离心泵涡道三维建模毕业设计论文正文终稿.doc

摘 要
分析了目前离心泵蜗壳在三维模型设计中存在的问题,采用Pro/E 零件模块和曲面造型模块的三维造型功能和实体转换特征,采用了离心泵蜗壳实体模型构造和研究的方法,为离心蜗壳的三维模型设计与生成准确的工程图之间提供了一种新思路。
通过对离心泵蜗壳流道八个过水断面几何形状分析，建立了各过水断面几何尺寸的数学模型,采用计算机辅助设计，从而设计出优秀的泵蜗壳水力模型,提高了泵的效率指标，为泵蜗壳八个过水断面的设计提供了理论依据。然后利用Pro/E的草绘截面和边界混合生成蜗壳的三维形状。
生成的Pro/E 参数化图形直观、简洁、形象，便于修改设计和对产品进行系列化设计。 为采用有限元分析方法和流体动力学分析方法进一步研究离心泵蜗壳提供了实体模型.
关键词： 离心泵蜗壳； 边界混合； 三维建模； Pro/E

I

Abstract
The main problems in three-dimensional modeling design for spiral casing of centrifugal pump were analyzed ,and the design and study method for spiral casing modeling were discussed.Adopting parts module ,curve structure module and transform design deriving engineering drawings were solved.
Through the volute of a centrifugal pump flow analysis of eight cross section geometry, establishing the mathematical model of the cross section geometry, computer-aided design and design excellent hydraulic model pump volute, improves the efficiency of pump indicator for pump volute eight cross section provides a theoretical basis for the design. Then use Pro/E volute of the sketched section and boundary blend to generate three dimensional shapes.
The parameterized drawings derived by Pro/E are easily to be modified for series designs,which offfers a new feasible modeling design.Method for spiral casing .An entity model for futher study with finite-element and hydro-dynamic methods is avaiable.
Key words: centrifugal pump volute; joint border; three-dimensional modeling ; Pro/E

II

目 录
1绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究目的 1
1.3研究意义 1
1.4国内外研究现状 1
1.5研究内容 2
2 离心泵概述 3
2.1离心泵的工作原理 3
2.2 离心泵的主要部件 3
2.2.1 吸水室 4
2.2.2 叶轮 4
2.2.3 压水室 4
2.2.4结构部件 4
2.3离心泵的应用 5
2.3.1给水排水及农业工程 5
2.3.2工业工程 5
2.3.3航空航天和航海工程 6
2.3.4 能源工程 6
2.3.5车辆系统用离心泵 7
3 离心泵设计参数 8
3.1流量q 8
3.2扬程H 8
3.3转速n 8
4 压水室的水力设计 9
4.1压水室的作用 9
4.2螺旋形压水室 9
4.2.1压水室的工作原理 10
4.2.2涡室的主要结构参数及设计（速度系数法） 11
5螺旋形涡室的绘图步骤 17
6 离心泵蜗壳水力设计 20
6.1 设计实例1 20
6.1.1比转数的计算 20
6.1.2叶轮出口宽度 20
6.1.3叶轮外径 20
6.1.4基圆D3 20
6.1.5涡室入口宽度 20
6.1.6涡室隔舌安放角 20
6.1.7涡室断面面积的确定 20
6.1.8涡室扩散管的设计 21
6.1.9八个断面的相关数据 22
6.1.10基于Pro/E的离心泵蜗壳三维建模过程 23
6.2设计实例2 28
6.2.1比转数的计算 28
6.2.2叶轮出口宽度 28
6.2.3叶轮外径 29
6.2.4基圆D3 29
6.2.5涡室入口宽度 29
6.2.6涡室隔舌安放角 29
6.2.7涡室断面面积的确定 29
6.2.8涡室扩散管的设计 30
6.2.9八个断面的相关数据 30
6.2.10基于Pro/E的离心泵蜗壳三维建模过程 32
7总结与展望 34
致 谢 36
参考文献 37

