单级单吸清水离心泵设计(毕业论文doc).doc
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齐齐哈尔大学毕业设计(论文)
齐齐哈尔大学
毕业设计(论文)
题 目单级单吸清水离心泵设计
学院 机电工程学院
专业班级
学生姓名
指导教师
成 绩
2012年 6 月 15 日
摘要
离心泵是一种用量最大的水泵,在给水排水及农业工程、固体颗粒液体输送工程、石油及化学工业、航空航天和航海工程、能源工程和车辆工程等国民经济各个部门都有广泛的应用。
在此设计中,主要包括单级单吸清水离心泵的方案设计,离心泵基本参数选择、离心泵叶片的水力设计、离心泵压水室的水利设计、离心泵吸水室的水利设计。
以及进行轴向力及径向力的平衡,最后要进行强度校核。
泵设计的最大难点就是泵的密封,本次设计采用的新式的填料密封,它可以根据压力的改变来改变密封力的装置。
关键词:
离心泵;叶片;压水室;吸水室
Abstract
Centrifugalpumpisakindofthemostconsumableinpumps,waterdrainageandinagriculturalengineering,solidparticlesliquidtransportationengineering,oilandchemicalindustry,aerospaceandMarineengineering,energyengineeringandvehicleengineering,etcalldepartmentsofnationaleconomyiswidelyused.
Inthisdesign,includingsingle-stagesingle-suctioncleanwatercentrifugalpumpdesign,thebasicparameterscentrifugalpump,centrifugalpumphydraulicdesignofleaves,waterpumppressurizedwaterchamberdesign,thewaterpumpsuctionchamberdesign.Aswellasaxialforceandradialforcebalance,andfinallytothestrengthcheck.
Thebiggestdifficultypumpdesignisthedesignofthepumpseal,thenewpackingsealitcanaccordingtothechangeofthepressuretochangethedevicesealingforce.
Keywords:
Centrifugalpump;Leaves;Pressurizedwaterchamber;Suctionchamber
III
目录
摘要 I
Abtract II
第1章绪论 1
1.1选此课题的意义 1
1.2本课题的研究现状 1
1.3本课题研究的主要内容 1
第2章泵的基本知识 3
2.1泵的功能 3
2.2泵的概述 3
2.2.1离心泵的主要部件 3
2.2.2离心泵的工作原理 4
2.3泵的分类 4
第3章离心泵的水力设计 5
3.1泵的基本设计参数 5
3.2泵的比转速计算 5
3.3泵进口及出口直径的计算 5
3.4计算汽蚀比转速 6
3.5泵的效率计算 6
3.5.1水力效率 6
3.5.2容积效率 6
3.5.3机械效率 6
3.5.4离心泵的总效率 6
3.6轴功率的计算和原动机的选择 7
3.6.1计算轴功率 7
3.6.2确定泵的计算功率 7
3.6.3原动机的选择 7
3.7轴径与轮毂直径的初步计算 8
3.7.1轴的最小直径 8
3.7.2轮毂直径的计算 9
3.8泵的结构型式的选择 9
第4章叶轮的水力设计 10
4.1确定叶轮进口速度 10
4.2计算叶轮进口直径 10
4.2.1先求叶轮进口的有效直径D0 10
4.2.2叶轮进口直径 11
4.3确定叶轮出口直径 11
4.4确定叶片厚度 11
4.5叶片出口角的确定 12
