1、1题目 离心泵的设计及其密封摘要：在当今社会离心泵的应用是很广泛的,在国民经济的许多部门要用到它。在供给系统中几乎是不可缺少的一种设备。在泵的实际应用中损耗严重，特别是化工用泵在实际应用中损耗，主要是轴封部分，在输送过程中由于密封不当而出现泄漏造成重大损失和事故。轴封有填料密封和机械密封。填料密封使用周期短，损耗高，效率低。本设计使用机械密封。主要以自己设计的离心泵为基础，对泵的密封进行改进，以减少损耗，提高离心泵寿命。本设计其主要工作内容如下，自己设计一台扬程为 40m，流量为 100m /h 的离心泵。电机功率为 7.5kw，转速为 2900r/min，.在 0380 C 工作环境下输送带
2、杂质液体的离心泵的机械密封。0关键词： 泵 填料密封 离心泵 机械密封Centrifugal pump design and sealingAbstract: In todays society, the centrifugal pump is applied widely in the national economy, many departments should use it. In the supply system is almost an indispensable equipment. The practical application in pump industry, es
3、pecially with serious loss in actual application of pump shaft seals, mainly is loss in the process of conveying, due to improper seal leakage caused heavy losses and accidents. Shaft seals have packing seal and mechanical seal. Packing seal use short cycle, the loss is high. Efficiency is low. This
4、 design USES mechanical seal. Mainly in their design based on centrifugal pump, and the improved seal pump, in order to reduce loss, improve the centrifugal pump life. This design is the main content of work, design a head for 40 MB, flow 100m/h of centrifugal pump. Electric power is 7.5 kw, speed f
5、or 2900r/min, the 0-80 C work environment impurity liquid conveyer belt of centrifugal pump mechanical seal.Keywords: pump packing seal centrifugal pump mechanical seal2二 离心泵的工作原理以及方案选择2.1 离心泵的工作原理离心泵工作前，先将泵内充满液体，然后启动离心泵，叶轮快速转动，叶轮的叶片驱使液体转动，液体转动时依靠惯性向叶轮外缘流去，同时叶轮从吸入室吸进液体，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