IV

1 绪论
1.1研究背景
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。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。从流体力学角度分析，影响离心泵工作效率的主要部件是离心叶轮和离心蜗壳。随着CAD和CAM技术的广泛应用，离心叶轮和离心蜗壳的设计过程正逐步由二维向三维参数化设计设计转变。不但加快新产品的设计进程和提高产品的设计质量，而且有利于产品的系列化和通用化设计。有关离心泵的叶轮设计技术目前已有报道，但有关离心泵蜗壳三维模型设计技术还不够完善。
1.2研究目的
通过对离心泵蜗壳的设计，可以知道蜗壳的水力损失占整个泵中的损失的很大一部分，为此通过对蜗壳的设计参数的修改可以减少水力损失。并尽可能使水流量轴对称从而提高运行的稳定性。调整蜗壳设计参数提高离心泵的工作效率。
1.3研究意义
蜗壳是离心泵重要的过流部件,蜗壳对于泵的效率指标有很大影响。蜗壳的水力损失大小关键取决于流道八个过水断面的几何形状及几何尺寸的准确度。传统的设计方法是用求积仪法或按比例在方格纸上绘形,然后再计算方格数来确定断面面积,其过水断面的几何形状不理想。传统设计方法的缺点是反复试凑,费工费时,准确度很不容易保证,一般只能达到97%～98%,导致蜗壳内液体流速不均匀,增加了蜗壳流道内的水力损失,使泵的效率指标很难得到提高.根据设计的蜗壳流道过水断面几何形状及几何尺寸计算公式采用计算机辅助设计,减轻了计算工作量,而且过水断面面积的准确度可接近百分之百,提高了泵的效率指标。并克服了方格纸上反复试凑、费工费时、精确度很难保证的缺点。该设计程序适用于清水离心泵、离心式污水泵、离心式杂质泵和离心式潜水泵蜗壳流道过水断面几何尺寸的设计。
1.4国内外研究现状
我国泵工业起步于20世纪初,由于多年战争劫难,基本处于停滞状态。新中国成立后,早期主要汲取前苏联泵技术,在当时的特定历史条件下推动了泵的发展。接着不少泵行业厂在农业排灌、电站、矿山、石油、化工及军工配套等方面研制出较高水平的新型泵.改革开放以来,伴随着中国经济的飞速发展,泵业也得到长足的发展。关键泵产品从部分进口到现在基本全部国化。由于引进产品和KSB等著名企业的进入,我国泵的生产能力显著提高。国民经济部门的主要关键用泵基本上都可以生产。例如:钢厂高压除磷泵;南水北调工程用大型调水泵;矿用大流量高扬程排水泵;电厂用烟气脱硫泵等。以CAD为主的新技术广泛应用，泵的模具、叶片和重要零件开始用数控机床加工,从而可以提高泵的制造质量。泵水力设计与绘型软件逐渐代替人工计算和绘图。泵内流场计算近年计算流体动力学(Computa-tionalFluidDynamics),简称CFD问世,为流体机械流场计算提供了新的思路和手段。用CFD进行流场计算,首先要把计算区域画成三维实体,然后生成网格(GridGen-eration),再用商用CFD软件Fluent等进行计算。
国外工业发达国家的水泵行业起步较早,经过几个世纪的更新与发展,无论在技术、性能还是品种上都日趋完善。泵传统产业的不断创新,近年来,化工、石油化工、电站、矿山和船舶等工业对泵的需求日益增长,促进了泵技术的发展。泵的品种规格繁多,并向大型化、高速化的方向发展。今天,全人类提出可持续发展战略,泵产品更加强调了环保要求。随着新技术要求,国外作为传统产业的泵技术不断进步。20世纪初,首先在英国开发了无泄漏屏蔽泵;20世纪中期美国开发了高速部分流泵。高温、高压泵日益向大型化,高可靠性发展。特殊材料泵,如陶瓷泵、石墨泵、塑料泵以及锆、钛等贵重合金泵也应运而生。继而在水力设计、诱导轮研究、新材料、新工艺、CAD、CAM等方面有了更新发展。美、德、日等国家在长期的泵生产、使用中,建立了一整套完善的标准体系。从而获得更高的效益。国外先进泵制造业,还体现在标准化、系列化、通用化、模块化、便于生产管理,便于用户维护。泵的无级调速,集中控制,各类温度传感器和压力传感器,模拟可视化,实时监控等机电一体化技术得到广泛的应用。
1.5研究内容
根据国内外研究现状及存在问题，本研究重点在于用Pro/E对离心泵进行三维模型设计。使用了Pro/E里的草绘以及边界混合进行三维建模。采用速度系数法计算出八个过水断面的相关数据然后使用Pro/E进行绘图。
2 离心泵概述
2.1离心泵的工作原理
泵是以液体为工作介质，把原动机的机械能转换为液体能量的机械。在离心泵中，能量转换是在带有叶片的转子及连续绕流叶片的液体介质之间进行的，叶片与液体介质之间的作用力是惯性力。原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体做功使其能量增加，从而使液体从洗液池经泵的过流部件输送到要求的高度或要求有压力的地方。
图2-1所示是一个简单的离心泵装置，泵内充满液体，启动离心泵，原动机带动叶轮旋转，叶轮高速转动驱使液体转动，液体转动时依靠惯性向叶轮外缘流去，同时在叶轮入口处压力下降，吸液池（罐）内的液体在外界大气压力与叶轮入口处压力的压差作用下进入叶轮。在这一过程中，叶轮中的液体绕流叶片，在绕流运动中液体作用一升力于叶片，反过来叶片以相反的力作用液体，这个力对液体做功，液体得到能量从而流出叶轮，这时液体的动能与压能均增大。

