1、中南林业科技大学本科毕业设计 IH65-50-160 化工离心泵设计第 1 页1 引 言泵 是 输 送 液 体 并 提 高 液 体 能 量 的 一 种 机 器 ， 也 可 以 说 泵 是 把 原 动 机 的 机械 能 转 变 成 抽 送 液 体 能 量 的 一 种 机 器 。 原 动 机 通 过 泵 轴 带 动 叶 轮 高 速 旋 转 对液 体 做 功 使 其 能 量 增 加 ， 从 而 把 需 要 数 量 的 液 体 由 吸 液 池 经 泵 的 过 流 部 件 输送 到 要 求 的 高 处 或 要 求 压 力 的 地 方 。泵的种类繁多，由于原料、半成品和成品大多是强腐蚀、带颗粒、高黏度、易
2、燃易爆、有毒、贵重的特殊液体，故其广泛应用，特别是在化工、石油、冶金、制药、化纤、造纸等工业中，这种泵称之为化工泵。化工用泵有其独特的特点：（1）泵过流部件的材质要能耐流体腐蚀、磨损、寿命长。化工泵用于输送不同温度、不同浓度下的各种腐蚀性液体，故泵的过流部件要选用不同的材质或增加保护层以适应流体的腐蚀；有的甚至液体中还含有磨蚀性固体颗粒，造成过流部件的严重磨损，使泵的寿命大为降低，为防止这种现象则考虑采用保护措施或选用耐磨蚀性材料。（2）泵的结构合理、可靠、运行操作、维护维修、装拆方便。由于化工生产是连续化大生产，泵是其中最重要的机器之一，若泵出现了故障，就会中断流程中介质的流动，使整个装置被
3、迫停止下来，造成严重的经济损失。因此，机械结构的可靠性、维护维修的方便性是化工泵最重要的问题。（3）泵密封结构的特殊性与可靠性。对于化工泵输送的强腐蚀、带颗粒、高粘度、有剧毒、易燃易爆、价格昂贵等特殊液体，是不允许泄露到泵外去的。（4）性能良好，效率高，能与装置匹配。由于化工厂中要处理各种不同的大量的液体，有原料、半成品及成品，这些物料都通过泵来输送和加压的，这就需要大数量的泵来满足不同工艺流程的要求。（5）化工用泵的特殊性。由于化工工艺流程中的介质种类繁多、性质各异，操作条件苛刻，这就需要各种不同结构，不同材质的特殊泵来满足不同工艺流程的要求。综上所述，化工泵要选用合适的材料以提高泵的耐腐蚀
4、和磨损，延长其使中南林业科技大学本科毕业设计 IH65-50-160 化工离心泵设计第 2 页用寿命；采用合理的结构以提高泵的运转可靠性和维护检修的方便性；设计良好的密封结构以减小泵的泄露，提高泵的效率；研制适应特殊条件下工作的各种结构的特殊泵以满足不同工艺流程的要求；泵的性能好，效率高，能与装置良好匹配。这些既是化工泵与普通泵的区别，又是我们研究、设计、制造新型化工用泵的方向及广大用户的要求。但化工泵是属于某些特殊条件下的专用泵，因此，一种化工泵不可能具备上述特点，所以，在追求泵的通用化、标准化、系列化的同时，应充分考虑各行业的特点，设计制造和选择相应的化工专用泵。本次设计的 IH 泵是取代
5、 F 系列（耐腐蚀泵）的单级单吸化工流程泵，其性能参数、结构型式和安装尺寸，轴封空腔和底座尺寸均按国际标准 ISO 泵准则设计；泵体为轴向吸入、径向排出，后开门脚支撑式，并直接固定在底座上，使泵体受力好。泵体和泵盖构成泵压液室，泵盖通过止口用连接螺栓夹紧在泵体和悬架体之间。叶轮、轴、轴承构成泵的转子部件。为减小泄露和保护泵体，设计了前置密封环，为改善轴封，平衡轴向力，在叶轮后盖处设置了背叶片；为减小背叶片的功耗，改善轴封，在轴封前加付叶轮；采用填料密封结构；根据轴的转矩大小，设计了弹性套柱销联轴器。综上所述，IH 泵具有性能先进、结构新颖可靠，三化程度高，应用广泛，维护检修方便等优点，属化工流
