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论文案例分享-sb-25-20离心泵设计

2021-03-20 10:53


   水力机械里面较常见的有离心泵。离心泵的原理是利用叶轮的离心力使水运动来运行的,通过水的离心运动,把水压到泵的流道,使其流入泵的压水管路。

 
  本设计原则基于关醒凡教授的《现代水泵设计手册》(北京:中国航天出版社,2011)。水室和叶轮采用普通机械材料。过度方法,采用圆角过渡。设计叶轮和水室叶片用砂型铸造。木纹绘制方法是网格保角。结构参考其他部件。耐心检查键和轴,达到安全要求,保存设计。
 
  第三章水力设计
 
  Ⅰ基本参数和结构方案的确定
 
  Ⅱ计算过程
 
  确定泵的进出口直径
 
  1.泵进口直径Ds
 
  入口流速确保吸入直径符合要求。泵的入口流量通常为上下3m/s。因为大型泵非常消耗材料,我们需要从经济方面考虑,大型泵降低了泵的容积,因此应通过提高流量性能来增大流量。想要提高气蚀性能的话,就要增加入口直径。,
 
  依据标准直径,Ds圆整为65mm。
 
  2.泵出口直径Dd(mm)
 
  泵出口直径一般计算如下:根据标准直径,DD的圆为100mm。
 
  依据标准直径Dd圆整是50mm
 
  泵转速n的确定
 
  确定泵转速要考虑以下因素:泵的转速和泵体积重量呈反比;电动机宜直接连接传动,负荷电动机的转速小于电动机的传动转速。一般情况下,转速由2%的转差率决定,根据汽蚀条件,我们需要限制提升泵的转速。根据汽蚀比转速公式,如果不满足NPSHr和转速n与C的关系,就会产生汽蚀。当气蚀余量大于该装置的气蚀余量就会产生汽蚀。所以,转速慢的泵,发生气蚀的可能性就小。计算气蚀条件下的最小速度,采用的速度要小于允许速度本设计的电机转速2900r/min符合条件。
 
  确定水泵水力方案的比转速计算
 
  确定比转速要考虑的条件:
 
  第一=120~210泵效范围最大,效率<60明显降低;第二ns如果过大,就要考虑是否换成双吸泵;ns过小就考虑单吸泵;第三泵特性曲线的形状与NS值有关;第四泵的级数与比转速有关,泵级数和NS成正比。
 
  计算效率
 
  1.水力效率ηh
 
  2.容积效率ηv
 
  ,
 
  只估计前密封圈的泄漏值
 
  3.机械效率ηm
 
  轴承和填料的效率为2%,则
 
  4.总效率η
 
  ,符合要求,
 
  提高效率的措施:第一叶轮表面光滑。第二使用空间导叶的角度更小。第三使用符合设计需求的叶片,适度增大叶片半径减少损失。
 
  轴功率和原动机功率
 
  1.轴功率P(kW)
 
  ,ρ使用水的密度
 
  2.原动机功率Pc(kW)
 
  查表得ηt=1.0,
 
  。
 
  泵轴直径和叶轮轮毂直径的计算
 
  泵的效率与进出口直径有影响。扭矩决定泵轴最小直径。按照实际情况,适当估算数值。最后认真检查设计参数与计算结果。
 
  扭矩
 
  材料45号钢,选取[τ]=450×105Pa
 
  按照扭矩计算泵轴直径:,取标准直径d=14mm。
 
  1.通过扭矩确定泵轴的最小直径后,参考设计书的相似设计图。通过实际情况确定轮毂直径和轴径。轴孔符合实际情况的厚度由轮毂决定。满足轮毂结构强度的情况下,优化流动条件受直径的影响,用较小直径可以优化。绘制泵轴结构简图需要注意的点:1)根据实际情况尽量用标准轴径;2)轴的螺纹是标准细牙,前端直径小于内径;3)轴肩大概是3毫米左右。
 
