螺旋離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-正文2課案

畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書摘 要設(shè)計(jì)了一臺用于輸送固液兩相流體的螺旋離心泵。本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)是螺旋離心泵特有的是三維螺旋葉輪的設(shè)計(jì)。因此，葉輪設(shè)計(jì)是以何希杰和勞學(xué)蘇提出的螺旋離心泵葉輪葉片工作面和負(fù)壓面空間曲線方程為依據(jù)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，葉輪葉片型線為對數(shù)螺旋線。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和工作條件的要求，在設(shè)計(jì)上采用固液兩相流理論對葉輪、背葉片、壓出室等泵過流部件進(jìn)行水力設(shè)計(jì)。說明書從螺旋離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始，分別進(jìn)行了葉輪的設(shè)計(jì)與繪形、壓水室及吸水室的設(shè)計(jì)、軸向力極其平衡、主要通用零部件的選擇、V型帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)和離心泵主要零部件的強(qiáng)度計(jì)算。本文為設(shè)計(jì)高效螺旋離心泵提供了一個(gè)重要的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞 固液兩相流螺旋離心泵三維螺旋葉輪空間曲線對數(shù)螺旋線I畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書AbstractThearticledesignsascrewcentrifugalpumpusedtotransportthemixflowsofsolidandliquid.Theemphasesanddifficultyofthearticleisthedesignofthreedimensionalscrewimpellerownedbyscrewcentrifugalpump.So,thedesignofimpellerisdesignedwiththespacecurvescrewequationofimpellervaneworksurfaceofscrewcentrifugalpumpandminuspressuresurfaceraisedbyXuesuLAOandXijieHE.Itakeitasthegistofdesign.Theimpellervanelineislogarithmscrewcurve.Accordtothedesignparameterandtherequireofworkcondition,onthedesign,wedowaterpowerdesigntoimpeller,backvane,pressouthouseandsomeflowoverpartswiththetheoryofthemixflowsofsolidandliquid.Thearticlestartswithstructuredesignofscrewcentrifugalpump,anddesignthecalculationanddrawingofimpeller,pressureouthouseandoffwaterhouse,theforceofdirectionofaxisanditsbalance,thechoiceofthemainpartsincommonuse,thetransmissiondesignofVstripandintensitycalculationofthepartsofscrewcentrifugalpump.ThearticleprovidesanimportantreferencefordesigningthehighefficiencyscrewcentrifugalpumpKeywords themixflowsofsolidandliquid screwcentrifugalpump threedimensionalscrewimpeller thespacethecurve logarithmscrewcurveII畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書一般部分第一章緒論1.1螺旋離心泵概述泵是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為抽送液體能量的機(jī)器。一般，原動(dòng)機(jī)通過泵軸帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，對液體做功使其能量增加，從而使要求數(shù)量的液體從吸入口通過泵的過流部分，輸送到要求的高度或要求有壓力的地方。泵是世界上最早發(fā)明的機(jī)器之一。現(xiàn)今世界上泵產(chǎn)品產(chǎn)量僅次于電機(jī)，所消耗的電量大約為總發(fā)電量的四分之一。泵的種類甚多，應(yīng)用極為廣泛。除農(nóng)田灌溉、城市和工業(yè)給排水、熱電廠、石油煉廠、石油礦廠、輸油管線、化工廠、鋼鐵廠、采礦、造船等部門外，目前泵在原子能發(fā)電、艦艇的噴水推進(jìn)、火箭的燃料供給等方面亦得到重要應(yīng)用。另外，還可以用泵來對固體如煤、魚等進(jìn)行長距離水力輸送。泵抽送的介質(zhì)除水外，有油、酸、堿漿料一直到超低溫的液態(tài)氣體和高溫熔融金屬。可以說，凡是要讓液體流動(dòng)的地方，就有泵在工作。泵在國民經(jīng)濟(jì)中起著十分重要的作用。根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，泵輸送固態(tài)物質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，如污水污物、泥漿、紙漿、灰渣礦石、糧食淀粉、甜菜水果、魚蝦貝殼等不勝枚舉。據(jù)文獻(xiàn)介紹，如今已成功地從5000米深的海底用泵向陸地輸送猛礦石。對輸送這類物質(zhì)的泵，有兩個(gè)主要要求：一是無堵塞，二是耐磨損。耐磨損主要與材料有關(guān)，無堵塞主要取決于葉輪的結(jié)構(gòu)形式。目前作為無堵塞泵葉輪的結(jié)構(gòu)形式有：開式或半開式葉輪；2.旋流式葉輪；3.單（雙）流道式葉輪；4.螺旋離心葉輪。螺旋離心泵是典型的無堵塞離心泵。世界上第一臺螺旋離心泵是用來輸送魚類，隨后用來輸送固液兩相流體，可以用來排雨水和輸送高黏度液體。為防止故態(tài)物質(zhì)堵塞，使之順利的流出，開式葉輪中有一片或兩片扭曲的螺旋形葉片，在錐形的輪轂體上由吸入口沿軸延長，葉片的半徑逐漸增大，形成螺旋形流道。殼體由吸入蓋和渦殼兩部分組成。吸入蓋部分的葉輪，產(chǎn)生螺旋推進(jìn)作用，渦殼部分的葉輪像一般的離心泵產(chǎn)生離心作用，葉片進(jìn)口的銳角部分將雜物導(dǎo)向軸心附近，再利用螺旋作用使之沿軸線推進(jìn)。這種泵是容積泵和離心泵的組合，故稱為螺旋離心泵。1畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書1.2離心泵主要零部件及結(jié)構(gòu)形式離心泵的主要零部件包括：前蓋板、葉輪、主軸、渦室、后蓋板、軸封、軸承體、帶輪和支架。離心泵中還包括像螺母、法蘭盤、軸承等具有通用標(biāo)準(zhǔn)的零部件。離心泵的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾個(gè)：按主軸方向臥式：主軸水平放置；立式：主軸垂直放置；斜式：主軸傾斜放置。⒉按液體流出葉輪的方向離心式——裝徑流式葉輪；混流式——裝混流式葉輪；軸流式——裝軸流式葉輪。⒊按吸入方式單吸——裝單吸葉輪；雙吸——裝雙吸葉輪。