設(shè)計單級離心泵設(shè)計

1、單級離心泵設(shè)計摘 要本設(shè)計從離心泵的基本工作原理出發(fā)，進(jìn)行了一系列的設(shè)計計算?？紤]離心泵基本工作性能，流量范圍大，揚程隨流量而變化，在一定流量下只能供給一定揚程（單級揚程一般1080m）。本設(shè)計揚程為50m，泵水力方案通過計算比轉(zhuǎn)數(shù)（n=67.5）確定采用單級單吸結(jié)構(gòu)；通過泵軸功率的計算確定選擇三相異步電動機(jī)；由設(shè)計參數(shù)確定泵的吸入、壓出口直徑；通過葉輪的水力設(shè)計確定葉輪的結(jié)構(gòu)以及葉輪的繪型；設(shè)計離心泵的過流部件，確定吸入室為直錐形吸入室，壓出室為螺旋形壓出室；設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)及進(jìn)行強(qiáng)度校核；確定葉輪，泵體的密封形式及沖洗，潤滑和冷卻方式；通過查標(biāo)準(zhǔn)確定軸承，鍵以及聯(lián)軸器，保證連接件的標(biāo)準(zhǔn)性。從經(jīng)

2、濟(jì)可靠性出發(fā)，合理設(shè)計離心泵部件，選擇標(biāo)準(zhǔn)連接件，保證清水離心泵設(shè)計的安全性，實用性，經(jīng)濟(jì)性。關(guān)鍵詞：離心泵工作原理；水力方案設(shè)計；葉輪和過流部件設(shè)計；強(qiáng)度校核；密封設(shè)計；鍵、軸承的選擇Centrifugal Pump Design ManualAbstract : This design starting from the basic working principle of the centrifugal pump, conducted a series of design calculations. consider the basic centrifugal pump performa

3、nce, flow in a wide range, lift varies with the flow, the flow can only supply some lift (single-stage lift is generally 1080m).The design head is 50m ,the design of the pump hydraulic scheme by calculating the number of revolutions(n=67.5) to determine the single-stage single-suction structure; cho

4、ice of motor shaft power calculation; design parameters to determine the pump suction outlet diameter; determine the structure of the impeller and the impeller of the drawing of the hydraulic design of the impeller; flow parts of the design of centrifugal pump suction chamber for straight conical su

5、ction chamber, pressed out of the spiral-shaped pressure chamber; the structure and strength check of the axis design; determine the impeller centrifugal pump seal design, pump closed form and washing, lubrication, cooling method; determined by checking the standard bearings, and coupling to ensure

6、that the standard connection. Departure from the economic viability of the rational design of centrifugal pump components, select the standard connector, to ensure the water using a centrifugal pump design safety, practicality, economy.Keyword: Centrifugal pump working principle ; Hydraulic design;

7、Component design of the impeller and the over current; Strength check; Seal design; The choice of key and bearing目 錄1 緒論12 電動機(jī)的選擇22.1 原動機(jī)概述32.2 原動機(jī)選擇32.2.1 泵有效功率32.2.2 泵軸功率32.2.3 泵計算功率32.3.4 選擇電動機(jī)43 泵主要設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)方案確定53.1 設(shè)計參數(shù)53.2 泵進(jìn)出口直徑53.2.1 泵吸入口徑53.2.2 泵排出口徑53.3 泵轉(zhuǎn)速53.4 泵水力結(jié)構(gòu)及方案63.5 泵的效率73.5.1 泵總效率73

8、.5.2 機(jī)械損失和機(jī)械效率73.5.3 容積損失和容積效率83.5.4 水力損失和水力效率84 離心泵泵軸及葉輪水力設(shè)計計算94.1 泵軸及其結(jié)構(gòu)設(shè)計94.1.1 泵軸傳遞扭矩94.1.2 泵軸材料選擇94.1.3 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計94.2 葉輪進(jìn)口直徑104.3 葉片入口邊直徑104.4 葉片入口處絕對速度114.5 葉片入口寬度114.6 葉片入口處圓周速度114.7 葉片數(shù)Z114.8 葉片入口軸面速度114.9 葉片入口安裝角124.10 葉片厚度124.11 葉片排擠系數(shù)校核124.12 葉片包角的確定134.13 葉輪外徑134.14 葉片出口安裝角134.15 葉輪出口寬度135 葉

9、輪的選擇及繪型155.1 葉輪選擇155.2 平面投影圖畫法155.3 軸面投影圖畫法156 離心泵的吸入室及壓出室設(shè)計186.1 吸入室設(shè)計186.1.1 概述186.1.2 直錐形吸入室設(shè)計186.2 螺旋形壓出室186.2.1 基圓186.2.2 蝸室入口寬度196.2.3 舌角196.2.4 泵舌安裝角196.2.5 蝸室斷面面積196.2.6 擴(kuò)散管217 軸向力徑向力平衡計算227.1 軸向力及其平衡227.1.1 軸向力計算227.1.2 軸向力的平衡237.2 徑向力及其平衡238 軸承、鍵、聯(lián)軸器的選擇248.1 軸承248.1.1 軸承選擇248.1.2 軸承校核248.1

10、.3 軸承潤滑258.1.4 軸承密封258.2 鍵的選擇與校核258.2.1 鍵的選擇258.2.2 鍵的強(qiáng)度校核26 8.3 聯(lián)軸器選擇268.3.1 聯(lián)軸器268.3.2 聯(lián)軸器的強(qiáng)度校核279 泵軸的校核299.1 強(qiáng)度校核299.2 剛度校核319.3 臨界轉(zhuǎn)速校核3110 泵體及其部件的密封設(shè)計3310.1 葉輪密封3310.2 泵體密封3310.3 軸封設(shè)計3310.3.1 密封腔處的介質(zhì)壓力3410.3.2 密封面平均直徑的圓周速度3410.3.3 密封腔內(nèi)的介質(zhì)溫度3410.3.4 根據(jù)介質(zhì)特性選型3410.3.5 機(jī)械密封具體結(jié)構(gòu)3410.4 機(jī)械密封輔助措施3510.4.

