華中科技大學離心泵課程設計報告書

1、課程設計說明書設計題目： 離心泵水力設計設計參數(shù)：流量0.1m3/s，揚程 62m，轉(zhuǎn)速 1450rpm學生：學號：班級：完成日期：指導教師（簽字） ：能源與動力工程學院目錄第一章緒論 .- 2 -1.1泵用途 .- 2 -1.2泵的分類 .- 2 -1.3離心泵主要部件.- 3 -第二章結構方案確定 .- 4 -2.1確定安裝高度 .- 4 -2.2確定泵進、出口直徑 .- 5 -2.3確定效率和功率以及電動機的選擇.- 5 -2.4功率的確定 .- 6 -第三章葉輪水力設計 .- 7 -3.1葉輪進口直徑D0 的確定 .- 7 -3.2確定葉輪出口直徑 .- 7 -3.3確定出口寬度 b2

2、.- 8 -3.4確定葉片數(shù) .- 8 -3.5確定葉片出口角.- 8 -3.6確定葉片實際厚度 .- 8 -3.7用速度系數(shù)法確定進出口軸面速度.- 8 -3.8確定葉片出口排擠系數(shù) .- 9 -3.9確定葉片包角 .- 9 -3.10 精算葉輪出口直徑 D2.- 9 -第四章葉輪的 CAD 設計 .-11-4.1軸面圖繪制及過水斷面檢測 .-11-4.2軸面流線的繪制.-14-4.3進出口邊參數(shù)的確定： .-15-4.4方網(wǎng)格保角法葉片繪型： .-17-第五章壓水室的設計 .-19-5.1基圓直徑 D3 的確定 .-19-5.2壓水室的進口寬度 .-19-5.3隔舌安放角和隔舌螺旋角.-1

3、9-第六章參考資料 .-20-第七章設計感悟 .錯誤 ! 未定義書簽。第一章緒論1.1 泵用途農(nóng)業(yè)灌溉和排澇，城市給水排水；動力工業(yè)中鍋爐給水泵、強制循環(huán)泵、循環(huán)水泵、冷凝泵、灰渣泵、疏水泵、燃油泵等；采礦工業(yè)的礦山排水泵、水砂充填泵；石油工業(yè)中泥漿泵、注水泵、深井才有泵、輸油泵、石油煉制泵等；化學工業(yè)中耐腐蝕泵、比例泵、計量泵。1.2 泵的分類泵的定義：通常把提升液體、輸送液體和使液體增加壓力的機器統(tǒng)稱為泵。分類如下：（1）葉片泵：利用葉片和液體相互作用來輸送液體，如離心泵、混流泵、軸流泵、旋渦泵等。（2）容積泵：利用工作容積周期性變化來輸送液體，如活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、齒輪泵、螺桿泵等。

4、（3）其它類型泵：只改變液體位能的泵，如水車；或利用流體能量來輸送液體的泵，如射流泵、水錘泵等。流量在 520000m3 / h ，揚程在 82800m 圍使用離心泵比較合適。泵的優(yōu)缺點：優(yōu)點：效率高、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速高、流量大、結構簡單、性能平穩(wěn)、容易操作和維修等。缺點：啟動前需要灌泵、液體粘度對泵性能有較大影響，如下圖1-1 所示。圖 1-1 離心泵輸送清水的粘度極限1.3 離心泵主要部件葉輪 : 將原動機能量傳遞給液 體的零件；一般前蓋板 、后蓋板、葉片輪轂組 成；分為閉式、半開式和開式葉輪 （很少用）。吸入室 ：使液體以最小損失均 勻進入葉輪；錐形、圓 環(huán)形、半螺旋形吸入式 。壓出

