離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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1前言勞動(dòng)人民在與自然界的斗爭(zhēng)中創(chuàng)造了最原始的提水工具,如水車(chē)、轆轤等,這些就是水泵的雛形。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)和掌握,這些原始的提水工具就發(fā)展成為現(xiàn)代的泵。現(xiàn)在,水泵作為一種通用機(jī)械,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。農(nóng)業(yè)的灌溉和排澇,城市的給水和排水都需要泵。在工業(yè)的各個(gè)部門(mén)中,泵更是不可缺少的設(shè)備。如在動(dòng)力工業(yè)中需要鍋爐給水泵、強(qiáng)制循環(huán)泵、循環(huán)水泵、冷凝泵、灰渣泵、疏水泵、燃油泵;在采礦工業(yè)中需要礦山排水泵、水砂沖填泵、水采泵、煤水泵;在石油工業(yè)中需要泥漿泵、注水泵、深井采油泵、輸油泵、石油煉制用泵等;在化學(xué)工業(yè)中需要耐腐蝕泵、比例泵、計(jì)量泵等;在交通運(yùn)輸工業(yè)中需要燃油泵、噴油泵、潤(rùn)滑油泵、液壓泵等。由此可見(jiàn)泵在工業(yè)中起到舉足輕重的作用。以前,泵只用來(lái)輸送常溫清水,所以常把泵稱(chēng)為水泵。但是,現(xiàn)在這個(gè)概念已經(jīng)不十分確切了。據(jù)國(guó)家有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì),離心泵每年的耗電量占總發(fā)電量的10 。葉輪機(jī)械主要的能量轉(zhuǎn)換是在葉輪中完成的,因此設(shè)計(jì)高效率的葉輪對(duì)離心泵的節(jié)能降耗有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的飛速發(fā)展,CFD(計(jì)算流體力學(xué))對(duì)離心泵流場(chǎng)分析結(jié)果的可信度逐增強(qiáng),其分析結(jié)果運(yùn)用于工程實(shí)踐是可靠的。本文在總結(jié)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的優(yōu)缺點(diǎn)后,引出現(xiàn)代運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算理論的離心式水泵的葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,即速度系數(shù)設(shè)計(jì)法。在目前世界能源日趨緊張的形勢(shì)下,降低泵的能量損失,提高它的效率是一個(gè)更加有意義的事情。葉輪是離心泵最重要的部件,在某種意義上來(lái)說(shuō)離心泵的優(yōu)化問(wèn)題就是對(duì)葉輪的優(yōu)化。所以把對(duì)離心泵葉輪的優(yōu)化作為本文研究?jī)?nèi)容。本文主要對(duì)離心式水泵的葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),首先弄清離心泵工作性能的主要參數(shù),需要設(shè)計(jì)葉輪結(jié)構(gòu)的各部分尺寸,在葉輪設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)泵的性能影響較大的參數(shù)主要有:葉輪進(jìn)、出口直徑 和 ,葉片的進(jìn)、出口寬度 、 ,葉片的進(jìn)、出口安裝角 、0D2 1b2 1等 6 個(gè)參數(shù)。所以合理設(shè)計(jì)這些參數(shù)非常重要。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)葉輪的強(qiáng)度進(jìn)行2計(jì)算,在工作過(guò)程中,離心泵零件承受各種外力的作用,使零件產(chǎn)生變形和破壞,而零件依靠自身的尺寸和材料性能來(lái)反抗變形。一般,把零件抵抗變形的能力叫做剛度,把零件抵抗破壞的能力叫強(qiáng)度。所以,在設(shè)計(jì)離心泵葉輪時(shí),應(yīng)使零件具有足夠的強(qiáng)度和剛度,以提高泵運(yùn)行的可靠性和壽命。葉輪的強(qiáng)度計(jì)算主要分為葉輪蓋板強(qiáng)度、葉片強(qiáng)離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2度和輪轂強(qiáng)度三部分。葉輪的繪型和葉輪的技術(shù)要求也是相當(dāng)重要的,這是保證葉輪正確葉片形狀的必要前提。最后,通過(guò)建立數(shù)字模型對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。31 離心泵葉輪結(jié)構(gòu)葉輪機(jī)械主要的能量轉(zhuǎn)換是在葉輪中完成的,因此設(shè)計(jì)高效率的葉輪對(duì)離心泵的節(jié)能降耗有重要意義。葉輪是離心泵的最重要的零部件,在某種意義上來(lái)說(shuō)離心泵的優(yōu)化問(wèn)題就是對(duì)葉輪的優(yōu)化。所以設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的離心泵葉輪結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。1.1 葉輪葉輪是離心泵最主要的零部件,葉輪是將來(lái)自原動(dòng)機(jī)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 1-1 a 所示的這種葉輪叫閉式葉輪;如果葉輪沒(méi)有前蓋板,就叫半開(kāi)式葉輪,如圖 1-1 b 所示。