⒋按級數(shù)單級——裝一個(gè)葉輪；多級——同一根軸上裝兩個(gè)或兩個(gè)以上的葉輪。⒌按葉片安裝方法可調(diào)葉片：葉輪的葉片安放角可以調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)；固定葉片：葉輪的葉片安放角度是固定的結(jié)構(gòu)。⒍按殼體剖分方式分段式：殼體按與主軸垂直的平面剖分；；節(jié)段式：在分段式多級泵中，每一級殼體都是分開式的；中開式：殼體在通過軸心線的平面上分開；水平中開式：在中開式中，剖分面是水平的；垂直中開式：在中開式中，剖分面是垂直的；斜中開式：在中開式中，剖分面是傾斜的。⒎按泵體形式渦殼泵：葉輪排出側(cè)具有帶渦室的殼體；2畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書雙渦殼泵：葉輪排出側(cè)具有雙渦室的殼體；透平泵：帶導(dǎo)葉的離心泵；筒式泵：內(nèi)殼體外裝有圓筒狀的耐壓殼體；雙殼泵：指筒式泵之外的雙層殼體泵。⒏特殊結(jié)構(gòu)泵潛水電泵：驅(qū)動(dòng)泵的電動(dòng)機(jī)與泵一起放在水中使用的泵；貫流式泵：泵體內(nèi)裝有電動(dòng)機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置；屏蔽泵：泵與電動(dòng)機(jī)直連（共用一根軸），電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)側(cè)裝有屏蔽套，以防液體進(jìn)入。自吸式泵：在一般的自吸泵中抽送液體作用的葉輪同時(shí)能起灌水作用，泵啟動(dòng)是無須灌水。管道泵：泵作為管路的一部分，無須特別改變管路即可安裝泵。無堵塞泵：抽送液體中所含的固體不能在泵內(nèi)造成堵塞。第二章總體方案的確定2.1設(shè)計(jì)參數(shù)流量Q=80m3/h，揚(yáng)程H=13m，效率η=65%轉(zhuǎn)速：1450r/min，吸程：7m（水柱）2.2方案的確定設(shè)計(jì)上以國際標(biāo)準(zhǔn)的IS泵為基型，此次設(shè)計(jì)的螺旋離心泵，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上采用單級單吸懸臂臥式結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)是裝有背葉片的具有特殊的三維螺旋葉片的葉輪，葉片型線為空間對數(shù)螺旋線，采用液固兩相流理論進(jìn)行水力設(shè)計(jì)。由于該泵是通過其特殊的三維螺旋葉片將螺旋的容積推進(jìn)作用和葉片的離心作用有機(jī)的結(jié)合，使介質(zhì)獲得能量。所以它兼有容積泵和葉片泵的特點(diǎn)，是二者相互結(jié)合的產(chǎn)物。較一般的普通雜質(zhì)泵和旋流泵相比，具有以下特點(diǎn)：1）無堵塞性能好；（2）無損性能好；（3）效率高，與其他同類雜質(zhì)泵相比效率高5%以上；（4）泵的吸入性能好?？沙樗秃瑲饨橘|(zhì)，含氣量在15%以下時(shí)，泵的性能，震動(dòng)基本不發(fā)生變化。（5）具有優(yōu)良的抗汽蝕性能。其他參數(shù)相同的條件下，螺旋離心泵的汽蝕性最好，即NPSHr最小。3畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書該螺旋離心泵在結(jié)構(gòu)上主要有三大部分組成，分別為泵頭部分，軸封部分以及傳動(dòng)部分，分別敘述其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。1．泵頭部分泵頭部分由泵體和泵蓋組成。前，后蓋板的直徑大于葉輪直徑，葉輪可由前或后拆卸，葉輪為螺旋離心葉輪，葉輪的后蓋板帶有背葉片以減少泄露，提高泵的壽命及效率。2．軸封部分本次設(shè)計(jì)的軸封采用填料軸封，填料軸封結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，但需使用軸封水，還需配備供應(yīng)軸封水的泵。3．傳動(dòng)部分傳動(dòng)部分包括托架和軸承組件，軸承根據(jù)傳動(dòng)的功率不同選擇單列向心圓錐滾子軸承，能夠承受泵的最大軸向及徑向載荷，軸承采用干油潤滑，軸承體兩端有密封端蓋，并且有兩道密封圈，能有效的防止污物進(jìn)入軸承，保證軸承安全運(yùn)行，具有較高的使用壽命。2.3原動(dòng)機(jī)的選擇根據(jù)泵實(shí)際工作要求， 該泵與鉆機(jī)配套使用時(shí)，常需要野外作業(yè)，電源使用不方便，故選用柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速選擇 n 2200r/min，用 V型帶傳動(dòng)，因給定泵的轉(zhuǎn)速n=1450r/min，故傳動(dòng)比i=n/n 2200/1450 1.52。柴油機(jī)功率計(jì)算：SmQHm泵輸出功率：Ne3672.65 103 80 13=367=7.5KW式中：Sm——介質(zhì)密度 kg/m3Q——流量（m3/h）Hm——揚(yáng)程（m）泵輸入功率： N=Ne4畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書7.50.65=11.54KW式中： ——泵效率N柴油機(jī)功率：N0111.540.96=12.02KW式中： 1——V帶傳動(dòng)效率，取 1=0.96因此，原動(dòng)機(jī)選擇轉(zhuǎn)速為 n 2200r/min，功率為12KW的柴油機(jī)。2.4水力設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)比轉(zhuǎn)數(shù)：ns3.65nQ34H式中： n——泵軸的轉(zhuǎn)速（r/min）3H——揚(yáng)程（m）故： ns

3.65 145013

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80/3600115.244沉降層速度：vSBFL2gD(s1)=1.3829.80.1(2.651)=2.48（m/s）入口速度：Q80v13.140.052A=2.83（m/s）5畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書出口速度： v2 v1 2.83m/sv1 v2vSB∴滿足設(shè)計(jì)要求。泵的進(jìn)口直徑：DS 100mm（標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤直徑）泵的出口直徑：Dd 100mm（標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤直徑）第三章 葉輪的設(shè)計(jì)3.1概述1982年，A．布斯曼較早地在離心泵葉輪上采用對數(shù)螺旋線。1961年，J．郝比奇在“模型挖泥泵特性”一文中，通過實(shí)驗(yàn)指出，采用對數(shù)螺旋線葉形葉輪的泵，其輸送清水和漿體時(shí)的效率均高于漸開線等葉形的葉輪。目前渣漿泵葉輪葉片型線設(shè)計(jì)中，比較廣泛地采用對數(shù)螺旋線。本次的葉輪設(shè)計(jì)是以勞學(xué)蘇以及何希杰提出的螺旋離心泵葉輪葉片工作面和負(fù)壓面空間曲線方程為依據(jù)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，葉輪葉片型線為對數(shù)螺旋線。3.2葉輪主要參數(shù)的確定圖3-1葉輪軸面投影圖6畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書1．葉輪最大外徑D2max：D2max=k(ns/100)0.168 Dq （m）式中：故：?。?．葉輪出口寬度b2：

3Q/n8036000.0253Dq1450k=10～12.5D2max=k(115.244/100)0.1680.025=0.238 ～0.298（m）D2max=260mmb2=3 (ns)0.53100=3 (115.244)0.53100=80.86（mm）?。?b2=80（mm）3．葉輪出口直徑D1：D1=K13Qn