图2.1 泵工作的装置简图
1-调节阀 2-排出管路 3-压水室
4-叶轮 5-底阀
2.2 离心泵的主要部件
离心泵的结构，首先是过流部分的结构，这是对叶片泵性能产生关键影响的零部件。在离心泵中，过流部件包括吸水室、叶轮和压出室。叶轮及其驱动轴是转动件，其他都是静止件。
2.2.1 吸水室
吸水室（吸入室、吸液室）位于叶轮之前，其功用是将液体从吸水管路引入叶轮的进口处，为了使泵有较好的性能，要求液体流过吸水室时水力损失最小和液体进入叶轮出口时速度分布均匀。吸水室按结构可分为直锥形吸水室、弯管形吸水室、半螺旋形吸水室等几种。
2.2.2 叶轮
叶轮是将能量传给液体的部件，是泵最重要的工作部件，也是过流部件的核心。液体流过叶轮时从叶轮处得到能量，于是液体的动能与压能均增大。根据液体从叶轮流出的方向不同，叶轮分为离心式（径流式）、混流式（斜流式）和轴流式三种，相应的泵称为离心泵、混流泵和轴流泵。离心泵液体流出叶轮的方向垂直于轴线，即沿半径方向流出；混流泵液体流出叶轮的方向倾斜于轴线；而轴流泵液体流出叶轮的方向平行于轴线，即沿轴线方向流出。
2.23 压水室
压水室（压液室）位于叶轮出口之后，其作用是收集从叶轮中高速流出的液体，使其速度降低，转变速度能为压能并且把液体按一定要求送入下级叶轮出口或送入排出管路。压水室主要分为螺旋形压水室、导叶、环形压水室等。液体从叶轮中流出时的速度很大，为了减小压出管路中的水力损失，将液体送入压水管道以前，必须将液体的速度降低，将部分动能转化为压能，这个任务也要在压水室中完成，并且要求压水室内水力损失最小。
2.2.4结构部件
叶片泵的主要部件除了过流部件外，还有泵壳、密封环（口环）、轴和轴承、轴封等结构部件。
1) 泵壳
泵壳也称泵体，它将吸水室、压水室、叶轮室等非转动的固定部分联结成一体。根据泵体的外观，可将泵基本分为蜗壳式和圆筒式两种结构。根据壳体剖分面的情况，又有中开式与整体式之分。
2） 口环
离心泵叶轮的吸入口外缘与泵壳之间留有一定的间隙，此间隙过小将引起机械磨损；但过大时，从叶轮流出的高压液流就会通过间隙大量倒流回吸如侧，以致减少泵的流量，降低泵的效率。所以，为使间隙尽量地小，以减少漏损，同时又使磨损后便于更换与修复，一般在叶轮吸入口外侧及相对应的泵体部位上分别镶装一个口环。此环磨损后很容易更换。由于其即可减少泄露，又能承受磨损，所以称为减漏环或承磨环。
3） 泵轴和轴承
泵轴借轴承的支承，带动泵体中的叶轮旋转，它是泵的主要部件。轴上除装有叶轮外，还装有轴套、联轴器或皮带轮等零件，组合成为泵的转子。泵轴必须有足够的扭转强度和弯曲强度，同时泵转子必须经过静平衡或动平衡试验，以免造成高速旋转时，发生过大的振动，影响泵的安全运行。
轴承是支撑泵转子的部件，承受径向和轴向载荷。一般轴颈在70mm以下的泵轴采用滚动轴承，轴颈大于100mm的泵则用滑动轴承。对于滑动轴承的轴衬材料，有金属和非金属材料两种。金属材料一般采用巴士合金，非金属材料如塑料、橡胶等，轴流泵的导轴承大多在水面以下工作，所以常用橡胶轴承，以水润滑。
4） 轴封机构
在泵轴穿出泵壳的地方，旋转的泵轴和固定的泵体之间设有轴封机构，起着密封的作用。一方面借以减少高压液漏出泵外，同时防止空气从外部进入泵内。轴封机构有多种结构，一般叶片泵最常用的是填料密封和机械密封。
5） 平衡机构
泵运转时在叶轮上产生很大的轴向力，轴承难以承受，必须用各种平衡方法将大部分轴向力平衡掉，使轴承不承受或承受很小一部分轴向力。
2.3离心泵的应用
2.3.1给水排水及农业工程
1水泵站与水泵
在给水排水工程中，泵从水源取水，抽送至水厂，净化后的清水输送到城市官网中去;对于城市的生活污水和工业废水，经排水管渠系统汇集后，也必须由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到江河湖海中去，或者排入农田作为灌溉之用。在污水处理厂内，往往从沉淀池把新鲜污泥抽送到污泥消化池、从沉砂池中排除沉渣、从二次沉淀池中提送活性污泥等，都要用各种不同类型的泵来保证运行。在给水排水中用的最多的泵是大流量的离心泵。
2农业工程
随着科学技术的日新月异，传统农业已逐步转向现代农业，因此生态农业已经成为重要的农业经济增长点。离心泵也在生态农业工程中发挥很大的作用。如我国沿海地区开展的网箱养鱼需要气泵和海水循环泵，对虾养殖需要用污泥泵和海水泵来输送污泥和海水，反季节大棚蔬菜种植需要喷水泵和药水泵等。
2.3.2工业工程
1固体颗粒液体输送
在工业工程中，用液体来输送固体颗粒的流体机械称为固液两相泵，也称杂质泵。
杂质泵是适用于输送各种形式固体物的泵类产品，如矿山输送尾泵的尾矿泵、洗煤厂使用的泥浆泵、电站除灰的灰渣泵和河道疏通的挖泥泵等，已广泛应用于冶金、石化、食品等工业和污水处理、港口河道疏通等作业中。近10年来，矿山、能源工业中，固体物管道输送技术迅速发展，杂质泵的需求日趋增加。同时，在现代科学技术的推动下，杂质泵趋于向高寿命、高效率、多品种的方向发展。
