混流泵效率的计算公式：ϑ=ϑ公式中，ϑv是容积效率，由于此次设计的流量需求较大，导致泄流量会比较小，一般在98％以上；ϑh是水力效率，与整个混流泵的水力损失直接挂钩，其水力损失包括液体流入的摩擦损失和漩涡导致的损失；从结论上来说，混流泵的效率一般在80％~90％左右，可参考有关资料和现有的优秀混流泵模型效率及试验资料进行确定。本文通过参考《轴流泵和斜流泵水力模型设计试验及工程应用》可得比转速在ns=379的混流泵效率可估为ϑ轴功率计算轴功率：P=ρgQH轴功率——在一定流量和扬程下，原动机单位时间给予轴的功叫做轴功率，轴功率是选择电机的一个指标，其功率应该小于电机的额定功率值，这是由电机联轴器所导致的。电机和混流泵的轴承由联轴器连接，进而带动叶轮来旋转，由于有了联轴器这个部件，电机的功率不能直接转化为实际的叶轮效率，所以所设置的电机效率应高于轴功率的值，在后续的电机选择中将会用到已计算的轴功率值。叶轮轴面图绘制所需数据计算叶轮叶片轴面图尺寸计算如图3.3.1.1所示为混流泵叶片轴面投影图，Dh为叶片与轮毂交界处高度、D0为叶轮有效进口直径、Dj为叶轮进口直径（实际绘制应参照Dj)、D2h图3.3.1.1叶轮直径图叶轮进口有效直径：D0=K式中，Q——混流泵的流量n——混流泵的转速K0叶轮进口直径：Dj=D式中，dh——轮毂的直径，此处参考参照易艳林[16]新开发的导叶式混流泵模型，按照其比例尺得出d出口宽度：b2=KKb2=0.64n式中，b2——出口宽度,n200250300350400450500550600650700750800850K10.910.830.760.960.620.570.5330.50.470.450.430.420.40表3.3.1.2K2K叶轮出口直径D2：D2=D2h+DKD2=9.35nD2o=K式中，D2h——叶轮出口直径，尺寸通过已求得的出口宽度在轴面投影图上等比例量得，K是叶轮出口直径修正系数，其大小和比转速n图3.3.1.3K2Kb叶轮叶片的流线流道设计（1）确立基本参数和设计尺寸已知叶轮进口直径Dj=258mm，叶轮出口直径D2=281mm，叶轮出口宽度b2=84mm，设计方案采用固定叶片的方案，固定叶片的前盖板与后盖板与轴线倾斜，后盖板切线与轴线夹角取ε=60°，前盖板切线与轴线角度一般小于后盖板与轴线夹角，不予计算。叶片的出口边与轴线的倾角定为30°左右，具体参考易艳林图3.3.2.1固定叶片轴面图（2）轴面流道过水断面确定在叶轮流道内绘制多个内切圆，使流线与内切圆相切，具体公式如下。过水断面面积F=2πRcb=0.167式中，Rc——过水断面形成线AEC（OE=13OD）重心C点（CD=b——过水断面形成线AEB曲线长度；AEB的长度按下列式子计算得：b=2式中，S——内切圆的弦长（AB）；ρ——内切圆的半径；最后所求得的面积是过水断面形成线各点所得的面积，过水断面图如下图3.3.2.2。图3.3.2.2过水断面图（3）轴面流线的绘制轴面流线是流面和轴面的交线，将轴面流线绕轴旋转360°形成一个流面。但整个设计过程中，将整个叶轮流道分成4到6个相等的过水断面，此处分为6个过水断面，在分流线时要分出进口和出口，可适当将一部分流线延长与轴线平行，如图3.3.2.3。