沒(méi)有前蓋板、也沒(méi)有后蓋板的葉輪叫開(kāi)式葉輪,開(kāi)式葉輪在一般情況下很少采用。后 蓋 板 輪 轂后 蓋 板葉 片葉 片 輪 轂前 蓋 板a ) b )圖 1-1 離心泵的葉輪a) 閉式葉輪 b) 半開(kāi)式葉輪Fig.1-1 Leave leafs round of heart pumpa) Shut type leaf round b) The half open type leafs round1.2 離心泵的主要性能參數(shù)離心泵上都有標(biāo)牌,標(biāo)牌上標(biāo)明了泵的型號(hào)、主要參數(shù)和指標(biāo)。表示泵工作性能的參數(shù)叫泵的性能參數(shù),如流量 Q、揚(yáng)程 H、轉(zhuǎn)速 n、功率 N、效率 、汽蝕余量 (或吸h上真空度 )等。sH離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)41.2.1 葉輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)在葉輪設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)泵的性能影響較大的參數(shù)主要有:葉輪進(jìn)、出口直徑 和 ,0D2葉片的進(jìn)、出口寬度 、 ,葉片的進(jìn)、出口安裝角 、 等 6 個(gè)參數(shù)。所以合理設(shè)計(jì)1b2 12這些參數(shù)非常重要。1.2.2 液體在離心泵葉輪里的流動(dòng)離心泵工作時(shí),液體一方面隨著葉輪一起旋轉(zhuǎn),同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)著的葉輪里向外流。液體隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為圓周運(yùn)動(dòng),其速度稱(chēng)為圓周速度,用 表示。液體從旋轉(zhuǎn)著的葉u輪里向外的流動(dòng)稱(chēng)為相對(duì)運(yùn)動(dòng),其速度稱(chēng)為相對(duì)速度,用 表示。液體相對(duì)于泵體的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為絕對(duì)運(yùn)動(dòng),其速度稱(chēng)為絕對(duì)速度,用 表示。絕對(duì)速度 的向量等于圓周速度 和u相對(duì)速度 的向量和,即(2-1)u52 離心泵葉輪的設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)前面的介紹及結(jié)合實(shí)際情況離心式水泵的葉輪的設(shè)計(jì)方法有兩種即相似設(shè)計(jì)法和速度系數(shù)設(shè)計(jì)法。用相似設(shè)計(jì)法雖然很方便,但是,它只能保持原有水力模型的水平。因此,在采用相似設(shè)計(jì)法時(shí),必須結(jié)合模型實(shí)驗(yàn),不斷分析和改進(jìn)原有模型不足之處,才能逐步提高產(chǎn)品水平。所以,綜合考慮采用速度系數(shù)設(shè)計(jì)法是比較合理的。2.1 速度系數(shù)設(shè)計(jì)法2.1.1 速度系數(shù)設(shè)計(jì)法的導(dǎo)出由公式 可知,相似泵在相似工況下,相應(yīng)速度比相等。能1212pppmmmu不能由此找出一種設(shè)計(jì)離心泵的方法呢??jī)膳_(tái)相似的泵在相似的工況下,由公式 可知:2()ppmHDn2()pp如果取 D 為各自的葉輪外徑 ,則上式可寫(xiě)為:2D22mmppHnu上式可改寫(xiě)為: 2222mmppPpmuHgg式中 和 模型泵的揚(yáng)程和葉輪出口圓周速度, 和 是已知的。mH2u mH2u令 22muKgH則離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)62pupKgH式中 速度系數(shù)。2uK相似泵(即比轉(zhuǎn)數(shù)相等的泵)的速度系數(shù)是相等的。不同的 就有不同的 ,這樣sn2uK我們就可以得到 隨 而變的函數(shù)關(guān)系。附錄 C 中圖 2-1 就是以現(xiàn)有性能較好的產(chǎn)品2usn為基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)出來(lái)的離心泵葉輪各種流速的速度系數(shù)圖。設(shè)計(jì)時(shí)按 選取速度系數(shù),作為s計(jì)算葉輪尺寸的依據(jù),這樣的設(shè)計(jì)方法就叫速度系數(shù)設(shè)計(jì)法。用速度系數(shù)法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),雖然設(shè)計(jì)計(jì)算比較方便,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(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí),應(yīng)結(jié)合模型試驗(yàn),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(shí)圖 2-1,才能不斷提高產(chǎn)品水平。2.1.2 速度系數(shù)設(shè)計(jì)法的計(jì)算步驟1)確定葉輪入口直徑 0D確定 前,先用下式確定葉輪入口速度 (米/秒) 。0 0(2-2)02KgH式中 葉輪入口速度系數(shù),可以從圖 2-1 中選取,0KH單級(jí)揚(yáng)程(米) 。