4.6叶片数Z的选择与叶片包角 12
4.7叶轮出口宽度 12
4.8叶轮出口直径及叶片出口安放角的精确计算 13
4.9叶轮轴面投影图的绘制 13
4.10叶片绘型 14
第5章压水室的水力设计 17
5.1压水室的作用 17
5.2蜗型体的计算 17
5.2.1基圆直径的确定 17
5.2.2蜗型体进口宽度计算 18
5.2.3舌角 18
5.2.4隔舌起始角 18
5.2.5蜗形体各断面面积的计算 18
5.2.6扩散管的计算 19
5.2.7蜗形体的绘型 19
第6章吸水室的设计 21
6.1吸水室尺寸确定 21
第7章径向力轴向力及其平衡 22
7.1径向力及平衡 22
7.1.1径向力的产生 22
7.1.2径向力的计算 22
7.1.3径向力的平衡 22
7.2轴向力及平衡 23
7.2.1轴向力的产生 23
7.2.2轴向力计算 23
7.2.3轴向力的平衡 24
第8章泵零件选择及强度计算 25
8.1叶轮盖板的强度计算 25
8.2叶轮轮毂的强度计算 25
8.3叶轮配合的选择 26
8.4轮毂热装温度计算 27
8.5轴的强度校核 27
8.6键的强度计算 29
8.6.1工作面上的挤压应力 29
8.6.2切应力 30
8.7轴承和联轴器的选择 30
第9章泵体的厚度计算 33
9.1蜗壳厚度的计算 33
9.2中段壁厚的计算 33
第10章泵的轴封 34
10.1常用的轴封种类及设计要求 34
10.2填料密封的工作原理 34
10.3传统填料密封结构及其缺陷 35
10.3.1传统填料密封结构 35
10.3.2传统填料密封的不足 35
10.4填料密封的结构改造 35
结论 37
参考文献 38
致谢 40
39
第1章绪论
1.1选此课题的意义
泵是一种应用广泛、耗能大的通用流体机械,我国每年各种泵的耗电量大约占全国总耗电量的20%,耗油量大约占全国总耗油量的50%。
而离心泵是各种水力机械中应用最广泛的一种,是日常生活和生产活动联系最紧密的一种机械,在给水排水及农业工程、固体颗粒、液体输送工程、石油及化学工业、航空航天和航海工程、能源工程和车辆工程等国民经济各个部门都有广泛的应用。
本次课题设计的清水离心泵适用工业和城市给水、排水,亦可用于农业排灌,供输送清水或物理化学性质类似清水的其他液体之用,温度不高于80。
C。
1.2本课题的研究现状
当前国内离心泵的技术水平通过几十年的发展以及许可证技术引进,从综合技术水平来看,单、两级泵方面都具有国际先进水平,与国外同类型泵相比无差距,有些地方还是国际一流水平,如可靠性、效率、通化程度等。
而高温高压多级泵在结构形式、可靠方面已达到国际同类型水平,国内起步较晚,引进技术消化吸收,从89年,90年开始生产高技术水平泵,逐步开发完善,并代替进口。
国外离心泵总体技术水平比国内技术水平要高一些,效率合格率为85.7%,总体平均水平与国家标准规定值相比高2.30%,达到国家标准要求,效率、汽蚀余量合格率分布情况总体与国内的情况是相一致的,在低比转速处合格品分布率相对好一些。
1.3本课题研究的主要内容
课题研究的内容是单级单吸清水离心泵设计。
主要包括单级单吸清水离心泵的方案设计,离心泵基本参数选择、离心泵叶片的水力设计、离心泵压水室的水利设计、离心泵吸水室的水利设计。
以及进行轴向力及径向力的平衡,最后要进行强度校核。
进行离心泵设计的难点就是密封设计,本次课题设计的离心泵密封类型是填料密封,填料密封是用填料填塞泄露通道阻止泄露的一种密封形式。
其不足之处在于密封性能较差,对轴或轴套磨损大,损失功率大以及使用寿命短等。
通过分析传统填料密封结构、工作原理及其缺陷后,要改善和提高填料密封的密封效果,可采取的措施是:
(1)尽量使径向压紧力均匀且与泄露压力规律一致,使轴套承压面受压均匀,从而使轴套磨损小而且均匀。
(2)使填料密封结构中的填料具有补偿能力、足够的润滑性和弹性。
(3)密封的填料沿轴向抱紧力应均匀分布。
鉴于以上分析,采用的填料密封结构应该是一种能够自动根据被密封介质压力的变化而变化密封力的填料密封结构。
第2章泵的基本知识
2.1泵的功能