目前世界上各类工业中主要应用的杂质泵有三类：离心泵、隔离泵和隔膜泵。离心式杂质泵占绝大多数。离心式杂质泵按不同用途又分为污水泵、泥浆泵、砂泵、挖泥泵和砂砾泵等。
2石油及化学工业
电动潜油离心泵是应用较广泛的一种无杆抽油设备，把电动机和离心泵一起下到井下与油管相连，电动机通过电缆与地面电源相连接，塔尔井下机组由多组离心泵、保护器和潜油电动机组成。电动潜油离心泵特别适用于油田注水开发中的中后时油井的大排量抽油。
2.3.3航空航天和航海工程
1航空航天
空间科学技术包括大气层以内的航空科技和大气层以外的航天科技，是当代高技术的重要前言之一，是衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志，它强有力地带动相关学科领域的科学技术发展。离心泵在飞机的装备和地面后勤系统中得到广泛的应用。例如，为保证飞机发动机正常的运行的润滑系统中的润滑油泵及冷却水泵，飞机在地面注油用的加油泵和注水用的注水泵，以及飞机饮用水系统中的循环水泵等。航天诶及、宇宙飞船和空间站是进行空间科学研究的重要工具，它们要靠远程大推力运载火箭在发射装置上进行发射并将之送入预定轨道。液体火箭发动机是运载火箭的动力，决定着运载火箭的推力，即决定装载载荷的重量，而涡轮泵推进输送系统则是液体火箭发动机的动力部分，是液体火箭发动机的心脏。涡轮泵的主要功能是将贮箱里的推进剂抽出加压并将之输送到主推力室进行燃烧。涡轮泵主要由推进剂离心泵、涡轮、涡轮的动力源、传动部分及辅助系统所组成。
2航海工程
船舶动力中的离心泵多是滑油泵、汽轮机油循环泵、冷却系统中有淡水泵和海水泵、热水泵、船舶油水分离装置中的油污水泵、真空蒸发造水装置中的淡水冷却泵、凝水泵。
2.3.4 能源工程
1水力发电和抽水蓄能电站工程
水电站供水主要用于水轮发电机组、水冷变压器和水冷空压机等的冷却。用于水电站供排水系统的水泵有卧式离心泵、立式深井泵和潜水泵。离心泵适用于各种类型电站，但由于吸出高度限制，安装位置低，需要考虑防潮和防淹等问题。随着技术的发展，泵和水轮机合成简化为可逆式水泵水轮机，并成为现代抽水蓄能电站的主导机型。
2火电站
火电站是将煤、石油、天然气或其他化石燃料燃烧产生的热能最终转化为电能的工厂。火力发电是比较重要的发电形式，它的发电量占我国发电总量的70%左右。火力发电厂应用的离心泵有凝结水泵、增压泵、给水泵、疏水泵、补给水泵、生水泵、灰渣泵和冲灰水泵等，这些泵的制造技术均比较复杂。
3核电站
核电站是利用一座或若干座反应堆中核燃料裂变产生的热量发电的动力设施，是核能的一种和平利用方式，也是一种较为理想的发电形式。与一般火电站相比，投资高出两倍多，但运行费用约为1/5或更少。自从1954年诞生的第一座核电站至今，世界各国已运行的核电站已有300多座。我国已建成了秦山核电站和大亚核电站，均为压水堆型，其中秦山核电站是我国自行开发设计的第一个核电站。核电站的安全注射系统是为了在一回路冷却剂主管道发生不大可能的双端管道断裂事故时，能保证堆芯的冷却，并防止燃料包壳熔化。停堆冷却系统的主要作用是在停堆后带走堆芯内的衰变热。当发生中小等级的失水事故时，安全注射系统工作；失水较严重时，停堆冷却系统也开始起动。具体来说，在反应堆事故停堆后，发出安全注射信号，安全注射系统的高压安注泵迅速启动，从高位换料水箱吸水（含硼酸），注入堆芯吸热。如果必要的话，安注系统的备用系统，即安全壳喷淋系统中的安全喷淋泵也开始执行安全壳的喷淋冷却任务，若高压安注系统中仍不能保持压力时，停堆冷却系统的余热导出泵也接受负荷，换料水箱的水位降低到低液位时，改为从安全壳集水坑内吸水，形成再循环状态。化学和容积控制系统中的离心式上充泵也可作为高压注水泵用。
2.3.5车辆系统用离心泵
汽油机和柴油机的燃料供给方式是截然不同的：前者是利用汽油泵将汽油箱中的汽油抽入化油器，再与一定比例的空气混合送入燃烧室，电子点火使混合气燃烧后者则采用高压喷射方式将柴油喷入燃烧室，借助汽缸压缩终了温度使其着火燃烧。汽油泵的作用是克服管道和滤清器阻力，将汽油从油箱中吸出，输送到化油器浮子室。汽油泵的形式有机械膜片式、真空膜片式、电磁柱塞式、晶体管柱塞式和电动式。电动式汽油泵是一种离心泵，它利用小型直流电动机直接驱动叶轮以输送燃料，送油料过剩时可通过内部泄油阀排出，并由压力控制器切断电源，工作较稳定。此外，用于汽车发动机其它系统的离心泵有水冷系统中的离心水泵。
3 离心泵设计参数
离心泵的工作状况通常用性能参数来表示，其主要性能参数有流量、扬程、转速、效率和空化余量等，空化余量是表示离心泵抗空化性能的主要参数。
3.1流量q