  叶轮主要尺寸和进口当量直径D0(mm)
 
  ,效率最高的情况下,取K0为4~4.5,d0四舍五入为55mm。
 
  2.叶轮进口直径Dj(mm)
 
  ,取
 
  3.叶轮出口宽度b2(mm)
 
  ,取b2=9mm。
 
  4.叶轮外径D2(mm)
 
  ,取D2=132mm。
 
  5.叶片出口角β2
 
  离心泵用β2,β2:18~40°,取β2=27°,最后对外形进行修正。
 
  6。叶片数Z的计算和叶片数Z对性能的影响:实际情况,z=5~7,包角φ;当z小时,可加φ。如果作用的话,计算后再考虑包角,取z=6。
 
  精算叶轮外径第一次
 
  1.理论扬程
 
  2.修正系数
 
  ,查表选蜗壳式压水室,a=0.8。
 
  3.静矩
 
  4.有限叶片数修正系数
 
  5.无穷叶片数理论扬程
 
  6.出口轴面速度
 
  叶片出口挤压系数和叶片厚度由锻造工艺决定。上式计算可得叶片薄,能满足实际情况。抗汽蚀性能需要在进水侧设置细点降低损失,还可以减少末端涡流。所以δ2=5mm。叶片出口轴截面与流线夹角是90°。
 
  7.出口圆周速度
 
  8.出口直径
 
  ,
 
  接近速度系数法的计算值,无需详细计算,把D2取134mm。
 
  Ⅲ叶轮的主要几何参数
 
  Ⅳ木模图绘制
 
  轴面投影图绘制
 
  1)完善投影形状,参考NS相近的叶轮达到光滑通畅的效果。同时考虑前后盖板的位置关系;
 
  2)在满足条件的范围内取较大的曲率半径。过流区域检查一个圆与前后盖板流线的切点连接圆心就是中心线。区域属于过流段f=2πRC B其中:RC-半径属于过流段形成线B-长度属于过流段形成线过流区域检查如下:
 
  过电流面积成正比增大,符合实际。
 
  中间流线:
 
  在分流线路中,第一个点出口边缘与轴线存在平行的位置关系,相同的边缘段属于轴线。如分轴线为几个小段流道那么半径是:
 
  其中n———流道数,i———从轴侧计算不属于后盖板的流道所需的流道数,它将两个流道分开,。
 
  在始末点画出轴向流线。在断面取n组过水断面,然后再检查两条河流之间的小过水断面。取值有偏差,对其修改,减少误差。
 
  分点
 
  要平面轴面绘制流动面,相同流动面来绘制轴。流动面的所有轴线相等。画出整个网格只需把一条流线划分成相应的流线。
 
  1)确定进水侧:进水侧叶片是倾斜,若进水侧叶片在水的横截面上。进口侧流道的急转弯在此设计。上中下流线夹角分别是90,70,60区分。
 
  2)夹角大概为30°到45°是前后盖板的实际要求,,和比转速为反比。
 
  3)总之,确定交叉点11、15和8是入口和中间流线、后盖流线和前盖流线的点。安放角叶片进口的数值的确定和计算
 
  (一)液流角和叶片进口安放角之间关系
 
  通过之间的数值,通常选>,就是
 
  (二)冲角的选择
 
  (三)确定
 
  叶片进口圆周速度
 
  叶片的进口过流断面的面积
 
  叶片的进口轴面速度
 
  假设
 
  叶片的进口角
 
  校对
 
  和假定符合不需要验证
 
  4、以下为叶片入口格栅的速度的剖面图,包角为100°。
 
  轴截面将其与剖面的交点画成轴测投影,轴测截面连接。
 
  加厚轴截面计算厚度用表格列出,误差较大。为了优化缺点,给出了沿网格展开图流线加厚的流动面厚度s。S是垂直剖面的流面厚度。垂直方向上SM是U轴厚度。通过厚度画厚剖面线。
 
