华中科技大学离心泵课程设计样本.doc

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课程设计说明书

设计题目: 离心泵水力设计
设计参数: 流量0.1m3/s,
扬程62m,
转速1450rpm

学生姓名:
学 号:
班 级:
完成日期:
指导教师( 签字) :

能源与动力工程学院

目 录
第一章 绪论 - 2 -
1.1泵用途 - 2 -
1.2泵的分类 - 2 -
1.3离心泵主要部件 - 3 -
第二章 结构方案确定 - 4 -
2.1 确定安装高度 - 4 -
2.2 确定泵进、 出口直径 - 5 -
2.3 确定效率和功率以及电动机的选择 - 5 -
2.4 功率的确定 - 6 -
第三章 叶轮水力设计 - 7 -
3.1 叶轮进口直径D0的确定 - 7 -
3.2确定叶轮出口直径 - 7 -
3.3确定出口宽度b2 - 8 -
3.4确定叶片数 - 8 -
3.5确定叶片出口角 - 8 -
3.6确定叶片实际厚度 - 8 -
3.7用速度系数法确定进出口轴面速度 - 8 -
3.8确定叶片出口排挤系数 - 8 -
3.9确定叶片包角φ - 9 -
3.10精算叶轮出口直径D2 - 9 -
第四章 叶轮的CAD设计 - 11 -
4.1轴面图绘制及过水断面检测 - 11 -
4.2轴面流线的绘制 - 13 -
4.3进出口边参数的确定: - 14 -
4.4方网格保角法叶片绘型: - 16 -
第五章 压水室的设计 - 18 -
5.1 基圆直径的确定 - 18 -
5.2 压水室的进口宽度 - 18 -
5.3 隔舌安放角和隔舌螺旋角 - 18 -
第六章 参考资料 - 19 -
第七章 设计感悟 - 19 -

第一章 绪论
1.1泵用途
农业灌溉和排涝, 城市给水排水; 动力工业中锅炉给水泵、 强制循环泵、 循环水泵、 冷凝泵、 灰渣泵、 疏水泵、 燃油泵等; 采矿工业的矿山排水泵、 水砂充填泵; 石油工业中泥浆泵、 注水泵、 深井才有泵、 输油泵、 石油炼制泵等; 化学工业中耐腐蚀泵、 比例泵、 计量泵。
1.2泵的分类
泵的定义: 一般把提升液体、 输送液体和使液体增加压力的机器统称为泵。
分类如下:
( 1) 叶片泵: 利用叶片和液体相互作用来输送液体, 如离心泵、 混流泵、 轴流泵、 旋涡泵等。
( 2) 容积泵: 利用工作容积周期性变化来输送液体, 如活塞泵、 柱塞泵、 隔膜泵、 齿轮泵、 螺杆泵等。
( 3) 其它类型泵: 只改变液体位能的泵, 如水车; 或利用流体能量来输送液体的泵, 如射流泵、 水锤泵等。
流量在5~ 0, 扬程在8~2800范围内使用离心泵比较合适。
泵的优缺点:
优点: 效率高、 体积小、 重量轻、 转速高、 流量大、 结构简单、 性能平稳、 容易操作和维修等。
缺点: 启动前需要灌泵、 液体粘度对泵性能有较大影响, 如下图1-1所示。
图1-1离心泵输送清水的粘度极限
1.3离心泵主要部件

第二章 结构方案确定
2.1 确定安装高度
本次设计的泵叶轮参数为比转速ns=75.75, 流量Q=0.1m3/s, 扬程H=62m。根据比转速选择设计为单机单吸离心泵。
由于比转速为75.75, 由比转速和转速关系公式:

计算得到转速n=1450r/min。
所给参数中没有给定空化余量NPSHr的值以及空化比转速C的值, 故只能利用公式Δhr=计算有关值。
查叶片泵设计手册的表和推荐公式可初选得:
”单吸泵”的空化系数σ===0.0692。
而Δhr==4.292m, C==1007.45。
由于, 故可确定为兼顾空化和效率的离心泵。
同时能够计算给出泵的安装高度:
取NPSHa=1.3NPSHr=5.58m, 常温下清水的=0.24, 吸入液面压力等于大气压力, 根据经验, 设吸入装置损失hc=0.5m, 则Hs= =10.33-0.5-0.24-5.58=4.01m。

