1、多级离心泵设计1摘要随着我国矿业的蓬勃发展，矿用排水泵的需求量不断增大，同时国家紧抓矿井安全生产，对矿用排水泵的各项性能提出了更严格的要求。针对上述情况，在上海福思特流体机械有限公司的帮助下，设计完善D280-65型多级离心泵，用速度系数法进行水力设计，对轴、叶轮、导叶等重要部件进行强度校核，并完成图纸的绘制。该型多级离心泵在兼顾高效率、低功耗的前提下能够满足高扬程，大流量的实际需求，对同类型离心泵的设计具有一定的参考价值。关键词：多级离心泵，速度系数法，叶轮，强度校核Abstract With the vigorous development of the mining industry o
2、f China, mining drainage pump demand is increasing. Moreover, as the government pays more attention to the safety in mining production, a more stringent standard has been carried out on the performance of the mine drainage pump. In order to meet the needs of the domestic market, D280-65 type multi-s
3、tage centrifugal pump has been designed, with the help of the Shanghai First Fluid Machinery Co., Ltd. The main contents of this design include the hydraulic design based on the velocity modulus method and strength check of the important parts, such as the shaft, impeller, and guide vane. Besides, t
4、he design drawings have been completed. This type of multi-stage centrifugal pump, on the premise of both high efficiency and low power consumption, meets the actual needs of high head, large flow. Whats more, the design process has a certain reference value to the other similar centrifugal pump des
5、ign.Keywords：multi-stage centrifugal pump, velocity modulus method, impeller，intensity checking1绪论 11.1课题背景 21.2离心泵技术的发展和现状 21.3本文研究内容 22多级离心泵的结构和设计流程 32.1多级离心泵的的工作原理 32.2多级离心泵的的结构 42.2 多级离心泵的设计流程 63 D280-65多级离心泵设计计算及强度校核 73.1泵的主要参数 73.2吸入口径与压出口径的确定 73.3部分参数的估算与确定 73.4水力设计 103.5强度校核 324离心泵的操作和管理 404
6、.1离心泵的正常操作 404.2日常操作与维护 424.3离心泵的故障与处理 425总结与展望 455.1总结 455.2展望 45参考文献 46致谢 471绪论1.1 课题背景离心泵是一种应用范围十分广泛的通用水力机械，近几年随着中国矿产业的飞速发展，对离心泵的需求也在不断的增大。在矿井的建设和生产过程中，往往会有从各种渠道来的水源源不断地涌入矿井，影响矿井的安全生产，此时必须有排水设备把涌入矿井的水及时从井下排至地面，而离心泵就担任着这样一个重要角色。因此，保证矿用排水泵的稳定、可靠、经济的运转对矿井生产有重要意义。随着采矿业规模的不断扩大，采矿环境越来越趋向于复杂化和多样化。以煤矿开采为