5、室 ：以最小損失將葉輪中 流出的液體收集，均勻 的引至吐出口或次級葉 輪，順便將一部分動能變?yōu)閴耗埽?螺旋形、環(huán)形、徑向?qū)?葉、流道式導葉和扭曲 葉片式導葉。密封環(huán) : 為減少高壓區(qū)液體向低 壓區(qū)流動。泵體和葉輪 上分別安裝了兩個密封 環(huán) 泵離心泵體密封環(huán)和葉輪密封環(huán) 。軸封機構 ：泵軸伸出泵體處，旋 轉(zhuǎn)泵軸和固定泵體之間 有軸封機構，減少壓力 液體流出泵外和防止空氣進入泵 內(nèi)；有骨架橡膠密封、 填料密封、機械密封和 浮動環(huán)密封。軸向力平衡機構 ：作用在轉(zhuǎn)子上的力不 平衡產(chǎn)生了軸向力，單 級泵用平衡孔或平衡管 ，多級泵采用平衡盤或平 衡鼓。離心泵還有泵軸、中段 、軸承體、托架、支架 、聯(lián)軸器等

6、主要零部件第二章結構方案確定2.1 確定安裝高度本次設計的泵葉輪參數(shù)為比轉(zhuǎn)速ns=75.75，流量 Q=0.1m3/s，揚程 H=62m。根據(jù)比轉(zhuǎn)速選擇設計為單機單吸離心泵。由于比轉(zhuǎn)速為 75.75，由比轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速關系公式：3.65n Qns3 / 4H計算得到轉(zhuǎn)速 n=1450r/min。所給參數(shù)中沒有給定空化余量NPSHr 的值以及空化比轉(zhuǎn)速C 的值，故只能利用公式hr=計算有關值。查葉片泵設計手冊的表和推薦公式可初選得：“單吸泵”的空化系數(shù)=216ns4 3- 6 =4 310- 6 =。10216 75. 750.0692而hr=4.292m，C=1007.45。由于，故可確定為兼顧空

7、化和效率的離心泵。同時可以計算給出泵的安裝高度：取 NPSHa=1.3NPSHr=5.58m，常溫下清水的=0.24，吸入液面壓力等于大氣壓力，根據(jù)經(jīng)驗，設吸入裝置損失 hc=0.5m，則 Hs= =10.33-0.5-0.24-5.58=4.01m。2.2 確定泵進、出口直徑根據(jù)水力機械現(xiàn)代設計方法離心泵葉輪設計例，吸入口直徑Ds 由進口流速(經(jīng)濟流速 )決定，由于要滿足氣蝕要求，初選23.5 m/s試初選選泵的進口流速m/s。則有206mm，根據(jù)規(guī)手冊要求，取Ds=205mm。泵出口直徑： Dd=（0.71.0） Ds，取 Dd=144mm，即取 Dd=0.702Ds。泵進口速度：3.03

8、m/s泵出口速度：6.14m/s。2.3 確定效率和功率以及電動機的選擇1）估算水力效率：0.884，取0.88.式中 Q 為泵的流量（ m*3/s）（雙吸泵取 Q/2），n 為泵的轉(zhuǎn)速（ r/min ）2）估算容積效率：0.963, 取=0.96.該容積效率只為考慮葉輪前密封環(huán)的泄漏，對于有平衡孔、級間泄漏和平衡盤泄漏的情況，容積效率還要相應降低。3 ）估算機械效率：圓盤損失效率0.903取0.90由于要考慮軸承和填料損失的效率，故假定軸承、填料損失為2%，則有最終機械效率0.88 。4）計算泵的總效率：0.74。2.4 功率的確定1 ）軸功率：78.909配套電機功率=1.378.909=

9、102.582kw ，查機械設計課程設計附表 9-1 選用電動機，選用 Y315S-4 型電動機。其參數(shù)為同步轉(zhuǎn)數(shù)為 1500r/min ，滿載轉(zhuǎn)數(shù)為 1480 r/min, 額定功率為 110 kw，可滿足設計要求。2 ）最小軸徑的確定：泵軸的直徑應按其承受的外載荷（拉、壓、彎、扭）和剛度及臨界轉(zhuǎn)速條件確定。因為扭矩是泵軸最主要的載荷， 所以在開始設計時， 可按扭矩確定泵軸的最小直徑，最小直徑一般位于聯(lián)軸節(jié)處。電動機實際扭矩675.63N·m，取Kg/m2。（為泵軸材料的許用應力）則，最小軸徑為40.07mm按計算誤差估計可圓整為40，可選取為45 的軸徑，保證安全。第三章葉輪水力

