IS200-150-250型离心泵水力及和结构设计.doc

1、 2 西华大学毕业设计说明书 目 录 摘要 3 1 前言 4 2 叶轮的 水力设计 5 2.1 泵的主要设计参数和结构方案的确定 5 2.2 叶轮主要参数的选择和计算 6 2.3 叶轮的绘型 11 2.4 作 叶轮 进出口速度三角形 23 3 压水室的水力设计 24 3.1 压水室的 作用及螺旋型压水室作用的原理 24 3.2 压水 室的设计和计算 26 4 结构设计 31 4.1 主轴的结构 设计 31 4.2 装配图轮廓尺寸的初定 31 5 强度计算 33 5.1 泵轴的强度计算 33 5.2 键的强度计算 39 5.3 轴承寿命的 计算 40 6 结论 44 总结与体会 45 谢 词 4

2、6 参考文献 47 3 西华大学毕业设计说明书 摘 要 本设计是根据给定设计参数完成单级单吸离心泵 IS200 150 250 的 水力及结构设计， 主要包括叶轮、 压水室 的水力设计和泵的结构设计。确定出叶轮的几何参数，绘制并检查叶轮轴面投影图，采用方格网保角变换法完成扭曲形叶片绘形。利用数字积分法，根据 蜗壳内速度矩守恒，确定出蜗壳八个断面参数，并进行绘形。最后对泵进行结构设计，绘制了装配图和部分零件图，并对轴进行了强度校核计算。 关键词： 离心 泵；叶轮；蜗壳；水力设计；结构设计 Abstract According to the design parameters at the giv

3、en point, this paper accomplished the design of the centrifugal pump. It mainly contained the hydraulic design of the impeller, volute casing and structural of pump, structural design of the pump. Based on the resolution method of design of the pump, author obtained the geometric parameters of the i

4、mpeller. Then author projected and checked the cross-section of impeller, drew the cylindrical blade using methods of grid square conformal transformation. On the basis of constant velocity moment, author calculated parameters of cross-section of volute using digital integral method. Author also dre

5、w the spiral curve and diffuser of volute casing. Finally, the structural of the pump was designed and assembly drawing component graphics were drew. In addition, this program has been checked strength of the pump shaft. 【 Key words】 ： centrifugal pumps； impeller； volute casing； hydraulic design； st

6、ructural design 4 西华大学毕业设计说明书 1 前言 水泵是一种应用广泛的水力通用机械，在航天、航空、发电、矿山、冶金、钢铁、机械、造纸、建筑以及农业和服务业等方面都有着广泛的应用。近年来，在农田水利建设和 石油化学 等 工业 部门的迅猛发展中 ，对离心泵的需求越来越大。 本次设计是根据给定设计参数完成 IS200-150-250 型离心泵水力 及 和 结构设计，并完成泵总装图的绘制。该泵在设计点运行参数如下： 扬程 20Hm ， 流量 3400 /Q m h ， 转速 1450 / minnr ， 效率 79% ， 必需空蚀余量 ( ) 2.95rNPSH m ；抽送介质为温

7、度小于 80C 的清水或物理、化学性质类似于水的其他液体。 根据以上设计参数，完成如下设计内容： (1) 叶轮水力设计，进行叶片绘形； (2) 压水室水力设计，进行压水室绘形； (3) 验算泵的抗汽蚀性能； (4) 完成总装图的绘制； (5) 对泵的主要零件进行强度校核； (6) 编写 设计 计算 说明书 ，完成 3000 字专业文献英译汉。 5 西华大学毕业设计说明书 叶轮的 水力设计 叶轮是 泵的核心部分， 泵 的性能、效率、抗空蚀能力、特性曲线的形状，都与叶轮的水力设计有 紧密的 关系。 2.1 泵的主要设计参数 和 结构方案的确定 2.1.1 给定 的数据和要求 （ 1） 泵的型号：

8、IS200 150 250 （ 2） 流量 ： 334 0 0 / 0 .1 1 1 /Q m h m s （ 3） 效率： 79% 。 （ 4） 扬程： 20hm （ 5） 转速： 1450 / minnr （ 6） 必需空蚀余量 ( ) 2.95rNPSH m （ 7） 介质的性质： 温度小于 80C 的清水或物 理 化 学 性质类似于水的其他液体。 2.1.2 确定 泵的进出口直径 首先 由给定的泵的标准型号 IS200-150-250，即可得 泵进口直径 200sD mm 泵出口直径 150dD mm 。 2.1.3 汽 蚀 验 算 汽蚀比转数 3 45 .6 2 1207()rnQC