6、程泵的先进系列。本次设计的泵为 IH65-50-160 型，过流部件材质为 ZG1Cr18Ni9Ti。采用了背叶片结构，明显改善了泵轴受力情况，选用深沟球轴承 6305 承受轴向力、径向力，采用涡壳式液压室。本泵具有结构紧凑可靠、体积小、重量轻、造价低、性能良好等优点，具有很大的实用推广价值。中南林业科技大学本科毕业设计 IH65-50-160 化工离心泵设计第 3 页2 化工离心泵的总体设计2.1 设计依据流量 =25Qhm/3扬程 =32H转速 =2900 nrp轴功率：3.82kW必须汽蚀余量 ：2.0m进出口直径：65mm、50mm (参考)2.1.1 化工离心泵的总体设计在确定化工离
7、心泵总体结构方案时，我们必须遵循以下几个原则。（1） 满足设计基本参数和化工工艺流程与介质的要求，泵性能良好。（2） 运转可靠，寿命长，操作维修装拆更换方便。（3） 尽量符合国家或国际标准，三化程度高。（4） 结构稳定，制造可靠，重量轻，经济性好。2.1.2 泵过流部件的选材分析根据泵输送介质的特性（介质温度、浓度、腐蚀性及含颗粒度）找出几种可能的材质，分析它们的物理机械性能，耐腐蚀性能，加工工艺性能，价格及来源，采用“筛选法”逐渐逼近一种适合于特定工艺条件下较为理想的材质来，现将常用材质的各种性能进行分析。（1）铸铁铸铁是指含碳量大于 2.06%的铁碳合金，由于铁的标准电极电位低，故在多数电
8、解质中将成为微电池的阳极而被腐蚀，但铸铁在强氧化性介质中可以钝化，使其具有一定的耐蚀性，故常用于与浓硫酸接触的设备中，但在浓度不高的硝酸中钝化很不稳定。铸铁的铸造性能良好，具有耐压、耐震、耐磨且价格便宜。（2）不锈钢不锈钢是指在空气中能抵抗大气腐蚀的钢，这种钢在氧化性介质中（硝酸，硝酸盐含氧的介质，水，醋酸及其他有机酸）中能生产氧化性保护膜，故具有耐蚀性，但它在非氧化性介质中如盐酸，硫酸，亚硫酸和含氯离子的介质中如中南林业科技大学本科毕业设计 IH65-50-160 化工离心泵设计第 4 页海水，氯化铵中则不耐腐蚀，不锈钢强度极限高且塑性和韧性好，能在-196 度到 700 度之间使用，其价格
9、相应也高。（3）硬聚氯乙烯硬聚氯乙烯不仅对大多数酸碱具有良好的耐腐蚀性能，而且还具有一定的机械强度，成型方便，可焊性好，比重小，其使用温度在-10 度到 60 度，硬聚氯乙烯除强氧化剂（浓硝酸，发烟硫酸等）芳香法族，氯代碳氢化合物及酮外，能耐大部分酸碱介质的腐蚀，在多数情况下，硬聚氯乙烯对中等浓度的酸碱的耐蚀性最好，但它在腐蚀介中易于老化，使其重量增加，强度发生变化。（4）玻璃钢玻璃钢是采用合成树脂做成黏合剂，以玻璃纤维及其制品为增加材料，通过各种成型方法制成的各种高强度，比重小，耐热耐腐蚀性的器件。玻璃钢具有良好的成型工艺性能及机械加工性能。（5）化工陶瓷化工陶瓷具有优良的耐腐蚀性能（除氢氟
10、酸和浓碱等）足够的不透性，热稳定性，耐热性和机械强度，尤其在处理湿氯水，盐酸，盐水，醋酸介质时其耐腐蚀性远非耐酸不锈钢所能及，化工陶瓷并有耐磨，不老化，不污染被处理的介质等优点，其使用温度为 1000 度（常压） 。但它也有机械强度不高，脆性大，对温度骤变的敏感性大等不足之处。根据泵输送介质的特性，工作条件，材质的物理机械性能，耐蚀性，制造工艺性及价格来源等全面分析，最后选定不锈钢作为过流部件的材质，其型号为 ZG1Cr18Ni9Ti。2.2 泵主要性能与结构参数的分析计算2.2.1 吸入口径 Ds 与排出口径 Dd 的分析计算（1）D s的分析计算泵的吸入口径 Ds 是指进口法兰处管的内径，
11、吸入口径由合理的进口流速确定，一般 Vs=13m/s。以制造经济性考虑，将流速取大些以减小泵的体积，以提中南林业科技大学本科毕业设计 IH65-50-160 化工离心泵设计第 5 页高其过流能力；从提高汽蚀性能考虑，应取较大的进口直径以减小流速。Ds= = =0.0940.054m=9454mmsv4Q)31(0694.按国标 GB566285，取 Ds=65mm。Vs=Q/（0.785D s2）=0.00694/（0.785 0.0652）=2.09m/s（2）D d的分析计算泵的排出口径是指泵出口法兰处管的内径，对于低扬程，排出口径可与吸入口径相同。而对于高扬程，为减小泵的体积和排出管路直