  叶片加厚图
 
  入口侧为0,1,2,3,4,5,6。径向坐标从前、后盖板到轴在轴平面剖面线的交点处测量并投影到木模型图形中。工作面和木模的平行线和交点投影连接到木模图。
 
  木模径向坐标如图:
 
  Ⅴ压水室设计
 
  压水室的作用:
 
  要保证出流叶轮的轴向对称,叶轮内运动稳定,减少水力损失需要在叶轮收集液体输送到叶轮进出口;当液体流量降低时,压力能可以通过速度能来转换。要减少以上可能带来的水力损失,就要减少液体的旋转运动-叶轮的流出
 
  水压室的设计计算:
 
  1、基圆直径
 
  2、涡室进口宽度
 
  3、涡室隔舌安的放角
 
  取
 
  4、压水室各断面面积
 
  平均速度相等每一部分都属于加压水室
 
  断面面积如图(mm2)
 
  5、画涡室断面
 
  根据给定的结果,,相同性能的涡流室效果较好的情况,并根据关系式h/H=0.35-0.5,画图。
 
  6、涡室平面图
 
  根据拉深高度h属于各截面的轴平面,将螺旋线与射线点的拉深平面进行比较,并将各点连接起来。
 
  7、绘制扩散管中间断面
 
  入口出口为不同断面。要确保全部墙壁光滑,所以从入口到出口的时候缓慢改变就可以满足。
 
  第四章泵零件设计与强度校核
 
  Ⅰ轴向力的计算
 
  轴向力是泵的转子有一个很强大且位置平行于轴的力。
 
  轴向力的原因。泵在运行的情况下,此时产生轴向力转子会轴向移动,要保证泵的安全运行,需要平衡此力。
 
  (1)轴向力的计算
 
  离心泵的轴向力A1是由叶轮前后的不对称盖板、动力反力A2和轴向轮毂组成的轴向力A3产生的。计算轴向力:
 
  式里A—总轴向力(N);
 
  —泵的单级扬程(m);
 
  —叶轮的密封环半径(m);
 
  —叶轮轮毂的半径(m);
 
  i—泵的级数;
 
  k—系数,k=0.6。
 
  得出
 
  如果无法平衡叶轮轴向力,转子会和零件产生磨损,所以要通过以下方法消除和平衡轴向力:
 
  1、推力轴承
 
  由于小泵的轴向力小,使用便宜方便的推力轴承进行平衡。
 
  2、平衡孔或平衡管
 
  环和盖板有一样的直径,平衡空在后盖板下方。通过降低环内液体的压力,可以减小后盖的轴向力。口环与平衡孔结合,不能单独使用。缺点是增加泵的体积,主液流量和泄漏流量会破坏泵的流动状态,降低抗汽蚀能力。如果在泵体上开一个孔,连接两个吸入管解决问题。此外,平衡轴力具有各个零件的对称布置。
 
  (2)径向力Fr计算
 
  经验公式是:
 
  式中:
 
  算出叶轮重力估为50N。
 
  (3)动反力A2
 
  通常液体倾斜流出,由轴向进入叶轮。叶轮受到液体力的作用,液体通过叶轮的流动方向发生变化。如果正好相反,反作用力就是这个力。
 
  Ⅱ轴的强度校核
 
  根据扭矩最小轴径的结果,对其进行强度校核:
 
  (1)轴材料是直径d=14mm扭矩Mn=7N﹒m轴向力A=488.2N
 
  (2)支反力
 
  AB上有两个径向力,分别是RA和Rb,叶轮和轴承a的距离为129.5mm,轴承间距是125mm。反作用力和径向力之和为零。RA+RB-135.2=0
 
  在B点取矩
 
  解得:RA=275.3N,RB=140.1N
 
  (3)弯矩图及扭矩图
 
  1、拉应力
 
  2、弯曲应力
 
  3、切应力
 
  按第四强度理论折算应力
 
  故轴满足强度的要求。
 
  Ⅲ5*5C型键的选取及强度计算
 
  5*5C型键及挤压应力在扭矩通过下式计算:
 