9、N PSH可知，转速 n 、 汽蚀基本参数 rNPSH 和 C 这三个参数之间 有确定的关系，如得不到满足， 将 产生汽蚀。对于 一 定 C 值，假设提高转速，则 rNPSH 将 增大 ， 当该值大于 所 提供 的 装置汽蚀余量 aNPSH 时， 就会 发生汽蚀。 按汽蚀条件 来 确定泵 的 转速的方法，是 先 选择 C 值，按给定的装置汽蚀余量aNPSH 或几何安装高度 szH ，计算 汽蚀 条件 下所 允许的转速。即 3 4()5.62 rC NPSHn Q式中 ： aNPSH = rNSPH K （ K 考虑汽蚀的安全余量）。 6 西华大学毕业设计说明书 汽蚀允许转速： 3 / 4 3

10、/ 4( ) 1 2 0 7 2 . 9 5 1 4 5 15 . 6 2 5 . 6 2 0 . 1 1 1rC N P S Hn Q min)/(经验算可知， 转速 1450( / min)nr 小于汽蚀允许转速， 符合要求。 2.1.4 计算比转速 sn ，确定泵 的水力方案 比转速公式为 3 3 / 443 . 6 5 3 . 6 5 1 4 5 0 0 . 1 1 1 1 8 6 . 520s nQn H 取 186 在 150 200sn 范围，泵的效率最高，当 60sn 时，泵的效率将显著下降。采用单级单吸 式时 sn 过大 ，可考虑改成双吸，反之采用双吸 sn 过小时，可考虑改

11、成单吸 式 叶轮， 泵的特性曲线 的 形状也和 sn 有 关。 本次设计选用单级单吸式的水力方案。 2.2 叶轮的主要参数的选择和计算 叶轮主要几何参数有叶轮进口直径 1D 、 进口 当量 直径 0D 、叶轮轮毂直径 hd 、叶片进口安放角 1 、叶轮出口直径 2D 、叶轮出口宽度 2b 、叶片出口角 2 和叶片数Z。叶轮进口 几何 参数对汽蚀具有 重要 影响，叶轮出口几何参数对性能（ H、 Q）具有 重要 影响，而两者对效率均有影响。 2.2.1 叶轮进口直径 1D 的确定 叶轮进口直径 1D 与进口速度有关， 从前限制进口 速度 0v 一般不超过 34 /ms，认为进一步提高叶轮进口流速

12、会 降低泵的抗汽蚀性能和水力效率。实践证明：泵在相应增加进口 0v 很广的范围内运转时，能保持水力效率不变，所以如果设计的泵对抗汽蚀性能要求不 高 ，可以选较小 的 1D 以减少叶轮密封环的泄漏量，以提高容积效率。 决定叶轮 内 水力损失的 速度 是相对速度的大小和变化，所以应 当 考虑泵进口对 相对速度的影响，通常在叶轮流道中相对速度 是 扩散的，即 1w 2w 。这样从减小进口相对撞击损失的流道中的扩散损失考虑， 都希望减小 1w ，若假定 1w 最小 ，可 推出计算叶轮进口直径的公式 。 进口当量直径： 330 0 . 1 1 14 . 5 0 . 1 9 1 11450o QD k m

13、n ,圆整取 192mm 式中 : 0k 根据统计资料 ， 对此 泵 确定 为 0k =4.5 7 西华大学毕业设计说明书 进一步增加 0k ,可以 改善大流量下的工作条件，提高泵的抗汽蚀性能考虑效率和汽蚀， 0k 的选用范围是： 主要考虑效率 0k =3.5 4.0 兼顾效率和汽蚀 0k =4.0 5.0 主要考虑汽蚀 0k =5.0 5.5 这里选取 0k =4.5 轮毂直径： 0hd 所以叶轮进口直径： 221 192ohD D d m m 2.2.2 叶轮出口直径 2D 的初步计算 叶轮外径 2D 和叶片出口角 2 等出口 几何 参数，是影响泵的扬程的最重要的因素。另外，影响泵扬程的有

