LNG潛液泵設計

1、制冷與低溫技術原理課程設計LNG潛液泵設計目錄第一章 LNG潛液泵設計概述11.1泵的結構和性能特點11.2 泵的主要零部件11.2.1 葉輪11.2.2 吸水室21.2.3 壓出室21.2.4 密封環(huán)31.2.5 軸向力平衡機構31.3 泵的水力設計方法31.3.1 模擬設計法31.3.2 變型設計法31.3.3 速度系數(shù)設計法41.4關鍵問題的解決41.4.1氣蝕問題的解決41.4.2熱應力問題的解決5第二章 LNG潛液泵的設計技術指標5第三章 LNG潛液泵的基本設計與計算53.1泵的基本參數(shù)的確定53.1.1泵進出口流道直徑的確定63.1.2泵的出口直徑的確定63.1.3泵轉速的確定63

2、.1.4泵比轉速ns的計算83.1.5計算泵的效率683.2葉輪主要參數(shù)的選擇和計算103.2.1軸徑和輪轂直徑的計算103.2.2確定葉輪進口速度vo123.2.3確定葉輪進口直徑Dj123.2.4確定葉輪出口直徑D2133.2.5確定葉輪出口寬度b2143.2.6確定葉片厚度 S143.2.7 確定葉輪出口圓周速度153.2.8 確定葉輪葉片數(shù) z153.2.9 確定葉片的出口安放角2163.2.10 確定葉片包角163.2.11 葉片繪型9163.3 壓水室的水力設計193.3.1 壓水室概述193.3.2 壓水室的設計203.4吸水室的水力設計223.4.1概述223.4.2 吸水室的

3、設計23第四章 泵的軸向力、徑向力計算及平衡244.1 軸向力的計算及平衡244.1.1 軸向力的產(chǎn)生244.1.2 軸向力的計算254.1.3軸向力的平衡274.2徑向力的計算及平衡284.2.1徑向力的計算284.2.2徑向力的平衡29第五章 低溫潛液泵電機的選擇305.1低溫潛液泵電機的相關問題解決305.2電機的選擇315.3電纜的選擇325.4電氣連接處的密封32第六章 泵主要零部件的強度計算336.1 葉輪強度計算336.1.1 葉輪蓋板336.1.2 葉片厚度336.2 軸承的選擇34第七章 泵的各零部件材料的設計357.1奧氏體不銹鋼357.2鎳基硬質合金357.3等離子堆焊技

4、術367.4深冷處理377.5沖擊試驗377.6拉伸試驗38參考文獻3839第一章 LNG潛液泵設計概述1.1泵的結構和性能特點作為整個LNG加氣站的動力裝置，LNG低溫泵其性能要求最主要是耐低溫且絕熱效果好，以及承受出口高壓。其次是氣密性和電氣方面的安全性能要求比普通泵高很多。低溫泵必須有足夠的壓力和流量范圍，以適應不同級別的汽車LNG儲存系統(tǒng); 要盡可能減少運行時產(chǎn)生的熱量，以防止引發(fā)LNG氣化；不可出現(xiàn)兩相流，否則會造成泵的損壞。LNG汽車加氣站用潛液泵主要由泵、泵夾套和電機組成，其結構如圖1所示。采用離心式結構體，轉速高、重量輕，這種高速離心式LNG潛液泵采用屏蔽電機一體軸配裝泵體、葉

5、輪、導流器、誘導輪等部件，通過變頻控制器控制電機的轉速。其結構設計為屏蔽電機和泵體全部浸沒在低溫液體中，達到零泄漏的方式。圖1-1 LNG汽車加氣站用潛液泵結構圖1.2 泵的主要零部件1.2.1 葉輪 葉輪是將來自原動機的能量傳遞給液體的零件，液體流經(jīng)葉輪后能量增加。葉輪一般由前蓋板、后蓋板、葉片和輪轂組成。圖12a所示，這種葉輪叫閉式葉輪；如果葉輪沒有前蓋板，就叫半開式葉輪，如圖11b所示。沒有前蓋板、也沒有后蓋扳的葉輪叫開式葉輪，開式葉輪在一般情況下很少采用。圖1-2 葉輪a)閉式葉輪 b)半開式葉輪1.2.2 吸水室 吸水室的作用是使液體以最小的損失均勻地進入葉輪。吸水室主要有三種結構型

6、式，錐形管吸水室、圓環(huán)形吸水室和半螺旋形吸水室。1.2.3 壓出室 壓水室的作用是以最小的損失，將從葉輪中流出的液體收集起來，均勻地引至泵的吐出口或次級葉輪,在這個過程中， 還將液體的一部分動能轉變?yōu)閴毫δ?。壓水室主要有以下幾種結構型式：螺旋形渦室、環(huán)形壓水室、徑向導葉、流道式導葉和扭曲葉片式導葉等。 離心泵的葉輪、吸水室、壓水室以及泵的吸入口和吐出口稱為泵的過流部件。過流部件形狀和材質的好壞是影響泵性能、效率和壽命的主要因素之一。1.2.4 密封環(huán) 由于葉輪旋轉時將能量傳遞給液體，所以在離心泵中形成了高壓區(qū)和低壓區(qū)。為了減少高壓區(qū)液體向低壓區(qū)流動，在泵體和葉輪上分別安裝了兩個密封環(huán)。裝在泵體