11、1 機(jī)械密封沖洗3510.4.2 機(jī)械密封潤滑 35 10.4.3 機(jī)械密封冷卻3511 經(jīng)濟(jì)性分析3612 結(jié)論37參考文獻(xiàn)38致謝391 緒論泵是一種將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔土黧w能量的機(jī)械。在任何工礦企業(yè)中，用不到離心泵的部門是沒有的.在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，泵是主要的排灌機(jī)械。我國農(nóng)用泵占泵總量的一半以上。在礦業(yè)和冶金工業(yè)中，泵也是使用得最多的設(shè)備。礦井下需要用泵排水；在選礦、冶煉和軋制過程中，需要用泵來供水等。另外，在國防建設(shè)、船舶制造、城市的給排水、蒸汽機(jī)車的用水、機(jī)床的潤滑和冷卻、紡織工業(yè)中輸送漂液和染料、造紙工業(yè)中輸送紙漿，以及食品工業(yè)中輸送牛奶和糖類食品等，都需要大量的泵。泵的設(shè)計具有

12、不同的方法，其基于流道理論的一元分析常用于離心式機(jī)械，將流道橫截面上的參數(shù)用其平均值來表示的一種簡化分析方法。確定泵葉輪的線性尺寸可以采用不同的方法，一種是利用經(jīng)驗系數(shù)直接計算線性尺寸，另一種利用速度系數(shù)。利用相似理論推導(dǎo)出葉輪及蝸形壓出室線性尺寸計算公式，再以當(dāng)代國產(chǎn)泵優(yōu)秀水力模型為統(tǒng)計源，用數(shù)值分析的方法將擬合成方程式進(jìn)行計算，是離心泵水力設(shè)計行之有效而簡潔的方法?；诒脙?nèi)液體流動的復(fù)雜性，至今還不能用理論計算的方法準(zhǔn)確地獲得泵的性能曲線，因此，通過試驗手段開展對泵性能的研究，或?qū)σ延械漠a(chǎn)品確定其實際的工作性能就顯得極為重要。根據(jù)試驗條件和目的的不同，性能試驗可分為試驗臺試驗和現(xiàn)場式試驗兩

13、種。試驗臺試驗是指，將泵安裝在制造廠或使用單位的泵性能試驗裝置上而進(jìn)行的試驗。其主要目的是：確定泵的工作性能曲線，確定它的工作范圍，可以更好的向用戶提供經(jīng)濟(jì)、合理地使用和選擇的可靠數(shù)據(jù)；通過實驗得到的性能曲線來校核設(shè)計參數(shù)，檢驗是否達(dá)到了設(shè)計所要求的技術(shù)指標(biāo)，以便修改設(shè)計或改進(jìn)制造質(zhì)量?，F(xiàn)場試驗是指，泵安裝到使用單位后，在實際的使用條件下進(jìn)行的試驗，其主要目的是為泵的安全、經(jīng)濟(jì)運行提供可靠的依據(jù)。例如，通過試驗了解整個泵裝置及管路系統(tǒng)的實際性能，據(jù)此來考察其選型是否合理，并以此為依據(jù)，制定經(jīng)濟(jì)運行方案，使其在負(fù)荷變動時也能隨之按最經(jīng)濟(jì)合理的方式進(jìn)行。在泵改造前進(jìn)行試驗，以便鑒定改進(jìn)效果。通過試

14、驗測得的效率下降和出力變化的情況，來估計泵在長期運行中因汽化、磨損和內(nèi)部不正常的泄露等因素所造成的內(nèi)部損壞程度，以便及時檢測并合理確定檢修期限。泵之所以能輸送液體，主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，介質(zhì)在慣性離心力的作用下獲得能量以提高壓強(qiáng)。介質(zhì)離開葉輪進(jìn)入泵殼后，因蝸殼內(nèi)流道逐漸擴(kuò)大而使介質(zhì)減速，部分動能轉(zhuǎn)換成靜壓能。只要葉輪不斷地旋轉(zhuǎn)，介質(zhì)便連續(xù)地被吸入和排出。從上述工作原理可知，離心泵工作時，最怕泵內(nèi)有氣體，因為氣體的密度小，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力就很小，葉輪內(nèi)不能造成必要的真空度，也就無法將密度較大的液體吸入泵中，因此在開泵前必須使泵的吸入系統(tǒng)充滿液體，工作中吸入系統(tǒng)也不能漏氣，這是離心泵正常工作

15、必須具備的條件。液體在離心泵中獲得能量的過程表現(xiàn)為液體在葉輪作用下流速大小和流動方向的變化。離心泵工作時，液體一方面和葉輪一起旋轉(zhuǎn)作旋轉(zhuǎn)運動，同時又從葉輪的流道中向外流動，液體在葉輪中所作的是一種復(fù)合運動。本泵的結(jié)構(gòu)采取后開門的結(jié)構(gòu)形式，即泵體與泵蓋的分界在葉輪的背面，泵體和泵蓋構(gòu)成泵的工作室；葉輪、軸、和滾動軸承等為泵的轉(zhuǎn)子；懸架和軸承部件支撐泵的轉(zhuǎn)子。為了平衡泵的軸向力，大多數(shù)葉輪前、后均設(shè)有密封環(huán)，并在葉輪后蓋板上設(shè)有平衡孔。但是有些泵的軸向力不大，葉輪背面不必設(shè)密封環(huán)和平衡孔。設(shè)計內(nèi)容分為四部分計算，即材料選擇、水力計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的允許范圍內(nèi)，充分考慮到該泵的使用