Dq0.025其中：K13.5～6.53803600D1=K11450=0.836～0.161（m）取D1=100（mm）（主要考慮效率兼顧泵的抗汽蝕性能）7畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書4．輪轂直徑dh：dh=19.96+0.07×ns=19.96+0.07×115.244=28（mm）5．葉輪軸向長度L：L=(1.240.23ns)r2max100=（1.240.23115.244）130100=195.66（mm）圓整后得： L=195 （mm）6．輪緣側(cè)圓弧半徑R1：R1=52.28+0.91 nsR1=52.28+0.91×115.244=157.15圓整后等：R1=160（mm）7．輪轂側(cè)圓弧半徑R2：R2=73.4+1.29 ns=73.4+1.29 115.244=222.06圓整后等：R2=220（mm）8．輪轂側(cè)圓弧半徑R3：R3=60～90（mm）8畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書取R3=70（mm）9．輪緣側(cè)葉片傾角1：1=60.51-0.13ns1=60.51-0.13115.244=45.528取1=4510．輪轂側(cè)葉片傾角2：2=57.1-0.1ns2=57.1-0.1115.2442=45.58取2=4511．葉輪出口傾角 3：3=7.79lnns24.03=7.79ln115.24424.03=12.95取3=1312．葉輪出口最小直徑D2min：D2min=D2max 2b2tg3=260-2 80 tg13=189.45取D2min=190（mm）9畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書13．輪緣和輪轂各段軸向長度L1～L4：L1=（0.45～0.68）L=（0.45～0.68）195=87.75～132.6（作圖在范圍內(nèi)）L2 (0.6～0.8)L (0.6～0.8) 195 117～156取L2=140（mm）L3=（0.2～0.4）L=39～78取L3=60（mm）L4=（0.05～0.08）L=9.75～15.6（作圖在范圍內(nèi)）14．輪緣側(cè)葉片出口安放角 2sh：2sh=tg1V2mu2sh(1Ksh)其中：V2mK2m2gH其中：K2m0.048(ns)0.20.04938100u2shD2maxn/603.142601450/60=19.7297Ksh0.826(ns)0.1770.8055100所以：2shtg10.0493829.81319.7297(10.8055)=11.615．輪轂側(cè)葉片出口安放角2hu：2hu=tg1V2mu2hu(1Khu)10畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書其中：u2uhD2minn60=314.42Khu0.848(ns)0.164100=0.789所以：2hutg10.0493829.81314.42(10.789)=14.516．葉片進(jìn)口安放角1sh,1hu：1sh 12～18取1sh 151hu 60～75取1hu 6517．葉輪出口葉片包角 ex：ex=156.95（ns)0.43100=147.67取ex=15018．輪緣螺線起點(diǎn)處圓弧半徑R0：R0=0.63ns 4.17=0.63 115.244-4.17=68.4311畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書圓整得： R0=70（mm）19．輪轂側(cè)葉片包角 hu：hu=821.17-1.42ns=821.17-1.42 115.244=657.524取hu=65820．輪緣側(cè)葉片包角sh：sh=652-1.02ns=652-1.02 115.244=534.451取sh=53521．計(jì)算葉輪曲面螺線首先計(jì)算葉輪輪緣側(cè)曲面螺線。包括a1a2和a2a3各曲面上的螺線，其次計(jì)算葉輪出口邊a1b1曲面螺線，最后，計(jì)算輪轂側(cè)曲面螺線，包括b1b2，b2b3和b3b4各曲面上的螺線。1）a1a2曲面螺線方程：由何希杰所推導(dǎo)的公式：(1b)r0z(1b)z0式中(z0,r0)為a1點(diǎn)坐標(biāo)(115,130)12畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書根據(jù)邊界條件，以o點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)得a1a2空間曲線方程為：r=130[1-0.00163θ]z=115[1-0.00163θ]θ=0～135(θ=135時(shí),r101.34z=86.34)a2a3空間曲線螺線方程:設(shè)a2a3端點(diǎn)對應(yīng)的螺線轉(zhuǎn)角分別為a2和a3在a2a3上取一點(diǎn)p(z,r)轉(zhuǎn)角為,可建立z,r,三者之間的關(guān)系如下:ZZa2Zz2Za3(a2)a2a3r(RD1)R2(ZZs3)22根據(jù)邊界條件，以o點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)得a2a3空間曲線方程為：Z 115.48 0.216135～535r 206.24 25600 Z2（3）a1b1曲面螺線方程：Z11580150～1500r13080tg12150（4）b1b2曲面螺線方程：Z169.230.172150～100r146.814900(Z186.41)2（5）b2b3曲面螺線方程：13畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書r 99.8[1 0.006]100～86186.41[10.006]6）b3b4曲面螺線方程：Z150.850.18486～520r229.3148400(Z55)2表3-1輪緣側(cè)曲面螺線（部分）值N012345678022.54567.590112.5135157.5180r130125.2120.5115.7110.5106.6101.496.391.3Z115110.7106.6102.497.894.389.781.576.6N91011121314151617202.5225247.5270292.5315337.5360382.5r86.481.676.972.267.663.158.754.450.4Z71.866.96257.252.347.542.537.732.9N18192021222324405427.5450472.5495517.5535r48.647.947.246.846.346.146Z2823.218.313.48.63.70表3-2出口段螺線（部分）值N0-1-2-3-4-5-6-70-22.5-45-67.5-90-112.5-135-150r130127.5125.1122.6120.1117.6115.2113.5Z115126.9138.9150.8162.7174.6186.6194.5表3-3輪轂側(cè)曲面螺線（部分）值N-6-5-4-3-2-10123-135-112.5-90-67.-45-22.022.54567.555r110.103.597.993.288.68479.74.77065.53514畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書Z192.188.6287.261.236.7211.186161.136.1105196.4121N45678910111290112.135157180202.5225247.2705.55r6156.652.2484440.53733.730.5Z134.3130.126.1121111.8113.6109.105.1012.954.2N13141516171819202167.663.158.75450.440427.5450472.5.45r28.426.324.32221.12016.314.113.4.3Z97.192.988.88480.57672.268.164.7.4N222324495517.5520r12.512.212Z59.855.755.222．