對(duì)于懸臂式離心泵的葉輪,入口直徑 (米)可以由水力學(xué)公式求得:0D24Q即:(2-3)00D上式中的 為通過(guò)葉輪的流量, 大于設(shè)計(jì)流量 ,因?yàn)橥ㄟ^(guò)葉輪的流量 中有一部分QQQ經(jīng)密封間隙返回葉輪入口處。 可按下式計(jì)算: 式中 泵的容積效率,可按附錄 C 圖中 2-3 選取。7在輪轂或軸穿過(guò)葉輪時(shí),葉輪入口直徑 (米)為:0D(2-4)2004hQd式中 輪轂直徑,可按公式 (K 是經(jīng)驗(yàn)系數(shù),一般取 K=1.2 1.4,大泵取hd2hd :小值,小泵取大值。 )計(jì)算。對(duì)分段式多級(jí)泵第一級(jí)葉輪,一般略為加大葉輪入口直徑,以減低液體進(jìn)入葉輪的流速,提高泵的抗汽蝕性能。而其他各級(jí)葉輪由于已有一定的吸入壓力,故應(yīng)盡量減小葉輪入口直徑,以提高泵的效率。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按圖 2-1 中相應(yīng)的曲線選擇系數(shù) 。0K2)確定葉片入口邊直徑 1D在葉輪流道入口邊上取圓心,作流道的內(nèi)切圓,內(nèi)切圓的圓心到軸心線距離的兩倍即為葉片入口邊直徑 ,如附錄 C 中圖 2-2 所示。葉片入口邊直徑 一般可按比轉(zhuǎn)數(shù)1 1D確定:sn=40 100 則 (一般入口邊平行于軸心線;對(duì)流量較小的泵,可取 ;s:10D 10D對(duì)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) 。則102sn10(.8):則3s:6則5s 10(.75)D則 (軸流泵)0sn023)確定葉片入口處絕對(duì)速度 1一般取 或略大于 ,對(duì)抗汽蝕性能要求較高的泵,可取 。100 10(.483):4)確定葉片入口寬度 1b可按下式確定:1b(2-5)11QbD離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8離心泵葉輪入口尺寸 , 和 除影響泵的性能和效率外,對(duì)泵的抗汽蝕性能影響0D1b很大。5)確定葉片入口處圓周速度 1u可按下式確定:1u(2-6)160Dn6)確定葉片數(shù) Z現(xiàn)在尚無(wú)確定葉片數(shù)的準(zhǔn)確方法,對(duì) 的泵,一般取 6 片;對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)的25s:泵可以取 9 片,但應(yīng)注意勿使入口流道堵塞;對(duì)高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵可以取 片。此外,還45:可以用下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估計(jì):(2-7)2(1.5)ZD:式中 葉輪外徑,單位為厘米。2D在一般情況下,增加葉片數(shù)可以改善液體流動(dòng)的情況,適當(dāng)提高泵的揚(yáng)程,但葉片數(shù)增加后將增加葉片摩擦損失,減少流道過(guò)流面積,所以過(guò)多的增加葉片數(shù),不但要降低效率,并使葉輪的汽蝕性能惡化,還能導(dǎo)致泵性能曲線出現(xiàn)駝峰。在葉片包角不變的情況下,葉片數(shù)減少時(shí),每個(gè)葉片的負(fù)荷增加,對(duì)液體導(dǎo)流作用降低,泵揚(yáng)程也要下降。有些比轉(zhuǎn)數(shù)較低的泵,采取長(zhǎng)短葉片間隔安放的形式,如圖 2-4 所示。這樣既保證了足夠的葉片數(shù),又防止了葉輪流道入口的堵塞。9圖 2-4 堵塞流道長(zhǎng)短葉片的葉輪Fig.2-4 Stop leafs round of flow a length leafs slice7)確定葉片入口軸面速度 1m可按下式確定:1m(2-8)1m式中 葉片入口排擠系數(shù)1在設(shè)計(jì)離心泵時(shí)先選取排擠系數(shù) 進(jìn)行試算,待葉片厚度和葉片入口安放角確定后,1再來(lái)校核 值。1在估算時(shí),一般取 ,低比轉(zhuǎn)數(shù)的小泵去大值。1.3:8)確定葉片入口安放角 葉片入口安放角就是在葉片的入口處,葉片工作面的切線(嚴(yán)格地說(shuō),應(yīng)該是在流面上葉片骨線的切線)與圓周切線間的夾角,如圖 2-5 所示。假定液體是無(wú)旋流入葉輪內(nèi),則由速度三角形可知:(2-9)1mtgu式中 液體進(jìn)入葉輪相對(duì)速度的液流角,如圖 2-6 所示。11 11Sl 葉 片 骨 線液 流 方 向離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10圖 2-5 葉片入口安放角 圖 2-6 葉片的沖角Fig.2-5 Leaf slice the entrance put cape Fig.2-6 The blunt cape of leafs slice葉輪入口處的葉片安放角比相對(duì)速度液流角增大了一個(gè)角度,這個(gè)角度叫做沖角,以 表示,葉片入口安放角 為:1(2-10)1一般沖角取 ,葉片入口安放角 。35:04:在確定葉片入口安放角 時(shí),選取一個(gè)沖角 的原因是:1(1)液體在進(jìn)入葉輪前,已受吸入室、軸或葉輪的影響而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(即預(yù)旋) ,增加沖角就是考慮了預(yù)旋的影響,以減少液體的沖擊損失。(2)取正沖角后,葉片入口處排擠系數(shù) 減小了,即增大了葉片入口面積,改善了1液體流動(dòng)情況,可以略為提高泵的汽蝕性能。對(duì)錐形管吸入室的泵來(lái)說(shuō),液體進(jìn)入葉輪前,預(yù)旋較小,但對(duì)半螺旋形吸入室來(lái)說(shuō),預(yù)旋就比較大,所以選取沖角時(shí)還要考慮吸入室結(jié)構(gòu)形式的影響。