16、環(huán)境和輸送的介質(zhì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材質(zhì)選擇、過流部件的水力設(shè)計、泵零件強(qiáng)度設(shè)計等主要環(huán)節(jié)上作出了十分科學(xué)的改進(jìn)。在選材上泵體、葉輪等零部件選用灰鑄鐵。在軸和軸套采用45號鋼，在結(jié)構(gòu)上將底座加厚加筋，以增強(qiáng)剛性，采用機(jī)械密封。保證泵在所處的環(huán)境中能正常使用?？傊?，本設(shè)計就是針對泵在化工裝置中的重要性的不斷提高的現(xiàn)狀下，進(jìn)行泵的改良，對提高泵的使用效率，降低能耗，具有重要的意義。2 原動機(jī)的選擇2.1 原動機(jī)概述選擇水泵原動機(jī)要根據(jù)水泵的性能參數(shù)，管道輸送工藝，自控的要求及能源供應(yīng)條件等因素而定。不論在國內(nèi)或國外，電動機(jī)都是輸水管道應(yīng)用最為廣泛的原動機(jī)，在當(dāng)?shù)鼐哂谐渥汶娫礂l件下，使用電動機(jī)具有以下優(yōu)點

17、：1）泵設(shè)備價格較低，經(jīng)濟(jì)性良好；2）設(shè)備體積小，輕便，安裝維修簡便，檢查周期和連續(xù)運行時間長，工作可靠；3）所需支撐基礎(chǔ)，起重設(shè)備和輔助系統(tǒng)較簡單；4）可與離心泵直接相連，不需要變速器；5）易于自動控制，操作人員較少。電動機(jī)分為異步和同步兩種：異步電動機(jī)：構(gòu)造簡單，工作可靠，價格較低，在水利管道上應(yīng)用最為廣泛。同步電動機(jī)：能提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，構(gòu)造復(fù)雜，減少無用功耗，節(jié)約電能，價格昂貴1。2.2 原動機(jī)選擇 泵有效功率 （21）式中，重力加速度，m/s2；流體密度，kg/m3；設(shè)計流量，m3/s；泵的揚程，m；有效功率，kw； 泵軸功率 （22）式中：設(shè)計工況下的軸功率，kw； 泵效率。 泵

18、計算功率 （23）式中 ，計算功率，kw； 選擇電動機(jī)綜合以上論述計算，本設(shè)計選擇異步電動機(jī)，其具體參數(shù)見表21。表21 三相異步電動機(jī)具體參數(shù)型號Y160M1功率15kw防護(hù)等級電壓380v電流功率因數(shù)0.88接法轉(zhuǎn)速2950r/m絕緣等級頻率50Hz重量工作方法3 泵主要設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)方案確定3.1 設(shè)計參數(shù)輸送介質(zhì)：清水； 工作溫度：80；介質(zhì)密度：1000kg/m3；體積流量：50m3/h；泵揚程：50m；泵效率：72%； 泵必需汽蝕余量：3.0m。3.2 泵進(jìn)出口直徑 泵吸入口徑泵吸入口徑由合理的進(jìn)口流速確定。泵吸入口的流速一般設(shè)為/s左右。從制造方便考慮，大型泵流速取大些，以減小泵

19、的體積，提高過流能力。而要提高泵的抗汽蝕性能，應(yīng)減少吸入流速3。綜合考慮，取泵吸入口的平均流速vs=3m/s。 （31） 式中，Ds泵吸入口徑mm; 泵吸入口流速，。按照標(biāo)準(zhǔn)管徑mm。 泵排出口徑低揚程泵，取與吸入口徑相同3。因，取80mm。3.3 泵轉(zhuǎn)速確定泵轉(zhuǎn)速時應(yīng)考慮下面因素3： 泵的轉(zhuǎn)速越高，泵的體積越小，重量越輕，據(jù)此，應(yīng)選擇盡量高的轉(zhuǎn)速； 轉(zhuǎn)速和比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，而比轉(zhuǎn)數(shù)和效率有關(guān)，所以轉(zhuǎn)速應(yīng)和比轉(zhuǎn)數(shù)結(jié)合起來確定； 確定轉(zhuǎn)速應(yīng)考慮原動機(jī)的種類（電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)）和傳動裝置（變速傳動等）； 提高泵的轉(zhuǎn)速受到汽蝕條件的限制，從汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)公式 可知，轉(zhuǎn)速和汽蝕基本參數(shù)和有確定的關(guān)系，如得

20、不到滿足，將產(chǎn)生汽蝕。對于一定的值，假設(shè)提高轉(zhuǎn)速，則增加，當(dāng)該值大于裝置提供的裝置汽蝕余量時，泵便發(fā)生汽蝕。采用汽蝕條件確定泵轉(zhuǎn)速的方法，是選擇C值，按給定的裝置的汽蝕余量，計算汽蝕條件允許的轉(zhuǎn)速，所采用的轉(zhuǎn)速應(yīng)小于汽蝕條件允許的轉(zhuǎn)速，即N<。設(shè)計體積流量。 c=856.95 =860根據(jù)對，等參數(shù)的要求以及考慮結(jié)構(gòu)，制造，動力等因素確定合適轉(zhuǎn)速。按汽蝕要求確定比轉(zhuǎn)速時： （32） 式中，C汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)，; 泵必需的汽蝕余量，m。<3415r/m。 故所選用原動機(jī)合理。3.4 泵水力機(jī)構(gòu)及方案水利管道上的主要用泵從用途上可分為給水泵和主輸泵兩種。主輸泵是各泵站的輸水用泵。在構(gòu)造上，水

21、利管道所用離心泵一般為單級雙吸，兩級雙吸，多級單吸幾種。單級泵用作給水泵或串聯(lián)操作的主輸泵。多級泵則用于主輸泵的并聯(lián)操作，根據(jù)需要的揚程選擇多級泵的級數(shù)。因為要求較高的工作效率，主泵的比轉(zhuǎn)數(shù)都比較高，因而水泵必需的最小汽蝕余量也大，這意味著，主泵的抗汽蝕性能較差，往往需要正壓進(jìn)泵。離心泵基本工作性能特點5： 轉(zhuǎn)速高，通常為1500r/m3000r/m或更高，流量均勻； 流量隨揚程而變化，流量范圍大，通常10350 m3/h，最大流量可達(dá)10000 m3/h以上； 揚程隨流量而變化，在一定流量下只能供給一定揚程。單級揚程一般10m80m。多級泵揚程可達(dá)300m以上，工作壓力一般10×1