7、上的叫泵體密封環(huán)，裝在葉輪上的叫葉輪密封環(huán)。密封環(huán)磨損后應能很容易地更換。1.2.5 軸向力平衡機構 泵在運行中由于作用在轉子上的力不對稱就產(chǎn)生了軸向力。一般離心式單級泵主要采用平衡孔或平衡管平衡軸向力；多級泵一般用平衡鼓或平衡盤平衡軸向力。本設計中，軸向推力的平衡采用了推力平衡機構(thrust equalizing mechanism，TEM) 來平衡軸向推力，徑向力的平衡采用對稱擴散器葉片來實現(xiàn)。1.3 泵的水力設計方法在工程上，離心泵的設計基本上應用一元流動模型等設計方法。一下簡述離心泵的水力設計幾種常用的方法，這些設計方法均基于一元流動的假設。1.3.1 模擬設計法 這是一種根據(jù)相似

8、理論而推導出的設計方法?；跉W拉方程，對于兩個幾何相似的離心泵，其性能完全相似的充分必要條件是兩個相似數(shù)相等。對于粘性流動來說，還需要雷諾數(shù)相等。例如，相似準則為：nsp=nsm=nqvH34 （1-1） =DpDm=qvpqvm=nmnp2HpHm （1-2）式中，D 為特征直徑，qv為體積流量，H為揚程，n為轉速。下標m為模型泵，p為原型泵。在具有優(yōu)良的水利模型條件下，這是一種簡單可靠的方法。1.3.2 變型設計法 這是一種變型的模擬設計法，是對現(xiàn)有的性能優(yōu)良的泵，通過局部改變其幾何參數(shù)，取得所需要泵的性能。典型的幾何改變有 ：1）改變?nèi)肟趲缀螀?shù)，例如進口直徑，以改變流量特性； 2）改變

9、葉片出口角及葉片數(shù)，以改變揚程； 3）改變?nèi)~輪蓋板間的出口寬度，以改變流量； 4）改變渦殼式多級泵導葉喉部面積，以改變流量特性； 5）切割葉輪外徑，以改變揚程及流量等； 6）修正葉片進口端機出口端等。 1.3.3 速度系數(shù)設計法 速度系數(shù)設計法其實質也是一種相似設計法。所不同的是相似換算法是以一臺模型泵為基礎，而速度系數(shù)法則以一系列相似泵為基礎。以現(xiàn)有性能較好的產(chǎn)品為基礎統(tǒng)計出來的各種流速的速度系數(shù)圖。 設計時按n選取速度系數(shù)，作為計算水力尺寸的依據(jù)，這種設計方法叫速度系數(shù)設計法。Stepanoff早于1948年就提出了利用比轉速規(guī)律進行水力設計的設計系數(shù)法，在統(tǒng)計大量實測資料的基礎上提出了著

10、名的Stepanoff速度圖，國內(nèi)于80年代初曾對部分優(yōu)秀模型進行了統(tǒng)計，90年代初，張俊達和何希杰等對近年來的優(yōu)秀模型進行了重新統(tǒng)計，提出了一些系數(shù)和規(guī)律。用速度系數(shù)法設計產(chǎn)品時，雖然設計計算比較簡便，但是產(chǎn)品只能保持原有的水平。因此，在采用速度系數(shù)設計法設計產(chǎn)品時，應結合模型實驗，不斷創(chuàng)造新的優(yōu)秀的模型，并將這些模型的速度系數(shù)充實到速度系數(shù)曲線中去，才能不斷提高產(chǎn)品技術水平。1.4關鍵問題的解決1.4.1氣蝕問題的解決氣蝕問題的解決為了防止在泵的吸入口產(chǎn)生氣蝕，減少流體在吸入口的阻力，在吸入口設置了螺旋狀導流器。整個泵安裝在一個不銹鋼容器內(nèi)，不銹鋼容器具有氣、液分離作用，按照壓力容器標準制

11、造。泵的吸入口位于較低的位置，保證吸入口處于液體中。螺旋狀導流器和不銹鋼容器的應用，使得LNG泵能夠達到應有的凈吸入壓頭，有利于改善水利特性，降低泵對凈吸入壓頭的要求，防止在泵的吸入口產(chǎn)生氣蝕。1.4.2熱應力問題的解決LNG潛液泵啟動時，熱應力的作用可能會導致泵出現(xiàn)裂紋和抱死不能轉動等現(xiàn)象而損害泵。為了防止這種現(xiàn)象，結構上可以采用懸壁型，使得在低溫環(huán)境下整體向頂部收縮，泵體配合部位選用熱膨脹系數(shù)相近的材料，避免低溫環(huán)境下收縮程度不同產(chǎn)生抱死裂紋現(xiàn)象；同時通過溫度傳感器實時監(jiān)控泵出口溫度，根據(jù)出口溫度溫度顯示，調整泵前后閥門，控制泵預冷時間，實驗表明這種方法解決熱應力問題時顯得相當有效。第二章

12、 LNG潛液泵的設計技術指標用于LNG汽車加氣站的液化天然氣泵一種潛液式LNG多級離心泵。該泵將滿足流量大，出口壓力高的要求，結構和整體性能良好，可廣泛應用于各種低溫工藝過程中如LNG液化天然氣汽車加氣站、LNG接收站、管道輸送、充裝LNG運輸槽車和液氮、液氬的輸送系統(tǒng)等。液化天然氣泵主要設計技術指標如下:類 型: 潛液式低溫離心泵設計溫度:-196電機參數(shù): 380V/50Hz 三相電機功率:11kW設計流量: 12m3h( 折合液態(tài)流量)設計揚程: 220m工作轉速:1500r/min6000 r/min級 數(shù):2級NPSHR:14m輸送介質: 使用狀態(tài)為LNG，試驗狀態(tài)為液氮外形尺寸：6

