1、 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 I 安徽工业大学 毕业设计 (论文 )任务书 课题名称 基于 Pro/E 的离心泵涡道三维建模 学 院 机械工程学院 专业班级 机 118班 姓 名 刘 良 涛 学 号 119054487 毕业设计 (论文 )的主要内容及要求 ： 1.中英文献检索与综述，涉及离心泵及蜗壳的相关文献； 2.参照离心泵蜗壳等的涉及方案计算蜗壳梯形断面的相关数据，并绘制出蜗壳的平面图； 3.利用 Pro/E 软件绘制得到蜗壳的三维模型； 4.为了便于设计，本次设计 的离心泵为低比转速类型； 5.说明书 30-40 页、不少于 15000 字、 5000 字的英文文
2、献翻译、 300 字中英文摘要。设计图纸折合 A0 图纸 3 张（含一张手绘 A0）。 指导教师签字： 填写说明 ： “任务书 “封面请用鼠标点中各栏目横 线后将信息填入，字体设定为楷体 GB2312、四号字 ； 在填写 毕业设计（论文） 内容时字体设定为楷体 GB2312、小四号字。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 II 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
3、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 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 III Abstract The main problems in th
4、ree-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 centrif
5、ugal 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 bas
6、is 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 fo
7、r futher study with finite-element and hydro-dynamic methods is avaiable. Key words: centrifugal pump volute; joint border; three-dimensional modeling ; Pro/E 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 IV 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
8、 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
9、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 3b - 20 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 V 6.1.6 涡室隔舌安放角 0 - 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 -
10、 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 3b - 29 6.2.6 涡室隔舌安放角 0 - 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 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 1 1 绪论 1.1 研究背景 离心
11、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 。
12、 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
13、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
14、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安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 2 图。泵内
15、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 2 。 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
16、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
17、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 3 。 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。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 3 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
18、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 4 。 图 2.1 泵工作的装置简图 1-调节阀 2-排出管路 3-压水室
19、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，安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 4 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
20、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。 2.2.3 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
21、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
22、，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。轴上除装有叶安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 5 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 5 。 轴承是支撑泵转子的部件，承受径向和轴向载
23、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
24、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
25、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。