7、例，我国煤层储存条件比较复杂，煤层埋藏深度大，平均煤层埋藏深度由300m向500m过渡，矿井以年增10m的速度不断加深，而在我国大中型煤矿中，水文地质条件复杂、极复杂类型的煤矿占25.04%，有超过30处大中型煤矿的正常涌水量超过1000 m3/h，最高时达4408 m3/h。这都要求矿用排水泵的排水量和扬程不断增大，对泵性能（效率、高效节能）、可靠性等相关方面的要求也相应地增加。另一方面，国家紧抓矿井安全生产，对矿用排水泵的各项性能提出了更苛刻的标准1。目前常用的国产矿用排水泵都不能很好地同时满足上述要求，而进口泵价格昂贵，并不适合在中小型企业广泛使用。针对上述情况，学校与上海福思特流体机械
8、有限公司相互合作，借助公司的资源优势和学校的人才优势共同研究，设计开发D280-65型多级离心泵，以满足市场需求。1.2 离心泵技术的发展及现状对离心泵技术的研究可以追溯到18世纪，早在1750年著名数学家欧拉就对离心泵内的液体流动进行了理论的分析，为离心泵的发展奠定了理论基础，但直到19世纪末，高速电动机的发明使离心泵获得理想动力源之后，它的优越性才得以充分发挥。1893年，人们首次发现汽蚀现象，随后对螺旋桨、水轮机和水泵等水力机械的汽蚀问题进行了大量研究。随着离心泵越来越向高速运转方向发展，汽蚀一直都是离心泵面临的最重要的问题之一2。1938年英国科学家Anderson提出面积比原理设计法
9、，他指出叶轮出口过流面积与泵体喉部面积之比乃是离心泵扬程、效率等性能指标的重要参数。但直到1963年，R .C. Worster 才从理论上证明了面积比原理的科学性。传统的设计方法都是建立在一元流动理论基础上的，认为流动参数仅沿流动方向有变化，这与实际情况不相符合。在20世纪90年代初期和中期，对离心泵二元流动理论和三元流动理论及其设计方法的研究就在一些高等院校和科研单位掀起了高潮，也取得了一定的理论研究成果3。我国的离心泵研究真正开始于20世纪80年代，1997年袁寿其在其论文中对面积比原理设计法进行了理论推导，并通过试验分析得出影响离心泵最大轴功率位置的最关键因素是面积比，而非传统观点认为
10、的叶轮。我国一直沿用的离心泵水力设计方法是传统的经验设计法-模型换算法和速度系数法。实践表明，这类方法存在较大的弊端，不利于泵性能进一步提高和改善。随着计算机技术的发展和应用，人们开始将优化理论应用于离心水泵的设计领域。但优化设计的数学模型往往不尽完善，在很多情况下与实际问题并不符合，所以常常只做局部优化，进步缓慢。近年来，随着采用新的优化技术和汲取相近学科的成功经验，泵的优化由局部向整体，由流线向流面、流场，由静态向动态发展。遗传算法作为一种全新的随机优化方法，遗传算法已广泛地应用于透平机械设计的多个方面，例如遗传算法直接用于气动元件的形状优化设计、超音速喷管的最佳形状、离心风扇的最佳箱体形
11、状等，已发展到可以用来协助计算流体动力学(CFD)方法进行有关流场计算等，并且已渗透到更为复杂的透平机械设计领域。如采用遗传算法对孤立翼形进行最优化设计，用遗传算法进行航空机翼的优化设计方面的研究；离心压缩机扩压器叶栅正、逆命题设计的遗传算法模型，基于遗传算法的蒸汽透平二维叶片型线自动设计系统，亚音速和跨音速工况下机翼表面的最优压力分布等4-6。 对于泵的抗汽蚀问题，当前有一种应用快速摄影和CFD技术对发生汽蚀的离心泵进行研究的，探索降低泵NPSHr的方法。还有通过控制和分析离心泵进口处的流态来改善离心泵的汽蚀。在探索泵的初生汽蚀方面，还可以利用小波分析方法对模拟的汽蚀初始信息进行了诊断分析。
12、另外，也可以通过测试泵出口的压力波动特性对泵的汽蚀进行诊断。在国外，应用声发射、振动分析等先进实验技术以及拟序涡结构等现代计算方法对汽蚀的研究近几年也逐步兴起并活跃起来7。1.3本文研究内容通过查阅大量的文献资料并结合厂方客户的需求，我们了解到新型D280-65型多级离心泵可以较好的满足市场的要求，是国内矿用排水泵发展的一个重要分支。设计与开发D280-65型矿用多级离心泵具有一定的理论意义和重要的工程应用价值，为此，本文的主要研究内容如下：(1) 了解和掌握离心泵的结构、工作原理等；(2) 了解和掌握矿用泵的性能及结构特点等；(3) 根据设计参数进行方案的选择（结构形式及级数的选择等）；(4