14、限叶片数修正系数也 与 2D 和 2 及叶片数等参数有关。可见影响泵的扬程的几个参数之间互为影响。 因此，必须 在 假定某些参数为定值的条件下，求解叶轮外径 2D 。 因为压水室的水力损失和叶轮出口的绝对速度的平方成正比。为了减少压水室的水力损失，应当减小叶轮出口的绝对速度，因此，我们 把 在满足设计参数下使叶轮出口绝对速度最 小作为确定 2D 的出发点。 由叶轮出口速度三角形 222 2 2muv v v 叶轮出口轴面速度和圆周分速度 2uv 均与叶轮外径 有 关，现将 2v 表示为 22()Du的函数，由基本方程式 2 2u hgHv u推出 2D 的计算公式 并计算出具体的数值 为： 1

15、 / 2 1 / 22 1869 . 3 5 ( ) 9 . 3 5 ( ) 6 . 8 4 71 0 0 1 0 0sD nk 3322 0 . 1 1 16 . 8 4 7 0 . 2 9 0 81450D QD k mn 取 2 291D mm 。 8 西华大学毕业设计说明书 2.2.3 叶轮出口宽度 2b 的计算与选择 5 5 / 662 1860 . 6 4 ( ) 0 . 6 4 ( ) 1 . 0 7 61 0 0 1 0 0sb nk 3322 0 . 1 1 11 . 0 7 6 0 . 0 4 5 71450b Qb k mn 由于制造关系，这里取 2 46b mm 2.2

16、.4 叶片数的选择 叶片数对泵的扬程、效率、汽蚀性能都 有一定的影响。选择叶片数时， 一 方面考虑 尽量 减少叶片的排挤和表面的摩擦；另 一 方面又要使叶轮流道有足够的长度，以保证液流的稳定性和叶片对液体的充分作用。 参考 1P108， 叶片数按比转速选择（表 2-1） ， 取 6Z 。 表 2-1 sn 30 45 45 60 60 120 120 300 Z 8 10 7 8 6 7 4 6 2.2.5 泵 效率 的 选择与计算 先分别计算或估算水力效率 h 和 容积效率 v ，最后 由 已知的 总效率 推算出机械效率 m 。 （ 1） 容积效率 : 叶轮前后盖板外侧与腔内侧形成了两个充满

17、液体的空腔，称为泵腔。叶轮前盖板处的间隙使前泵腔与叶轮进口相通，前泵腔的另一端与叶轮出口相通。在压力差的作用下，有一部分水流流出叶轮后，又经过前泵腔和叶轮进口间隙返回叶轮入口，这部分水从叶轮中获得的能量在流动过程中全部不可逆的转化为 热能，形成一种能量损失。在后泵腔轮毂处，因为设有各种形式的密封装置，这一典型的流动可以忽略不计。因而叶轮进口密封间隙处的这一泄漏量 q 代表了离心泵中 典型的主要的容积损失。 容积效率可以采用下面的一些经验公式计算： 002 / 31 1 0 0 9 81 0 .6 8vsn （ 2）水力 效率 20 0 .4 21 1 0 0 % 9 1 %( l g 0 .1

18、 7 2 )h D 9 西华大学毕业设计说明书 （ 3） 机械效率 由于知道总效率 79% ，又 hmv 可以计算出 88%m 2.2.6 精算叶轮外径 2D 叶轮外径 2D 是叶轮最重要的尺寸，故需要精确计算。以基本方程式精确计算，从理论上讲是比较严格的，但其中的水力效率，有限叶片修正系数，也只能用经验公式计算。实践证明，精确计算的数值是基本可靠的。 由基本方程式： 2 2 1 1uuT u v u vH g由出口速度三角形 222 2tanmu vvu 所以整理后得： 2222 22()2 ta n 2 ta nmm Tvvu gH 由 2u 可以求得 22 60uD n离心泵一般是选择适

19、当的 2 角精算 2D 。 （ 1）查相应资料，叶片出口安放角 2 一般在 4016 的范围内，通常选用 3020 。对高比转速泵， 2 可以取小些，低比转速泵可以取大一些。本次设计取 2 22.5 。 （ 2） 求叶片出口排挤系数，需要确定叶片厚度 2 ，轴面截线与轴面流线的夹角取 2 90。 （ 3）第一次精确计算叶轮外径 ， 按照初定尺寸画出轴面投影后计算 。 叶片出口排挤系数： 2222 c ot 6 4 c ot 22.51 1 ( ) 1 1 ( ) 0.93 3si n 3.14 298 si n 90Z D 理论扬程： 20 220 .9 1ThHHm 修正系数： 2 2 2