2.2 确定泵进、 出口直径
根据水力机械现代设计方法离心泵叶轮设计范例, 吸入口直径Ds由进口流速 (经济流速)决定, , 由于要满足气蚀要求, 初选2—3.5 m/s 试初选选泵的进口流速m/s。
则有 206mm, 根据规范手册要求, 取Ds=205mm。
泵出口直径: Dd=( 0.7~1.0) Ds, 取Dd=144mm, 即取Dd=0.702Ds。
泵进口速度: 3.03m/s
泵出口速度: 6.14m/s。
2.3 确定效率和功率以及电动机的选择
1) 估算水力效率:
0.884, 取0.88.
式中Q为泵的流量( m*3/s) ( 双吸泵取Q/2) , n为泵的转速( r/min)
2) 估算容积效率:
0.963,取=0.96.
该容积效率只为考虑叶轮前密封环的泄漏, 对于有平衡孔、 级间泄漏和平衡盘泄漏的情况, 容积效率还要相应降低。
3) 估算机械效率:
圆盘损失效率 0.903
取0.90
由于要考虑轴承和填料损失的效率, 故假定轴承、 填料损失为2%, 则有最终机械效率0.88。
4) 计算泵的总效率:
0.74。
2.4 功率的确定
1) 轴功率: 78.909
配套电机功率=1.378.909=102.582kw, 查《机械设计课程设计》附表9-1选用电动机, 选用Y315S-4 型电动机。其参数为同步转数为1500r/min, 满载转数为1480 r/min,额定功率为110 kw, 可满足设计要求。
2) 最小轴径的确定:
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, 因此在开始设计时, 可按扭矩确定泵轴的最小直径, 最小直径一般位于联轴节处。
电动机实际扭矩675.63N·m,
取Kg/m2。( 为泵轴材料的许用应力)
则, 最小轴径为40.07mm
按计算误差估计可圆整为40, 可选取为45的轴径, 保证安全。

第三章 叶轮水力设计
3.1 叶轮进口直径D0的确定
1)求
,查《泵产品设计规程》图1-1-15得=0.12
4.18m/s
2) 求经过叶轮的流量
流过叶轮的流量 0.104m3/s。
3) 求叶轮进口直径
164mm( 查《泵产品设计规程》图1-1-15得 K0=4.0) 取该值为叶轮进口直径, 即D0=164mm。
( 由于是单级单吸泵, 因此轮毂直径0mm) 。
3.2确定叶轮出口直径
由速度系数法得到
(查图知, 0.98)。
叶轮出口直径: 449.97mm, 圆整取450mm
3.3确定出口宽度b2
根据水力机械现代设计方法泵设计范例, 由经验公式: 20.66mm,其中, 圆整取22mm。
3.4确定叶片数
当比转速为60-120时, 取Z=6-7, 根据经验, 暂取Z=7。
3.5确定叶片出口角
根据实际情况, 一般取叶片出口角为β2=22.5°。
3.6确定叶片实际厚度
叶片实际厚度 5.44mm( 查表,再利用线性插值法取A=3.315) , 取整得6mm。
3.7用速度系数法确定进出口轴面速度
4.88m/s, 查图知
3.834m/s, 查图知
3.8确定叶片出口排挤系数
0.9224
3.9确定叶片包角φ
根据设计经验, 初步选择包角为120°。
3.10精算叶轮出口直径D2
由于叶轮外径D2及叶片出口安放角对泵的性能影响很大, 特别是在设计流量下能否达到要求的扬程是一个重要问题。用速度系数法确定时, 稀疏的选取时按一般情况确定的, 有一定的近似性。基本方程为主的精确计算和是必要的。
精算公式为:
根据原先设想, 由于吸入室选择为直锥型入口, 故有。
其中取为前知的0.88, , 。
取0.62, 0.8525。
利用初步设定的数据画出轴面图, 利用制图CAD软件将中心线分为11段, 并求出弧长值ΔSi, 取每段中点, 得到ri, 从而得到静力矩:
0.0291

将数据带入得到第一次精算, 将此数据带入得到:
447.12mm
与初步计算的数据误差为0.67%, 小于2%, 能够选用, 可是为了保险起见, 进行再次精算:
0.9218, 3.653m/s,
∴443.37mm, 与前一次相差0.84%。
同理可得, 第三次精算得到443.44mm, 差别不大, 取444mm。
最终结果: 444mm, β2=22.5°。
计算截图如下:

第四章 叶轮的CAD设计
4.1轴面图绘制及过水断面检测
利用上面所得到的数据, 初步设计出叶轮的轴面图如下:

设计之后对其进行过流断面检测:

方法是在流道中作许多个内切圆, 以内切圆的圆心向前后盖板流线作垂线,
连接A、 B两点, 形成三角形ABO, 然后过O点作AB垂线并将其三分, 如上图所示。
作圆弧AEB与AO、 BO相切, 长度为bi, 作为过水断面形成线, C点作为过水断面中心, 半径Rc。成型后如下图所示:
过水断面的面积, 做出每一个断面的面积随过水断面中心线长度变化的趋势即可。
计算结果如下图:
用MATLAB绘制出相应的过水断面检测图:
图形成平缓上升趋势, 属于高效率的曲线, 符合要求, 故可采用。
4.2轴面流线的绘制
采用的方法是将过水断面分为两个流道, 而且两个流道的过水断面面积相等。具体的做法是:
先将出口边分为相等的两段, 在进口边按照进行计算, 其中n——所分流道数
i——从轴线侧算起欲求的流线序号( 不包括前后盖板流线)
此处57mm。
然后从出口便开始, 用与”过水断面检测”相同的方法用小内切圆分流道, 而且是两个流道过水断面面积相等, 如图所示:
如果两个内切圆所在的过水断面面积不相等, 则需继续调整, 知道两个过水断面面积差别在3%以内时才行, 最终结果如上图所示。
4.3进出口边参数的确定:
进口参数:
在轴面流线上初步确定叶片的进口边, 分别与前盖板流线、 中间流线。后盖板流线交于A、 B、 C三点。如下图所示:

分别过A、 B、 C三点作过水断面形成线, 能够得出:
进口直径D1a/mm
165.540
进口直径D1b/mm
119.417
进口直径D1c/mm
79.445
由此可得, 进口圆周速度:
进口u1a/(m/s)
12.56
进口u1b/(m/s)
9.06
进口u1c/(m/s)
6.03
在图中能够求出A、 B、 C三点对应的过水断面面积
进口轴面速度为: , 而进口角β1a'能够由公式:
得到, 进口角, 是进口冲角, 一般采用正冲角, 大小在3°~15°之间。

出口参数:
叶轮的出口圆周速度为: 33.69m/s
理论扬程为: 70.45m。
出口圆周分速度为: 20.49 m/s。
根据公式, 无穷叶片数的理论扬程为: 84.97m。
无穷叶片数的出口圆周分速度为: 24.71m/s。
4.4方网格保角法叶片绘型:
保角变换是将流面展开成平面的方法, 本次设计中采用网格法保角变换具体步骤如下:
在轴面投影图旁画两条夹角等于6°的射线, 作两条射线表示夹角为6°的两个轴面。从出口开始, 沿轴面流线试取长度Δs, 若Δs中点对应的两射线间的弧长Δu与Δs相等, 则往下继续取; 若不相等, 则调整后再算。( 注意: Δs是流线的长度, 而不是射线段之间的垂直长度) 。
具体过程如图:

按照顺序, 从出口边开始, 分别对前盖板流线, 中间流线和后盖板流线进行分割, 得到如上图所示的结果, 过程中能够根据相应的数据列出方程帮助计算:
出口边编号为0, 依次往下编号, 对应网格图中的横线, 竖线为包角的角度, 将流面图展开成平面图如图:

第五章 压水室的设计
压水室是指叶轮出口到泵出口法兰( 对节段式多级泵是到次级叶轮出口前, 对水平中开水泵则是到过渡流道之前) 的过渡部分。设计压水室的原则:
1、 水力损失最小, 并保证液体在压水室中的流动是轴对称的,以保证叶轮中的流动稳定;
2、 在能量转换过程中, 轴对称流动不被破坏;
3、 消除叶轮的出口速度环量, 即进入第二级叶轮之前, 速度环量等于0。
4、 设计工况, 流入液体无撞击损失。
5、 因流出叶轮的流体速度越大, 压出室的损失hf越大, 对低ns尤甚, 因此对低ns泵, 加大过流面积, 减小损失hf。
在水力方面, 螺旋形压水室的流动比较理想, 适应性强, 高效率范围宽。本次设计采用螺旋形压水室。
5.1 基圆直径的确定
, 因此取整数460mm。
5.2 压水室的进口宽度
==44 mm ( 查资料知一般取C=10mm)
5.3 隔舌安放角和隔舌螺旋角
由和的关系查表得, 此处隔舌安放角大小为16°。
隔舌螺旋角应该等于叶轮出口稍后的绝对液流角, 即
而由前所知20.49m/s, 3.686m/s, ∴10.2°。

第六章 参考资料
[1]《叶片泵设计》. 华中科技大学水机教研室.武汉: 华中科技大学出版社
[2]《离心泵》. 陈乃香 吴玉林.北京: 机械工业出版社, :105-143
[3]《水力机械现代设计方法》.孙建平.武汉: 华中科技大学出版社
[4]《流体机械原理》.张克危.北京.机械工业出版社
[5]《泵与风机》.郭立君.北京.中国电力出版社