  式中——挤压应力的工作面上(Pa);
 
  ——键的扭矩(N·m);
 
  ——安装叶轮处的轴径(m);
 
  ——键的高度(m);
 
  ——键的有效长度(mm);
 
  ——材料的许用挤压应力(Pa)。
 
  45号钢是键的材料,所以
 
  代入
 
  由结果得强度满足的条件。
 
  切应力
 
  键的剪应力产生最大剪应力,其值应符合下列公式的要求:
 
  式中—切应力(Pa);
 
  —键的宽度(m);
 
  —材料许用剪应力,关键材料为45号钢故取。
 
  代入其数据
 
  MPa
 
  依据结果可得,满足强度条件。
 
  Ⅳ轴承的选择计算
 
  有滚动轴承,滑动轴承,推力轴承和向心轴承这几种轴承。滚动轴承的阻力和摩擦系数小,所以实际情况大家都选择它。但是,滑动轴承也有部分优点,如冲击和振动大,工作速度快等。滚动轴承来支撑转子部件是平衡孔来平衡轴向力,但还有轴向力尚未平衡,所以选角接触球轴承。通过主轴直径查表知角接触球轴承代号是7306。
 
  查看手册,。
 
  前式子得到:,
 
  轴向力:
 
  查值
 
  ∵>∴
 
  ∴,其中:
 
  查阅资料知道泵用轴承寿命30000小时左右,所以符合强度的需求。
 
  如图,轴设计就是确定最小轴径然后留出轴肩,根据标准件选取就可以确定轴径了。35是标准轴承。
 
  Ⅴ叶片厚度校核
 
  根据叶片的压差,如果叶片属于工作面和工作面,则可以得出公式
 
  式中H泵的扬程(m)
 
  D2叶轮外径(mm);
 
  Z是叶片数。;
 
  A是系数;
 
  A的取值如图
 
  Ⅵ叶轮盖板厚度校核
 
  半径与离心力引起的盖板应力呈反比。和中的应力计算:
 
  取。
 
  等强度设计的盖板直径和厚度计算如下
 
  由于测得的叶轮零件图直径为50 mm,厚度为4.5 mm,因此满足。
 
  叶轮盖板的厚度(mm)
 
  许用应力(MPa),铸铁,铸钢
 
  ρ材料密度(kg/m3);
 
  Ⅶ泵体厚度校核
 
  泵体受力计算难度大,所以使用等效壁厚只能估算如下:
 
  取S=12mm,满足需求。
 
  式中
 
  Q泵的流量(m3/s);
 
  H泵的扬程(m);
 
  许用应力(MPa),铸铁,铸钢
 
  Ⅷ进出口法兰的选取
 
  泵扬程h=20米,进口DN=100毫米,出口DN=80毫米。标准法兰为1.6Mpa,肯定满足需求。
 
  Ⅸ电动机的选取
 
  选用的YKK系列电动机完全封闭三相异步电动机通过风扇凝固。工作环境是符合人生存条件的空气中。用于无特殊要求的机械中,电源电压为6kV和10kV,如机床、运输车、泵、农业机械等,电机根据泵轴功率2.1kw、转速2900r/min选用,电机型号为y90l-2电机额定功率2.2kw。
 
  Ⅹ机械密封的设计和选用
 
  (1)轴封装置简述
 
  泵外空气和泵内液体存在气压差,所以液体会沿着泵壳和泵轴之间的间隙向外泄漏。
 
  (2)轴封装置的选择
 
  选用机械密封是因为机械密封具有很多优点。机械密封的动环取决于受压元件的压力和密封腔内液体的压力,使其截面与静环截面相匹配。堵住液体泄漏的所有通道,所以采用这种密封。密封件也起缓冲作用。


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