葉片螺線平面圖根據(jù)上述葉輪葉片曲面螺線計(jì)算結(jié)果，繪制葉片螺線。在圓周上取16個(gè)軸面，每兩個(gè)軸面夾角為22.5,當(dāng)Z=0時(shí),空間螺線在平面上投影,如圖所示:15畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書圖3-2空間螺線在平面上的投影圖23．葉片厚度計(jì)算確定葉片厚度時(shí)，應(yīng)注意到鑄造的可能性，對鑄鐵葉輪，葉片最小厚度為3～4毫米，本次設(shè)計(jì)的葉輪材料選用 MT-4，葉片厚度（S）由經(jīng)驗(yàn)公式求出：SKD2maxH1Z式中： K——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與材料和比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，查表得 K=5D2max——葉輪外徑H——揚(yáng)程Z——葉片數(shù)，Z=1所以：S=51310.261=5.687（mm）?。篠=6（mm）3.3背葉片的設(shè)計(jì)16畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書背葉片的主要作用是減壓，其減壓程度決定了背葉片的幾何參數(shù)。背葉片對于一般的泵而言，還有另一個(gè)作用，就是能夠及時(shí)地把固體顆粒甩至渦室內(nèi)，以防止固體顆粒進(jìn)入填料箱，破壞其密封性能。背葉片減壓后剩余的壓頭HSR可由下列經(jīng)驗(yàn)公式求出：HSR=Hd1n222S22t222式中：()[(D2maxDR)(S2)(DRDS)]2861000tHd——泵腔壓頭（包括灌注壓頭）m，其中灌注壓頭H00.15HHd (1 0.15)Hn——泵的轉(zhuǎn)速n=1450r/minD2max——葉輪外徑cmD2max=27cmDR——背葉片外徑 cmDR=D2min=19cmS2——背葉片寬度 取S2=5mmt——背葉片與渦室間隙 取t=1mmDS——背葉片內(nèi)徑 cm取 DS=8cm故：HSR=（1+0.15）131(1450)2[(262192)(521)2(19282)]286100051HSR=9.65（m）由計(jì)算結(jié)果可知，經(jīng)背葉片減壓后，剩余壓頭為9.65m，如果近似把1bar=10m水柱，則剩余壓頭為0.965bar。第四章壓水室及吸水室的設(shè)計(jì)4.1壓水室的用途及分類壓水室即渦形體，是泵中的一個(gè)非常重要的過流部件。它主要是把從吸水室和葉輪中流通過來的高速流體介質(zhì)，通過葉輪的離心力作用，送入下級葉輪進(jìn)口或者送入排出管路，從而把泵軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能。17畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書常用的壓水室結(jié)構(gòu)形式有環(huán)形壓水室、螺旋形壓水室、以及半螺旋形壓水室。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，螺旋形壓水室比環(huán)形壓水室的效率個(gè)高，所以本次設(shè)計(jì)的螺旋離心泵采用的是螺旋形壓水室。4.2壓水室的設(shè)計(jì)壓水室的設(shè)計(jì)要根據(jù)泵輸送介質(zhì)的特性來決定。過去我國生產(chǎn)的老型號離心雜質(zhì)泵幾乎全是環(huán)形壓水室，壓水室各個(gè)斷面的水流速度不同，用環(huán)形壓水室可減輕隔舌的磨損，但沖擊損失較大，這也是雜質(zhì)泵水力效率很低的原因之一。為了增大效率選用螺旋形壓水室，考慮到離心雜質(zhì)泵的特點(diǎn)，為了減少隔舌處的磨損，降低噪音，提高其壽命，渦殼斷面選擇矩形，如圖所示：泵體斷面圖圖4-3泵體斷面圖螺旋形渦室俗稱渦形體，其主要優(yōu)點(diǎn)是制造比較方便，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小，缺點(diǎn)是單渦殼泵在非設(shè)計(jì)公況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生不平衡的徑向力。在設(shè)計(jì)螺旋形渦室時(shí)，通常認(rèn)為液體從葉輪中均勻流出，并在渦室中作等速運(yùn)動(dòng)，渦室只起收集液體的作用，在擴(kuò)散管中將液體的一部分動(dòng)能變?yōu)閴耗?。渦殼主要由兩部分組成。即壓水室和出水管。主要是壓水室的設(shè)計(jì)，壓水室的作用是以最小的水力損失將葉輪流出的高速水流引向吐出口，并且將水流的一部分動(dòng)能變?yōu)閴毫δ?。壓水室?guī)缀螀?shù)的確定：1．基圓直徑D3：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取D3=290mm18畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書渦室寬度B3：ns 0.905B3=91.97( )=134.57圓整后得：B3=135mm3.隔舌位置角 0：0=15.620.12lnns=15.62-0.12ln115.244=15.05取0=15——從渦室出口中心線起反時(shí)針方向隔舌位置出間隙S0：S0=（0.234-0.041lnns)D3=（0.234-0.041ln115.244)290=8.74取S0=9mm渦室內(nèi)輪廓線型線：采用對數(shù)螺線： 0e式中： 0——初始動(dòng)徑θ——?jiǎng)訌浇恰窍禂?shù)19畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書根據(jù)邊界條件求出 0=202.5， =1.9×103，根據(jù)公式計(jì)算各個(gè)斷面位置和距中心點(diǎn)的半徑。結(jié)果列于下表：表4-1各斷面位置和中心點(diǎn)半徑斷面ⅠⅡⅢ()0304590135(mm)202.5214.5220.6240.3261.7ⅣⅤⅥⅦⅧ180225270315360285.1310.5338.2368.4401.3壓水室的壁厚根據(jù)鑄造要求，強(qiáng)度要求，由經(jīng)驗(yàn)初步選取壁厚為8mm。4.3 吸水室的設(shè)計(jì)吸水室是指泵進(jìn)口法蘭到葉輪出口的過程部分。吸水室的作用是將吸入管中的液體以最小的損失均勻地引向葉輪。吸入室的水力損失比壓水室相比叫得多，但是吸入室中液流的流動(dòng)狀態(tài)直接影響葉輪中的流動(dòng)狀態(tài)。對泵的效率有一定的影響，對泵的汽蝕性能影響也比較大。因此，對吸水室有如下要求：保證葉輪進(jìn)口有要求的速度場，如：速度分布均勻，大小適當(dāng)，方向符合等。吸水室內(nèi)部分布均勻，方向符合等。吸水室的類型主要有：錐形管吸水室、圓環(huán)形吸水室以及半螺旋形吸水室等。由于本次設(shè)計(jì)的是螺旋離心式水泵，省略設(shè)計(jì)洗入室。第五章軸向力及其平衡水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在其轉(zhuǎn)子上作用一個(gè)很大的與軸心線重合的力叫做軸向力。5.1 產(chǎn)生軸向力的主要原因液體流入葉輪吸入口及從葉輪出口流出，其速度大小及方向都不相同，液體動(dòng)量的軸向矢量發(fā)生了變化，因此，由動(dòng)量定理在軸上作用了一個(gè)沖力，這個(gè)作用在葉輪上的力也是軸向力的一部分。20畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書水泵葉輪前后蓋板承受液體壓力的面積大小不等，前后泵腔中的液體壓強(qiáng)分布也不相同，因此，作用于葉輪上的壓力在軸向上不能平衡，造成了一個(gè)軸向力，這個(gè)軸向力是軸向力的主要部分。