10、設計3.1 葉輪進口直徑D0 的確定1) 求 V0V0KV02gH , 查泵產(chǎn)品設計規(guī)程圖1-1-15 得 KV =0.1204.18m/s2 ）求通過葉輪的流量 Q '流過葉輪的流量0.104m3 /s 。3 ）求葉輪進口直徑 D0164mm（查泵產(chǎn)品設計規(guī)程圖1-1-15得 K 0=4.0 ）取該值為葉輪進口直徑，即 D0=164mm。（由于是單級單吸泵，所以輪轂直徑0mm）。3.2 確定葉輪出口直徑由速度系數(shù)法得到( 查圖知，0.98) 。葉輪出口直徑：449.97mm，圓整取450mm3.3 確定出口寬度b2根據(jù)水力機械現(xiàn)代設計方法泵設計例，由經(jīng)驗公式：20.66mm,其中，圓

11、整取22mm。3.4 確定葉片數(shù)當比轉(zhuǎn)速為 60-120 時，取 Z=6-7 ，根據(jù)經(jīng)驗，暫取Z=7 。3.5 確定葉片出口角根據(jù)實際情況，一般取葉片出口角為2=22.5 °。3.6 確定葉片實際厚度葉片實際厚度5.44mm（查表 ,再利用線性插值法取A=3.315），取整得6mm。3.7 用速度系數(shù)法確定進出口軸面速度4.88m/s ，查圖知3.834m/s ，查圖知3.8 確定葉片出口排擠系數(shù)0.92243.9 確定葉片包角根據(jù)設計經(jīng)驗，初步選擇包角為120°。3.10 精算葉輪出口直徑D2由于葉輪外徑 D2 及葉片出口安放角對泵的性能影響很大，尤其是在設計流量下能否達

12、到要求的揚程是一個重要問題。用速度系數(shù)法確定時，稀疏的選取時按一般情況確定的，有一定的近似性?；痉匠虨橹鞯木_計算和是必要的。精算公式為：根據(jù)原先設想，由于吸入室選擇為直錐型入口，故有。其中取為前知的 0.88 ，。取0.62 ，0.8525 。利用初步設定的數(shù)據(jù)畫出軸面圖，利用制圖CAD軟件將中心線分為11 段，并求出弧長值Si ，取每段中點，得到 ri ，從而得到靜力矩：0.0291將數(shù)據(jù)帶入得到第一次精算，將此數(shù)據(jù)帶入得到：447.12mm與初步計算的數(shù)據(jù)誤差為 0.67%，小于 2%，可以選用，但是為了保險起見，進行再次精算：0.9218 ，3.653m/s ， 443.37mm，與

13、前一次相差 0.84%。同理可得，第三次精算得到443.44mm，差別不大，取444mm。最終結果：444mm， 2 =22.5 °。計算截圖如下：第四章葉輪的 CAD 設計4.1 軸面圖繪制及過水斷面檢測利用上面所得到的數(shù)據(jù)，初步設計出葉輪的軸面圖如下：設計之后對其進行過流斷面檢測：方法是在流道中作許多個切圓，以切圓的圓心向前后蓋板流線作垂線，連接 A、B 兩點，形成三角形 ABO，然后過 O點作 AB垂線并將其三分，如上圖所示。作圓弧 AEB與 AO、 BO相切，長度為 bi ，作為過水斷面形成線， C 點作為過水斷面中心，半徑 Rc。成型后如下圖所示：過水斷面的面積心線長度變化

