螺旋离心泵的设计【12张CAD图纸+毕业论文+任务书+开题报告】

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It was carried out exploratory design that combines the principles of ordinary screw and centrifugal pumps designed to meet the requirements of the product. The design process, I might appear on this pump structural problems and the problems faced by the actual use of the analysis and transformation, and the balance of axial and radial forces made a calculation and analysis. In the design of the structure process, choose the right form of structure, optimizing the parameters of the main components of strength check, to ensure that this pump has the reliability and practicality. Key words: Helicoidal Pump；Water Conservancy Counting；Impeller；Construction Design；Market 第1章 绪论 1.1 选题背景及意义 螺旋离心泵在国民经济各部门生产中的应用范围在近数十年内不断扩大，已成为各类型泵中非常重要的一类。从使用情况来看，在输送含颗粒、杂质混合液的情况上现有的各类型泵尽管有着良好的表现，但因为受构造的限制在工作中会经常出现绕缠与淤塞问题，并且严重破坏原料，故无法用于输送长纤维、大直径和不能被损伤的物料，远远满足不了市场的需求。 螺旋离心泵在堵塞、绕缠和物料的破坏上表现优异，是一种新式泵。在国外，开发离心泵的历史有50余年，秘鲁于上世纪60年代首创，此后日本，德国和其他国家也成功开发了。据报道，当前国际上已研发了多种不同结构的螺旋式叶轮：单头、双头和带有盖板等，技术发展迅猛。许多生产部门得到广泛应用了普通干式泵、浸没式泵、潜水泵等多种新型泵。 螺旋离心泵的开发在我国起步较晚，上世纪八十年代才首次制成了LLB型螺旋离心泵。新产品已通过专家鉴定和众多行业生产应用多年，取得了巨大的经济效益。 1.2 砂石泵的概述及发展 1.2.1砂石泵的工作原理 图 1为简易的泵结构示意图。原动机使叶轮旋转，让液体由A处进入泵体，输送至B处。叶轮起主导作用，叶片迫使液体运动，向四周做离心运动。泵体中的液体排出后，由于大气压力，新的液体进入泵内，循环往复。 注意应向泵内注满水后再启动。如不注满水，则叶轮带动空气运动所产生的离心力不足以将泵内和管路中的空气排出，泵内形成无法运行的真空状态，这就是气缚现象，说明离心泵没有自吸能力。底阀用于灌水，调节阀用于调节流量。 图 1 泵结构示意图 1.2.2砂石泵的主要零部件 吸水室、叶轮、压水室为泵的三大主要过流部件。 吸水室在叶轮前方，它将液体导向叶轮。外型主要有：螺旋形、直锥形、弯管形。 叶轮是过流部件的核心。由盖板及叶片构成。以叶轮排出液体的不同运动方向为依据，主要分为径流、混流和轴流。 径流式叶轮的液体流出方向垂直于轴线； 混流式叶轮的液体流出方向与轴线的夹角处于0°到90°之间； 轴流式叶轮的液体流出方向平行轴线。 压水室在叶轮外侧，叶轮排出的液体被它收集后运输到排出管。 泵的类型： 叶片式、容积式和其它类型是泵的主要类型。叶片式泵中叶轮在壳体内旋转，液体的能量就是由它所提供。叶片式泵主要有：1.离心式:单吸、双吸;2.混流式;3.轴流式;4.单级;5.多级。 1.2.3砂石泵的发展 螺旋离心泵具备不淤塞、损伤小等优异性能，在生产中有显著的经济效益，推广前景乐观。 