13、15mm×470mm×1294mm（泵夾套長×寬×高）。第三章 LNG潛液泵的基本設計與計算3.1泵的基本參數(shù)的確定3.1.1泵進出口流道直徑的確定泵的進口直徑D1由進口速度vs確定，即D1=4qvvs （3-1）式中：qv泵的設計流量，m3h； vs泵的入口速度，m/s，可取3m/s左右，對于高汽蝕性能要求的泵，進口流速可以取到1.0-2.2m/s，或按下表取值。表3-1 泵進口流速的選擇進口直徑 40 50 65 80 100 150 200 250 300 400 單級 qv 1.375 1.77 2.1 2.76 3.53 2.83 2.15 2

14、.83 vs 6.25 12.5 25 50 100 180 300 500多級 qv 1.375 1.77 2.1 2.54 3 2.44 2.48 2.54 2.84 3.42 vs 6.52 12.5 25 46 85 155 280 450 720 1500代入數(shù)據(jù)計算得：D1=49mm取D1=50mm，計算實際進口流速vs=1.7m/s3.1.2泵的出口直徑的確定泵的出口直徑D2可取與D1相同，或小于D1,即D2=0.71.0D1 （3-2） 式中：D2為泵出口直徑，mm。故D2=0.7×50=35mm3.1.3泵轉速的確定1確定泵轉速 n 應考慮以下因素： 泵的轉速高，體

15、積小，質量輕，離心泵應向高轉速方向發(fā)展； 2轉速與比轉速ns成正比,為提高效率，應選擇合適的比轉速ns，從而可以確定合理的轉速；3.計算空化比轉速 C=5.62nqvNPSHr34 （3-3）式中: NPSHa為泵的必要空化余量。對于一定的 C 值，如提高轉速 n，則NPSHr 加大，當NPSHr大于給定的裝置空化余量NPSHa時，即NPSHr>NPSHa會發(fā)生空化及空蝕。當泵是幾何相似和運動相似時，C值等于常數(shù)，所以C值可以作為汽蝕相似準數(shù)，并標志抗汽蝕性能的好壞，C值越大，泵的抗汽蝕性能越好，對應不同的C值，所以C通常是指最高效率工況下的值。C值的大致范圍是：對抗汽蝕性能高的泵C=1

16、0001600，取C=1200。必要空化余量NPSHr可用下式計算：NPSHr=NPSHa1.11.3 3-4或 NPSHr=NPSHa-k式中：k值一般取0.30.5m NPSHa為裝置汽蝕余量，是由泵的吸入裝置提供的，表示在泵的進口處單位重量液體具有的超過汽化壓力水頭的富余能量。它主要與裝置參數(shù)和液體性質有關。NPSHa=pog-hs-hs-pvg （3-5）式中：po吸入液面的氣壓，pa；hs泵的幾何安裝高度，也就是幾何吸水高度，當液面高度于泵的安裝高度時為負值，m；pv氣化壓力，pa；hs吸入管的水力損失，pa。本設計中，設計參數(shù)汽蝕余量為14m，故取NPSHa=4mNPSHr=NPS

17、Ha-k =4-0.3=3.7m根據(jù)C值及NPSHr可以計算空化條件所允許的泵的轉速：n<NPSHr345.62qv · C （3-6）代入數(shù)據(jù)計算得：n<9866rpm選擇轉速為n=6000rpm3.1.4泵比轉速ns的計算比轉速ns的計算公式為：ns=3.65nqv H34 （3-7）式中：ns比轉速； N轉速，n=6000rpm； qv進口流量，m3/h； H泵的設計揚程，m。代入數(shù)據(jù)計算：ns=22在ns=120210，泵的效率高，當ns<60時效率下降。當單吸泵ns過大時，可采用雙吸泵方案；當采用單級葉輪ns過小時，可采用多級泵方案， 本設計采用2級泵方案

18、，修正比轉數(shù)為ns=3.65×6000×123600（2202）34=37.2取整為ns=37。3.1.5計算泵的效率6泵的總效率、水利效率、容積效率和機械效率在泵被制造出來之前，只能參考同類產(chǎn)品的經(jīng)驗公式進行估算。1、水力效率h=1-0.42logDo-0.1722 （3-8）式中：Do=4×103×3Qn （3-9）代入公式得：h=1-0.42logDo-0.1722=0.768故泵的水力效率為0.7682、容積效率可按A.A.洛馬金公式計算：1v=1+0.597ns23 （3-10）式中：v為容積效率，%； s為比轉速，s=37。代入計算得：v=9

19、4.9%3、機械效率m=1-0.071ns10076 （3-11）式中：m為機械效率，% ns為比轉速，ns=37代入計算得：m=77.7%4、總效率=hvm=0.768×0.949×0.777=56.6%估算結果得泵的總效率為56.6%，故所設計的離心泵滿足預期的效率要求。3.2葉輪主要參數(shù)的選擇和計算本設計中離心泵選擇級數(shù)為二，故有兩個葉輪，本節(jié)只設計首級葉輪，另一個葉輪基本參數(shù)與首級葉輪一樣。 葉輪是離心泵最主要的過流部件，其主要作用是把原動機的能量轉換成液體能。其分類如下8：（1）按吸入方式分為單吸式葉輪和雙吸式葉輪（2）在構造上葉輪又可分為封閉式葉輪、半開式葉輪和