图3.3.2.3固定叶片轴面流线图表3.3.2.4分轴面流线计算表过水断面号流道bRRi=1Rcjbbi=10-10.0590.1368.0248.0248.0240.0591-20.0470.1718.0371.6068.030.0472-30.0390.2057.9952.4068.020.0393-40.0310.2407.443.157.880.033（4）叶片进口角的确定：叶片进口液流角角β1，=arctan叶片进口速度vm=QF叶片进口排挤系数φ1=1式中，vmvuF1φ1Su1叶片进口安放角β1=β1，式中，∆β——冲角，一般∆β=0~8°，此处∆β叶片出口角的确定：叶片出口安放角的选择一般在β2混流泵叶轮及导叶水力设计方法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=6。叶轮的轴径与导叶体的轴径相差很小，作用在叶轮上的扭矩必须小于设计时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=91mm、叶片调节中心与轴线成图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的混流泵模型300HW—1035—12.3—55，当电机高速运行时候，额定流量1035m3/h，扬程12.3m时，水泵效率能达到89%，能完全满足使用需要。轴功率48.07kW、电机功率P=55kw时，工作点的流量、效率、扬程、额定轴功率等完全满足设计要求，同时在满足使用要求的同时拓宽水泵的高效区的区间，因此能满足不同种类的工况。根据循环水温度和四个季节流量的不同要求，对电机进行高速、低速改造，可以显著降低循环水泵的功耗。改造后，电机高速低速运行，泵性能稳定，高效区宽，泵容量增大，节能，工程实施周期短，改造量小，造价较低。混流泵的经济型分析混流泵各部件选材的基本要求泵体材料根据所需要的使用性能和技术规格，要满足不同形状和尺寸的配件受水压时不能够有泄漏等问题，具体体现在要考虑泵的流体进出压力、所运输液体的温度大小、化学物质的腐蚀问题和流体运输是否会有固体颗粒等问题。泵体各部件材料的基本标准：（1）选用材料在使用过程中要满足承受运行产生应力的物理性能；（2）能够通过铸造且加工成形效率高的形状；（3）要达到耐磨、耐腐蚀、耐热和耐寒等根据环境所需要的性能；（4）在水压试验时压力4Mpa以下，应该选择铸铁类；（5）在水压试验时压力9Mpa以上，一般男采用锻钢材料制造；（6）对于化学腐蚀和固体颗粒物理摩蚀的选材，要进行运行状态下的试验；（7）对于零部件材料，如主轴、出水弯管和轴套等，在耐磨方面要有更加高的要求；混流泵的部件的选材叶轮和导叶体的木模铸造选材由于本次设计的叶轮和导叶体采用木模铸造的方式设计，其流程所用材料可分为木模模具所需的木材、打磨所用的砂纸、清洁表面的蜡模、用石膏浆埋没真空脱泡及自然干燥和最后一步的浇注成形。选用铸钢材料强度、韧性和塑性，抗腐蚀性能好，价格较低且能满足设计需要。叶轮和导叶体铸造工艺的具体流程：制模——完成木模制作，要无表面缝隙，逛光洁平整。喷蜡——对木模进行射蜡，参数为0.3~0.5Mpa。检验——检测木模的外观以及是否有变形情况。制壳——对木模进行涂层，选料为硅溶胶莫来石粉浆和石砂。脱蜡——采用蒸汽脱蜡，实际约为30分钟。浇注焙烧——在1100℃下进行焙烧，在高温区间保温实际超过90分钟。浇注——在3秒内进行快速浇注钢水，温度为1500℃。切割——采用碳弧气刨进行切割。抛丸——进行抛丸处理，去除氧化等。热处理——根据水压试验低于0.3Mpa并超过5分钟要求进行热处理。抛丸——清除沙粒和凹槽凸起等缺陷，使零件尺寸精准。检验——根据木模图和设计图纸检验铸件，达到能投入使用的标准。无损检测——进行RT和PT检测。入库——达到使用标准入库。其他零部件选材由于泵是水力器械，所有的零部件要考虑到硫酸、盐酸、硝酸、醋酸的腐蚀性问题，由于本次设计与企业联合，为满足大量生产的需求，采用普通不锈钢304（0Cr18Ni9）的材质，在节省成本的同时，又有较好的抗腐蚀性能。