5.2 軸向力的計(jì)算螺旋式葉輪可按半開式葉輪經(jīng)驗(yàn)公式來近似計(jì)算軸向力，公式如下：F1 2r1 d1kH式中： d1——圓心在葉片入口邊上，并且與葉輪輪廓相切的圓的直徑。d1=(D1dh)/236cmk——軸向力系數(shù)，查表得k=1.63r1——d1圓心處的半徑，r1=（D1D2)/490mm——液體重度，=2650kg/m3故：F123.140.090.0361.63132650=1143N5.3 軸向力的平衡方法1．利用對稱性，平衡軸向力．從分析對稱形狀的雙吸葉輪可知，它相當(dāng)于兩個(gè)單吸葉輪并聯(lián)工作，這種葉輪軸向力是自動(dòng)平衡的．這個(gè)辦法廣泛的應(yīng)用于單吸兩級懸臂泵，渦殼式多級泵以及立式多級泵上．2．改造葉輪，以減少或平衡軸向力．用改變?nèi)~輪形狀的辦法，降低葉輪背面壓力，達(dá)到平衡或者減少軸向力的目的．3．采用專門的平衡裝置，如平衡鼓裝置，平衡盤裝置．4．對于單級小型軸向吸入泵軸向力不太大，一般采用徑向止推軸承來平衡軸向力，但有時(shí)考慮受徑向力作用，可采用圓錐滾子軸承來承擔(dān)．5．采用平衡孔，使后泵腔的下部與葉輪的吸入口相連，使兩面壓力相同，但不能完全平衡軸向力．這種平衡軸向力的方法存在以下兩個(gè)缺點(diǎn)：（１）泵的泄露量大，因此降低了泵的效率．（２）液體流入葉輪時(shí)的速度不均勻，因而降低了葉輪的水力效率．綜上所述，該泵的軸向力較大，如果采用均壓孔來平衡軸向力，不但水力效率降低，又會(huì)因固體顆粒滲入填料箱或串到背葉片內(nèi)，從而加速了葉輪填料及軸的磨損，綜合以上兩種方式，采用單列圓錐滾子軸承平衡軸向力．因?yàn)檫@21畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書種軸承可以同時(shí)承受較大的軸向力和徑向力．第6章 主要通用零部件的選擇6.1 正確選用主要通用零部件的重要性現(xiàn)代大部分機(jī)械設(shè)備中有相當(dāng)部分是通用零部件。也就是說通用零部件對于現(xiàn)代機(jī)械來說，是非常重要的也是必不可少的部分。通用零部件關(guān)系著機(jī)械產(chǎn)品的加工制造效率和經(jīng)濟(jì)效益。因?yàn)楹侠淼耐ㄓ昧悴考倪x擇可以方便產(chǎn)品的組裝和使用后的維修工作。特別是標(biāo)準(zhǔn)化后的零部件對于主要零件的設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件的選購以及方便用戶使用維修方面更是具有非常重要的意義。6.2 軸封結(jié)構(gòu)的選擇一．離心泵常用的填料（１）用石墨或黃油侵透的棉織調(diào)料，用于低壓離心泵輸送常溫清水。（２）石墨侵透的石棉填料，在中等溫度及壓力下使用。一般輸送液體的溫度低于250℃，壓力小于10kg/cm2，最大壓力不小于18kg/cm2。最高溫度為400℃。二．填料密封結(jié)構(gòu)尺寸的確定在已知軸徑或軸套直徑后，可按水泵行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選用填料壓蓋，填料套，填料環(huán)，長扣螺栓和螺母等。填料可取4～6圈，如果沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，填料函的主要結(jié)構(gòu)尺寸可按下列步驟確定。圖6.1 填料函結(jié)構(gòu)1．填料寬度Ｓ（mm）22畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書Ｓ＝（1.4～1.8） d式中：d——軸或軸套直徑所以：S=（1.0～1.8） 56=7.5～13.5取S=9mm2．填料高度H（mm）當(dāng)液體壓力P≤10kg/cm2時(shí)H=（5～7）S=45～63取H=49mm3．填料壓蓋高度h（mm）h=（2～3）S=18～27取h=25mm4．壓入填料函體內(nèi)的填料壓蓋長度 b（mm）b=（0.5～1）S=4.5～9取b=9mm5．填料壓蓋螺栓長度L應(yīng)保證在填料函體內(nèi)裝滿填料時(shí)不需加蓋就就能擰上螺母?！痙’可按下表選取：表6.1螺栓直徑系列軸或軸套外徑20～2530～3540～7580～100螺栓直徑M6M8M10M12’所以螺栓直徑選取為d=M107．填料壓蓋厚度a（mm）’a=（0.7～1.0）d=7～1023畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書取a=7mm三．填料密封的安裝技術(shù)要求1．切割填料時(shí)，最好將它繞在與軸外徑相同的圓棒上切割，以保證尺寸準(zhǔn)確和切口平行、整齊、無松散的石棉線頭，并成30度角。裝填料時(shí)填料接頭必須錯(cuò)開，一般交錯(cuò)120度。2．在安裝時(shí)應(yīng)注意使填料對準(zhǔn)水封環(huán)，以免填料添死水封環(huán)，使水封失去作用。3．在液體溫度超過105℃或吸入壓力大于8kg/cm2時(shí)，對填料函體應(yīng)進(jìn)行冷卻，并采用水冷填料壓蓋。4．為保證填料函的密封性能，對填料函應(yīng)進(jìn)行水封，一般用自來水或從泵吐出口引水即可。由于此次設(shè)計(jì)的為離心式固液兩相泵，為防止泄露現(xiàn)象出現(xiàn)，軸封水經(jīng)計(jì)算得3bar。6.3 軸承部件的選擇軸承是支撐離心泵轉(zhuǎn)子的部件，承受徑向和軸向載荷，在離心泵中應(yīng)用較多的是滾動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)是：軸承磨損小，軸或轉(zhuǎn)子不會(huì)因軸承磨損而下沉很多。軸承間隙小，能保證軸的對中性，互換性好，維修方便，磨損系數(shù)小，泵的啟動(dòng)力矩小，軸承的軸向尺寸小，缺點(diǎn)是擔(dān)負(fù)沖擊的能力較差，在高速時(shí)易有噪音，安裝要求準(zhǔn)確，滾珠的工作能力隨滾珠分離圈線速度的增加而減小?？偟膩碚f，滾動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過缺點(diǎn)，所以，逐漸在各種機(jī)械中廣泛使用。1．軸承的潤滑及結(jié)構(gòu)選擇由于設(shè)計(jì)選用的軸承必須能夠同時(shí)承受軸向載荷和徑向載荷，故選用向心推力軸承，經(jīng)計(jì)算擬選單列圓錐磙子軸承。滾動(dòng)軸承能否正常工作，與軸承的潤滑情況密切相關(guān)，一般來說，被輸送介質(zhì)在80℃以下，轉(zhuǎn)速在2900r/min以下的泵，可以采用脂潤滑，此次設(shè)計(jì)的離心泵轉(zhuǎn)速為1450r/min，常溫下輸送介質(zhì)，故采用脂潤滑，潤滑脂選用鋰基潤滑脂SY1412-75的2#或3#。24畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書2．軸承安裝時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題（1）與內(nèi)圈一起旋轉(zhuǎn)的軸，一般采用過渡配合， js6，k6。（2）安裝時(shí)預(yù)熱軸承內(nèi)圈不允許超過 120℃。（3）裝軸承處的軸面最好淬火處理，以免拆卸時(shí)將軸擦傷。（4）與外圈配合的軸承體可采用過渡配合或間隙配合。第7章V型帶的傳動(dòng)設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和張緊在兩輪上的撓性帶組成。當(dāng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，依靠帶和輪間的摩擦來拖動(dòng)從動(dòng)輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并傳遞一定的動(dòng)力。