沖角對(duì)泵的抗汽蝕性能有一定影響。試驗(yàn)表明,在正沖角范圍內(nèi),沖角變化對(duì)泵抗汽蝕性能影響不大,加大沖角可以延緩泵在大流量工況工作時(shí)抗汽蝕性能的急劇惡化。但如果正沖角 超過(guò) ,將引起效率的下降。如果取負(fù)沖角,則泵的抗汽蝕性能要明20顯地惡化。9)確定葉片厚度確定葉片厚度時(shí)應(yīng)注意:對(duì)較小的泵,要考慮到鑄造的可能性。對(duì)鑄鐵葉輪,葉片最小厚度為 毫米;對(duì)鑄鋼葉輪,葉片最小厚度為 毫米。對(duì)大泵應(yīng)適當(dāng)增加葉片34: 56:厚度,以使葉片有足夠的剛度。10)計(jì)算葉片排擠系數(shù) 1葉片排擠系數(shù) 是葉片厚度對(duì)流道入口過(guò)流斷面面積影響的系數(shù)。它等于流道入口1不考慮葉片厚度的過(guò)流面積與考慮葉片厚度過(guò)流面積(即實(shí)際過(guò)流面積)之比值:(2-11)11()tbt11式中 葉片節(jié)距, (圖 2-5) ;1t 1DtZ葉片在圓周方向的厚度(圖 2-5) 。葉片在圓周方向的厚度 可按下式計(jì)算:1(2-12)1sinS式中 入口處的葉片實(shí)際厚度(嚴(yán)格地說(shuō)是流面上的厚度) ,代入公式(2-11)得:1S(2-13)1111()sinsinDbZSS公式(2-13)的計(jì)算值應(yīng)與原來(lái)選取的 相等或相接近,如果相差太大,則需重新選取 ,計(jì)算和,再按式(2-13)計(jì)算 ,直至計(jì)算的 與選取的 相等或相近為止。1 11111)葉片包角 的確定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,如附錄 C 圖 2-7 所示。包角越大、葉片間流道越長(zhǎng),則葉片單位長(zhǎng)度負(fù)荷越小、流道擴(kuò)散程度越小,有利于葉片與流道的能量交換。如葉片的包角太小,則葉片與液體的摩擦損失增加,鑄造工藝性差,所以,包角大小應(yīng)選取適當(dāng)。目前,對(duì) 的泵,一般取 ,低比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪取大值,高比轉(zhuǎn)數(shù)6012sn:7510:葉輪取小值。包角確定后,在繪型時(shí)還要根據(jù)具體情況作適當(dāng)?shù)男薷摹?2)確定葉輪外徑 2D可以通過(guò)葉輪出口圓周速度 求得, 可按下式計(jì)算:2D2u2(2-14)2KgH式中 葉輪出口圓周速度系數(shù),可從圖 2-1 中選取。2uK葉輪出口圓周速度 確定后,可按下式計(jì)算葉輪外徑 :2u2D(2-15)260uDn離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12的大小對(duì)泵的性能有明顯的影響,如圖 2-8 所示。2DD 2D 2D 2D 2 D 2 D 2HQ圖 2-8 對(duì)泵性能曲線的影響2DFig.2-8 to pump function curve of influenceHQ 2 9 0 2 = 9 0 2 9 0 圖 2-9 對(duì)泵性能曲線的影響213Fig.2-9 to pump function curve of influence213)葉片出口安放角 2葉片出口安放角 一般在 范圍內(nèi),通常選用 。對(duì)高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵,1640:203:可以取得小些,低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵 可取得大些。葉片出口安放角 對(duì)性能曲線形狀(圖22 22-9 所示) 、葉輪流道形狀和泵的揚(yáng)程影響較大,故在決定 時(shí)應(yīng)該仔細(xì)。214)確定葉輪出口寬度 2b可以通過(guò)葉輪出口軸面速度 確定,如圖 2-10, 可按下述公式計(jì)算:2b2m2m(2-16)2KgH式中 葉輪出口軸面速度系數(shù),可按圖 2-1 選擇。 的大小,直接影響泵的2mK 2mK流量。葉輪出口軸面速度 確定后,可按下式確定葉輪出口寬度 :2m 2b(2-17)222()mQbDZ式中 葉片出口處圓周方向厚度(米) 。2可按下式計(jì)算:(2-18)2sinS式中 葉輪出口處葉片真實(shí)厚度(嚴(yán)格地說(shuō)是流面上厚度) ,如圖 2-11 所示。2S對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵來(lái)說(shuō), 過(guò)小往往在結(jié)構(gòu)上和鑄造上難以保證。因此,可用堵塞葉2b輪部分流道的方法來(lái)增加 ,如圖 2-4 所示。一般認(rèn)為葉輪各流道中流過(guò)的流量相等,故如果堵塞 1/3 流道, 可增寬 50%左右。堵塞的流道應(yīng)當(dāng)對(duì)稱(chēng),以免由不平衡而引起泵2振動(dòng)。離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14 u 2 u 2 u 2 m 2 2 2 2 2 2 2 2圖 2-10 葉輪出口速度三角形Fig.2-10 Leaf the round export speed triangle 22圖 2-11 葉輪出口排擠Fig.2-11 Leaf the round export discriminate against15)確定葉輪出口絕對(duì)速度與圓周速度的夾角 2由圖 2-10 可知,在葉輪葉片無(wú)窮多時(shí),液體流出葉輪的方向?yàn)椋?52mutg由圖 2-10 知 22mutg代入上式,得: 22mtutg(2-19)122mtt在有限葉片時(shí),液體實(shí)際流出角為 ,由圖 2-10 可知22mutg(2-20)122ut由公式 知,由公式 可得:1THp2uTHg21up液流流出葉輪的絕對(duì)速度為: 2um至此,葉輪繪型時(shí)需要的尺寸、角度等參數(shù),已經(jīng)計(jì)算完畢,這些參數(shù)都能影響水泵的性能。