6、力于叶片，反过来叶片以一个与此升力大小相等、方向相反的力作用于液体，这个力对液体做功，使液体得到能量而流出叶轮，这时候液体的动能与压能均增大。就可以达到效果。离心泵依靠旋转叶轮对液体的作用把原动机的机械能传递给液体。由于离心泵的作用液体从叶轮进口流向出口的过程中，其速度能和压力能都得到增加，被叶轮排出的液体经过压出室，大部分速度能转换成压力能，然后沿排出管路输送出去，这时，叶轮进口处因液体的排出而形成真空或低压，吸水池中的液体在液面压力（大气压）的作用下，被压入叶轮的进口，于是，旋转着的叶轮就连续不断地吸入和排出液体。2.2 密封方案选择离心泵的密封也叫轴封。它是旋转轴和泵体之间的密封。分为机
7、械密封和填料密封。填料密封一般采用油浸石棉盘根或油浸棉纱盘根。他的优点是结构简单、成本低、适用范围广。但是在实际生产中，经常出现这样的状况：新修好的设备，开始运行时轴封状况良好，但用不了多久，泄漏量便不断增加，调整压盖和更换填料的工作也逐渐频繁，运转不到一个周期，轴套就已磨损成花瓶状，严重时还会出现轴套磨断，并且水封环后面更换不到的盘根均已腐烂，无法起到密封作用。它的主要缺点是 1、填料与轴直接接触，且相对转动，造成轴与轴套的磨损，所以必须定期或不定期更换轴套。2、为了使填料与轴或轴套间产生的摩擦热及时散掉，填料密封必须保持一定量的泄漏，而且不易控制。3、填料与轴或轴套间的摩擦，造成电机有效功
8、率降低，消耗电能，有时甚至达到 510的惊人比例。也就是说：从填料密封的原理来看，流体在密封腔内可泄漏的通道有三处：其一是流体穿透纤维材料造成泄漏；其二是从填料与填料箱体之间泄漏；其三是从填料与轴表面之间泄漏。机械密封是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。 常用机械密封结构由静止环（静环）1、旋转环（动环）2 、弹性元件 3、弹簧座4、紧定螺钉 5、旋转环辅助密封圈 6 和静止环辅助密封圈 8 等元件组成，防转销 7 固定在压盖 9 上以防止静止环转动。旋转环和静止环往往还可根据它们是否具有轴向补偿能力而称为
9、补偿环或非补偿还。相对于填料密封，机械密封的优点是：1 密封可靠在长周期的运行中，密封状态很稳定，泄漏量很小，按粗略统计，其泄漏量一般仅为软填料密封的 1/100；2 使用寿命长在油、水类介质中一般可达 12 年或更长时间，在化工介质中通常也能达半年以上；3 摩擦功率消耗小机械密封的摩擦功率仅为软填料密封的 10%50%；4 轴或轴套基本上不受摩损；35 维修周期长端面磨损后可自动补偿，一般情况下，毋需经常性的维修；6 抗振性好 对旋转轴的振动、偏摆以及轴对密封腔的偏斜不敏感；7 适用范围广机械密封能用于低温、高温、真空、高压、不同转速，以及各种腐蚀性介质和含磨粒介质等的密封。8 对现今许多工
10、厂的“零泄漏” 需要，填料无法达到此要求；根本适应范围广，随意性更大，但对于在工厂，经常更换或维护将对工厂造成很大损失。但是机械密封由于零件相对较多，所以结构较复杂，对制造加工要求高，并且安装与更换比较麻烦，并要求工人有一定的安装技术水平。发生偶然性事故时，处理较困难。还有机械密封的一次性投资高，必须考虑成本问题。综合二种密封方式，考虑本设计中输送的化学液体，并可能带有腐蚀性，一旦泄漏会出重大事故。必须选择密封性能好的方式。故本设计采用机械密封。要求计算出机械密封的各种力和端面比压。4三 离心泵的设计3.1 离心泵的基本原理泵是把原动机的机械能转换成液体能量的机器。泵用来增加液体的位能、压能、
11、动能.原动机通过泵轴带动叶轮旋转,对液体做功,使其能量增加,从而使需要数量的液体,使液体经泵的过流部件输送到要求的高度或要求压力的地方。如下图 1-1 所示,是简单的离心泵装置。原动机带动叶轮旋转,将水从 A 处吸入泵内,排送到 B 处。泵中起主导作用的是叶轮,叶轮中的叶片强迫液体旋转,液体在离心力作用下向四周甩出。这种情况和转动的雨伞上的水滴向四周甩出去的道理一样。泵内的液体甩出去后,新的液体在大气压力下进入泵内,如此连续不断地从 A 处向 B 处供水。泵在开动前,应先灌满水。如不灌满水,叶轮只能带动空气旋转,因空气的单位体积的质量很小,产生的离心力甚小,无力把泵内和排水管路中的空气排出,不