13、) 进行叶轮、进水段、出水段、平衡装置、轴等的设计；(5) 主要零部件强度计算及校核；(6) 通用零部件的选择：轴封结构、轴承部件、冷却系统、联轴器等；(7) 主要零部件加工技术参数的确定；(8) 绘制图纸，离心泵操作与管理；(9) 撰写设计说明书。2多级离心泵结构、工作原理和设计流程2.1多级离心泵的工作原理驱动机通过泵轴带动叶轮旋转产生离心力，在离心力作用下，液体沿叶片流道被甩向叶轮出口，液体经蜗壳收集送入排出管。液体从叶轮获得能量，使压力能和速度能均增加，并依靠此能量将液体输送到工作地点。1.叶轮 2.泵壳 3.泵轴 4.吸入管 5.底阀 6.压出管 图2-1 离心泵装置简图在液体被甩向
14、叶轮出口的同时，叶轮入口中心处形成了低压，在吸液罐和叶轮中心处的液体之间就产生了压差，吸液罐中的液体在这个压差作用下，不断地经吸入管路及泵的吸入室进入叶轮中，具体如下：(1) 叶轮被泵轴带动旋转，对位于叶片间的流体做功，流体受离心力的作用，由叶轮中心被抛向外围。当流体到达叶轮外周时，流速非常高。图2-2 离心泵工作原理简图(2) 泵壳汇集从各叶片间被抛出的液体，这些液体在壳内顺着蜗壳形通道逐渐扩大的方向流动，使流体的动能转化为静压能，减小能量损失。(3) 液体吸上原理：依靠叶轮高速旋转，迫使叶轮中心的液体以很高的速度被抛开，从而在叶轮中心形成低压，低位槽中的液体因此被源源不断地吸上。气缚现象：
15、如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。为防止气缚现象的发生，离心泵启动前要用外来的液体将泵壳内空间灌满。这一步操作称为灌泵。(4) 叶轮外周安装导轮，使泵内液体能量转换效率高。导轮是位于叶轮外周的固定的带叶片的环。这此叶片的弯曲方向与叶轮叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能的效率高。(5) 轴封装置保证离心泵正常、高效运转。离心泵在工作是泵轴旋转而壳不动，其间的环隙如果不加以密封或密封不好，则外界的空
16、气会渗入叶轮中心的低压区，使泵的流量、效率下降。严重时流量为零气缚。通常，可以采用机械密封或填料密封来实现轴与壳之间的密封8。2.2离心泵的结构多级离心泵主要由泵体、叶轮、密封环、旋转轴、轴封箱等部件组成，有些离心泵还装有导轮、诱导轮、平衡盘等。如图2-3所示。 1 轴承盖 2 螺母 3 轴承 4挡水套 5轴套架 6 轴套甲 7 填料压盖 8 填料环 9 进水段 10 中间套 11密封环 12叶轮 13 中段 14 导叶挡板 15 导叶 16 拉紧螺栓 17出水段导叶 18平衡套 19 平衡环 20平衡盘 21 出水段 22 尾盖 23轴 24 轴套乙图2-3 多级离心泵的典型结构图叶轮是离心
17、泵的关键部件，因为液体从叶轮获得了能量，或者说叶轮的作用是将原动机的机械能传给液体，使通过离心泵的液体静压能和动能均有所提高。叶轮通常由612片的后弯叶片组成。按其机械结构可分为闭式、半闭式和开式三种叶轮，如图2-4所示。叶片两侧带有前、后盖板的称为闭式叶轮，它适用于输送清洁液体，一般离心泵多采用这种叶轮。没有前、后盖板，仅由叶片和轮毂组成的称为开式叶轮。只有后盖板的称为半闭式叶轮。开式和半闭式叶轮由于流道不易堵塞，适用于输送含有固体颗粒的液体悬浮液。但是由于没有盖板，液体在叶片间流动时易产生倒流，故这类泵的效率较低。（a）（b）闭式 （c）半闭式 （d）开式图2-4 叶轮叶轮按其吸液方式不同
18、可分为单吸式和双吸式两种，如图25所示。单吸式叶轮的结构简单，液体只能从叶轮一侧被吸人。双吸式叶轮可同时从叶轮两侧对称地吸入液体。显然，双吸式叶轮不仅具有较大的吸液能力，而且可基本上消除轴向推力。（a）单吸式 （b）双吸式图2-5 单吸、双吸叶轮本设计采用闭式单吸叶轮。多级离心泵采用导叶，如图2-6所示。导叶是使液体按规定方向流动，或使它的部分速度转化为压力能的具有叶片的零件。由正向导叶和反向导叶组成。图2-6 导叶离心泵的泵壳通常制成蜗牛形，故又称为蜗壳。叶轮在泵壳内沿着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转，愈接近液体的出口，流道截面积愈大。液体从叶轮外周高速流出后，流过泵壳蜗形通道时流速将逐渐降低，