但是,在葉輪的這些參數(shù)中,哪些是影響離心泵性能的主要因素呢?實(shí)踐證明, 、 、 對(duì)離心泵汽蝕性能影響較大, 對(duì)離心泵流量影響較大, 、 對(duì)水泵0D1b2b2D揚(yáng)程的影響較大, 對(duì)泵性能曲線形狀影響較大。但是,對(duì)葉輪其他一些因素(如葉片2數(shù) Z、包角 、葉片厚度 S、沖角 、葉片入口直徑 等)也需要認(rèn)真對(duì)待。這些參數(shù)1D如果選得協(xié)調(diào),就能得到滿(mǎn)意的結(jié)果。在這方面靈活性是較大的,或者說(shuō),目前這些參離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)16數(shù)之間尚未找到嚴(yán)格的關(guān)系,選取是否適當(dāng),在一定程度上取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。2.2 葉輪結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算已知設(shè)計(jì)參數(shù)為 Q=90 、H=80m、 =6.28m, ,以電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),3/mhmaxsH708%:輸送常溫清水,由這些參數(shù)設(shè)計(jì)一臺(tái)單吸單級(jí)離心泵葉輪結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下:2.2.1 結(jié)構(gòu)形式的確定1)確定吸入口徑和吐出口徑:由表 2-1 知,可取吸入口徑為 100mm,吐出口徑也取為 100mm。表 2-1 泵的吸入口徑、流速和流量的關(guān)系Tablet.2-1 Inhalation caliber, current velocity and relate to of discharge of pump吸入口徑(mm) 40 50 65 80 100 150 200 250 300 400單 流速 (m/s) 1.375 1.77 2.1 2.76 3.53 2.83 2.65 2.83 級(jí) 流量 ( )3/mh6.25 12.5 25 50 100 180 300 500 多 流速 (m/s) 1.375 1.77 2.1 2.54 3 2.44 2.48 2.54 2.84 3.42級(jí) 流量 ( )3/h6.25 12.5 25 46 85 155 280 450 720 15002)求 :取 =1 , =1000 ,由附錄 C 中圖 2-12 取minap2/kgcm3/kgm0.24p,得:/kgc由公式 42minmax10()asshHg24 90.13610(.2)4.88=4.0m3)確定轉(zhuǎn)速 n:代入公式 得:3/4min5.6Qch17=0.3143/45.6290ncn如果選用兩極電機(jī),則 =2950r/min,c=926.3;n如果選用四極電機(jī),則 =1480r/min,c=464.72。由表 2-2 可知,如果選用四極電機(jī),要達(dá)到預(yù)定的 是很困難的,故泵取maxsH=2950r/min。n表 2-2 單吸單級(jí)泵的 和 c 值minhTablet.2-2 Lists absorb single pump of be worth with ci吸入口徑(mm)40 50 65 60 100 150 200設(shè)計(jì)流量()3/mh6.25 12.5 25 50 100 180 300轉(zhuǎn) 速(r/min)2950 2950 2950 2950 2950 1480 2950 1480 2950汽蝕余量(minh)2.5 2.8 3.0 3.5 4.0 4.0 4.5 4.3 5.5汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c348 450 610 775 980 660 1190 810 13304)結(jié)構(gòu)方案的選擇: 3/4.65snQH3/4.295068=63.6由附錄 C 圖 2-13 知,這樣的比轉(zhuǎn)數(shù)是有可能達(dá)到預(yù)定效率的。因此,此單吸單級(jí)泵就設(shè)計(jì)為, =2950r/min, =63.6。nsn5)軸徑的初步計(jì)算:根據(jù)使用條件,參考附錄 D,取泵軸為 35 號(hào)鋼,泵軸的初步計(jì)算過(guò)程:解:參考圖 2-13,取泵的效率為 =72%離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)18按公式 計(jì)算泵的軸功率102QHN=27.23KW1098236.7泵的計(jì)算功率可按公式 .32.6cNKW取 =40cNKW參考表 2-3,取 35 號(hào)鋼許用切應(yīng)力 為 450 ,按公式 和2/kgcm97360cNMn計(jì)算,泵軸所轉(zhuǎn)遞的扭矩 為:30.2MdM97360cNn40295=300kgm:泵的最小軸徑為:=30.2Md30.45=2.3 cm取標(biāo)準(zhǔn)尺寸,d=25mm。