当前国际对生产的需求量在不断增长,各国都在发展多功能多用途、高可靠性和机械密封性的离心泵，并将会使用新材料、技术及工艺。 第2章 砂石泵的总体结构设计 2.1砂石泵结构设计的总体方案分析 2.1.1螺旋离心泵叶轮结构特征 由于螺旋离心泵叶轮叶片包角大、流道大，加上进口的导向和螺旋的推进作用，使泵的通过性表现优秀，输送含大颗粒、纤维物质的液体浓度高于其它类型的泵。固液混合物料的流动方向不会突然变化，不会对物料的造成破坏。由于泵的叶片伸展至泵的吸入口，从而提高了抗汽蚀能力。由于吸入性好，所以可以输送粘度较高的液体。 叶轮的主要结构参数(见图2)。 1.叶轮进口直径Dl 进口的边缘与轴心线的最大垂直距离的2倍为进口直径Dl。 2.叶轮轮毂直径Dh 叶片边缘处与轴心线的最小垂直距离的2倍为轮毅直径Dh。 3.叶轮出口直径DZ 叶片边缘处与轴心线的最大垂直距离的2倍为出口直径DZ。 4.叶轮出口宽度b 叶片出口边缘处，两盖板间的轴向距离为出口宽度b。 5.叶片长度L 叶片工作面进口边缘与叶片底面的轴向距离为叶片长度L。 6.叶片包角α 叶片工作面进口边缘与出口边缘绕轴所转过的角度为叶片包角α。 7.出口边倾斜角αZ 叶片出口边缘与叶轮轴心线的夹角为出口边倾斜角αZ。 图 2 螺旋离心泵几何结构参数 2.1.2砂石泵的主要性能参数 参数要求： 出口大小：20 cm； 入口大小：20 cm； 流量：2 m³/min； 扬程：H=15 m； 转速：1450 r/min； 轴转速：9.61 KW。 介质要求：能够输送液体中包含了大颗粒及长纤维的物料，输送体积浓度达12%。 2.2确定泵的总体结构形式 基本部件为高速旋转的叶轮和固定的蜗形泵壳。叶轮被固定在泵轴，上有4到12个后弯叶片，在电机驱动下与泵轴一起做高速旋转。泵的吸入口和吸入管路相通，单向底阀安装在入管路的底部。排出管路装有调节阀并与泵壳侧旁的排出口相通。螺旋离心泵主结构如图3所示。 图3 螺旋离心泵结构示意图 首先需要确定泵的原动机类型及整体结构形式，然后综合以下计算，分析比较后做最终决定。 由于泵还没有设计出来，但设计时又要用到泵的效率，所以先参考同类产品，借助公式及曲线近似计算泵所需的效率值，再设法使其接近设计所要求的值。 由文献[1]查得 1) 水力效率 (2.1) 泵流量Q，泵转速为n，g取9.8 m/s2。 2)容积效率 (2.2) 实际容积效率会低于该计算值。 3) 机械效率 (2.3) (2.4) 4)理论扬程和理论流量 (2.5) (2.6) 2.3泵的进出口直径的确定 2.3.1进口直径 由文献[1]查得 (2.7) 取v5=1.1m/s。 把参数代入 =mm (2.8) 取D5=200mm。 2.3.2泵的出口直径Dd 由文献[1]查得 =（1—0.7） (2.9) 本次设计的是低扬程泵，所以取Dd=0.9 D5。 2.4 泵转速的确定 由文献[1]查得 N=Nｏ（1-S） (2.10) N=1450r/min S：滑差率 ，取0.967，Nｏ取1500 r/min。 由文献[1]查得 (2.11) 2.5确定泵的水利方案 由文献[1]查得 (2.12) (2.13) 由文献[1]查得 (2.14) 在不同国家的标准中n5的表达式各不相同，计算所得的n5也不同。将其换算为单位相同时的数值，公式： = =126.8,取。 综合考虑以下因素来确定比转速时： 1)泵的效率最高时ns=120~210，一旦小于60则效率明显下降； 2)若使用单吸叶轮时ns太大，则采用双吸式，取ns=27； 3)ns大小与泵特性曲线相关； 4)泵的级数和比转速呈正相关，级数越多则ns就越大。 第3章 砂石泵的水利设计计算 3.1轴功率和原动机功率 由文献[6]查得 泵的轴功率： (3.1) 原动机效率： (3.2) 式中：K为余量系数；为传动效率。 3.2 泵轴径和叶轮轮毂直径的初步计算 设计时需根据其承受载荷、轴承刚度和临界转速来确定泵轴的直径。泵轴最主要的载荷是扭矩，则可根据扭矩来设计泵的最小直径。 由文献[6]查得 根据扭矩计算泵轴直径 m (3.3) 式中：为扭矩 (3.4) 式中：为计算功率，取 =1.2N；为材料的许用应力，取=490×Pa；d=0.04 m；=47.88 N·m；=7.27 kW。 