12、径以达到投资和安装的经济性，可取 Dd2900 ，取 n=2900 。pmr中南林业科技大学本科毕业设计 IH65-50-160 化工离心泵设计第 6 页2.2.4 计算泵的比转数 ns，确定泵的水力方案在能达到要求的扬程和效率的前提下，为使泵的结构简单、运行可靠，应尽量采用少的级数，因此本泵采用一级，由于流量不大而采用单吸。ns=3.65n /H =3.65 2900 =65.6Q43432/069.由上知泵的比转数较小，采用单吸叶轮是合理的。2.2.5 估算泵的效率（1）水力效率84.03269.lg085.1lg0835. HQh（2）容积效率96.0.658.0168.013232sv
13、n查泵的理论与设计P190 图 8-6，得， 综合二者取,8.v89.0v（3）机械效率86.01/6.507.10/7.1 6767m ）（）（ sn考虑到其它损失取机械效率为 0.86（4）总效率=0.8440.0.890.86=0.646mvh则有吸入流量： smhQvT /108.7/09.28./5/ 33理论扬程： Hh43校核： smDvsTs /5.2)06.(17422.2.6 计算轴功率，初选原动机由前面可知轴功率 N=3.82kW，一般 Nc=（1.21.5）N，原动机计算功率 Nc=（1.21.5）N=（1.2 1.5）3.82=（4.585.73）kW。由中南林业科技
14、大学本科毕业设计 IH65-50-160 化工离心泵设计第 7 页Nc、n 选出电机型号为 Y132S2-2，N D=7.5KW。2.2.7 泵的结构形式分析（1）单吸还是双吸由于本设计中流量不大，而吸入口径小于 200mm，故采用单吸来使结构简化，降低材料消耗和加工制造费用。从比转数的计算中也发现采用单吸叶轮是比较合理的。（2）直连式还是悬架式直连式所受的轴向力较大，轴径也较大，对于吸入口径小于 200mm 的单吸泵，一般都采用悬架式。（3）悬臂式还是双支撑式悬臂式机构简单、轻小，易于加工制，由于不穿轴液体流动性好。因此采用悬臂式。（4）涡壳式还是分段式单级泵多采用涡壳式，其加工简单，泵性能
15、曲线高效区较宽，车削叶轮后泵效率变化不大。而分段式主要针对多级泵的设计。（5）泵的结构型式本泵采用后开门式，它的涡室流道完整，密封性好，检修方便，不用拆动泵的吸入管路和吐出管路，如图 2.1 所示。（6）叶轮结构型式叶轮结构分为开式、闭式。闭式叶轮效率高，适合用于不含颗粒或含微量颗粒的液体。同时考虑到密封问题，因此采用带背叶片且加付叶轮的闭式叶轮。（7）轴封结构型式泵用轴封有填料密封和机械密封，另外还有橡胶密封和浮动环密封。机械密封效果好，但机构复杂，价格高，损坏时不易更换，填料密封效果较差，但结构简单、价格便宜、易于拆装、更换方便。为方便用户，由于本泵设计压力不高，采用合适的填料密封即可满足
16、要求且一次性投入费用低。（8）悬架结构形式悬架体采用中间支架和悬架体分开的方式。轴承箱与悬架体、轴承箱与轴中南林业科技大学本科毕业设计 IH65-50-160 化工离心泵设计第 8 页承盖之间用螺钉连接，轴承箱下面与支座用螺栓连接。（9）原动机与泵的传动方式采用联轴器传动。共有 4 个联轴器：泵联轴器、爪型联轴器、中间联轴器和电机联轴器。检修时，将中间联轴器取下并松开泵体止口螺母后，便可将支架连同转子全部取出，进行检修而不必拆卸吸入管路和出口管路。这样操作方便，停车时间短，经济性好。图 2.1 泵体的结构形式2.2.8 轴的初步设计（1）轴的选材化工泵的泵轴多采用 3Cr13，调质处理后的硬度