12、能在泵内造成一定的真空,水也就吸不上来。泵的底阀是为灌水用的,泵出口侧的调节阀是用来调节流量的。如图 3-1底 阀下 液 面 p1p0图 （ 2） ： 工 作 原 理 示 意 图图 3-153.2 泵汽蚀余量的计算方法汽蚀余量对于泵的设计、试验和使用都是十分重要的汽蚀基本参数。设计泵时根据对汽蚀性能的要求设计泵,如果用户给定了具体的使用条件,则设计泵的汽蚀余量必须小于按使用条件确定的装置汽蚀余量 。欲提高泵的汽蚀性能,应尽rNPSHaNPSH量减小 。泵试验时,通过汽蚀试验验证 ,这是确定 唯一可靠的方法。r r rS它一方面可以验证泵是否达到设计的 值。另一方面,考虑一个安全余量,得到许r用
13、汽蚀余量 ,作为用户确定几何安装高度的依据.可见,正确地理解和确定汽蚀NPS余量是十分重要的。为了深入理解汽蚀的概念,应区分以下几种汽蚀余量：1. 装置汽蚀余量又叫有效的汽蚀余量。是由吸入装置提供的, 越大aH aNPSH泵越不容易发生汽蚀。2. 泵汽蚀余量又叫必需的汽蚀余量,是规定泵要达到的汽蚀性能参数, rNPS越小,泵的抗汽蚀性能越好。r3. 试验汽蚀余量,是汽蚀试验时算出的值, 试验汽蚀余量有任意多个,但对tH应泵性能下降一定值的试验汽蚀余量只有一个,称为临界汽蚀余量,用表示。cNPS4. 许用汽蚀余量,这是确定泵使用条件(如安装高度)用的汽蚀余量,它应大于临界汽蚀余量,以保证泵运行时
14、不发生汽蚀,通常取 =NPSH或 = +k, k 是安全值。cNPSH5.1cNPSH这些汽蚀余量有如下关系: arc 泵汽蚀余量的计算:HNPSr式中: 托马汽蚀系数；泵最高效率点下的泵单级扬程；6最高效率点下的泵汽蚀余量。rNPSH根据【现代泵技术手册关醒凡编著，宇航出版社。 】 查图 4-7取 =0.075所以 =0.035 40=3r3.3 泵的基本参数的确定1 确定泵的进口直径泵进口直径也叫泵吸入口径,是指泵吸入法兰处管的内径.吸入口径由合理的进口流速确定。泵的进口流速一般为 3m/s 左右，从制造经济行考虑，大型泵的流速取大些，以减小泵体积，提高过流能力。从提高抗汽蚀性能考虑，应取
15、较大的进口直径，以减小流速。常用的泵吸入口径，流量和流速的关系如图所示。对抗汽蚀性能要求高的泵，在吸入口径小于 250mm 时，可取吸入口径流速 ，在吸入口径大于smVs/8.10250mm 时，可取 。选定吸入流速后，按下式确定 ,在该设计中，此smVs/2.41 sD泵为单吸离心泵。 sVQD吸入口径（mm）40 50 65 80 100 150 200 250流速（m/s）1.375 1.77 2.1 2.76 3.53 2.83 2.65 2.83单级泵流量（m 3/h） 6.25 12.5 25 50 100 180 300 500表 3-1注：此表取自【现代泵技术手册关醒凡编著，宇
16、航出版社。 】取吸入口流速 V =3.2m /h，代入公式得：S3 mQRs 123.064入取泵的吸入口径为 125mm。2. 确定泵的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sDR)7.01(出7式中：R 泵的排出口径出R 泵的吸入口径入根据该泵的特性，由于该泵的流量大，考虑排水管路的经济性 mDS1057.0. 出取 m10出3. 泵转速的确定 确定泵转速应考虑以下因素：(1).泵的转速越高，泵的体积越小，重量越轻，据此应选择尽量高的转速；(2).转速
17、和比转数有关，而比转数和效率有关，所以转速应该和比转数结合起来确定；(3).确定转速应考虑原动机的种类（电动机、内燃机、汽轮机等）和传动装置（皮带传动、齿轮传动、液力偶合器传动等） ；(4).转速增高，过流部件的磨损加快，机组的振动、噪声变大；(5).提高泵的转速受到汽蚀条件的限制，从汽蚀比转数公式4362.5rNPSHQnC式中： 泵的转速（r/min）n8泵流量（m 3/s）Q可知：转速 和汽蚀基本参数 及 有确定的关系，如得不到满足，将发生nrNPSHC汽蚀。对既定得泵汽蚀比转数 值为定值，转速增加，流量增加，则 增加，当rNPSH该值大于装置汽蚀余量 时，泵将发生汽蚀。a选 ,. =3