20、開式葉輪。（3）按比轉速分為低比轉速葉輪、正常比轉速葉輪、高比轉速葉輪、混流泵葉輪和軸流泵葉輪五類，比轉速與葉輪結構形狀的關系見圖3-1。圖3-1 比轉速與葉輪結構形狀的關系3.2.1軸徑和輪轂直徑的計算1.根據(jù)扭矩計算泵軸直徑的公式為：Mh=95501.2Nn （3-12）式中：Mh軸所傳遞的扭矩,N·m； N泵的軸功率，kW； N泵的轉速，rpm；其中： n=6000rpmN=gQH1000 (3-13)式中：LNG的密度，為0.420.46g/cm3； Q設計流量，為12 m3/h； H揚程，為220m； 泵的總效率，為56.6%。代入數(shù)據(jù)計算得：N= 440×9.8

21、1×12÷3600×2201000×0.566=5.59kW所以泵軸所傳遞的扭矩為：Mh=9550×1.2×5.596000=10.68N·m泵軸的最小直徑按下式計算：d=3Mh0.2 （3-14）式中：d泵軸的最小直徑，mm； Mh軸所傳遞的扭矩，N·m； 材料的許用切應力，N/m2；本設計使用奧氏S30408不銹鋼，許用應力為137Mpa，即=137Mpa。則d=310.680.2×105 =81.1mm 故在泵軸上的最小軸徑為81.1，整取d=81mm2. 確定葉輪輪轂直徑dh根據(jù)軸的結構初步確定葉

22、輪處的軸徑dB為100，則：輪轂直徑dh為dh=1.21.4dB=1.4×100=140mm3.2.2確定葉輪進口速度vo葉輪進口速度vo可按下式計算：vo=Kvo2gH （3-15）式中：vo葉輪進口速度，m/s；Kvo葉輪進口速度系數(shù)，由圖32查得Kvo=0.06； H泵的揚程，H=220m。圖3-2 葉輪的速度系數(shù)代入數(shù)據(jù)得：vo=0.062×9.81×220 = 3.94m/s 3.2.3確定葉輪進口直徑Dj葉輪進口有效直徑按下式計算：Do=4Qvo （3-16）式中：Do葉輪進口有效直徑，m； Q泵的設計流量，m3/s； vo葉輪進口速度，m/s。代入數(shù)

23、據(jù)得：Do=4×12÷36003.14×3.94 =32.8mm取整為Do=33mm葉輪進口直徑Dj=DO2+Dh2 （3-17）式中：Dj葉輪進口直徑，mm； DO葉輪進口有效直徑，mm； Dh輪轂直徑dh，mm。代入數(shù)據(jù)得：Dj=332+1402=143.8mm取整為Dj=144mm，故葉輪的進口直徑為144。3.2.4確定葉輪出口直徑D2葉輪出口直徑按下式計算：D2=KD22gH/n （3-18）KD2=19.2ns10016 （3-19）式中：D2葉輪出口直徑，mm； KD2出口系數(shù)； N泵的轉速，n=6000rpm； ns泵的比轉速，ns=37； H泵的

24、揚程，m，H=220m。代入數(shù)據(jù)得：KD2=19.2×37÷10016=16.27 D2=16.27×2×9.81×2206000=178.15mm取整為178mm，故葉輪出口直徑D2=178mm3.2.5確定葉輪出口寬度b2計算葉輪出口寬度b2按下式計算：b2=Kb22gHn （3-20） Kb2=1.30ns10032 （3-21）式中：b2葉輪出口寬度，mm； N泵的轉速，n=6000rpm； Kb2葉輪出口寬度系數(shù)； H泵的揚程，m，H=220m； ns泵的比轉速，ns=37。代入數(shù)據(jù)得：Kb2=1.30×37÷10

25、032=0.29b2=0.29×2×9.81×2206000=3.2mm故葉輪出口寬度為3.2mm3.2.6確定葉片厚度 S葉片厚度按最薄的葉片厚度確定，一般鋼的最薄厚度為5密碼，這里取S=5mm圖3-3 葉片厚度的幾何關系a）流面上葉片的厚度 b）軸截面上葉片的厚度 c）平面上葉片的厚度3.2.7 確定葉輪出口圓周速度葉輪出口圓周速度按下式確定：u2=Ku22gH （3-22）Ku2查圖3-2得Ku2=0.95代入數(shù)據(jù)得：u2=0.95×2×9.81×220=62.4m/s 3.2.8 確定葉輪葉片數(shù) z表3-2 泵的葉片數(shù)ns 3

26、060 6080 180280Z 5片長葉片加5 86 65片短葉片或98由表32，ns=較小時，z=98，取葉輪葉片數(shù)z=9，可增大排擠系數(shù)，有利于提高泵的抗汽蝕性能。3.2.9 確定葉片的出口安放角2A離心泵葉片出口安放角2A一般小于90°，當2A90°和2A90°并取較大值時，H-qv性能曲線會出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象，使離心泵運行不穩(wěn)定。為了得到較高的效率，所以2A一般取1830°。取泵的葉片安放角2A=25°。3.2.10 確定葉片包角如葉片數(shù)z大，應小些，2A也可大些；如葉片數(shù)z小，應取大一些，2A也要取小一些。 一般可取85° 11