表 2-3 泵軸常用材料的許用切應(yīng)力Tablet.2-3 The pump stalk in common use materials slices in response to the dint材 料 熱 處 理 要 求 許用切應(yīng)力 ( )2/kgcm用 途35 正火處理 405:一般單級(jí)泵45 調(diào)質(zhì)處理 24186HB:6一般多級(jí)泵40Cr 調(diào)質(zhì)處理 378大功率高壓泵3Cr13 調(diào)質(zhì)處理 9耐腐蝕泵35CrMo 調(diào)質(zhì)處理 5在高溫下工作(t=200400 )C取固定轉(zhuǎn)子部件的螺紋直徑 。 30 3 的細(xì)牙螺紋的底徑為 ,聯(lián)軸器30Mdm28的定位凸臺(tái)有 1.8mm 左右是完全可以的。19取安裝軸承和葉輪處的直徑 為 。1d35m葉輪輪轂直徑可按公式 計(jì)算,取系數(shù) =1.4,則2hKK。21.44359hdd有計(jì)算知:裝聯(lián)軸器處的最小軸徑為 ;2m裝葉輪處的軸徑為 ;35葉輪輪轂直徑為 。492.2.2 葉輪的設(shè)計(jì)計(jì)算在設(shè)計(jì)離心泵的葉輪時(shí),因?yàn)橐紤]到泵的汽蝕性能,需要特殊設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下:1)確定葉輪入口直徑 :由于泵要求效率比較高,而單級(jí)泵入口已有一定的壓力,0D故可將泵入口速度系數(shù)盡可能取得高一些,由圖 2-1 知,可取 ,代入公式(2-0.15K2) ,得葉輪入口速度 為:0=0.15 =5.94 02KgH29.8/ms由圖 2-3,取泵的容積效率 ,則通過(guò)葉輪的流量 為:9%Q=0.0278 360.Q3/s代入公式(2-4) ,得:2004hDd24.78=0.495=0.0914m取 。092Dm2)確定葉片入口邊直徑:取 ,得:10D13)確定葉片入口邊絕對(duì)速度 :取 ,得:10.8離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2010.8.594.7/ms4)確定葉片入口寬度 :代入公式(2-5) ,得:b=0.0186 =18.611QD.2340.755)確定葉片入口圓周速度 :代入公式(2-6) ,得:u160n.291.4/60ms作草圖后,初步確定葉片入口邊與前蓋板交點(diǎn)處直徑為 100 ,與后蓋板交點(diǎn)處直徑為 85 ,相應(yīng)于入口邊與前、后蓋板交點(diǎn)處圓周速度 和 為:m1u13.40295.4/66Dnums1.813./6)確定葉片數(shù) Z:暫取 6 片葉片,待葉輪外徑確定后,再按公式(2-7)進(jìn)行核算。7)確定葉片入口軸面速度 :取葉片入口排擠系數(shù) ,代入公式(2-8) ,得:1m1.1.34756./mms8)確定葉片入口安放角 :首先確定液流角 ,代入公式(2-9) ,得:11.0.45mtgu 128葉片入口邊與前、后蓋板相交處的液流角分別為 和 。945取沖角 ,代入公式(2-10) ,可得葉片安放角 :5 1 1286葉片入口邊與葉輪前、后蓋板相交處的葉片安放角分別為 和 。248309)確定葉片厚度:此處暫取葉片厚度 ,在強(qiáng)度計(jì)算部分再核算葉片厚度。15Sm2110)確定葉片排擠系數(shù) :代入公式(2-13) ,得:111 3.14056sin28sinDSZ=1.27此處計(jì)算的葉片排擠系數(shù)與假設(shè)的 值一致。111)確定葉片包角 :暫取 ,在繪型時(shí)在根據(jù)具體情況作適當(dāng)?shù)男薷摹?012)確定葉輪外徑 :由圖 2-1 知,可取 ,代入公式(2-14) ,得:2D20.965uK.9683.21/uKgHms代入公式(2-15) ,得葉輪外徑 :203.210.549Dn=250 m葉輪直徑確定后應(yīng)校核葉片數(shù),取系數(shù)為 1.2,代入公式(2-7) ,得:2156Z此處計(jì)算的葉片數(shù)與上述選擇的相符。13)確定葉片安放角 :取 ,在作方格網(wǎng)時(shí),再根據(jù)具體情況進(jìn)行修改。223014)確定葉片的出口寬度 :由圖 2-1,取 ,代入公式(2-16) ,得:b20.14mK2.98mgH/s代入公式(2-17) ,可得葉片的出口寬度 :2b 2 222()()sinmmQQbZSDZ0.7865(3.14)4.1si3=0.0093 離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22取 。210bm15)確定在有限葉片時(shí)液體出口速度與圓周速度的夾角 :2由 21up由圖 2-10 知, 22mutg4.138.0t.7/s由公式 知, 21rpZ:其中 2(0.5.68)0.sin3:.850.9:取 .9則 2 210.9.1560rpZ:.357由此, 21.02.9/357umsp代入公式(2-20) ,得: 122mutg114.0.89ttg 2液體流出葉輪的絕對(duì)速度 為:22322.941um3.27/ms3 葉輪強(qiáng)度計(jì)算葉輪強(qiáng)度計(jì)算可以分為計(jì)算葉輪蓋板強(qiáng)度、葉片強(qiáng)度和輪轂強(qiáng)度三部分,現(xiàn)分別計(jì)算如下:3.1 葉輪蓋板強(qiáng)度計(jì)算離心泵不斷向高速化方向發(fā)展,泵轉(zhuǎn)速提高后,葉輪因離心力而產(chǎn)生的應(yīng)力也隨之提高,當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定數(shù)值后,就會(huì)導(dǎo)致葉輪破壞。在計(jì)算時(shí),可以把葉輪蓋板簡(jiǎn)化一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)(即將葉片對(duì)葉輪蓋板的影響略去不計(jì)) 。計(jì)算分析表明,對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)來(lái)說(shuō),圓周方向的應(yīng)力是主要的,葉輪的圓周速度與圓周方向應(yīng)力 ( )近似地有以下2/kgcm關(guān)系:(3-1)4210mug:式中 葉輪材料的重度( ) 。