泵是各种水力机械中应用最广泛的一种,是和我们日常生活和生产活动联系最紧密的一种机械。
在给水排水及农业工程上都需要它,在工业工程上更需要它。
如在给水排水工程中,泵从水源取水,抽送到水厂,净化后的清水由送水泵输送到城市管理网中去;对于城市的生活污水和工业废水,经排水管渠系统汇集后,也必须有排水泵将污水抽送到污水处理厂,经处理后的污水再由另外排水泵排放如江河湖海中去,或者排入农田作为灌溉之用;再矿山输送尾矿的尾矿泵、洗煤厂使用的泥浆泵、电站除灰的灰渣泵和河道疏浚的挖泥泵等,已经广泛应用于冶金、石化、食品等工业和污水处理、港口河道疏浚等作业中。
2.2泵的概述
2.2.1离心泵的主要部件
离心泵主要由叶轮、轴、泵壳、轴承、密封装置等组成,具体介绍如下:
1)叶轮:
叶轮是离心泵主要的过流部件,其主要作用是把原动机的能量传递给液体,叶轮常用铸铁、铸钢、合金钢或其他材料制成。
2)轴:
离心泵的轴用来传递扭矩,驱动叶轮旋转,在轴上泵的叶轮、轴承、密封装置及联轴节等部件。
3)泵壳:
将叶轮封闭在一定的空间,以便由叶轮的作用吸入和压出液体。
泵壳多做成蜗壳形,故又称蜗壳。
由于截面积逐渐扩大,故从叶轮四周甩出的高速液体逐渐降低流速,使部分动能有效地转换为静压能。
泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体,同时又是一种能量转换装置。
4)轴承:
轴承用来支撑转子零件,并承受转子零件上的多种载荷,根据轴承中摩擦性质的不同可分为滑动轴承和滚动轴承,每一种又可分为向心轴承和推力轴承。
5)密封装置:
为了保泵的正常工作,应防止液体外露和内漏,或外界空气吸入泵内,因此必须在叶轮和泵壳间、轴与壳体间装有密封装置,最常见的密封装置由填料密封、机械密封盒浮动密封。
2.2.2离心泵的工作原理
离心泵之所以能把水送出去是由于离心力的作用。
水泵在工作前,泵体和吸入管必须罐满水形成真空状态,当叶轮快速转动时,叶片促使水快速旋转,旋转着的水在离心力的作用下从叶轮中飞去,泵内的水被抛出后,叶轮的中心部分形成真空区域。
水源的水在大气压力(或水压)的作用下通过管网压到了吸入管内。
这样循环不已,就可以实现连续抽水。
在此值得一提的是:
离心泵启动前一定要向泵壳内充满水以后,方可启动,否则泵体将不能完成吸液,造成泵体发热,振动,不出水,产生“空转”,对水泵造成损坏(简称“气缚”)造成设备事故。
具体见图2-1。
图2-1离心泵装置简图
2.3泵的分类
离心泵是一种量大面广的机械设备。
由于应用场合、性能参数、输送介质和使用要求的不同,离心泵的品种及规格繁多,结构形式多种多样。
按泵轴的工作位置可分为横轴泵和立轴泵:
按压出室形式可分为蜗壳式泵和导叶式泵;按吸入方式可分为单吸泵和双吸泵;或按叶轮个数分为单机泵和多级泵。
每一台泵都可在上述各分类中找到自己所隶属的结构类型。
泵的结构形式是由几个描述该泵结构类型的属于来命名的,如横轴单级单吸蜗壳式离心泵、立轴多级导叶式离心泵等。
第3章离心泵的水力设计
3.1泵的基本设计参数
1)扬程H=35m
2)流量Q=15m3/h
3)工作介质为清水
4)必要汽蚀余量NPSHr=4m
5)工作介质密度为=1000kg/m3
3.2泵的比转速计算
对于本次离心泵设计,必需汽蚀余量为4m,转速为2950r/min,比转速可根据式3-13[4]来计算
ns===48.3 (3-1)
通过计算确定泵的比转速ns=48.3
3.3泵进口及出口直径的计算
泵的进口直径D1由进口速度vs确定,其值通过查表5-1[4]确定为3m/s左右,选vs=2.1m/s,进口直径按式5-1[4]计算
D1===0.0503m (3-2)
泵出口直径D2可取与D1相同,或小于D1,即
D2=(1~0.7)D1=(1~0.7)50.3=50.3~35.2mm (3-3)
经圆整取D1=50mm,D2=35mm。
3.4计算汽蚀比转速
汽蚀比转速可由式5-2[4]计算
C===378.4(3-4)
式中NPSHr为泵的必要汽蚀余量,由于转速已经给定,在这里就不对转速进行过多的计算。
3.5泵的效率计算
3.5.1水力效率
水力效率按式2-35[4]计算