18、，150CrNPSHsmQ/05.3则 in/79.62.51. 443 rnr根据汽蚀要求，泵的转速应小于 ，而实际转速为3min/290r4. 轴功率和原动机功率的确定泵的轴功率 KwgQHP356.7608.10149轴原动机功率 KwKt 25.73.原式中: 余量系数 查【现代泵技术手册关醒凡编著】 表 7-10取 =1.1(原动机为电动机)传动效率 查【现代泵技术手册关醒凡编著】 表 7-11t取 (直联)0.1t所以选择 7.5Kw 的电动机可满足要求,查【机械零件手册吴宗泽主编】选择电动机的型号为 Y132S2-23.4 压出室和吸入室的设计1. 压出室的水力设计压出室的作用在
19、于：1 将叶片中流出的液体收集起来并送往下一级叶轮或管路系统。2.降低液体的流速，实现动能到压能的转化，并可减小液体流往下一级叶轮或管路系统的损失。3.消除液体流出叶轮后的旋转运动，以避免由于这种旋转运动带来的水力损失。本设计采用的压出室是蜗形体，即螺旋形涡室。2. 吸入室的水力设计(1) 吸入室的作用吸入室是指泵的吸入法兰到叶轮入口前泵体的过流部分，吸入室的作用是将吸入管中的液体以最小的损失均匀地引向叶轮。9吸入室中的水力损失要比压出室的水力损失小的多，因此，与压出室相比，吸入室的重要性要小的多，尽管如此，吸入室仍是水泵不可缺少的部件，它直接影响着叶轮的效率和泵的汽蚀性能。(2) 吸入室的分
20、类吸入室有以下四类：直锥形吸入室、环形吸入室、半螺旋形吸入室、单吸泵螺旋形吸入室直锥形吸入室常用于单级悬臂式泵中，它能保证液流逐渐加速而均匀地进入叶轮。环形吸入室又叫同心吸入室，在接近入口处设有许多导向径，以防止液体在其中打转而产生预旋，常用于杂质泵和多级泵。半螺旋形吸入室主要用于单级泵中和水平式开式泵等,能保证在叶轮进口得到均匀的速度场。本次设计泵采用单吸泵螺旋形吸入室。这种结构的吸入室性能好，结构简单，制造方便，液体在单吸泵螺旋形吸入室内流动速度递增，使液体在叶轮进口能得到均匀的速度，液体在双吸泵螺旋形吸入室水力损失很小，汽蚀性能也比较好。3.5 轴的设计离心泵轴的设计为空心轴和电机轴用联
21、轴器直接相联。为了保证这根轴符合要求,我们最后按外伸梁方法分析计算。1 扭矩的计算 mNnPnMcn 1.29705.12.1950原式中: 扭矩( )mN计算功率 取P原2.12 泵轴直径的初步计算 mMdn 0276.152.0.3531 式中: 材料的许用切应力( ) 查【现代泵技术手册关醒凡编著】 表 7-Pa12 取 Pa51值的大小决定轴的粗细,轴细可以节省材料,提高叶轮水力和汽蚀性能;轴粗能增强泵的刚度,提高运行可靠性.故泵轴的最小轴径取 ,泵轴的最大尺寸取md30m603 轴的强度计算（1）叶轮所受径向力的计算( )32108.9BHDKFrN10式中: 泵扬程 HmH40叶轮
22、外径 2DD25.2包括盖板的叶轮出口宽度( )B03.0.2试验系数 查【现代泵技术手册关醒凡编著】 rK图 17-30 取 2.rK则 NBHDFr32108.9N1506.7013（2）叶轮所受径向不平衡离心力的计算(N)0290298.18.2RnGRGnc 式中: 最大半径处的残余不平衡质量(g)取Ggc3叶轮的最大半径( ) 0Rm5则 NRnFcc 8.4212903198.0198.2 （3）水平总的受力: Fc 38.43 垂直总的受力: CR .53（4）计算水平面支承反力 NFFQRR 4.635987023.159822331 RQR .0.332 （5）计算垂直面支承反力 NFFRR 4.28359.1859831 RR.223（6）计算水平面 C 和 D 处的弯矩(考虑到 C 和 D 处可能是危险截面)