流量是泵在单位时间内通过泵出口截面的液体量（体积或质量）。
体积流量用表示，单位是等。本书没有特别指明，用q表示体积流量。
质量用表示，单位是等。
质量流量和体积流量的关系为
(3.1)
3.2扬程h
扬程是泵出口截面（泵出口法兰处）和泵进口截面（泵进口法兰处）单位质量液体的能量差值，也就是单位质量液体通过泵获得的有效能量，按定义其单位是即被抽送液体的液柱高度，习惯简称为米。
用角标1表示泵出口截面单位质量的能量，用角标2表示为泵出口截面单位

根据定义，泵的扬程可以写完
(3.2)
式中 ------------泵出口、进口处截面液体的静压力；
-------------泵出口、进口处截面液体的速度；
-------------泵出口、进口截面到任选测量基准面的高度。
泵的扬程表征泵本身的性能，只和泵进、出口法兰处液体的能量有关，而和 泵装置无直接关系，但利用能量方程，可以用泵装置中液体的能量表示泵的扬程。
3.3转速n
转速是叶轮和轴单位时间内旋转的圈数，单位为转每分（r/min）。如果离心泵由原动机直接驱动转速与原动机转速相同。
4 压水室的水力设计
压水室是指叶轮出口到泵出口法兰盘的过流部分。压水室叶轮一起构成泵的过流部件。压水室是固定的过流部件，其绝对速度的大小和过流段面积有关，方向与其几何形状有关。
实践证明，压水室的水力损失是离心泵内水力损失的重要组成部分，非设计工况更为突出，离心泵的性能基本上是由叶轮和压水室共同决定的。因此，压水室设计的优劣，将在很大程度上决定泵的完善程度。
4.1压水室的作用
1.收集从叶轮中流出的液体，并输送到排出口或下一级叶轮吸入口。
2.保证流出叶轮的流动是轴对称的，从而使叶轮内具有稳定的相对运动，以减少叶轮内的水力损失。
3降低液流速度，使动能转换成压力能。
4.消除液体从叶轮流出产生的旋转运动，以避免由此造成的水力损失。
流出叶轮中的液体，其绝对速度值很大，但液体通过压水室以后，绝对速度变小，旋转分量等于零或是很小的值，因而压水室也是将流体动能转换成压力能的过流部件。
压水室可分为螺旋形压水室（或称涡形体）、导叶和环形压水室。