=1+0.0835lg=0.837 (3-5)
3.5.2容积效率
容积效率按式2-43[4]计算
==0.951(3-6)
考虑叶轮密封环处的泄露损失,级间泄露损失等取。
3.5.3机械效率
机械效率按式2-47[4]计算
==0.862 (3-7)
3.5.4离心泵的总效率
(3-8)
3.6轴功率的计算和原动机的选择
3.6.1计算轴功率
在选取了泵的总效率以后,按式4-1[5]计算轴功率
P===7.5kW(3-9)
式中Q——泵的流量(m3/s);
H——泵的扬程(m);
——抽送液体的密度(kg/m3)。
Ht=m (3-10)Qt= m3/s (3-11)
式中Ht——理论扬程(m);
Qt——理论流量(m3/s)。
3.6.2确定泵的计算功率
泵的计算功率按式4-2[5]计算
kW(3-12)
式中K1——水泵扬程允差系数,K1=1.05~1.1;
K2——水泵的流量的增大系数,K2=1.1。
原动机功率根据计算功率Pj选取。
3.6.3原动机的选择
根据以上计算结果(Pj=9.075kW),选取Y160M1-2型电动机,功率P为11kW,转速2930r/min。
3.7轴径与轮毂直径的初步计算
3.7.1轴的最小直径
dmin=m(3-13)
轴的材料选用3Cr13,许用切应力[]=Pa,确定出泵的最小直径后,参考类似结构泵的泵轴,画出轴的结构草图。
见图3-1
图3-1轴的结构草图
轴的轴向尺寸是是由轴上的零件决定的,主要零件有:
叶轮、止动垫圈、轴套、深沟球轴承,结构图见图3-2。
图3-2轴的结构图
3.7.2轮毂直径的计算
本次设计的是单机泵,单机泵叶轮处得轴径dy等于联轴器内的轴径dmin。
叶轮轮毂直径dh必须保证轴孔开了键槽之后还有一定的厚度,使轮毂具有足够的强度,直径按式4-3[5]计算,即
dh=(3-14)
由于单级泵叶轮轮毂一般不通过叶轮进口,因此取
dh=(1.4~2)dmin(3-15)
取dh=1.5dmin=46.95取整dh=45mm。
3.8泵的结构型式的选择
此次设计的离心泵是悬架式悬臂泵,即一台单级单吸横轴离心泵,它由泵体、叶轮螺母、密封环、叶轮、泵盖、轴套、密封装置、悬架、泵轴支架组成,其泵脚与泵体铸成一体,轴承置于悬臂安装在泵体上的悬架内,整台泵的质量主要由泵体承受。
第4章叶轮的水力设计
叶轮尺寸的确定主要有速度系数发和相似换算法,在此次泵设计采用的是速度系数发。
4.1确定叶轮进口速度
叶轮的进口速度安式5-12[5]计算
m/s(4-1)
式中——叶轮进口速度系数,根据比转速及不同类型的泵从图5-3[5]查的;
H——单级扬程(m)。
4.2计算叶轮进口直径
4.2.1先求叶轮进口的有效直径
叶轮进口的有效直径按式5-13[5]计算
m(4-2)
式中——系数,按表4-1选取。
通过查得,选取=4.5。
表4-1系数的选择
K0
效率与汽蚀指标
适用范围
3.5~4.0
效率较高,抗汽蚀性能差
多级泵次级叶轮及要求效率较高而对抗汽蚀性能要求不高的场合
>4.5~4.5
效率及抗汽蚀性能中等
一般清水泵的单级单吸及双吸叶轮和多级泵第一级叶轮
>4.5~5.0
效率较低,抗汽蚀性能较好
锅炉给水泵第一级叶轮及对抗汽蚀性能要求较高的场合
>5.0>5.5
效率有较大的降低,高抗汽蚀性能
冷凝泵有前置诱导轮的离心泵
4.2.2叶轮进口直径
叶轮进口直径按式5-15[5]计算
mm(4-3)
4.3确定叶轮出口直径
叶轮出口直径按式5-17[4]计算
(4-4)
mm (4-5)
式中——叶轮出口直径系数。
4.4确定叶片厚度
叶轮工作是,叶片上承受着液体的反作用力和叶片质量的离心力受力情况比较复杂,很难精确计算,通常可用如下经验公式10-44[5]计算叶片的厚度。
mm(4-6)
系数K与离心泵的比转速ns和叶片的材料有关,其值由表10-10[5]所示,材料选用钢,所以K=3.2。
表4-2系数K与ns和材料的关系
ns
40
60
70
80
90
130
190
280
铸铁
钢
3.2
3
3.5
3.2
3.8
3.3
4.0
3.4
4.5
3.5
6
5
7