7.1 主要特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：1結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低；2傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪聲；3能緩沖，吸振和過載保護(hù)；4中心距范圍廣。缺點(diǎn)是：1摩擦型帶傳動(dòng)不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，效率低；2會(huì)產(chǎn)生較大的壓軸力；3使用壽命較短。在近代機(jī)械中，帶傳動(dòng)應(yīng)用廣泛，尤其是在中小功率電動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間的動(dòng)力傳遞中，最為常見。帶的工作速度一般為5～25m/s，使用高速環(huán)形膠帶時(shí)可達(dá)60m/s，使用棉綸片復(fù)合平帶時(shí)可高達(dá)80m/s。膠帆布平帶傳遞功率小于500KW，普通V帶傳遞功率小于700KW。7.2帶型的選擇由于此次設(shè)計(jì)的螺旋離心泵主要從事的是野外工作，所以原動(dòng)機(jī)選擇的是柴油機(jī)，菜油機(jī)和泵軸的連接選擇用V帶傳動(dòng)有兩個(gè)方面的考慮：1方便調(diào)速2當(dāng)泵發(fā)生堵塞時(shí)，V型帶可以打滑以防止損壞柴油機(jī)。由于所選柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n2200r/min和柴油機(jī)計(jì)算功率12.02KW，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中冊圖8-1初選膠帶為A型。小帶輪直徑D1：由表8-6和表8-12選擇D1=100mm大帶輪直徑D2：D2=(1D1n')n=(110022000.05)145025畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書=144mm式中：——比例系數(shù)，取=0.05計(jì)算帶長：D1D2100144122Dm22D2D11441002222取中心距a：a=500mm帶長L：2L=Dm2aa=3.141222222500500=1384.05取基準(zhǔn)長度Ld=1400mm求中心距和包角：中心距a：LDm122a（LDm）844a=14003.141221（140028222443.14122）=508mm小帶輪包角1：1=180D2D160a=18014410060508=174.8≥120求帶根數(shù)：D1n1帶速V：V60 100026畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書14100220060100011.45m/s根數(shù)Z：z Pc(P0 P0)KaKL式中：Pc——計(jì)算功率12.02KWKa——包角系數(shù)，查表13.10得0.98KL——長度系數(shù)，查表13.11得0.96P0——單根V帶的基本額定功率，查表13.4得2.8KWP0——單根V帶的基本額定功率的增量，查表13.6得0.24KW12.02所以 z(2.8 0.24) 0.98 0.96取z=4根求軸上載荷張緊力F0：F0pc2.51]qv2=500[zvK=50012.02[2.51]0.111.452411.450.98=216.6N軸上載荷FQ：FQ=2zF0sin12=24216.6sin174.8227畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書=1731 N第8章離心泵主要零部件的強(qiáng)度計(jì)算離心泵的主要零部件在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算以滿足運(yùn)行和安全要求。在螺旋離心泵中，需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的零部件主要有：泵體，泵軸和軸承。8.1泵體的強(qiáng)度計(jì)算渦室是離心泵中較大的零件，并承受高壓液體作用。所以，渦室應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，本次設(shè)計(jì)的螺旋離心泵的泵體強(qiáng)度計(jì)算是校核渦室的壁厚，計(jì)算公式如下：Q HS ScgH [ ]式中：S——渦室厚度 cm[ ]——許用應(yīng)力（kg/cm2），鑄鐵100～150（kg/cm2），鑄鋼200～250kg/cm2。Scg——渦室當(dāng)量壁厚，Scg=15450.0084ns7.2ns=15450.0084115.2447.2115.244=21.57S=80/36001321.5713200=0.58cm所以設(shè)計(jì)時(shí)選用MT-4，壁厚為8cm，滿足強(qiáng)度要求。8.2 泵軸的校核校核過程如下：28畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書受力簡圖如下：YBXG280A BBY圖8-1受力簡圖已知： FG——葉輪自重，經(jīng)估計(jì)FG=180NFL——V帶泵軸的拉力，F(xiàn)L=1012.2NT——泵軸傳遞的扭矩，T=49.7N.m計(jì)算支撐反力：水平面反力：FAX180260234N200FBX234180414N垂直面反力：FAY1012.2120607.3N200FBY607.31012.21619.5N畫彎矩圖：水平面彎矩圖：.mA B圖8-2水平面彎矩圖垂直面彎矩圖：46800 .mA B29畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書圖8-3垂直面彎矩圖合成彎矩圖：.m46800 .mA B圖8-4合成彎矩圖畫轉(zhuǎn)矩圖：T=49700N．mm轉(zhuǎn)矩圖：49700 .mmA B圖8-5轉(zhuǎn)矩圖許用應(yīng)力：許用應(yīng)力值：用插值法由表得[ 0b] 102.5Mpa,[ 1b] 60Mpa應(yīng)力校正系數(shù)：[[

1b0b

] 600.59] 102.5畫當(dāng)量彎矩圖：當(dāng)量彎矩：在A點(diǎn)： M M2 (T)2=910982293232=95701 N.mmA點(diǎn)處軸徑:50mm30畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書軸徑:M395701=25.2≤50mmdA30.1600.1[]軸鋼度校核:由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)公式,單級懸臂泵比t/l≤1.0～1.5就不會(huì)有問題.t/l=260/200=1.3≤1.5,故鋼度可滿足要求.8.3 軸承的校核查表得30210軸承的主要性能參數(shù)如下：Cr 75.2103N,Cor 92103N,e 0.42Y 1.4,Y0 0.8,N0 4300r/minFrAF2AXF2AY1467.7223421486.2NFrBF2BXF2BY45524142615NBrBr圖8-6受力分析圖壽命計(jì)算：附加軸向力：FrA1486.2FSA531N2Y2.8FrB615.2FSB219.7N2Y2.8軸承軸向力：31畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書F 2350NFSB2540.7NFSA故軸承A被壓緊，F(xiàn)1 FSA 531NF2FSBF2540.7NX/Y值：F1531e.XB0.4YB1.6FrB0.86615.2F22540.7e.XA0.4YA1.6FrA1.71486.2沖擊載荷系數(shù)fd：考慮到輕沖擊，查表得 fd=1.2當(dāng)量動(dòng)載荷：PA fd(XAFrA YAF1) 1.2 (0.41086.2 1.6 531) 1541NPBfd(XBFrBYBF2)1.2(0.46151.62540.7)4311N軸承壽命：因PAPB，只計(jì)算B軸承壽命：L10h16670(Cr)16670(0.873.2103)17796.7hnPB14504311每天工作360天，每天工作8小時(shí)，則其工作年限為17796.7 。