19、因此减少了流动能量损失，且使部分动能转换为静压能。所以泵壳不仅是汇集由叶轮流出的液体的部件，而且又是一个转能装置。此外，由于泵轴转动而泵壳固定不动，轴穿过泵壳处必定会有间隙。为防止泵内高压液体沿间隙漏出，或外界空气以相反方向漏人泵内，必须设置轴封装置。普通离心泵所采用的轴封装置是填料密封，即将泵轴穿过泵壳的环隙做成密封圈，于其中填入软填料(例如浸油或涂石墨的石棉绳)，以将泵壳内、外隔开，而泵轴仍能自由转动。2.3多级离心泵设计流程多级离心泵的设计步骤如图2-7所示：图2-7 多级离心泵的设计步骤3 D280-65型多级离心泵设计计算及强度校核3.1泵的主要参数 D280-65型多级离心泵的主要
20、参数见表3.1。表3.1泵的主要参数流量：Q280 m3/h0.078 m3/s单级扬程：Hi65 m级数：210级转速：n1480 r/min效率：77.3必需汽蚀余量：NPSHr4.7 m3.2吸入口径与压出口径的确定 初取吸入口速度 vs=2.5 (m/s)，则吸入口径： 取离心泵系列中的标准口径Ds0.2 m200 mm，这时泵吸入口流速为： 由于该泵压力较高，取压出口径： 3.3部分参数的计算和确定有主要设计参数可知，该泵为分段式多级泵。3.3.1计算泵的比转数ns： 在确定比转速时应考虑下列因素：(1) ns=120210的区间，泵的效率最高，ns60泵的效率显著下降；(2) 采用
21、单吸叶轮， ns过大时可考虑采用双吸叶轮，反之，采用双吸ns过小时，应改为单吸式；单双吸选择时还应考虑汽蚀性能。(3) 泵特性曲线的形状也和ns大小有关；(4) 比转速和泵的级数有关，级数越多，ns越大。卧式泵一般不超过10级，立式深井泵和潜水泵级数多达几十至几百级。但目前的趋势是尽量提高转速，减小级数，以提高泵运行的可靠性。汽蚀比转数C：泵的汽蚀比转数是泵的进口相似判别数，用 C来表示。 式中：n=转速（r/min）；Q-泵的流量（m3/s），双吸泵取Q/2； -泵的汽蚀余量（m）。当ns和C均相等，则叶轮才可能完全相似。600 C 800，属对抗汽蚀性能不做要求主要考虑提高效率的泵。3.3
22、.2估算泵的效率：容积效率v： 水力效率h： 机械效率m： 总效率： 总效率大于所要求的效率77。3.3.3求泵轴功率和电机的选择：泵的单级轴功率Pi： 根据GB565985中规定，电机的功率N电KPPKPiPi （其中K为系数）。查阅泵专业标准汇编第268页图1，得系数K；各级泵的电机选择如表3.2。表3.2电机的选用级数i轴功率（kW）系数KPKPP（kW）选用电机型号电机功率（kW）电机额定电压（v）2136.21.1149.82Y315M2-21603803204.31.1224.73Y3552-225060004272.41.1299.64Y3554-231560005340.51.
23、1374.55Y3556-240060006408.61.1449.46Y4001-245060007476.71.1524.37Y4003-256060008544.81.1599.28Y4004-263060009612.91.1674.19Y4501-2710600010681.01.1749.1Y4502-280060003.3.4求泵轴功率和电机的选择：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（通常指联轴器处的泵轴径）。同时应根据所设计泵的具体情况，考虑影响刚度和临界转速的大概因素
24、，可对粗算的轴径作适当的修改，并圆整到标准直径。待泵转子设计完成后，再对轴的强度、刚度和临界转速进行详细的校核。泵的最大轴功率 P152.82 (kW) 泵的计算功率 取K1.2: Pd1.2681.0 =817.2 (kW)扭矩Mt： 泵轴材料采用40Cr，许用剪应力(637735 )105 N/m2。取7.0107 N/m2，则： 值的大小决定轴的粗细，轴细可节省材料，提高叶轮水力和汽蚀性能，轴粗能增强泵的刚度，提高运行可靠性。并且不易损坏。同一根轴由于其部位不同，它的主要矛盾也不同。在联轴器部分的轴，强度是主要矛盾；其他部分的轴（如两轴承之间的轴，悬臂部分的轴）刚性是主要的矛盾，一般来说