27、0°， 少數(shù)可達150°。 與葉片間距的比值/ to反映了葉柵稠密度，叫做相對稠密度，由表33（如下）決定：to=360°z （3-23） 取葉片包角=90°。表33 離心泵葉輪葉柵相對稠密度 ns 3550 5570 80120 130220 230280 / to 2.12.3 1.92.1 1.71.9 1.51.8 1.41.65 3.2.11 葉片繪型9葉片繪型就是畫葉片。為此，應在幾個流面上畫出葉片（葉片骨線），然后按一定的規(guī)律把這些葉片串起來，就是無厚度葉片。葉片繪型有兩種方法，即作圖法和解析法。作圖法主要有兩種：保角變換法和扭曲三角形法。

28、解析法也就是逐點積分法。本設計采用作圖法。流面是個空間曲面，直接在流面上畫流線，不容易表示流線形狀和角度的變化規(guī)律。因此，要設法把流面展開成平面，在展開的平面上畫出流線，而后按預先作好的記號，返回到相應的流面上。通常作圖是借助特征線利用插入法進行的。保角變換繪型法和扭曲三角形繪型法都在離心泵的水力設計中廣泛應用。扭曲三角形法是一種比較簡單的葉片繪型方法，適合于葉輪的扭曲葉片繪型也適合于葉輪的圓柱葉片繪型。它與保角變換法相比較，其優(yōu)點是繪型所得葉片型線長度與葉輪葉片的真實長度基本相等，葉片型線與葉片真實形狀基本一致。逐點積分法由于計算麻煩，往往很少采用。通過比較，本節(jié)采用扭曲三角形法進行葉片繪型

29、。低比轉速泵的葉輪多設計成圓柱形葉片，中、高比轉速泵的葉輪設計成空間扭曲葉片。本設計中的離心泵屬于中比轉速泵，故選擇葉片為空間扭曲型葉片。 繪形原理在圖3-4流面上有一條流線，現(xiàn)用兩組相互垂直的平面（軸面和垂直軸線的平面）去截這條流線。這兩組平面和流面的交線和原來的流線在流面上組成一系列的小直角三角形。因為流面是空間曲面，所以這些小三角形都是扭曲的曲面三角形?？臻g流線被截成的單元長度L和相應的軸面流線長度s，圓周弧長u構成的小三角形足夠多時，則可近似地看作是平面三角形。既然是平面小三角形，就可以在平面上畫出。我們把這些小三角形首尾相接地畫在平面上，并保持直角邊相平行。這樣，把空間流面上的的流線

30、，用局部全等的辦法，表示在平面上，實質是把空間流面展開成了平面。其原理大致如此。圖3-4 扭曲三角形法繪型原理a）流面圖 b）軸面圖 c）平面圖 d）展開圖 繪形步驟（如圖-3-5）A 作軸面投影圖，分線圖，初定葉片進口邊。 B 在軸面投影圖上從各流線出口開始分點，得0，1，2，為了作圖方便，所分線段展開長度可取為相等。 C 做平面展開圖，相應流線分點，畫間距等于軸面流線分點間曲線展開長度的平行線，并編號0，1，2。 D 在展開圖上繪流線。所畫流線進出口點應和軸面位置相對應，進出口角度和預先角度的值相對應。E 根據(jù)展開圖各小三角形水平長度u 和平面圖對應的u 相等和軸面流線分點半徑和平面圖半徑

31、相等，作出各流線的平面投影。 F 作軸面截線。在平面上作一定夾角的射線，并編號O，I，II，。把各射線和流線的交點，按相同的半徑移到相應的軸面流線上，光滑連接所得到的曲線，就是軸面截線。圖3-5 扭曲三角形法葉片繪型圖例a）分中間線 b）軸面流線分點 c）在展開圖上繪流線d）做流線平面投影 e）作軸緬截線 f）作木模截線G 葉片加厚。有了軸面截線，可按方格網(wǎng)保角變換繪型方法加厚。但是扭曲三角形法作圖是在建立在局部全等的基礎上，展開的流線不但和空間的流線相似，而且近似相等。垂直流線方向的厚度為流線厚度s，水平方向長度為圓周方向加厚度su，豎直方向長度為軸面厚度sm。H 作葉片剪裁圖和繪型質量檢查

32、與方格網(wǎng)保角變換方法相同。 用扭曲三角形法展開流線進行葉片加厚在流面展開圖上加厚可以直觀反映厚度對流動的影響。方格網(wǎng)保角變換法的展開流面不是真實的。 為此， 用方格網(wǎng)法得到軸面截線和流線的平面投影， 可用扭曲三角形 （或錐面展開法），畫出流線的展開圖，為作圖方便，展開流線的分點應為軸面截線和軸面流線的交點。作出展開圖之后，在其上加厚，并返回到平面圖和軸面圖上，與前述步驟G 相同。3.3 壓水室的水力設計3.3.1 壓水室概述壓水室是指葉輪出口至泵出口法蘭 （對多級泵是到下一級葉輪進口） 的過流部件，其作用為10：1) 將葉輪流出的液體收集在一起， 形成軸對稱的流動， 并送至下一級葉輪或泵的出口