22、05Pa； 功率范圍很大，一般在500kw以內(nèi)，最大可達(dá)1000kw以上； 效率較高，一般0.500.90，在額定流量下效率最高，隨著流量變化效率降 單級揚程一般為57m，最大可達(dá)8m以上。比轉(zhuǎn)數(shù)（比速）是影響離心泵葉輪結(jié)構(gòu)和性能的一個參數(shù)。 在250的范圍，泵的效率最好，當(dāng)<60 時，泵的效率顯著下降； 采用單吸葉輪過大時，可考慮改用雙吸，反之采用雙吸過小時，可考慮改用單吸葉輪； 泵的特性曲線形狀也和有關(guān)。比轉(zhuǎn)數(shù)： （33）式中：比轉(zhuǎn)數(shù)； n泵軸轉(zhuǎn)速，r/m；綜合以上論述計算，本設(shè)計采用單級單吸離心泵結(jié)構(gòu)。3.5 泵的效率 泵總效率泵的總效率就等于其機(jī)械效率、容積效率和水力效率三者之乘

23、積。因此，要想提高泵的效率就必須在設(shè)計、制造及運行等各個方面注意減少各種損失。目前，離心泵的總效率視其大小、型式和結(jié)構(gòu)不同一般為0.550.90.在設(shè)計之前只能按統(tǒng)計資料（經(jīng)驗公式或曲線）或類似的實際產(chǎn)品大致確定欲設(shè)計泵的效率，待設(shè)計完之后，可以近似估算所設(shè)計泵的效率，只有在泵制造完成之后，通過試驗才能精確地確定其效率5。3.5.2 機(jī)械損失和機(jī)械效率原動機(jī)傳到泵軸上的功率，首先要花費一部分去克服軸承和軸封的摩擦損失，然后還要花費一部分去克服葉輪前后蓋板外側(cè)與流體間的圓盤摩擦損失。在上述三種損失中，圓盤摩擦損失占的比重最大，而軸承和軸封的損失一般認(rèn)為與泵的尺寸無關(guān)，只與零件表面加工質(zhì)量、軸封結(jié)

24、構(gòu)等因素有關(guān)，約占軸功率的14。上述三種損失功率之和稱為機(jī)械損失，其大小用機(jī)械效率來衡量。3.5.3 容積損失和容積效率輸入水力功率用來對通過葉輪的流體做功，因而葉輪出口處流體的壓力高于進(jìn)口壓力。由于泵中轉(zhuǎn)動部件與靜止部件之間存在間隙，因而當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時，必然有一部分流體從高壓側(cè)通過間隙流向低壓側(cè)。這樣，通過葉輪的流量(理論流量)并沒有完全輸送到出口，其中泄露量這部分液體把從葉輪中獲得的能量消耗與泄露的流動過程中，把由泄露造成的損失稱為容積損失，其大小用容積效率來衡量。容積損失主要發(fā)生在密封環(huán)處、平衡軸向力裝置處、密封裝置處。對于多級泵來說還有級間泄露。需要說明的是，在泵的流量變小時，其泄露量的

25、相對值要增大。所以對于小流量高壓頭的泵，應(yīng)盡量減少泄露量，提高容積效率。容積損失和比轉(zhuǎn)速有關(guān)，隨著比轉(zhuǎn)速的增大，容積損失逐漸減少。一般情況下，在所有比轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，容積損失等于所有圓盤摩擦損失的一半。3.5.4 水力損失和水力效率通過葉輪的有效流體（除掉泄露）從葉輪中接收的能量，也沒有完全輸送出去，因為流體在泵的過流部分的流動中伴有沿程摩擦損失和葉片進(jìn)出口沖撞、脫流、漩渦等引起的局部損失，從而要消耗掉一部分能量。單位重量流體在泵過流部分流動中損失的能量稱為流動損失，用h來表示，其大小用流動效率來衡量。本設(shè)計中，確定預(yù)設(shè)計的泵的為72%。4 離心泵泵軸及葉輪水力設(shè)計計算4.1 泵軸及其結(jié)構(gòu)設(shè)計 泵

26、軸傳遞扭矩 （41） 式中：Me泵軸傳遞扭矩； 泵軸材料選擇根據(jù)泵軸工作特點和承受的應(yīng)力，在材料選擇上應(yīng)考慮使用耐疲勞強(qiáng)度比較好的碳素鋼，合金鋼，這些材料的綜合性能都比較好。1） 泵軸轉(zhuǎn)速不高，輸送介質(zhì)的溫度壓力不高時，用碳素鋼；2） 泵軸轉(zhuǎn)速高，輸送介質(zhì)的溫度壓力高時，選用機(jī)械強(qiáng)度比較高的合金鋼。本設(shè)計泵軸選用45鋼材料，調(diào)質(zhì)處理286，需用切應(yīng)力為49MPa58.8 MPa。 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)圓軸扭轉(zhuǎn)時的強(qiáng)度條件： （42）式中：最大切應(yīng)力，MPa；Wt抗扭截面系數(shù)， 許用應(yīng)力，MPa；對于實心軸： （43）式中：d軸徑，。由式（42）和式（43）式得： mm考慮鍵削弱作用，聯(lián)軸器軸孔直徑為