20、. 5(1 ) 0 . 8 (1 ) 1 . 16 0 6 0 其中 0.65 0.85 取 0.8 10 西华大学毕业设计说明书 静矩： 212 2 2 2202111( ) ( ) ( ) 2 2 2 2rii r DDS S R r d r r r 2 3 2 3 21 ( 1 4 5 . 5 1 0 9 6 1 0 ) 0 . 0 0 5 9 82 m 叶片修正系数： 2 3 22 (1 4 5 . 5 1 0 )1 . 1 0 . 6 4 96 0 . 0 0 5 9 8rP ZS 无穷叶片理论扬程： (1 ) (1 0 . 6 4 9 ) 2 2 3 6TTH P H m 在每次计

21、算中都可以认为 TH 不变。 出口轴面速度： 2 2 2 2 0 .1 1 1 2 .8 9 6 m /s3 .1 4 0 .2 9 1 0 .0 4 6 0 .9 3 1 0 .9 8m vQv Db 出口圆周速度： 222222( ) 22.6 /2 ta n 2 ta nmm Tvvu gH m s 出口直径： 22 6 0 6 0 2 2 . 6 0 . 2 9 83 . 1 4 1 4 5 0uDmn 与 初 定 的 值 2 291D mm 相差超过 2% ， 进行第二次精 算 。 （ 4）第二次精确计算叶轮外径 叶片出口排挤系数： 2222 c ot 6 4 c ot 22.51

22、1 ( ) 1 1 ( ) 0.93 3si n 3.14 298 si n 90Z D 出口轴面速度： 2 2 2 2 0 .1 1 1 2 .8 2 2 m /s3 .1 4 0 .2 9 8 0 .0 4 6 0 .9 3 3 0 .9 8m vQv Db 出口圆周速度： 222222( ) 22.5 /2 ta n 2 ta nmm Tvvu gH m s 11 西华大学毕业设计说明书 出口直径： 22 6 0 6 0 2 2 . 5 0 . 2 9 63 . 1 4 1 4 5 0uDmn 与假定值 298mm 相差小于 2% ，故可取 2 298D mm 为精确的叶轮外径。 2.3

23、 叶 轮 的绘型 叶轮是影响离心泵性能的主要零件。因此，准确的绘 型 是保证叶片形状的必要前 提 。 叶轮全部几何参数确定后，应当根据这些确定的尺寸完成叶片绘 型 ，为此应首先绘制叶轮轴面投影图。 画图时，最好选择 sn 相近，性能良好的叶轮图作为参考 ， 考虑泵的设计的具体情况加以改进。轴面投影图的形状，十分关键，应经过反复修改，力求光滑顺畅。同时，应考虑到： (1)前后盖板出口保持一段平行或对称变化； (2)流道弯曲不应过急，在轴向结构允许的情况下，以采 取较大的曲率半径为宜。设计时参考性能较好的相同比转速叶轮轴面投影图形状来绘制。 2.3.1 叶轮轴面投影图的绘制 轴面投影图绘制的已知控

24、制尺寸只有四个：叶轮半径 ，叶轮进口直径 ， 叶轮出口宽度和轮毂直径，所绘轴面投影图应当满足这四个已知尺寸。绘制低比转速叶轮轴面投影图时，应注意以下 问题 ： 轴面图上，前后盖板内表面的投影在叶轮出口部分，在低比转速叶轮中都是直线。为提高叶轮水力效率和保证圆柱形叶片进口冲角不至太大，这两条直线应对称布置。 叶轮流道宽畅一些，有利于减少叶轮的水流速度，降低水力损失，也有利于增强叶轮抗 气蚀性能，保证有少量气泡出现后泵的外特性不致迅速变化。前盖板以一段圆弧过渡两直线，该圆弧应于两直线相切。在泵的轴向尺寸要求不严格时，可取大一些。后盖板流线下部一半也以一段圆弧构成，此圆弧 与 直线相切，也应与 1/2 的水平线相切 （对于轴不穿越叶轮吸入口的叶轮，水平线指叶轮轴心线，这时并不强求圆弧 与 轴心线一定相切） ， 比值一般在 1.2 2 这一范围内。必要时，过渡圆弧也可以用两相切圆弧构成。 2.3.2 检查轴面流道过水断面变化情况 轴面投影图画出之后，必须检查流道面积变化是否合理 ，如图 2-1。如果流道面积无规律变化，则 会 产生局部漩涡，增大损失。