图4.1 压水室的基本形式
a) 螺旋形压水室 b）导叶 c）带导叶的环形压水室
4.2螺旋形压水室
螺旋形压水室的流道由涡室和扩散部分构成，叶轮外缘与漩涡状泵壳体间的空间称为涡室。螺旋形压水室是离心泵中应用最为广泛的一种压水室，主要用于单级单吸式、单级双吸式离心泵和水平中开式多级泵。
螺旋形压水室具有比较完善的过流形状，水力性能好，其适应性较广，泵的高效率区较宽；但其过流部分不能进行机械加工，几何尺寸。几何形状和表面粗糙度完全要由铸造工艺保证。
4.2.1压水室的工作原理
为保证叶轮内具有稳定的相对运动，压水室内的液流应当是轴对称的流动。下面分析满足轴对称流动时压水室流道应该具有的形状。
所谓轴对称流动，就是在同一个圆周上速度大小相等、方向相同，即圆周速度和轴面速度在同一个圆周分别相等。假设液体从叶轮流出后，进入压水室的流动时平面流动，当忽略液体的黏性摩擦力时，这种液流不受任何外力的作用。根据速度矩保持定理，液流的速度矩应保持为常数，等于进口的速度矩，即
(4.1)

图4.2螺旋形压水室工作原理
压水室的形状，最好应当按这种流动规律来设计。下面我们用数学公式来表示这种流动的轨迹（液体质点在不同时间走过的路径）。得到液体流动的轨迹之后，按此轨迹加做固体壁，就做出了符合流动的压水室。由图4.2