27、標(biāo)準(zhǔn)化，取24mm。最小軸徑d確定，考慮托架結(jié)構(gòu)，推算安裝滾動軸承處軸徑d1，d1比d大一級，并選用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，本設(shè)計取35mm。安裝葉輪處的軸直徑d2的尺寸希望盡量粗一點，粗剛性好，d2太粗浪費材料，同時軸肩不能高于滾動軸承內(nèi)圈，否則影響軸承拆卸和潤滑油的流動，本設(shè)計取24mm。葉輪配合的直徑d3，比d1小一級，本設(shè)計取30mm。輪轂直徑dh對泵的吸入性能沒有什么影響，本設(shè)計中取32mm。4.2 葉輪進(jìn)口直徑葉輪入口速度： （44）式中，葉輪入口速度，m/s；K0葉輪入口速度系數(shù)； 對懸臂式離心泵葉輪，入口直徑可由流體力學(xué)公式求得： （45）由（45）式得： （46）式中，qVT理論流量，qV

28、T大于設(shè)計流量qV，因為通過葉輪的流量中有一部分經(jīng)密封間隙返回葉輪入口，造成容積損失。可由下式計算： （47）式中，泵容積效率，由文獻(xiàn)8, 81可知；。4.3 葉片入口邊直徑在葉輪流道入口邊上取圓心，作流道的內(nèi)切圓，內(nèi)切圓圓心到軸心線距離的兩倍即為葉片入口邊直徑，葉片入口邊直徑一般可按比轉(zhuǎn)速ns確定。40100，則(一般入口邊平行于軸心線；對流量較小的泵，可取；對流量較大的泵，也可將入口邊伸向吸入口，但是應(yīng)注意鑄造造型的工藝性)：100200，則(10.8)；200300，則(0.80.6)；300500，則(0.70.5)；500，則(軸流泵)。本設(shè)計中葉片入口邊直徑取0.095m。4.4

29、葉片入口處絕對速度 一般取或略大于，對抗汽蝕性能要求較高的泵，可取（0.40.83）。本設(shè)計中取。4.5 葉片入口寬度 （48）離心泵葉輪入口尺寸，和除影響泵的性能和效率外，對泵的抗汽蝕性能影響很大。4.6 葉片入口處圓周速度 （49）4.7 葉片數(shù)Z目前尚無準(zhǔn)確的方法確定葉片數(shù)，對250的泵，一般取6片；對低比轉(zhuǎn)速的泵可取9片，但應(yīng)注意勿使入口流道堵塞；對高比轉(zhuǎn)速的泵可取4片5片。一般情況可按下表選取。表4-1 葉片數(shù)的選擇比轉(zhuǎn)速ns506060180180350350580葉片數(shù)Z8765本設(shè)計葉片數(shù)取為8。4.8 葉片入口軸面速度 （410）式中，葉片入口排擠系數(shù);設(shè)計離心泵時，先選取排

30、擠系數(shù)進(jìn)行計算，待葉片厚度和葉片入口安裝角確定后，再來校核值。計算時，一般取0.91，低比轉(zhuǎn)速的小泵取大值。本設(shè)計中，取0.80。4.9 葉片入口安裝角葉片入口安裝角就是在葉片入口處，葉片工作面的切線（嚴(yán)格地說，應(yīng)該是在流面上葉片骨線的切線）與圓周切線間的夾角。假定液體是無旋流入葉輪內(nèi)，則由速度三角形可知： tan （411）式中，液體進(jìn)入葉輪相對速度的液流角。葉輪入口處的葉片安裝角比相對速度液流角增大了的角度，這個角度叫做沖角，以表示。葉片入口安裝角： （412）一般沖角取°13°，葉片入口安裝角°40°。本設(shè)計中，取°，tan °

31、°+13°=24.442°4.10 葉片厚度較小泵，考慮鑄造工藝性，對鑄鐵葉輪，葉片最小厚度為3mm4mm；對鑄鋼葉輪，葉片最小厚度為5mm6mm。大泵應(yīng)適當(dāng)增加葉片厚度，以便使葉片有足夠的剛度。本設(shè)計中，葉片厚度取4mm。4.11 葉片排擠系數(shù)校核葉片排擠系數(shù)是葉片厚度對流道入口過流斷面面積影響的系數(shù)，等于流道入口考慮葉片厚度的過流面積與不考慮葉片厚度過流面積之比值。 （413）式中，葉片節(jié)距；葉片在圓周方向上的厚度； （414）； （415）式中，入口處的葉片實際厚度（嚴(yán)格說是流面上的厚度）；由式（413），式（414）和式（415）得： （416）， 與假設(shè)

32、值0.80相接近，校核合適。4.12 葉片包角的確定包角就是葉片入口邊與圓心的連線和出口邊與圓心連線間的夾角。對比轉(zhuǎn)速60220的泵，一般取75°150°，低比轉(zhuǎn)速葉輪取大值，高比轉(zhuǎn)速葉輪取小值。包角確定后，在繪型時還有根據(jù)具體情況作適當(dāng)?shù)男薷摹Ｔ诒驹O(shè)計中，取90°。4.13 葉輪外徑葉輪外徑是決定泵性能的最主要水力參數(shù)之一。 （417）式中，揚程系數(shù)，目前從理論上還無法直接推導(dǎo)出計算公式，在總結(jié)國內(nèi)目前優(yōu)秀離心泵水力模型的基礎(chǔ)上，運用數(shù)值分析方法，擬合得到揚程系數(shù)計算公式： （418）4.14 葉片出口安裝角葉片出口安裝角一般在16°40°范

33、圍內(nèi)，通常選用20°30°范圍內(nèi)。對高比轉(zhuǎn)速的泵，可以取得小些，對低比轉(zhuǎn)速的泵，可取得大些。葉片出口安裝角對葉輪流道形狀和泵的效率影響很大。本設(shè)計中取28°。4.15 葉輪出口寬度將泵相似理論推出的表達(dá)式中的線性尺寸和系數(shù)分別以葉輪出口寬度和流量系數(shù)代替，則出口寬度的計算式為： （419）式中，流量系數(shù)，采用統(tǒng)計分析離心泵水力模型，數(shù)值擬合出計算公式： （420）葉輪外徑確定后，葉輪出口寬度是影響泵流量的最主要因素之一5。5 葉輪的選擇及繪型5.1 葉輪選擇離心泵內(nèi)廣泛采用圓柱形葉輪()，其優(yōu)點是工藝簡便，但效率和性能都比較差，在大流量、高壓頭、汽蝕性能要求高的情