6.2年360 832畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書第九章 結(jié)論“螺旋離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”介紹了一種高效、實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。它采用實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場運(yùn)行性能指標(biāo)都優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)公式，本次設(shè)計(jì)我采用了勞學(xué)蘇以及何希杰提出的螺旋離心泵葉輪葉片工作面和負(fù)壓面空間曲線方程為依據(jù)的設(shè)計(jì)方法，葉輪葉片型線為對數(shù)螺旋線。從而為設(shè)計(jì)性能優(yōu)秀的螺旋離心泵提供了保障。此次設(shè)計(jì)的螺旋離心泵具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：（1）無堵塞性能好；（2）無損性能好；（3）效率高，與其他同類雜質(zhì)泵相比效率高5%以上；4）泵的吸入性能好?？沙樗秃瑲饨橘|(zhì)，含氣量在15%以下時(shí)，泵的性能，震動(dòng)基本不發(fā)生變化。（5）具有優(yōu)良的抗汽蝕性能。其他參數(shù)相同的條件下，螺旋離心泵的汽蝕性最好，即NPSHr最小。因此，此螺旋離心泵在市場上有廣闊的應(yīng)用和開發(fā)前景。適用于各種行業(yè)。在本次設(shè)計(jì)中，一方面我自己做了大量的努力；另一方面也得到了各位指導(dǎo)老師的大力幫助，這才使得我的設(shè)計(jì)能夠按時(shí)完成?？梢钥隙ǖ氖?，本次設(shè)計(jì)中由于本人的知識層次及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，難免會(huì)有一些不足之處，懇請各位老師批評指正！參考文獻(xiàn)丁成偉.離心泵與軸流泵.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981:143-158A.J.斯捷潘諾夫.離心泵和軸流泵.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1980:74-93金樹德,陳次昌.現(xiàn)代水泵設(shè)計(jì)方法.北京:兵器工業(yè)出版社,1993:139-148雷宏.機(jī)械工程基礎(chǔ)(上冊).黑龍江:黑龍江人民出版社,2000:142-215雷宏.機(jī)械工程基礎(chǔ)(中冊).黑龍江:黑龍江人民出版社,2000:603-605雷宏.機(jī)械工程基礎(chǔ)(下冊).黑龍江:黑龍江人民出版社,2000:760-778勞學(xué)蘇,何希杰.螺旋離心泵的原理與設(shè)計(jì)方法.水泵技術(shù),1997,20(5):6-13厲浦江.螺旋不堵塞泵的設(shè)計(jì)方法.流體機(jī)械.1995,36(6):20-24朱榮生,關(guān)醒凡,黃道見.螺旋離心泵主要幾何參數(shù)的確定.流體機(jī)械,1996,21(6):24-2533畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書10田愛民.離心式渣漿泵葉輪的磨損規(guī)律研究. 水泵技術(shù),1997,9(31):7-15陳次昌.螺旋離心泵的特點(diǎn)及性能.流體工程,1992,25(7):39-44封俊.螺旋式離心泵的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景.水泵技術(shù),1992,19(3):3-7劉自貴.螺旋式離心泵的研究與設(shè)計(jì)實(shí)踐.中國水利水電科學(xué)研究所論文,1993田愛民,許洪元,羅先武.離心式渣漿泵葉輪的磨損規(guī)律研究.水泵技術(shù),1997,25(13):7-15何希杰.渣漿泵工作原理和設(shè)計(jì)方法.流體機(jī)械,1994,36(13):17-22許洪元,羅先武.磨料固液泵.北京:清華大學(xué)出版社,2000:26-48MStahle,D.Jackson.theDevelopmentofaScrewCentrifugalPumpForHandlingDelicateSolids.WordPumps.1982:185-192DJackson.theHighEfficiencyImmersiblePumpforSolidingHandlingApplication.WordPumps.1982:195-302專題部分34畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書專題設(shè)計(jì)-自激振蕩射流噴嘴內(nèi)流數(shù)值模擬研究9.1引言自激振蕩水射流技術(shù)是一項(xiàng)全新的水射流技術(shù)。 研究自激振蕩水射流噴嘴內(nèi)流的運(yùn)動(dòng)對于優(yōu)化水射流切割技術(shù)是非常重要的。噴嘴內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是一種非常復(fù)雜的三維流動(dòng)，應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)對噴嘴內(nèi)流復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，既經(jīng)濟(jì)可靠又快速方便。避免了實(shí)驗(yàn)過程中周期長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、浪費(fèi)人力物力和財(cái)力等缺點(diǎn)。9.2流場控制方程流場的求解，是通過求解雷諾時(shí)均、可壓縮N-S方程來得到的。通過調(diào)整數(shù)值算法的有關(guān)項(xiàng)，使用于求解可壓縮流動(dòng)的程序可以用來模擬不可壓流。（1）基本假設(shè)：流體在流動(dòng)過程中不可壓縮。（2）基本方程：質(zhì)量方程：t(U)0（1）動(dòng)量方程：(U)(UU)2xUxxrp（2）t能量方程：(h)Uh)Dpq（3）(Dtt剪切應(yīng)力為：2effeij2U（4）ijeffij3其中eij為：35畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書1UiUj（5）eijxjxi2有效粘性是分子粘性和湍流粘性的和eff T （6）式中的湍流粘性是由湍流模型得到的， 是單位體積的粘性損失，由下式表示：eff2eijeij2U23（7）熱通量q為qKKTT（8）這里K和KT分別為分子和湍流的熱傳導(dǎo)系數(shù)。在此處的分析中，假設(shè)不存在熱通量。湍流的時(shí)均方程：uiuiulFi1pt2ui（9）txixixixj式中字母上方的橫線表示時(shí)均值， 為紊動(dòng)粘性系數(shù)。9.3方程離散求解區(qū)域劃分成一系列有限的控制體，如圖1所示，然后寫出一個(gè)控制體上的質(zhì)量（連續(xù)性）、動(dòng)量和能量的一般輸送方程并進(jìn)行離散。36畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書圖1流體區(qū)域控制體網(wǎng)格劃分示意圖9.4流場三維模擬計(jì)算（1）給定的計(jì)算條件初始條件為：入口壓強(qiáng)15Mpa、粒子直徑0.35mm。