因Q、b、为常数，所以流动的液流角保持不变，即是说液体从叶轮流出后的迹线是一条对数螺旋线，液体流动方向和圆周方向的夹角保持不变，这就是螺旋形压水室名称的由来。

由图4.2，螺旋线上任意点的坐标可以表示为
设R=时，=0、。积分得

利用叶轮出口稍后的速度三角形求得，给定不同的角（rad）。可求得相应的半径R，从而可作出这条对数螺旋线来。
实践中所用的螺旋形压水室，为了减小径向尺寸，压水室宽度b多是扩散的。
这样可减小角，从而达到减小径向尺寸的目的。
这种螺旋形压水室，能够满足对压水室的基本要求。第一，压水室布置在叶轮出口外周，能够把从叶轮流出的液体收集起来。第二，在设计工况下液体是符合自由流动，是轴对称的，从而保证了叶轮内相对流动的稳定性。第三，压水室随着收集流量的增加，半径向排出口逐渐增加，减小，由图3.2速度三角形，v亦减小，从而实现动能向压能的转换。这种转换和涡室的尺寸有关。高扬程泵小，角小，涡室的径向尺寸较小，断面积小，所以转换的程度较小。反之，低扬程泵，在压水室内有很大一部分动能转换为压能。为了完全实现动能的转换。压水室螺旋线后接扩散管。第四，由于压水室出口的流动方向和涡室半径相垂直，这种结构保证了消除流动的旋转分量。另外，从流体力学的观点，沿压水室扩散管壁的封闭围线，其中不存着我（叶片等），因而沿封闭围线的环量等于零，液体是没有旋转的。顺便说明，沿空间导叶外壁的封闭围线，其中存在着叶轮叶轮叶片，按理是由旋的。但导叶叶片造成的环量和叶轮的环量相反而互相抵消，所以也是无旋的。在这种情况下，如无导叶，液体的旋转分量则不能消除。
4.2.2涡室的主要结构参数及设计（速度系数法）
为便于计算和绘图，涡室通常取8个彼此成45°的断面，即用8个轴面切割涡室。第Ⅷ断面是涡室的进口断面，如图4-3所示。

4.3 涡室几何参数
1. 比转速的计算
泵的比转速为
(4.2)
2. 叶轮出口宽度
(4.3)

对于比转速较小的叶轮，计算出来的叶轮宽度较小，可根据工艺要求加宽;当>200时，要乘以修正系数k，k值见下表。
表4.1叶轮出口宽度修正系数k与比转速的关系

ns
150
200
250
300
350
400
450
500
k
1.0
0.95
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65

3. 叶轮外径
(4.4)

如果比转速小于60，按上式计算的系数要乘以修正系数k，k值见下表。
表4.2叶轮外径修正系数与比转速的关系
ns
20
25
30
35
40
45
50
55
60
k
1.25
1.22
1.18
1.16
1.13
1.09
1.06
1.03
1.01
4.涡室入口宽度
通常大于包括前后盖板的叶轮出口宽度,至少应有一定的间隙，以补偿转子的窜动和制造误差。有些涡室的取得相当宽，这样使叶轮前后盖板带动旋转的液体可能通畅地流入压水室，回收一部分圆盘摩擦功率，提高泵的效率。通常取
(4.5)
5.基圆直径
隔舌位于涡室螺旋部分的始端，将螺旋线部分与扩散管隔开，切与隔舌头部的圆（或切与第八断面螺旋线起点的圆）称为基圆，以表示。应稍大于叶轮外径，使隔舌和叶轮间有一适当的间隙。该间隙过小，容易因液流阻塞而引起噪声和振动，还可能子啊隔舌处发生空化。间隙增大，能减少叶轮外周流动的不均匀性，降低振动和噪声，并使效率稍有提高，但间隙过大除增加径向尺寸外，因间隙处存在着旋转的液流环，消耗一定的能量，泵的效率（尤其是小流量区域）下降。通常取
(4.6)
高和尺寸较小的泵取大值，反之取小值。
6. 涡室隔舌安放角
过隔舌头部的断面一般称为0断面，隔舌和第八断面的夹角为隔舌安放角，用表示。的大小应保证螺旋线部分与扩散管光滑连接，并尽量减小径向尺寸。高的泵，大，大，涡室外壁向径向扩展的较大，因而取较大的角，以使形状协调便于加工。表3.1列出了和的关系。
表4.3隔舌安放角和比转速的关系
ns

7. 隔舌螺旋角
隔舌螺旋角是在涡室第八断面的点0（即涡室螺旋线的起点）处，螺旋线的切线与基圆切线间的夹角。或近似认为隔舌螺旋角是隔舌处内壁与圆周方向的夹角。为了符合流动规律，减小液流的撞击，隔舌螺旋角应等于叶轮出口稍后的绝对液流角
(4.7)
8. 涡室断面面积的确定（速度系数法）
速度系数法是一种广义的相似换算法，它是根据统计的性能良好涡室的速度系数进行设计的。速度系数法把涡室中的圆周速度当做常数，和叶轮速度系数类似
(4.8)
式中 -----涡室断面的平均速度；
H -----泵的单级扬程；
-----速度系数，值可按图4.4查取。