由于混流泵所有的配件形状各不相同，采用不锈钢304的锻造加工。奥氏体不锈钢304锻造加工的注意事项：变形温度选择——在奥氏体不锈钢的锻造过程中，若锻造的温度过高会导致铁素体的增多，会对锻造体的塑性和变形产生影响，甚至产生裂纹，所以要严格控制在规定温度1150~1200℃。加热要求——由于不锈钢304的导热性能不好，在锻造加热时要遵守规定的温度和加热速度，在0℃到800℃时要缓慢加热，在超过925℃可以提高加热速度。在加热的时候要避免渗碳的发生，以防影响锻造的耐蚀性，且在高温的区间不宜过长，否则会导致氧化、晶体组大等现象。锻造要点——在不锈钢锻造时，开始要轻压，直到塑性形变超过30％才能加大力量重压。锻造过程中，要使力的方向单向一致，避免在同一点重复用力，防止有十字裂纹的产生。锻造的过程中要注意变形均匀，最后要达到较为均匀的结晶组织。锻后冷却——为了避免锻造后的奥氏体不锈钢析出Cr23后处理——对锻造好的件进行冷加工，通过盈利退火来消除残余应力。混流泵整体选材的经济分析在混流泵的整体结构完善后，要对其经济性进行分析，具体囊括了叶轮导叶体的铸造成本、其他零部件的不锈钢锻造成本和选用电机的成本。木模制作成本在木模铸造的过程中，所需的成本为：木材、喷蜡、石膏、钢水和人力费，由叶轮导叶尺寸大小可大概估算所需木材为2立方米的云南模型轻木（木模铸造的首选材料），以及其他成本费用为1060元左右。不锈钢锻造制作成本在其他部件锻造的过程中，所需的成本为：钢材及人工成本费，钢材价格为18元/千克，约为200kg左右，约为4000元左右。选用电机成本选用上海犇鑫电机有限公司的YE2—250M—4三相异步电动机，价格为4300元。总成本及市场调研经计算可得280HL—1000—15—55的制作总成本约为9360元左右，对比市场上的混流泵售价，如400HW—7混流泵售价为8500元，其工作流量Q=1260m3/h略微大于设计流量的Q=1000m3/h，但扬程H=6.8远小于设计扬程H=15m；再如650HW—6售价为25000元，其工作流量Q=4460m3混流泵设计总结本次毕业设计的目标是设计一款大流量高扬程的潜水混流泵，基于速度设计法、反问题设计法等理论方法的研究，最后决定采取木模铸造的方式完成混流泵的核心部件叶轮和导叶体，并以核心部件为基准，设计了其他如喇叭管、主轴、出水弯管、填料函、密封盖等部件。毕业设计研究成果对混流泵当前国内外的现状进行了分析，并提出了一系列设计理论；研究分析了叶片各项参数对混流泵效率的影响，并完成了优化设计和数据计算；（3）采用了木模图铸造叶轮和导叶体的方法，并完成木模图设计；（4）对喇叭管、主轴、出水弯管、填料函、密封盖等部件完成了三维结构设计；（5）对混流泵所有部件的铸造锻造工艺流程进行了详细的描述；（6）对混流泵进行了经济型分析，得出了合理的市场定位；研究展望本次毕业设计完成了大流量高扬程潜水混流泵的整体设计，取得了一些成果，但是由于本人设计能力低微和受疫情影响导致研究条件的限制，导致本次设计仍有许多不当指出，希望在后续的答辩中能得到一些建议从而在今后有着更深一步的研究并在此提出以下两点：（1）由于国内的混流泵研究资料不足，可参照的混流泵模型数量远远不及离心泵和轴流泵，希望能有更多通过数值优化得到的混流泵模型；（2）希望今后的研究中有大量混流泵叶轮各项参数研究，能更具体的得到优化变量参数，如本次设计考虑的进口安放角、包角等，使混流泵叶轮的效率更高；参考文献王红志，一种实用的混流泵叶轮设计方向[J]