（2）網(wǎng)格劃分采用美國Fluent公司的GAMBIT2.0軟件進(jìn)行有限元建模、網(wǎng)格劃分及設(shè)置邊界條件。將網(wǎng)格大小定為0.2，0.8-1之間的網(wǎng)格數(shù)為225個(gè)，占網(wǎng)格總數(shù)的0.05%，說明網(wǎng)格劃分較為理想。網(wǎng)格圖如圖所示。圖2模型網(wǎng)格劃分（3）邊界條件在GAMBIT2.0中設(shè)置求解器為FLUENT5/6，對有限元模型設(shè)置邊界條件。將有限元模型中的邊和面共分為以下幾種類型：①流體（FLUID）區(qū)域：圖2所示區(qū)域均為流體流動(dòng)區(qū)域；②入口（inlet）：為壓力入口（PRESSURE-INLET）給出進(jìn)口全壓p1；③出口（outlet）：為自由流動(dòng)出口（OUTFLOW），給定出口背壓p2；④墻（wall）：為只有一個(gè)流動(dòng)區(qū)域擁有的面，設(shè)置為墻（WALL），流體在墻內(nèi)流動(dòng)，不能跑到墻外去。內(nèi)部流場的分析利用美國Fluent公司的軟件FLUENT6.0來進(jìn)行模擬分析。計(jì)算前，選用離散、隱式求解器，二階k-epsilon湍流模型。湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能擴(kuò)散率。湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能擴(kuò)散率由下面表達(dá)式確定：(k) ( ki) ( t) k Gk Gb YM Sk （10）t xi xi k xj37畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書2()(i)(t)G1(GkG3Gb)G2S（11）txixixjkk設(shè)置進(jìn)口相對壓力為15Mpa，選擇二階迎風(fēng)方程（SecondOrderUpwind）進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖3～圖10所示。圖3 Z軸速度等值線云圖38畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書圖4Z軸速度等直線云圖圖5動(dòng)壓力等值線云圖圖6速度大小等值線云圖39畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書圖7全壓等值線云圖圖8湍動(dòng)能等值線云圖40畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書圖9湍動(dòng)能耗散率等值線云圖圖10靜壓等值線云圖計(jì)算結(jié)果分析圖3表示Z軸速度等值線分布情況，由圖可知，速度在同一截面上呈完全軸對稱分布，速度不斷增加，且在振蕩腔軸心線上達(dá)到最大。振蕩腔內(nèi)有明顯回流，在渦流中心速度最小。圖4表示Z軸速度矢量分布情況，由圖可知，速度和圖3有相似的分布，41畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書不同的是振蕩腔內(nèi)的回流不是很明顯。圖5表示動(dòng)壓力等值線分布情況，由圖可知，動(dòng)壓力在同一截面上的分布也是呈完全軸對稱的，壓強(qiáng)不斷減小，入口處壓強(qiáng)值最大，震蕩腔內(nèi)回流區(qū)域壓強(qiáng)值最小，加粒子的孔處壓強(qiáng)為相對負(fù)壓，因此不會(huì)出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象。圖6表示速度大小等值線分布情況，從圖上我們可以看出，速度由于軸對稱的外界邊界條件同樣呈軸對稱分布，速度不斷增加，在振蕩腔軸心線上達(dá)到最大。震蕩腔內(nèi)有明顯的回流，在渦流中心速度最小。圖7表示全壓等值線分布情況，壓強(qiáng)等值線呈完全軸對稱，且邊界處壓強(qiáng)變化梯度比中心線處大。圖8表示湍動(dòng)能k等值線變化情況，震蕩腔內(nèi)變化幅度最大，同時(shí)也在此期間達(dá)到最大值。圖9表示湍動(dòng)能耗散率等值線變化情況，與k相似，在振蕩腔內(nèi)變化幅度最大，在此期間達(dá)到最大值，入射段幾乎為零。圖10表示靜壓等值線分布情況，靜壓的過渡比較明顯，且分布比較均勻，入口出靜壓最大，震蕩腔內(nèi)靜壓最小，出口段靜壓有所升高。42畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書附錄1外文翻譯1999年10月19日在日本.Lsinomaki(舉行的)關(guān)于水射流技術(shù)新應(yīng)用進(jìn)行情況的國際研討會(huì)K-3水射流噴丸后鋁合金的疲勞表現(xiàn) :初步結(jié)果M.Ramulu,M.Jenkins,S.Kunaporn美.國.華盛頓.西雅圖.華盛頓大學(xué)摘要一項(xiàng)關(guān)于7075-76鋁合金高壓下水射流的實(shí)驗(yàn)性研究被用于指導(dǎo)調(diào)查水射流對高周期疲勞壽命和疲勞裂紋的生長狀況的影響.無刻痕的沙漏圓形交叉區(qū)測試樣品進(jìn)行的是完全反轉(zhuǎn)屈服的疲勞測試來判斷疲勞壽命特性(S-N)曲線,單邊無刻痕光滑可拉伸的測試樣品在拉力的作用下進(jìn)行疲勞裂痕生長測試來判斷疲勞裂痕傳播情況.通過電子顯微鏡的仔細(xì)觀察來判斷表面特性和斷幾面.結(jié)果表明水射流噴丸能增加高周期疲勞壽命,延緩疲勞裂痕的發(fā)生,而且減小疲勞裂痕擴(kuò)大的比率.43畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說明書關(guān)鍵詞 水射流噴丸 S-N曲線 高周期疲勞 疲勞裂痕生長簡介工程零件的循環(huán)疲勞情況的改善已經(jīng)隨著生產(chǎn)中各種各樣的方法的使用取得效果,例如:鍛造、焊接、扎制、噴丸、淬火、鑄造等等。在所有這些方法中，噴丸（迅速的轟擊和隨后的工件表面的表層變形）已被廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗黾庸ぜ难h(huán)疲勞壽命，而且減少了材料對腐蝕裂開的敏感性?？墒菄娡柽^程中的一些限制，像高成本，程序裝備的困難，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。最近，一種取代性的噴射表面變形程序被引進(jìn)，即使用高壓水射流沖擊材料表面。水水流噴丸（將要代替噴丸）已受到歡迎，因?yàn)樗鼜浹a(bǔ)了噴射噴丸了一些缺點(diǎn)，即它干凈，成本不高，無毒，另外，最近的幾個(gè)調(diào)查已經(jīng)顯示水射流噴丸和傳統(tǒng)的射流噴丸有相似的過程和表現(xiàn)結(jié)果。這些研究表明在水射流的沖擊下在工件材料的深層產(chǎn)生塑性變形。并且因而產(chǎn)生了剩余應(yīng)力，增強(qiáng)了表面工作硬化。工作硬化的增加和隨之而來的剩余應(yīng)力是預(yù)想到的效果，因?yàn)槿绻冃伪砻嫦鄬褚恍?，?jīng)過噴丸的工件的循環(huán)疲勞壽命提高了。水射流噴丸的疲勞壽命增加機(jī)理與噴射噴丸的是不同的。然而，Blickwedlet.al和Tonshoffet.al的研究發(fā)現(xiàn)水射流對鋼材的影響和噴射噴丸在疲勞壽命的改善方面有相同的變形效果.Tonshoffet.al的研究表明水射流噴丸和噴射噴丸相比的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是水射流噴丸后的表面的粗糙度與原有的表面比幾乎沒有變化,Blickwedlet.al也觀察到由高速水射流產(chǎn)生的壓縮剩余應(yīng)力發(fā)生在腐蝕產(chǎn)生的“潛伏期”。由高速射流產(chǎn)生的被腐蝕的鋁合金表面特性被Yamauchiet.al揭示出來.最近,作者進(jìn)行了一個(gè)范圍很廣的高壓噴射條件下工作硬化