图4.4 螺旋形室和导叶中的速度系数
涡室中的速度确定后，可按下式计算涡室最大断面（即第Ⅷ断面）处的面积()：
(4.9)
由于液体时从叶轮中均匀流出的，故涡室各断面面积也均匀地变化，可按下式分别计算各断面面积：
(4.10)
9. 涡室扩散管的设计计算
液体离开涡室后进入扩散管，在扩散管中，一部分动能变为压能。扩散管末端为泵的吐出口，一般与吐出管路相连接。所以，吐出直径应该按国家标准规定的管径选取。为了尽量减少在扩散时的水利损失，扩散管的扩散角一般取。如果扩散管太长不便于加工、制造和运输。则可将扩散管分成两段，一段与涡室相连，另一段制成一个短管，作为泵的一个零件。
1）泵进口直径
泵的进口直径也叫泵吸入口径，是指泵吸入法兰处的管路内径。吸入口径由合理的进口流速确定。泵的流速一般为1-3m/s。从制造经济性考虑，大型泵的流速取大些，以减泵的体积，提高过流能力。从提高抗空化性能考虑，应取较大的进口直径，以减小流速，推荐的泵吸入口径、流量和流速的关系列于下表2。对抗空化性能要求高的泵，在吸入口径小于250mm时，可取吸入口流速，在吸入口径大于250mm时，可取。选定吸入流速后，按下式确定进口直径
(4.11)
表4.4 泵吸入口径和流量、流速的关系

吸入口径/mm

40

50

65

80

100

150

200

250

300

400

单级泵

流速/(m.s-1）
1.375
1.77
2.1
2.76
3.53
2.83
2.65
2.83
-
-
流量/(m.s-1)
6.25
12.5
25
50
100
180
300
500
-
-

多级泵
流速/(m.s-1）
1.375
1.77
2.1
2.2
2.3
2.44
2.48
2.54
2.84
3.42
流量/(m.s-1)
6.25
12.5
25
46
85
155
280
450
720
1500

2） . 泵出口直径
泵出口直径也叫泵排出口径，是指泵排出法兰处管的内径。对于低扬程泵，排出口径可与吸入口径相同；对于高扬程泵，为减小泵的体积和排出管路直径，可取排出口径小于吸入口径，一般取
(412)
对于泵功率较大、长管路输送流体的情况，装置扬程以管路损失为主，增大管路直径可降低流速，减小管路损失，从而降低泵的扬程，减小泵的功率，节约能源，降低运行成本，但增大管路直径使一次性投资增加。因此可进行成本优化以确定管路直径，获得最佳经济效益。
泵的出口直径初步确定之后应该按照标准管路直径系列进行圆整，最后确定进出口管路内的流速为
(4.13)
3）扩散管高度L
在保证扩散角和加工及螺栓连接的条件下，应尽量取小值，以减小泵的尺寸。
4）扩散角
为减小扩散损失，一般取。
因扩散管的进口面积不是圆形，为此将变为当量的圆形面积计算当量角
(4.14)
式中 -------扩散管进口当量直径（）。
10. 涡室过水断面的形状参数确定

图4.5蜗壳过水断面的形状
先确定基圆直径和蜗壳进口宽度，以为为底边，作等腰梯形，此梯形的二斜边的斜度应符合
或
并令其面积略大于Ⅷ断面面积，然后将梯形圆角的取大一些，使圆角后的梯形面积等于Ⅷ断面的计算面积，Ⅷ断面计算作成。其他断面的绘制过程与上述Ⅷ断面的绘制过程完全一样，见图3.5.绘图时要注意下述事项：为便于绘制断面、比较各断面的形状和识图方便起见，八个断面可绘制在一起；而为了图面清晰，各个断面可只绘出一半。涡形体外壁如系弧线，则其圆弧半径......应随断面包角的减小而有规律的增大，且应使0断面处为直线。否则会增大隔舌与叶轮之间的间隙，影响泵的性能。断面高度......,圆角半径......，侧壁斜度等均应如前所述，随着包角的减小而有规律的减小。一般的数值是等差的，不小于，如图中断面面积与计算值不符，则以调整断面高度......较为方便。

5 螺旋形涡室的绘图步骤
有了以上的尺寸，就可以绘制图纸了。在绘型时，既要考虑计算时所选定的尺寸，又要考虑到结构安排的可能性。在绘型过程中可能由于结构的需要而对计算尺寸作必要的