25、，这部分轴只要刚性满足要求，强度是没有问题的。联轴器部分的轴可以根据轴功率初步计算出来，而轴的刚性在没有具体尺寸以前是不能进行计算的。轴的设计计算通常都是先初步计算出最小轴径（联轴器内），然后由最小轴径开始，根据结构逐步增加，确定其他部分的轴径，因此轴的刚性在很大程度上这时就已经确定了。最小轴径确定的合适，在以后的核算中便不至于因此刚性不够而修改设计，从新绘图和计算。轴的直径既要满足强度和刚度的要求，也希望泵不至于因为太粗而降低了效率，使产品具有较高的技术经济指标。因此，泵轴许用剪应力的选择和最小轴径的确定是重要的一步9。确定出泵轴的最小直径后，参考类似结构泵的泵轴，画出轴的结构草图。根据轴各
26、段的结构和工艺要求，确定装叶轮处的轴径di和轮毂直径dh。叶轮轮毂直径必须保证轴孔在开键槽之后有一定得厚度，使轮毂具有足够的强度，通常dh=（1.21.4）di。在满足其轮毂结构强度的条件下，尽量减小dh，则有利于改善流动条件。在画泵轴结构草图时应注意一下几点：(1) 各段轴径应尽量取用标准直径；(2) 轴上的螺纹一般采用标准细牙螺纹，其内径应大于螺纹前轴段的直径；(3) 轴定位凸肩一般为1-2mm。参考厂里比转数相近的产品，取d75mm，即：装联轴器处轴径75 mm 。根据结构确定叶轮处轴径：dy85 mm确定轮毂直径 dh：采用一般平键传递扭矩，叶轮轮毂直径dh为： dh (1.201.2
27、5)di (1.201.25)85 102119(mm)取 dh105mm3.4水力设计 3.4.1速度系数计算法介绍及其计算步骤10：速度系数法是建立在一系列相似泵基础上的设计。也就是说，速度系数法是按相似的原理，利用统计系数计算过流部件的各部分尺寸。 由相似原理，可推得利用速度系数法确定尺寸表达式的一般形式。从离心泵的相似定律得知：几何相似的离心泵在运转工况也相似时，他们的扬程与转速和任何线性尺寸的乘积的平方之比相等且等于常数，即 如取线性尺寸D为叶轮出口直径D2，则上式改为 等号两边均乘以（）得 令（），得 其他速度也存在同样关系，例如：，速度系数计算法的步骤：(1) 求所设计泵的比转速
28、ns，与相似理论计算法相同(2) 确定叶轮进口流速v0(3) 计算叶轮进口直径D1(4) 确定叶轮的叶片数Z和叶片包角表3.3叶片与叶片包角关系ns306060180180280Z5片长叶片加5片短叶片或9886653.4.2叶轮：(1) 叶轮进口部分尺寸：A. 首级叶轮：a) 颈部当量直径D0： 系数k0的选取：主要考虑效率k0=3.5-4.0兼顾效率和汽蚀k0=4.0-4.5主要考虑汽蚀k0=4.5-5.5该泵可以忽略汽蚀主要考虑效率，取：k03.70，则 b) 叶轮进口直径Dj： 取Dj175 mmc) 确定叶片入口边直径D1：由于比转数ns65.811，40 ns 100则：D1D0
29、取D1140 mmd) 确定叶片入口处绝对速度v1：由于首级叶轮对汽蚀性能有一定的要求，故取v10.83v0 e) 确定叶片入口宽度b1： 取b142 mmf) 确定叶片入口处圆周速度u1： g) 确定叶片数z：叶片数多可以使液流的相对液流角接近叶片安放角，提高泵的扬程。但叶片数太多反而堵塞流道，降低泵的性能。如叶轮的叶片数在所推荐范围的上限时，养成会略有提高，Ku2降低；如叶片数少，则扬程降低，Ku2增加。叶片数对泵的养成、效率、汽蚀性能都有一定的影响。选择叶片数，一方面考虑尽量减少叶片的排挤和表面的摩擦，另一方面又要使叶道由足够的长度，以保证液流的稳定性和对片对液体的充分作用。要满足上述要
30、求，叶片的长度L和叶道的宽度am，应当有合适的比例10。通常采用的叶片数为Z=57，叶片数少时，包角应适当加大，但包角最大不要超过180。试取 z7 。h) 确定叶片入口处轴面速度vm1： 其中：1叶片入口排挤系数，11.11.3试取 11.13vm11.134.4605.0340(mm)i) 确定叶片入口安放角1：先确定液流角1： 1245311 其中：为冲角，315。根据苏联学者谢曼利的研究结果：如果叶片进口冲角采用815，则既有较好的汽蚀性能，又对水泵效率基本没有影响。取 8，则：13253取 133j) 确定叶片厚度s1：试取s14mm 。k) 计算叶片排挤系数 1： 取 11.13，与假设值一致。l) 确定叶片包角 ：试取 100，具体在方格网绘型时再确定。B. 次级叶轮：a) 颈部当量直径