3.3叶轮主要尺寸的确定方法 泵的性能与叶轮参数的设计有关。泵的流量与叶轮进口半径呈正相关；叶轮出口处液体的圆周速度和牵连速度与出口半径呈正相关，泵的理论扬程与之也呈正相关；叶片推动液体的速度与叶片间距呈正相关；泵性能也受到叶片厚度、倾角、轮心锥体的角度、半径和长度等参数的影响。设计叶轮时要考虑各个参数，提高所设计的泵的性能。 使用速度系数法。 图4 叶轮结构简图 3.3.1基本公式 由文献[1]查得 则 (3.5) 因∝nD，则 D=- 由 D= 因∝nD,则。 K是速度系数，相似泵的K相等。利用ns和速度系数的关系，可得系数K，再根据K=f(ns)来计算各部分尺寸。 3.3.2用速度系数法计算叶轮主要尺寸的公式 由文献[1]查得 1)叶轮进出口计算 (3.6) (3.7) 式中：Q为泵的流量；n为泵转速；K0根据资料选取。 主要考虑效率时取=3.5~4.0 兼顾效率和汽蚀时取=4.0~4.5 主要考虑汽蚀时取=4.5~5.5 实取200mm；200mm；=180mm。 2)轮外径或出口角的理论计算 由基本方程式： (3.8) 由速度三角形得 (3.9) 则 (3.10) 经整理得 解u2的一元三次方程得 由u2求得D2 求，需知，计算需用到（=Φ2），所以我们必须先假定是建立在错误的基础上。所以用逐次逼近法：用求得的D2或设定一个D2值，根据以上过程、重新计算，当求得的D2值与设定的D2值相等或相近时结束。计算β2时，也要先设定β2进行逼近计算。有关参数的计算如下： ①计算 (3.11) (3.12) 式中：为叶片出口圆周厚度。取=0.8-0.9 = (3.13) 式中：为叶轮出口轴面截线与流线的夹角，取=70°~90°；为叶片出口实际厚度 一般取=2mm~4mm。 = (3.14) ②若使用直锥形吸水室，水沿内壁四周流入，没有旋转，=0。 半螺旋吸水室 (3.15) (3.16) 式中：R1为进口半径；m=0.055~0.08 ；Q为流量；n为转速；n5取较大值。 装反导叶时，反导叶出口的圆周分速度 式中：α6=60°~90，是反导叶出口安放角；v6=(0.85~1.0)vj，是反导叶出口绝对速度；v6为叶轮进口速度。 螺旋离心泵通常选角β2，精确D2。混流泵叶片出口边是倾斜的，为了使外径不同的各流线的扬程相同，D2较小的流线应采用大的出口角β2。由速度系数法计算尺寸，画出出口边，计算叶片各流线的出口角。 (3.17) 取40度，叶片数取Z=2 首次精算叶轮外径 理论扬程 （3.18) 修正系数 ψ= (3.19) 取=0.66 静矩 (3.20) 精算叶轮外径 有限叶片数休整数 ψ (3.21) 无穷叶片数理论扬程 =（1+P）=62.1 m (3.22) 叶片出口排挤系数 ψ2=1-=0.98 (3.23) 出口轴面速度 ==1.28(m/s) (3.24) 出口圆周速度 =25.8 m/s (3.25) 出口直径 =0.34 m (3.26) 第二次精算叶片出口排挤系数 ψ2=1-=0.981 (3.27) 出口轴面速度 ==1.31(m/s) (3.28) 出口圆周速度 =25.6 m/s (3.29) 叶轮外径 =350 m (3.30) 叶片出口排挤系数 ψ2=1-=0.981 (3.31) 出口轴面速度 ==1.31 m/s 出口圆周速度 =25.8(m/s) (3.32) 出口速度 =7.05(m/s) (3.33) 无穷叶片数出口圆周分速度 =23.59 m/s (3.34) 3.4 压水室设计 3.4.1涡形体各断面面积内的平均速度 由文献[1]查得 (3.35) 式中：是速度系数，若=127时，则=0.362；H=15m，为泵的扬程。 代入上式=6.21m/s，取=6m/s。 涡形体隔舌安放角ψ=20°，分为六个断面，计算断面流量 20 m3/s (3.36) 断面面积 (3.37) 式 中 ：Ф 是 断 面 包 角 。 3.4.2、舌角的计算 由文献[1]查得 舌角应与叶轮出口绝对速度的液流角一致，即 == (3.38) 式 中 ： 为 有 限 叶 片 数 时 中 间 流 线 出 口 处 液 流 圆 周 的 分 速 度 。 