對(duì)鑄鐵葉輪來(lái)說(shuō), =0.0073( ) ;對(duì)m 2/kcm2/kgc鑄鋼葉輪 =0.0078( ) ;對(duì)銅葉輪 =0.0088( ) ;mg葉輪圓周速度( ) ;2u/s重力加速度( ) ,一般取 。g2/c980g2/cms計(jì)算過(guò)程如下:解:計(jì)算圓周方向應(yīng)力,代入公式(3-1) ,得: 442210.736.198mug:2./kgc由表 3-1 知, ,故在 時(shí),葉輪蓋板是安全的,此時(shí)葉輪蓋2950/innr離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24板厚度由結(jié)構(gòu)和工藝要求確定。由表 3-2 知,可選葉輪蓋板厚度為 5 。m表 3-1 葉輪材料的許用應(yīng)力Tablet.3-1 Leaf round of the material use in response to the dint材 料 名 稱(chēng) 熱 處 理 狀 態(tài) 許用應(yīng)力 ( )2/kgcmHT20-40 退火處理 2503:ZG 25 退火處理 67ZG1Cr13 退火處理 91ZG2Cr13 調(diào)質(zhì)處理 HB 229-269ZGCr18Ni12Mo2Ti 固溶化處理 4ZG1Cr18Ni9 固溶化處理 05:ZGCr28 退火處理 78表 3-2 葉輪蓋板厚度Tablet.3-2 Leaf the round cover plank thickness葉輪直徑( )m108:1250:1520:520蓋板厚度( )4 5 6 73.2 葉片厚度計(jì)算為了擴(kuò)大葉輪流道有效過(guò)流面積,希望葉片越薄越好;但葉片選得太薄,在鑄造工藝上有一定的困難,而且從強(qiáng)度方面考慮,葉片也需要有一定的厚度。目前,鑄鐵葉輪的最小葉片厚度為 34 毫米,鑄鋼葉片最小厚度為 56 毫米。葉片也不能選擇得太厚,葉片太厚要降低效率,惡化泵的汽蝕性能。大泵的葉片厚度要適當(dāng)加厚一些,這樣對(duì)延長(zhǎng)葉輪壽命有好處。表 3-3 葉片厚度的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Tablet.3-3 Leaf slice the experience coefficient of the thickness比 轉(zhuǎn) 數(shù)40 60 70 80 90 130 190 280材料系 數(shù) K鑄鐵 3.2 3.5 3.8 4.0 4.5 6 7 1025鑄鋼 3 3.2 3.3 3.4 3.5 5 6 8葉片厚度 S(mm)可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:(3-2)21iHSKDZ式中 經(jīng)驗(yàn)系數(shù),與材料和比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān),對(duì)鑄鐵和鑄鋼葉論,系數(shù) 推薦按表 3-3K K選?。蝗~輪外徑( ) ;2Dm單級(jí)揚(yáng)程( ) ;iH葉片數(shù)。Z計(jì)算過(guò)程如下:解:由表 3-3,取經(jīng)驗(yàn)系數(shù) ,代入公式(3-2 ) ,得5K2 8013.5216iHSDZ4.m取葉片厚度 。5Sm3.3 輪轂強(qiáng)度計(jì)算對(duì)一般離心泵,葉輪和軸是動(dòng)配合。大型鍋爐給水泵和熱油泵等產(chǎn)品,葉輪和軸是靜配合。為了使輪轂和軸的配合不松動(dòng),在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由離心力產(chǎn)生的變形應(yīng)小于軸和葉輪配合的最小公盈。在葉輪輪轂處由離心力所引起的應(yīng)力可近似地按公式就(3-1)計(jì)算,由此應(yīng)力所引起的變形為:(3-3)cDE離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26式中 彈性模數(shù)( ) ;對(duì)鑄鐵 ;對(duì)鑄鋼 ;對(duì)銅E2/kgcm61.30E61.750E;61.0葉輪輪轂平均直徑( ) ;cDc由離心力引起的葉輪輪轂直徑的變形( ) 。 cm應(yīng)小于葉輪和軸配合的最小公盈 ,即inminD計(jì)算過(guò)程如下:解:代入公式(3-3) ,可得離心力所引起的葉輪輪轂直徑變形量 :D6108.7493cDE.m由公差配合表可知,軸徑為 35 ,精度配合的最小公盈 。min0.5minD由離心力所引起的變形小于最小的配合公盈。274 葉輪的繪型葉輪的影響離心泵性能的最主要部件,葉輪的主要幾何尺寸計(jì)算完畢后,就可以進(jìn)行繪型工作。由于葉片形狀比較復(fù)雜,制造得不準(zhǔn)就要影響離心泵的性能。因此,準(zhǔn)確地繪型是保證葉片形狀正確的必要前提。目前常用的繪型方法有:圓柱形葉片葉輪繪型法和保角變換繪型法。對(duì)于低比轉(zhuǎn)數(shù) 的單級(jí)單吸離心泵一般為圓柱形葉片葉輪。60sn圖 4-1 軸面投影圖Fig.4-1 Stalk noodleses cast shadow diagra4.1 圓柱形葉片葉輪繪制法圓柱形葉片葉輪的繪制主要步驟如下:4.1.1 作軸面投影圖軸面就是包含軸心線的截面,如圖 4-1 b 中的 面就為軸面。軸面投影就是將葉OA離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)28輪上的點(diǎn)按圓弧投影在某一軸面上的圖形。