33、； 2) 降低流速，把動能轉換成壓能，以減少下一級葉輪或壓水管路中的損失； 3) 消除流動的環(huán)量，以減少水力損失。為了達到上述要求，壓水室在設計中要做到： 1) 壓水室的水力損失占整個泵中的損失的很大部分。 為此壓水室中的水力損失應盡量?。?2) 盡可能使水流量軸對稱，提高泵運行的穩(wěn)定性； 3) 具有足夠的強度，較好的經(jīng)濟性及公益性，并考慮到泵布置的要求。離心泵的壓水室按其結構可分為： (1) 螺旋形壓水室，由螺旋線部件及擴散管兩部分組成，水力性能好，用途廣。 (2) 環(huán)形壓水室，其特點是壓水室各過流截面的面積相等。過流截面通常為半圓形或矩形，效率較低。 (3) 葉片式壓水室 也稱導葉壓水室，

34、 又分徑向式導葉和流道式導葉。 其特點是在葉輪出口后面的流道中布置若干個導葉，將流體引至出流口。導葉間流道的過流面積沿流動逐漸變大及流動方向的改變，使流體的動能轉換成壓能并消除了環(huán)量，起壓水室的作用。3.3.2 壓水室的設計根據(jù)所要設計的泵的各項參數(shù)，壓水室選擇導葉式的，導葉式的壓水室又稱為導葉，用于節(jié)段式多級泵中的兩級葉輪之間，分為徑向式和流道式兩種。由于流道式導葉結構復雜，加工困難，所以選擇徑向式導葉的設計方法。徑向式導葉由正導葉、彎道和反導葉三部分組成。正導葉是由螺旋線部分和擴散管組成，螺旋線部分的作用是收集葉輪流出的液體，并由擴散管降低流速，使動能轉化成壓能。正導葉可以看成由zd個(正

35、導葉數(shù))小的螺旋形壓水室排列葉輪周圍。彎道也稱環(huán)形空間，主要作用是使液流轉向。從正導葉流出，引至反導葉。反導葉的作用是把液體引至下一級葉輪進口。為了滿足葉輪進口的流動條件，還起到消除液流速度環(huán)量的作用，同時也減低了流速。它兼有壓水室及吸水室的雙重作用11。(1) 正導葉設計計算1、正導葉的進口直徑D3導葉進口直徑是正導葉螺旋線起始點的基圓直徑D3D3=1.031.05D2 （3-24）式中：D2是葉輪外徑，比轉數(shù)較高或尺寸較小時取大值，反之取小值。 D2=178mm，則：D3=1.03×178=183.34mm取整為D3=184mm2、進口寬度b3計算b3=1.151.25b2 （3

36、-25）式中：b2葉輪出口寬度，mm，b2=3.2mm。故： b3=1.151.25×3.2=4mm3.導葉的進口角3導葉的進口角3按下式確定：tan3=1.11.3tan2 （3-26）tan2=vm2vu2 （3-27）vm2=Kvm22gH （3-28）Ht=H （3-29）式中：vm2=Kvm22gH=0.087×2×9.81×220= 5.72m/s u2=Ku22gH=0.95×2×9.81×220=62.4m/s Ht=H =2200.566=388.7m vu2=gHtu2=9.81×220

37、7;0.56662.4=61.1m/s tan2=vm2vu2=5.7261.1=0.0936 2= 5.35° tan3=1.11.3tan2=1.3×0.0936=0.122算得 3=6.9°4.導葉的葉片數(shù)z d及喉部高度a 3 求出導葉喉部的液體平均速度：v3=K32gH （3-30）式中：K3=0.52故： v3=K32gH=0.52×2×9.81×220=34.2m/s 導葉葉片數(shù)Zd=Qb32v3 （3-31）式中：Q泵的設計流量，Q=12m3/h； b3進口寬度，b3=4mm； v3導葉喉部的液體平均速度，m/s；代入

38、數(shù)據(jù)計算得：Zd=Qb32v3=12÷3600410002×34.2=6.09 因此，取導葉的葉片數(shù)為Zd =6喉部的高度a3b3=4mm3.4吸水室的水力設計3.4.1概述離心泵的吸水室是指泵進口法蘭至葉輪進口前泵體的過流部分。吸水室中的水力損失要比壓水室中的水力損失小得多。水泵吸水室仍是水泵中不可缺少的部件。吸水室設計的好壞影響到水泵的抗空化性能。因此在設計水泵吸水室時，要在水力損失最小的條件下保證：1) 為了形成在設計工況下葉輪中穩(wěn)定的相對流動，沿吸水室所有截面流速必須均勻分布； (2) 將吸入管路內(nèi)的速度變?yōu)槿~輪入口所需的速度。吸水室按結構上分成4 類121) 直錐

39、形吸水室 直錐形吸水室水力性能好，結構簡單，廣泛應用于單極懸臂式離心泵上。由于從進口到出口錐形吸入室的過流斷面逐漸收縮，有利于使液流均勻地進入葉輪。 2) 彎形吸水室； 廣泛應用于大型離心泵中，這種吸水室在葉輪前部有一段直錐式收縮管，故也按直錐形吸水室計算； 3) 環(huán)形吸水室 主要應用于節(jié)段式多級泵中。吸水室各軸面內(nèi)的截面尺寸和形狀均相同，結構簡單。但流速分布不均勻，存在沖擊流動和渦漩；4) 半螺旋形吸水室 主要應用于單級雙吸收離心泵和水平中開式多級離心泵中，一般選用于單側流量不超過500m3/ h 的中低比轉速水泵中。其特點是吸水室截面隨流動的變化而改變，成螺旋狀，使葉輪進口的流速均勻。3.