6
10
8
最后,综合考虑取叶片真实厚度3mm。
4.5叶片出口角的确定
离心泵叶片出库安放角一般小于,当>和<并取较大值时,H-Q性能曲线会出现驼峰现象,使离心泵运行不稳定。
为了得到较高的效率,一般取。
所以,综合考虑取。
4.6叶片数Z的选择与叶片包角
叶轮叶片数的多少会影响泵扬程的高低。
用速度系数设计轮时,因为速度系数是现有泵的参数上统计得来的,而现有泵的叶片数Z与比转速ns之间存在着一定的关系。
因此,泵的叶片数Z也可以根据比转速ns按照这一关系确定之,通过查表5-2[5],综合考虑,Z=8。
表4-3离心泵的叶片数Z
ns
30~60
60~180
180~280
Z
5片长叶片加5片短叶片或9~8
8~6
6~5
如果叶片数Z大,叶片包角应小一些,叶片出口角也可大一些;如果叶片数Z小,叶片包角应小一些,叶片出口角也要取小一些。
一般可取,综合考虑,叶片包角取。
4.7叶轮出口宽度
叶轮出口宽度b2可按式5-19[4]计算
(4-7)
mm (4-8)
综合考虑,选取b2=5mm。
4.8叶轮出口直径及叶片出口安放角的精确计算
离心泵一般是选择叶片出口角,精算D2,先计算叶轮出口轴面速度。
m/s(4-9)
叶轮出口速度按5-18[5]变形计算
m/s (4-10)
无限叶片数下的叶片出口流面速度
=-=23.5-2.042=19.1m/s (4-11)
无限叶片数下的理论扬程
m (4-12)
可根据式5-20[4]的变形来计算出圆周速度
(4-13)
此时,可按式5-20[4]算出第一次精算的叶轮出口直径D2
mm (4-14)
经过比对可知,计算的精确值与速度系数法计算的误差大于2%,所以修正,经过计算当为时,误差在2%之内,所以被修正为,并且确定叶轮出口直径D2=150mm。
即得出,D2=150mm,=,Dj=68mm,dh=45mm,b2=5mm。
4.9叶轮轴面投影图的绘制
根据求出的尺寸D2、Dj、dh和b2,参考相近比转速ns的叶轮图纸,绘制叶轮的轴面投影。
见图4-1。
图4-1叶轮轴面投影图
4.10叶片绘型
对于比转速ns小的离心泵,叶轮、叶片几乎全部在轴面流道的径向部分,其进口边均在同一个轴截面上,而且各流线叶片进口三角形基本相同,叶片扭曲很小,可按圆柱形叶片设计那样绘型。
圆柱形叶片的绘型比较简单,制造也很方便,但由于进口边来流一般不完全是径向的,特别是对于前盖流线,进口边往往处于轴面流拐弯处,,叶片的安放角与相对水流角会有较大的差别,造成较大的冲击损失。
一般说比转速小于90的泵,可采用圆柱形叶片,比转速大于90的采用三位扭曲叶片。
出于铸造要求,有些比转速大于90的离心泵,也采用圆柱形叶片。
圆柱形叶片可直接在平面图上绘型,叶片骨线可用一个圆弧或多个圆弧画成,本次设计采用两段圆弧。
见图4-2。
作图步骤:
1)作出叶轮Dj和D2;
2)作中间圆,其直径
mm (4-15)
并计算d=Dj处得叶片安放角
(4-16)
3)作半径OA,由A点作AB,使;
4)作半径OC,使,并与圆弧Di相交与C;
5)过A、C点作直线,并于Di交于另一点D;
6)连线半径OD,做直线DE,使,并与直线AB交于E点;
7)以E点为圆心以EA为半径作圆弧,此圆弧必经过D点;
8)作半径OF,使,并与D1圆交于点F;
9)过D、F点作直线,并与D1圆交于另一点G;
10)作半径OG,作直线GH,使,并与DE线交于点H;
11)以H为圆心,以OH为半径作圆弧,此圆弧必通过G点;
12)以E和H为圆心,分别以为半径作弧,并适当削圆叶片进口,即得圆柱形叶片形状。
其中为叶片真实厚度。
图4-2叶片
第5章压水室的水力设计
5.1压水室的作用
1)将叶轮中流出的液体收集起来送往下一级叶轮或管路系统;
2)降低液体的流速,实现动能到压能的转化,并可减小液体往下一级叶轮或管路系统中的损失。
3)消除液体流出叶轮后的旋转运动,以避免由于这种旋转运动那个带来的水力损失。
为达到上述要求,压水室在设计中要做到:
1)压水式的水力
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