取==7.04 m/s (3.39) 代入上式===38.7度 涡形体宽度 =（1.5—2）；=105—140 mm (3.40) 绘型时实际=180mm。 3.4.3 基圆直径 由文献[1]查得 基圆直径为： ==350—367.2 mm (3.41) 取=360 mm。 3.5 叶片厚度的确定 根据之前计算结果，诱导轮和叶轮距离X进口直径为D1 由于越小越好，则取为20mm 叶片厚度 mm 为轴面流线与水平的夹角 =20 实际厚度mm 流面厚度=4mm (3.42) 圆周厚度 mm (3.43) 轴面垂直厚度 5.2 mm (3.44) 径向厚度 1.8 mm (3.45) 第4章 轴向力及其平衡 4.1 轴向力的计算 根据半开式叶轮的经验公式近似计算轴向力 式 中 ： 是 圆 心 在 叶 片 进 口 边 上 与 叶 轮 轮 廓 相 切 的 圆 的 直 径 。 d1=（D1-dh）/2=40cm；k为轴向力系数，查表得 k=1.63；为d圆心处的半径，=（D1+D2）/4=100mm；为液体重度，=2650kg/m3 故： 第5章 砂石泵主要零件的强度计算 5.1 叶轮强度计算 5.1.1盖板强度计算 由文献[4]查得 盖板的应力大部分是由离心力造成的，应力越大的地方半径越小。 （4.1） （4.2） 式中：为材料的宽度；为许用应力， 铜的；为材料的屈服极限；为拉伸强度；e=2.71828；D2=0.248m；ρ=7800N·m；Dx=0.2mδ2=0.008m；u2=18.9m/s；w=18.9r/s。 材料选取ZG1Cr13,KPa。 5.1.2叶片厚度计算 由文献[4]查得 （4.3） 式中：H为单级扬程；Z为叶片数；D2为叶片外径；A是系数，取A=5；D2=0.248m；ns=127；Z=2；H=15m S=50.248=3.4mm 实际S=4mm。 最小壁厚： 一般铸造条件下灰铸铁最小许可厚度 HT250：。 高 锰 钢 ： 砂 型 铸 造 m m 。 筋 的 厚 度 ： 1 0 m m 。 5.1.3轮毂强度计算 由文献[6]查得 轴向力 （4.4） 由此应力所引起的变形为 （4.5） 式中：E为弹性模数，铸铁E=，铸铜E=，铜E=； Dc为轮毂平均直径；为由离心力引起的轮毂直径的变形；应小于叶轮和轴配合的最小公盈，即<。 MPa 因 故在时叶轮盖板是安全的。 mm < 根据公差配合，可知因离心力引起的变形小于最小配合公盈。 5.2泵轴的强度校核 5.2.1 泵轴的强度计算 由文献[9]查得 轴的当量弯矩 （4.6） 式中：为计算断面的弯矩；a为系数，通常取a=0.57~0.61。故取a=0.6。 N·m （4.7） mm （4.8） 查得轴是安全的。 5.2.2 泵轴的刚度校核 由文献[9]查得 由轴的细长比： 经计算，得：=1.35 故泵轴是可以采用的。 联轴器的选用：d=40mm，L=112mm，D=130mm，D1=105mm 螺栓个数n=4，直径M10，L0=229mm，重量m=7.29kg，转动惯量是0.043。 5.3 键的校核 5.3.1 键的选择 由文献[9]查得 M=47.88 N·m （4.9） d=40mm 键：，一般键联接 深度：轴，毂，平键l=50mm 5.3.2 键联接强度计算 由文献[9]查得 计算键的剪切应力： N·m （4.10） 可知键是安全的。 计算键的挤压应力 N·m （4.11） 钢的许用挤压应力=1500~1600 N·m 由于 ，轮毂是安全的。 键的剪切应力可按下式计算： （4.12） 式中：M为键所传递的扭矩；d为轴径；b为键的宽度；l为键的长度；为键的许用剪切应力，45号钢的键取=600 N·m。 挤压应力 （4.13） 式中：h为键高；为许用挤压应力。 通常需根据轮毂材料进行校核。键的材料的许用挤压应力比轮毂的大，故取钢的许用挤压应力：=1500-1600 N·m。 第6章 砂石泵主要通用零部件的选择 6.1轴封结构的选择 此 次 设 计 的 填 料 密 封 的 结 构 尺 寸 为 ： 填料宽度S =1.6=10mm （5.1） d为轴式轴套直径 填料高度H 当液体压力MPa时 H=(5-7)S=60mm （5.2） 填料压盖高度h h=(2-3)S=25mm （5.3） 填料压盖长度b b=(0.5-1)S=8 mm （5.4） 填料压盖螺栓长度L 需 保 证 填 料 函 体 内 装 满 填 料 时 ， 不 必 加 压 就 能 拧 上 螺 母 。 