40、4.2 吸水室的設計根據(jù)所要設計泵的各項參數(shù)，以及泵的性能，本設計選擇直錐型吸水室。 吸水室進口直徑按下式計算：D=1.11.15Dj （3-32）式中：Dj葉輪的進口直徑，Dj =144mm； D吸水室的進口直徑，mm。代入數(shù)據(jù)計算得：D=1.11.15Dj=1.13×144=162.7mm取整為D=163mm。第四章 泵的軸向力、徑向力計算及平衡4.1 軸向力的計算及平衡4.1.1 軸向力的產(chǎn)生圖4-1 軸向力的產(chǎn)生原因圖4-2 徑向流對軸向力的影響葉輪上產(chǎn)生軸向力的原因主要有以下幾點：1、葉輪前后蓋板不對稱壓力產(chǎn)生的軸向力，這是所有軸向力中最重要的一個因素。由于葉輪蓋板的形狀是

41、不規(guī)則的，所以其軸向力大小比較復雜，此力指向壓力小的蓋板方向，用A1表示； 2、液體流過葉輪由于方向改變產(chǎn)生的沖力（動反力），此力指向葉輪后面，用A2表示；3、泵軸兩端壓力不同時產(chǎn)生的軸向力，其方向視具體情況而定，用A3表示；4轉子重量產(chǎn)生的軸向力，其方向與轉子的布置方式有關，用A4表示；5、其他能夠影響軸向力的因素：當有徑向流時會改變壓力分布，因而影響軸向力的數(shù)值。圖中實線表示無徑向流時的壓力分布，虛線表示有徑向流時的壓力分布。在前蓋板泵腔，存在著內(nèi)向徑向流動，壓力分布如左側的虛線所示。葉輪與泵軸的固定與否，葉輪進口密封狀況如何以及泵軸間隙狀況等，都對軸向力有影響。 雖然有以上幾種產(chǎn)生軸向力

42、的原因，但一般計算時需考慮具體情況，做適當?shù)娜∩嵊嬎恪．斎贿€有其他很多因素對葉輪軸向力的形成也有影響，有些屬于加工制造裝配等因素，有些屬于使用后密封環(huán)磨損，間隙增大引起的。 實際上，葉輪因鑄造關系，每級葉輪產(chǎn)生的揚程都不盡相同，葉輪前蓋板外腔內(nèi)液體將向內(nèi)流經(jīng)密封環(huán)，回到葉輪進口；葉輪后蓋板外腔液體有向外流動，也有向內(nèi)流動，也就是末級葉輪向內(nèi)流動，其余葉輪有向外流動的趨勢。4.1.2 軸向力的計算（1） 葉輪前后蓋板壓力分布不對稱產(chǎn)生的軸向力F1圖4-3所示為葉輪前后蓋板上的壓力分布。由于液體在泵腔內(nèi)旋轉，前后蓋板上的壓力可近似地認為按拋物線規(guī)律分布。加入不考慮密封環(huán)處泄漏的影響，則在前后泵腔內(nèi)

43、液體的運動情況近似相等。所以，自葉輪出口半徑R2到密封環(huán)半徑Rmi的范圍內(nèi),可認為葉輪兩側壓力相等,互相平衡。從密封環(huán)半徑Rmi到輪轂半徑rh的范圍內(nèi)，右面的壓力大于左面的壓力，所以產(chǎn)生了軸向力F1。F1=Rmi2-rh2Hp-R22-Rmi2+rh2228g （4-1）式中：F1軸向力（kg）；Hp單級葉輪的勢揚程(m)； R2葉輪出口半徑(m)； Rmi葉輪密封環(huán)半徑(m)； rh輪轂半徑(m)； 葉輪旋轉角速度(rad/s)； 液體重度(kg/m3 )； g重力加速度(m/ s )； u2葉輪出口直徑圓周速度(m/s)；圖4-3 葉輪前后蓋板上的壓力分布Hp=Ht1-Htg2u22 （4

44、-2）式中：Ht單級葉輪的理論揚程(Ht=H/h，h-水力效率)； u2葉輪出口直徑圓周速度(m/s)。 Ht=H/h=110/0.768=143.2mHp=Ht1-Htg2u22=143.21-143.2×9.812×62.42=117.4m （4-3）=2n60=2×6000×3.1460=628rad/s （4-4） F1=Rmi2-rh2Hp-R22-Rmi2+rh2228g=440×9.810.082-0.072117.4-0.0892-0.082+0.072262828×9.81=686.2N（2）動反力F2 在離心泵中，

45、液體通常是軸向進入葉輪，徑向流出，液體的方向之所以變化，是因為液體受到葉輪作用力的結果，同時，液體給葉輪一個大小相等方向相反的沖力，即F2。F2=Qtgvmo-vm2cos2 （4-5）式中：F2動反力（kg）； Qt流經(jīng)葉輪的流量(m /s)； 液體重度，kg/（m2s2)； vmo液體進入葉輪葉片前的軸面速度(m/s)； vm2液體流出葉輪后的軸面速度(m/s)； 2軸面速度vm2與葉輪軸線間的夾角，這里290°；F2=Qtgvmo-vm2cos2=123600×9.81440×9.81×5.72=8.4N（3）總軸向力F動反力F2的方向與軸向力F1