17、 HB=269302，许用剪切应力 =（539687） 10 N/m。5（2）轴的计算扭矩与最小轴径 dmin计算扭矩 Mn=9550 （N D/n）=9550 （7.5/2900）=24.7 Nm最小轴径 dmin= = =0.0132m=13.2 mm32.035109.724考虑到轴上要开键槽，因而此处取轴径 dmin=20 mm，轮毂直径dh=(1.21.5) d i=(1.21.5) 20=2430 mm。取 dh=30 mm。按 GB5662-85，装联轴器处轴径 d=24 mm，叶轮中心线到轴端之间的距离f=385 mm。（3）轴上零件布置与轴的草图设计按 GB5662-85，联
18、轴器处轴径长 1=50 mm。中南林业科技大学本科毕业设计 IH65-50-160 化工离心泵设计第 9 页同时应注意以下几点一、各段轴径应尽量取标准值二、轴上螺纹一般采用细牙螺纹三、轴上定位轴肩一般为 1-2 mm，退刀槽，键都应有标准草图如图 2.2 所示： ?20H7/h6?24H7/g6?25js6?32h1?25H9/g6?24H7/js650481051373851.46015图 2.2 轴的结构草图3 泵的水力设计3.1 水力设计的方法及原理水力设计的方法有相似理论法和速度系数法两种。相似理论法是泵水力设计的一种常用方法。由于同一个叶轮换上两个不同的压液室就会得到两种不同的性能，
19、故其最好是用于整台泵的过流部分。当两泵几何相似、工况相似、过应尺寸不太大时，可以为两泵的水力效率相等，比转数相等。然后可按相似定律对过流部分的全部尺寸进行放大或缩小。速度系数法实际上也是一种相似设计法。它与相似理论法在实质上是相同的，其区别在于相似理论法是建立在一台相似泵基础上的设计，而速度系数法是建立在一系列相似泵基础上的设计。即速度系数法是按相似的原理，把一系列性能较好的泵的资料利用统计法得出速度系数。设计时利用速度系数法计算泵过流部件各部位尺寸。因此这种方法既方便简单，又切实可靠。本设计采用速度系数法进行水力设计。中南林业科技大学本科毕业设计 IH65-50-160 化工离心泵设计第 1
20、0 页3.2 速度系数法设计叶轮水力模型3.2.1 叶轮参数计算（1）确定叶轮的进口直径 D0见离心泵设计基础P133 页，由 ns=65.6 查得叶轮进口速度系数Kv0=0.0630.156，叶轮进口速度v0= Kv0 =（0.0630.156） =1.63.91m/sgH23281.9QT =Q/ =25/(3600 0.89)=7.8 m3/sv0D0=( ) =20/4hd1 2.)91.6(74=（0.08430.0587）mm =（84.358.7）mmDs=(1.051.15)D 0式中 dh为叶轮轮毂直径，取 D0=60mm，则 V0为：v0= smdQhT /76.26./7
21、8.4/4220 （2）叶轮入口边直径 D1对于 ns=40100 时，则 D1 D 0，对流量较小的泵可取 D1 D 0D1=（1.01.1）D 0=6066mm。此处取 D1 =D0=60mm（3）叶片入口边绝对速度 v1一般 v1 v 0，按 v1 v0 ，v 0按下式计算：v1= smdQhT /68.3)0.6.(/78.4)(/4 222 （4）叶片入口边宽度 b1b1= vDT .1.30/.0/因为增大入口边宽度可使叶轮入口相对速度较小，从而提高泵的气蚀性能，对 ns100 的泵效果比较显著。因此可适当增大一点 b1，取 b1=15mm。则绝对速度 v1= smbQT /76.205.68/1（5）叶片入口边圆周速度 u1u1= snD/1.9/20.6/（6）确定叶片数 Z