填料压盖螺栓直径d，取M6 填料压盖厚度 =9 mm （5.5） 取=7mm 为 填 料 压 盖 螺 栓 直 径 。 6.2 轴承部件的选择 选择61309/P6型号的深沟球轴承（GB276-64）。 尺寸：轴径d = 45mm，D =100mm，B = 25mm 安装尺寸：D1 =54 mm，D3=90mm 重量：0.83kg 选择11109/P6型号的双列向心球面球轴承（GB281-64） 尺寸：轴径 d = 45mm，D =100mm，B = 36mm 安装尺寸：D1=55mm，D3=90mm 重量：1.25kg 6.3 联轴器的选择 根据设计要求，由于直径等于40mm，故选择弹性套柱销联轴器（GB4323-84）,Tl6型号，L=112mm，D=160mm，A=45mm。 重量：10.36kg 转动惯量：0.026kg·m2 6.4 电动机的选择 查手册电动机选取Y系列封闭式三相异步电动机。 电动机相关参数： 型号：Y132M-4；功率：7.5kW；额定电流：15.4A；额定电压：380V；转速：1440r/min；效率：87%；功率因数：0.85。 结束语 本次所设计的螺旋离心泵，在当今国际上具有广泛的应用范围，且开发前景十分乐观。在实际生产中，它解放了生产力、创造了可观的经济价值，为工业、生产业、矿业等许多行业的进步起到了巨大的推进作用。 设计就要有创新、有可行性。本次螺旋离心泵的设计是为了能更广泛应用于实际生产中，在控制成本的情况下创造尽可能多的经济价值。结合了普通螺旋泵和离心泵的技术原理，大量阅读资料后通过反复的计算、验算，证明了该泵的可靠性和实用性，以及在输送物料上不可比拟的优异性。 在设计的过程中，我充分利用了四年来所学的专业知识，并在查阅大量文献中了解掌握了许多新的知识。这些都帮助我顺利地完成了此次的课题。在设计中，综合考虑了成本问题，如何使经济效益最大化问题，如何使产品安全可靠、质量过硬等多方面的问题，改进了大量参数与结构设计，使此次的设计得到了优化。 经过精心、细心、耐心地设计后的产品，相信它能够在实践生产中，发挥它的作用。 参考文献 [1]关醒凡.泵的理论与设计[M].机械工业出版社,2007. [2]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社，2005. [3]离心泵设计基础编写组.离心泵设计基础[M].机械工业出版社，2007. [4]钟正邦.两相流理论在泥浆泵设计中的应用[M].流体工程出版社，2008 . [5]卜炎.中国机械设计大典 第3卷[M].江西科学技术出版社，2005. [6]徐灏.机械设计手册 第4卷[M].机械工业出版社，2001. [7]成大先．机械设计手册 第1卷[M].化学工业出版社，2002. [8]王三民，诸文俊．机械原理与设计[M].机械工业出版社，2001. [9]煤炭工业部.液压传动设计手册[M].上海科学技术出版，2003. [10]梁冰，朱玉才.固液两相流泵的边界层理论及其应用[M].科学出版社，2003. [11]孙明.机械工程基础（上、中、下册）[M].黑龙江人民出版，2000. [12]陈乃祥，吴玉林.离心泵[M].机械工业出版，2003. [13]机械零件设计手册[M].冶金工业出版社，2002. 致谢 到今天为止，此次的毕业设计终于顺利完成了，首先我要感谢对我的培养，在我遇到困难时，是的精神鼓舞着我，让我充满荣誉感和使命感。 在这大半年的设计过程中，我最要感谢我的导师，是他不辞辛苦、不求回报、毫不保留地指导我。从最初的选题到毕业设计的顺利完成，林老师都以他严肃的学术态度、严谨的治学态度和积极的生活态度感染并激励着我，让我不惧困难的挑战，克服了一个又一个的技术难题，最终完成了螺旋离心泵的设计。 而我周围的同学们也给予了我莫大的帮助，他们在我遇到困难时，为我提供想法和建议，经常使我有了新思路。在此我要衷心的感谢一直以来帮助我的那些同学。 - 26 -