34、況下必須采用扭曲葉片的葉輪。本設(shè)計泵比轉(zhuǎn)速，采用圓柱形葉輪。葉輪進(jìn)出口結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，參考比轉(zhuǎn)速相等或相接近，且性能良好的模型作為繪制葉輪圖的依據(jù)。繪制葉輪時應(yīng)滿足下列諸要求：1) 液體進(jìn)入葉片時無沖擊想象；2) 變化到時應(yīng)均勻變化不能有突變，亦即要求軸面投影面積變化均勻；3) 葉片上的負(fù)荷分配合理，亦即葉片長短恰當(dāng)，因而葉片包角應(yīng)在75°150°范圍內(nèi)；4） 葉片骨線從過渡到，應(yīng)均與變化，不能有波動；5） 在軸向尺寸許可的條件下，輪蓋進(jìn)口部分盡量采用大曲率半徑。本泵采用圓柱形葉輪繪法對葉輪軸面投影和平面投影的繪制。軸面投影圖能比較直觀地看到葉輪前后蓋板形狀和葉片進(jìn)出口的位

35、置。平面投影圖能夠看到葉片的形狀和流道的變化規(guī)律6。5.2 平面投影圖畫法葉片的繪法有單圓弧法、多圓弧法和逐點法三種。單圓弧法作圖比較簡單，逐點法比較精確，能保證葉輪流道內(nèi)的流速平穩(wěn)變化，但作圖比較復(fù)雜。在實際使用中，一般采用單圓弧法或逐點法作圖。這里，我們用單圓弧法作圖。在直徑為的葉輪外周上任取一點（圖51），使之與圓心相連接。自點作角，交直徑為的葉輪內(nèi)圓與點。連接并延長之，交內(nèi)圓于點。通過點在線左邊作,使之等于。再在上作垂直平分線并與交與點，以點位中心，為半徑作圓弧，即得所求葉片之曲率半徑。再以和分別為半徑，為圓心作圓弧，則得厚度為S的葉片。葉片形狀確定后再畫軸面投影圖，軸面投影畫好后再校

36、核流道面積。在平面投影圖上，距軸心線作一系列相切于葉片流道的內(nèi)切圓，其葉片高度為，而相應(yīng)點的葉片寬度為。將圓心1、2、3等到i 用光滑曲線相連，即得流道中心線ll。由此可得相應(yīng)處流道面積。求出后再作-L曲線，此曲線應(yīng)是一條光滑的曲線，若曲線呈S形上下波動，則必須修改軸面投影輪廓線，重新校核，直至完全符合要求為止6。圖51 平面投影圖的繪制5.3 軸面投影圖畫法距軸心和作兩根平行于軸心OO的直線AB和CD（圖52）。作OO的垂線EF,它與CD和OO線相交于E、F兩點，通過E點作°5°的直線EG。大小與比轉(zhuǎn)速和葉輪的結(jié)構(gòu)型式有關(guān)。小取°，大或雙進(jìn)口泵的值一般取3

37、76;5°。以適當(dāng)?shù)膔2作圓弧并與AB和EG線相切，即可作出葉輪后蓋板的輪廓線。液體從軸向進(jìn)入葉輪而從徑向流出，為了減少轉(zhuǎn)彎的水力損失，在軸向尺寸許可的條件下盡量加大前后蓋板的圓弧半徑，但前后蓋板兩者間的圓弧半徑關(guān)系為（1.82.0）在CD線上截取，距軸心和作兩根平行于o-o的直線IJ和KL。在KL線上以M為圓心，為直徑作一個與葉輪后蓋板相切的圓。以合適的圓弧(以為半徑)和直線作葉輪前蓋板的輪廓線，此輪廓線一定要與IJ和的圓相切，并且還應(yīng)通過H點。葉片進(jìn)口邊的位置對汽蝕、效率和特性曲線的形狀都有一定的影響。小比轉(zhuǎn)速葉輪進(jìn)口邊做成與軸線平行，而大比轉(zhuǎn)速和性能要求高的泵都做成進(jìn)口邊伸入葉

38、輪的喉部。進(jìn)口邊伸入葉輪喉部，不但增加了葉片面積減少了葉片負(fù)荷，并且又能使葉輪進(jìn)口的圓周速度和相對速度都能降低，這樣改善了汽蝕性能。進(jìn)口邊伸入葉輪喉部，泵的H-Q曲線變陡，最高效率點向小流量方向移動，并且效率也有所提高。當(dāng)葉片進(jìn)口邊伸入葉輪喉部太多時，葉片扭曲的厲害，容易造成液體的堵塞，另外對鑄造也帶來一定的困難。為了避免上述的缺點，我們常常把葉片進(jìn)口邊布置與軸線成30°45°的傾角。通過N、M、P各點作一根光滑的曲線，此曲線就是葉片的進(jìn)口邊，將來做平面投影圖時還要進(jìn)一步修正。葉片進(jìn)口邊與葉輪前后蓋板相交的角盡可能成90º，若太小，葉片堵塞嚴(yán)重，并且也會帶來鑄造和