例如圖 4-1 b 中的 a 點(diǎn)本來(lái)不在軸面 上,OA但是以 點(diǎn)為圓心,以 為半徑旋轉(zhuǎn),即可將 a 點(diǎn)投影到 面上,得 點(diǎn);同理 c 點(diǎn)O1r OA本來(lái)也不在軸面 上,但是以 點(diǎn)為圓心, 為半徑旋轉(zhuǎn),即可將 c 點(diǎn)投影到AO2r面上,得 點(diǎn)。將軸面投影,如圖 4-1 a ,此圖即為軸面投影圖。在軸面投影圖上,Ac可以比較全面地看到葉輪葉輪前后蓋板形狀,葉片入口邊、出口邊各點(diǎn)相對(duì)于葉輪軸心線的徑向位置和軸向位置,但是,入口邊、出口邊上各點(diǎn)并不一定在同一軸面上。作軸面投影圖時(shí),盡量參考比轉(zhuǎn)數(shù)相等、性能良好的葉輪的軸面投影圖。作軸面投影圖的步驟如下:1)取 ,作軸心線 的平行線 (圖 4-2) 。2hdODE2)作軸心線 的垂線 ,使 。AB2圖 4-2 軸面投影圖的繪型Fig.4-2 The stalk noodles casts shadow draw of diagram a type3)過(guò)點(diǎn) 作 線,使 。 的大小與比轉(zhuǎn)數(shù)和結(jié)構(gòu)形式有關(guān),BC35AB:ABC比轉(zhuǎn)數(shù)小可以取 (分段式多級(jí)泵一般取 ) ,高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵(或雙吸泵)可以取 ,0 0 35:一些渦殼式泵, 可以取到 (圖 4-2 中 線在 線的左側(cè)) 。294)以適當(dāng)半徑作圓弧,使之與直線 和 相切,即得葉輪后蓋板的初步輪廓線。DEBC5)過(guò) 點(diǎn)作軸心線 的平行線,并截取 。BO2Fb6)作軸心線 的平行線 和 。 距軸心線距離為 , 距軸心線為GHJK0DJK。12D7)以 線上相應(yīng)的點(diǎn)為圓心,以 為半徑作圓,使之與與葉輪后蓋板輪廓線相切。JK12b8)以適當(dāng)?shù)膱A弧和直線作成葉輪前蓋板的輪廓線,此輪廓線必須與 線和葉輪入GH口圓相切,并通過(guò) 點(diǎn)。F9)作葉片入口邊:對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵,入口邊可以平行于軸線,按計(jì)算的 值作軸線1D的平行線即可。但也有一些比轉(zhuǎn)數(shù)小于 100 的泵,葉片入口邊伸向吸入口。高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵,可過(guò) 點(diǎn)( 點(diǎn)在前蓋板輪廓線上,徑向尺寸可等于或略大于葉輪入口直徑 ,M 0如圖 4-2)作 線,使 線的延長(zhǎng)線與軸線 的夾角 (混流泵可取NO3045:) 。過(guò) 、 點(diǎn)和葉輪入口圓中心點(diǎn)作一光滑曲線,此線即為葉輪入口邊。4065:此處所作的葉片入口邊僅是初步的,在作平面投影圖或方格網(wǎng)時(shí),還要根據(jù)具體情況作適當(dāng)?shù)男薷摹?.1.2 作葉輪平面投影圖圓柱形葉片可以用一個(gè)或幾個(gè)圓弧畫(huà)成。用一個(gè)圓弧畫(huà)的葉片較短、流道擴(kuò)散情況也不如用幾個(gè)圓弧畫(huà)成的葉片好,現(xiàn)以用兩個(gè)圓弧畫(huà)葉片的方法為例,作圖步驟如下:1)作葉輪的 =250 和 =100 。如圖 4-3。2Dm12)作中間圓 (一般取 ) ,按下式計(jì)算對(duì)應(yīng)于 的i 21iDiDi(4-1)121()ii3)作半徑線 ,由 點(diǎn)作直線 ,使 。OAAB2O4)作半徑線 ,使 ,并與 圓交于點(diǎn) 。C2iiDC離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)30O2ii1i圖 4-3 圓柱形葉片葉輪的繪型Fig.4-3 Cylinder form leaf slice leafs round draw a type5)過(guò) 、 點(diǎn)作直線,并與 圓交于另一點(diǎn) 。ACiD6)連接半徑線 ,作直線 ,使 ,并與 線交于 點(diǎn)。OEiOABE7)以 點(diǎn)為圓心,以 為半徑作弧,此弧必通過(guò) 點(diǎn)。EAD8)作半徑線 ,使 ,并與 圓交于點(diǎn) 。F1i1F9)過(guò) 、 點(diǎn)作直線,并與 圓交于另一點(diǎn) 。DDG10)作半徑線 。作直線 ,使 ,并與 線交于點(diǎn) 。OGH1OEH11)以點(diǎn) 為圓心、以 為半徑作弧,此弧必通過(guò) 點(diǎn)。H12)以 和 點(diǎn)為圓心、分別以 和 為半徑作圓弧,并適當(dāng)削尖修圓葉EAES片入口邊,即得葉片形狀。其中 為葉片真實(shí)厚度。13)以葉片數(shù) 等分葉輪外徑,并用上述方法依次作其他葉片,如圖 4-4 所示。Z4.1.3 葉輪平面投影圖流道的檢查對(duì)葉輪平面投影圖的流道也應(yīng)該進(jìn)行核算,如圖 4-4。在平面投影圖流道內(nèi)作內(nèi)切圓,連接內(nèi)切圓圓心,即得流道中線。對(duì)應(yīng)于軸面投影圖中的內(nèi)切圓 1、2、3、(內(nèi)切圓圓心距葉輪中心線距離為 、 、 、)作平面投影圖中的內(nèi)切圓(這些內(nèi)切圓圓心1r23距葉輪中心線的距離也為 、 、 、) 。相應(yīng)的兩個(gè)內(nèi)切圓直徑的乘積,即為對(duì)應(yīng)- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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- 離心 水泵 葉輪 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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