14、的趨勢即可。，做出每一個斷面的面積隨過水斷面中計算結果如下圖：用 MATLAB繪制出相應的過水斷面檢測圖：圖形成平緩上升趨勢，屬于高效率的曲線，符合要求，故可采用。4.2 軸面流線的繪制采用的方法是將過水斷面分為兩個流道，并且兩個流道的過水斷面面積相等。具體的做法是：先將出口邊分為相等的兩段，在進口邊按照計算，其中 n所分流道數(shù)進行i 從軸線側算起欲求的流線序號（不包括前后蓋板流線）此處57mm。然后從出口便開始，用與“過水斷面檢測”相同的方法用小切圓分流道，并且是兩個流道過水斷面面積相等，如圖所示：如果兩個切圓所在的過水斷面面積不相等， 則需繼續(xù)調(diào)整，知道兩個過水斷面面積差別在 3%以時才行

15、，最終結果如上圖所示。4.3 進出口邊參數(shù)的確定：進口參數(shù)：在軸面流線上初步確定葉片的進口邊，分別與前蓋板流線、 中間流線。后蓋板流線交于 A、B、C 三點。如下圖所示：分別過 A、B、C 三點作過水斷面形成線，可以得出：進口直徑 D1a/mm165.540進口直徑 D1b/mm119.417進口直徑 D1c/mm79.445由此可得，進口圓周速度：進口 u1a/(m/s)12.56進口 u1b/(m/s)9.06進口 u1c/(m/s)6.03在圖中可以求出A、 B、 C 三點對應的過水斷面面積進口軸面速度為：，而進口角 1a' 可以由公式：得到，進口角，是進口沖角，一般采用正沖角，

16、大小在 3° 15°之間。出口參數(shù)：葉輪的出口圓周速度為：33.69m/s理論揚程為：70.45m。出口圓周分速度為 ：20.49 m/s 。根據(jù)公式，無窮葉片數(shù)的理論揚程為：84.97m。無窮葉片數(shù)的出口圓周分速度為：24.71m/s 。4.4 方網(wǎng)格保角法葉片繪型：保角變換是將流面展開成平面的方法，本次設計中采用網(wǎng)格法保角變換具體步驟如下：在軸面投影圖旁畫兩條夾角等于6°的射線，作兩條射線表示夾角為6°的兩個軸面。從出口開始，沿軸面流線試取長度s，若s 中點對應的兩射線間的弧長u 與s 相等，則往下繼續(xù)取；若不相等，則調(diào)整后再算。（注意：s 是流線的

17、長度，而不是射線段之間的垂直長度）。具體過程如圖：按照順序，從出口邊開始，分別對前蓋板流線，中間流線和后蓋板流線進行分割，得到如上圖所示的結果， 過程中可以根據(jù)相應的數(shù)據(jù)列出方程幫助計算：出口邊編號為 0，依次往下編號， 對應網(wǎng)格圖中的橫線， 豎線為包角的角度，將流面圖展開成平面圖如圖：第五章壓水室的設計壓水室是指葉輪出口到泵出口法蘭（對節(jié)段式多級泵是到次級葉輪出口前，對水平中開水泵則是到過渡流道之前）的過渡部分。設計壓水室的原則：1、水力損失最小， 并保證液體在壓水室中的流動是軸對稱的, 以保證葉輪中的流動穩(wěn)定；2、在能量轉(zhuǎn)換過程中，軸對稱流動不被破壞；3、消除葉輪的出口速度環(huán)量，即進入第二級葉輪之前，速度環(huán)量等于0。4、設計工況，流入液體無撞擊損失。5、因流出葉輪的流體速度越大，壓出室的損失hf 越大，對低 ns 尤甚，因此對低 ns 泵，加大過流面積，減小損失hf 。在水力方面，螺旋形壓水室的流動比較理想，適應性強，高效率圍寬。本次設計采用螺旋形壓水室。5.1 基圓直徑 D3 的確定，因此取整數(shù)460mm。5.2