39、清砂的困難6。圖52 軸面投影圖的繪制6 離心泵的過流部件設(shè)計出于使泵能達(dá)到較高效率，必須使葉輪、能量轉(zhuǎn)換裝置和吸入室三者之間有良好的匹配，如果匹配不當(dāng)，不能保證流體在吸入室和能量轉(zhuǎn)換裝置中有良好的流動，那么即使葉輪設(shè)計得再完善，仍會導(dǎo)致泵的效率下降，達(dá)不到預(yù)期的性能要求，因此三者應(yīng)作為一個整體考慮。6.1 吸入室 概述離心泵吸入管路接頭與葉輪進(jìn)口前的空間稱為吸入室。它是液體進(jìn)入離心泵經(jīng)過的第一個構(gòu)件。液體流過吸入室后，才進(jìn)入葉輪。在液體由吸入管進(jìn)入葉輪的流動過程中，流速要發(fā)生變化，特別是流速分布要進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)液體在葉輪內(nèi)的運動情況。因此，在葉輪之前設(shè)置吸入室以調(diào)整液流是重要的。其作用是以

40、最小的流動損失，引導(dǎo)液體平穩(wěn)地進(jìn)入葉輪，并且要求液流在葉輪進(jìn)口處具有較為均勻的速度分布。根據(jù)離心泵類型，容量的大小，使用場合的不同，吸入室主要類型有直錐形、彎管形、螺旋形。本設(shè)計采用直錐形吸入室。 直錐形吸入室設(shè)計直錐形吸入室結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，液流的流速分布均勻，流動阻力損失亦小，所以多用在單級單吸離心泵上。直錐形吸入室出口直徑與葉輪進(jìn)口直徑相同，所以，通常進(jìn)口直徑比出口直徑大7%12%，故取其值為90，在允許的錐度（約在7-18范圍內(nèi)）取，確定直錐式吸水室的軸向長度為。6.2 螺旋形壓出室螺旋形壓出室由一個截面逐漸擴(kuò)大的螺旋形流道和一個擴(kuò)壓管組成，位于葉輪出口之后，作用是收集從葉輪中高速流

41、出的液體，使其速度降低，轉(zhuǎn)變速度動能為壓能，并且把液體按一定要求送入下級葉輪進(jìn)口或送入排出管路。螺旋形壓出室主要優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，制造比較方便，泵性能曲線高效率區(qū)域比較寬廣，車削葉輪后泵效率變化比較?。蝗秉c是單蝸室泵在非設(shè)計工況運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生不平衡的徑向力，此外，蝸室內(nèi)部表面不易加工。在設(shè)計螺旋形壓出室時通常認(rèn)為液體從葉輪中均勻流出，并在蝸室中作等速運動5。 基圓螺旋形壓出室螺旋線開始的位置稱為隔舌。隔舌所在直徑稱為基圓直徑。隔舌與葉輪外徑之間應(yīng)有一適當(dāng)?shù)拈g隙，間隙過小，則可能使泵在大流量下壓水室內(nèi)產(chǎn)生汽蝕，并伴隨著噪音和振動，若間隙過大，則由于液體在間隙內(nèi)循環(huán)而損失功率，使泵的最佳效率下降。1.

42、10） （61）基圓大小在上式范圍內(nèi)選擇時，對泵性能沒有明顯影響。低比轉(zhuǎn)數(shù)泵選取小的系數(shù)值，高比轉(zhuǎn)數(shù)泵選取大的系數(shù)值，本設(shè)計取1.08。 m 蝸室入口寬度用葉輪出口寬度加葉輪前后蓋板厚度，再按結(jié)構(gòu)需要加必要的間隙即可。蝸室入口寬度對泵性能沒有明顯影響，但取得略微寬些可改善葉輪和蝸室的對中性。 （62）式中：S葉輪蓋板厚度，mm；C常數(shù)，一般取C=520。C值的大小與比轉(zhuǎn)速，葉輪大小，液體黏度及是否含有固體顆粒有關(guān)。比轉(zhuǎn)速小，葉輪小，液體黏度低時，取小值；否則，取大值。本設(shè)計取mm。 舌角舌角是在蝸室第斷面的0點（即蝸室螺旋線的起始點）處，螺旋線的切線與基圓切線間的夾角。為了使液體無沖擊地從葉輪

43、進(jìn)入蝸室，一般等于葉輪出口絕對速度的液流角。 泵舌安裝角：理論上泵舌應(yīng)該在第斷面的基圓上，但這樣做會使泵舌與葉輪間的間隙過小，易產(chǎn)生振動，并且泵舌也太薄。所以一般都將泵舌沿蝸室螺旋線移動角，此角即為泵舌安裝角。泵舌安裝角由表61選取。表61 泵舌安裝角選擇比轉(zhuǎn)速406080130180220280360安裝角10°15°20°25°30°38°45°45°選取泵舌安裝角時，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)安排的可能性，一般應(yīng)使泵舌A處的圓角半徑2.5mm，如果泵比較小，可適當(dāng)加大角。本設(shè)計泵舌安裝角15°。 蝸室斷面面積蝸室

44、斷面面積對泵的性能影響很大，泵比轉(zhuǎn)速越小，影響越大，比轉(zhuǎn)速越大，影響越小。蝸室斷面面積的大小，由所選取的蝸室流速決定。蝸室中的液流速度可按下式計算： （63）式中：蝸室0點處第斷面液流速度，m/s；蝸室中的速度系數(shù)。根據(jù)比轉(zhuǎn)速由文獻(xiàn)5，86選取螺旋形蝸室和導(dǎo)葉中的速度系數(shù)。蝸室最大斷面（即第斷面）處的面積F： （64）由于液體是從葉輪中均勻流出的，故蝸室各斷面面積也均勻第變化，可按下式計算各斷面面積：第一斷面面積： ，；第二斷面面積： ，；第三斷面面積： ，；第四斷面面積： ，；第五斷面面積： ，；第六斷面面積： ，；第七斷面面積： ，。 （65） （66） （67） （68） 式中：斷面?zhèn)缺?/p>