46、的方向相反，總的軸向力為：F=F1-F2=686.2-8.4=677.8N4.1.3軸向力的平衡在設計LNG潛液泵時須考慮到流體和機械方面由于力不平衡所產(chǎn)生的負面影響，在設計和制造時，就應盡可能的消除非平衡力。由于LNG潛液泵的結構是電機與葉輪同軸，因此在電機高速運轉過程中產(chǎn)生的軸向推力和徑向力受力不平衡會直接影響泵和電機的使用壽命，而且在-196的深冷環(huán)境下，軸承不能采用潤滑油潤滑，而是引入少量的LNG沖洗以避免軸承發(fā)熱和潤滑的作用，軸向推力和徑向力影響液膜的狀態(tài)，極易造成嚴重的磨損。對于軸向推力的平衡采用了推力平衡機構(thrust equalizing mechanism，TEM) 來平

47、衡軸向推力，如圖4-4所示。TEM的上磨損環(huán)直徑大于下磨損環(huán)，致使高速轉動過程中合力向上，因此泵軸上的所有轉動部件向上移動，此時葉輪的節(jié)流環(huán)調節(jié)縮小它與固定板的間距，限制通過磨損環(huán)的流動，并引起上閘室壓力增加。由于上閘室壓力的增加，此時推力向下，旋轉部件又向下移動，因此固定板與葉輪節(jié)流環(huán)間的距離變大，上閘室壓力減小。經(jīng)過TEM反復連續(xù)的自調節(jié)，可以使利用LNG潤滑的球形推力軸承在零軸向推力狀態(tài)下運轉，大大地提高了軸承的可靠性，并延長了LNG潛液泵的使用壽命。圖4-4 軸向推力平衡機構4.2徑向力的計算及平衡4.2.1徑向力的計算當泵工況偏離設計點時，在整個葉輪外緣上的壓力分布呈不對稱狀態(tài)，使葉

48、輪受到徑向力的作用。流量偏離設計點越遠，徑向力越大。徑向力可按下式計算：F=KRgHD2B2 （4-6）式中：F徑向力，N。 KR徑向力系數(shù)，按圖4-5選?。?H相應流量下的揚程（m）； D2葉輪外徑（m）； B2包括葉輪蓋板在內(nèi)的葉輪出口寬度（m）； 液體密度（kg/m3）。圖4-5 徑向力系數(shù)當Q=0時，H1.3H =1.3×220= 286m，徑向力最大；當Qt= Q時，H =220m,徑向力最小。分別代入F計算式中，可得徑向力的最大值和最小值分別為：Fmax=0.1×9.81×440×220×0.178×0.0132=223.

49、2NFmin=0.02×9.81×440×220×0.178×0.0132=44.6N4.2.2徑向力的平衡徑向力的平衡采用對稱擴散器葉片來實現(xiàn)，如圖4-6所示。低溫的LNG從葉輪中流出后進入軸向的擴散器，軸向擴散器具有良好的水力對稱性。由于擴散器與流體是對稱的，在其流量范圍下具有完美的液壓對稱性。當泵達到設計流量時，潛液式LNG泵作用在葉輪上的徑向力理論上為零。圖4-6 用于徑向力的平衡擴散器第五章 低溫潛液泵電機的選擇5.1低溫潛液泵電機的相關問題解決由于電機浸入低溫液體中，就需要保證電機在低溫液體中不能被擊穿，首先是定子和轉子之間不能被擊

50、穿，然后就是匝間線之間不能被擊穿。通過對電機的矽鋼片間隙做絕緣處理，電纜線圈采用樹脂絕緣漆的漆包線，并通過液氮對樹脂絕緣漆的漆包線進行低溫處理，確保電機絕緣性能，電機定子空間作低溫膠發(fā)泡處理，防止發(fā)生局部放電和電暈對繞組造成破壞。由于電機的動力電纜需要外接，動力電纜的對外封裝需要絕對的密封。為了適應低溫環(huán)境，電纜采用聚酯帶與聚乙烯復合紙作為絕緣層，可使其耐低溫，不易老化變形。由殼體外接的動力電纜部分的密封采用雙O 型圈密封、壓緊密封和自緊密封相結合的特殊密封，確保密封可靠。為減少接線環(huán)節(jié)，定子與殼體之間的連接采取漆包線直接做絕緣處理后卡接在銅接線柱上。有防爆接線盒接在密封裝置后，以防止LNG沿著電纜從連接處泄漏到接線盒遇到火花發(fā)生爆炸。為達到密封防爆作用，設計時在外接電纜與接線盒處設置二道氮氣密封保護系統(tǒng)，阻斷LNG可能的泄漏通道。如果第一道N2保護失效，第二道N2密封系統(tǒng)仍可正常工作，而第一道N2保護失效時其壓力有顯著變化，由此向安全監(jiān)測裝置報警。5.2電機的選擇根據(jù)泵輸送液體的性質、泵所需功率、泵的轉速及所處的環(huán)境等因素選用電機類型，石化工藝裝置泵用電機一般選用三相交流異步電機。電機需要功率、泵的軸功率乘以安全系數(shù)之值即為計算需要電機功