45、傾斜角，；b3壓水室入口寬度，mm；r3壓水室基圓半徑，mm；i= ；過渡圓弧半徑，mm。本設(shè)計中，取300第一斷面尺寸：mm ，mm；第二斷面尺寸：mm ，mm；第三斷面尺寸：mm ，mm；第四斷面尺寸：mm ，mm；第五斷面尺寸：mm ，mm；第六斷面尺寸：mm ，mm；第七斷面尺寸：mm， mm；第八斷面尺寸：mm ，mm。6.2.6 擴(kuò)散管為減少壓力管路中的水力損失，須進(jìn)一步降低壓水室中的流動速度，這一任務(wù)通常由在第斷面后設(shè)置的擴(kuò)散管來實現(xiàn)。液體離開蝸室后進(jìn)入擴(kuò)散管，在擴(kuò)散管中，8085的動能轉(zhuǎn)化為壓力能。擴(kuò)散管末端為泵的吐出口，與吐出管路相連接，所以吐出直徑應(yīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管徑選

46、取，其流速符合經(jīng)濟(jì)流速。擴(kuò)散管的擴(kuò)散角一般取8°12°，擴(kuò)散角過大，會導(dǎo)致邊界層內(nèi)液體脫流，增加水力損失。擴(kuò)散管的長度與進(jìn)口截面直徑之比不得大于2.53，否則，由于邊界層厚度增加，液流會脫流，惡化擴(kuò)散管的工作性能。本泵擴(kuò)散角選取12°，吐出口直徑為76 mm。7 軸向力徑向力平衡計算7.1 軸向力及其平衡 軸向力計算離心泵運行時，因葉輪兩側(cè)的壓強(qiáng)不等而產(chǎn)生了一個方向指向泵吸入口、并與泵軸平行的作用力，稱為軸向力。這個力往往可以達(dá)到數(shù)萬牛頓，使整個轉(zhuǎn)子壓向吸入口，不僅可能引起動靜部件碰撞和磨損，而且還會增加軸承負(fù)荷，導(dǎo)致機(jī)組振動，對泵的正常運行很不利。圖71所示為單

47、級單吸臥式離心泵葉輪兩側(cè)壓強(qiáng)分布圖5。圖71 單級單吸臥式離心泵葉輪兩側(cè)壓強(qiáng)分布圖（71）式中，軸向力，N； 葉輪密封環(huán)半徑，m；葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。在離心泵中，液體自軸向流入葉輪，而由徑向流出，故液體軸向動量變化導(dǎo)致液體對葉輪產(chǎn)生一個軸向動反力，其方向與方向相反。 （72）式中：流過葉輪的理論體積流量；葉輪進(jìn)口前的流速。故作用在單級單吸臥室離心泵葉輪上的軸向力的合力為， （73）對低比轉(zhuǎn)速的離心泵而言，軸向力其主要作用，故計算時往往不計的影響。本設(shè)計由于比轉(zhuǎn)速小，故不考慮的作用。另外，上述式子的推導(dǎo)中，由于不計密封口環(huán)泄露量對軸向力的影響，以及其他未能認(rèn)識的原因，按照計算公式求得的軸

48、向力的計算值往往比實測值小得多，因此，在具體使用時計算公式時應(yīng)作充分考慮。計算得： 軸向力的平衡采用平衡孔平衡軸向力。在葉輪的后蓋板上靠近輪轂的地方開一圈小孔（平衡孔），以使葉輪背面環(huán)形室保持恒定的低壓，如圖72所示。為減少泄露，在葉輪后蓋板也裝上密封環(huán)，其半徑位置與吸入口的密封環(huán)位置一致。一般平衡孔總面積必須大于葉輪后蓋板密封環(huán)間隙面積的4倍5倍，但由于葉輪背面環(huán)形室內(nèi)的流體經(jīng)過平衡孔流進(jìn)葉輪時，會破壞葉輪進(jìn)口處液流的吸入狀態(tài)，增大了葉輪中的流動損失，使流動效率和抗汽蝕性能降低，因而只在小型泵的采用。這種方法簡單，可靠，但平衡效果不佳，不能完全平衡軸向力，只能平衡70%90%的軸向力，剩余的

49、軸向力需由止推軸承來承擔(dān)5。圖72 平衡孔7.2 徑向力及其平衡蝸殼形壓出室泵，其壓出室是按設(shè)計流量設(shè)計的。因此，當(dāng)泵在設(shè)計工況下運行時，葉輪周圍壓出室中液體的速度和壓強(qiáng)的分布基本上均勻的、軸對稱的，故作用在葉輪上的徑向力的合力為0。當(dāng)泵在非設(shè)計工況下運行時，由于葉輪周圍壓出室的液體的速度和壓強(qiáng)分布出現(xiàn)非均勻性，故作用在葉輪上的徑向力的合力不為0，產(chǎn)生一個作用在葉輪上的總的徑向力5。 （74）式中：葉輪出口(包括前后蓋板的寬度) ，m。蝸殼式泵在頻繁啟動或經(jīng)常在非設(shè)計工況下運行時所產(chǎn)生的徑向力，是個交變應(yīng)力（載荷），容易軸產(chǎn)生疲勞破環(huán)，這個交變應(yīng)力也會使軸產(chǎn)生定向的撓度，甚至使密封環(huán)、級間套和軸套、軸承發(fā)生末損壞。因此，必須采用徑向力平衡措施，以設(shè)法消除徑向力。采用雙層壓出室平衡徑向力：單級泵可采用雙層壓出室，即用分隔符將壓出室分成兩個對稱的部分，這兩個部分在其共用的擴(kuò)散管重新匯合，雖然在每個壓出室里壓強(qiáng)分布式不均勻的，但由于上下壓出室相互對稱，從而使泵在所有運行工況下產(chǎn)生對稱的徑向力，作用在葉輪上的徑向力相互抵消，達(dá)到平衡。8 軸承、聯(lián)軸器、鍵的選擇8.1 軸承 軸承選擇根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，可把軸承分為滑動摩擦軸承（簡稱滑動軸承）和滾動摩擦軸承（簡稱滾動軸承）兩大類。滾動軸承是現(xiàn)代機(jī)器中廣泛應(yīng)用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉(zhuǎn)動零件的，具有摩擦（阻力）