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目錄
摘要……………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………….Ⅱ
一般部分
第1章 諸論 ……………………………………………………….1
第2章 泵的概述 …………………………………………………..2
2.1 泵及其在國民經(jīng)濟中的應用 …………………………….2
2.2 泵的分類 ………………………………………………….2
2.3 葉片式離心泵的型式 ……………………………………3
2.3.1按主軸方向…………………………………………….3
2.3.2 按液體從葉輪流出的方向…………………………3
2.3.3 按吸入方式………………………………………….3
2.3.4 按級數(shù)………………………………………………..3
2.3.5 按葉片安裝方法…………………………………….3
2.3.6 按殼體分開方式…………………………………….3
2.3.7 按泵體形式………………………………………….3
第3章 離心泵的基本理論知識及主要部件………………..4
3.1 離心泵的結構形式……………………………………… .5
3.2 泵的基本參數(shù)……………………………………………..4
3.2.1 流量…………………………………………………4
3.2.2 揚程…………………………………………………5
3.2.3 轉速…………………………………………………6
3.2.4 汽蝕余量……………………………………………6
3.2.5 功率和效率…………………………………………6
3.3 泵的各種損失及泵的效率………………………………….7
3.4 離心泵主要零部件及結構型式……………………………9
3.4.1 吸入室及其結構型式 ……………………………...9
3.4.2 葉輪及其結構型式……………………………………10
3.4.3 壓出室及其結構型式…………………………………10
3.4.4 軸封機構及其結構型式………………………………11
3.4.5 軸向力平衡機構及其結構型式………………………12
3.4.6 其它零部件…………………………………………….12
第4章 離心泵結構設計……………………………………….13
4.1離心泵結構方案的選擇 ………………………………………13
4.1.1 原電機的選擇……………………………………………13
4.1.2 確定電機轉數(shù)、比轉數(shù)和級數(shù)…………………………14
4.1.3 初步確定吸入口直徑、流速和吐出口直徑……………15
4.1.4 確定泵的最小汽蝕余量和汽蝕比轉數(shù)…………………17
4.2軸徑的初步設計 …………………………………………………19
4.3離心泵葉輪的設計 ………………………………………………20
4.3.1 確定葉輪入口直徑……………………………………….20
4.3.2 確定葉片入口邊直徑 …………………………………22
4.3.3 確定葉片入口處絕對速度 ……………………………23
4.3.4 確定葉片入口寬度 …………………………………….23
4.3.5 確定葉片入口處圓周速度.………………………………23
4.3.6 確定葉片數(shù) .………………………………………………23
4.3.7 確定葉片入口軸面速度..…………………………………24
4.3.8 確定葉片入口安放角..……………………………………24
4.3.9 確定葉片厚度.……………………………………………25
4.3.10確定葉片排擠系數(shù).………………………………………26
4.3.11 葉輪包角的確定.…………………………………………27
4.3.12確定葉輪外徑.……………………………………………27
4.3.13 確定葉片出口安放角.……………………………………28
4.3.14 確定葉輪出口寬度...……………………………………28
4.3.15 確定葉輪出口絕對速度和圓周速度的夾角.…………30
4.4 徑向?qū)~的設計計算..……………………………………………….32
4.4.1 確定基圓直徑..…………………………………………….32
4.4.2 確定導葉入口角…………………………………………...32
4.4.3 確定導葉入口寬度………………………………………...33
4.4.4 確定導葉喉部面積和形狀.……………………………….33
4.4.5 確定導葉入口厚度..………………………………………34
4.4.6 確定導葉擴散角..…………………………………………35
4.4.7 確定導葉擴散段長度..……………………………………35
4.4.8 確定反導葉入口角.……………………………………….36
4.4.9 確定反導葉葉片數(shù) .……………………………………..36
4.4.10 確定反導葉出口角……………………………………..37
4.5 吸入室的設計……………………………………………………….37
4.6 平衡裝置的設計計算……………………………………………….37
4.6.1 確定平衡盤兩側壓差………………………………………38
4.6.2 計算平衡盤半徑…………………………………………….39
4.6.3 計算軸向間隙長度和平衡盤外圓半徑.…………………39
4.6.4 確定軸向間隙和徑向間隙 .……………………………….40
4.6.5 計算徑向間隙長度………………………………………….40
4.6.6 計算平衡盤的泄漏量……………………………………….41
第5章 離心泵主要零部件的強度計算………………………….43
5.1 葉輪蓋板強度計算……………………………………………43
5.2 葉片厚度計算…………………………………………………44
5.3 輪轂的強度計算………………………………………………45
5.4 分段式多級泵中段計算 …………………………………….45
5.5 泵體密封面連接螺栓計算 ………………………………….46
5.6 泵軸的校核 …………………………………………………48
5.7 鍵的強度校核………………………………………………..…50
第6章 離心泵主要通用零部件的選擇…………………………….…52
6.1 軸封結構的選擇……………………………………………..…52
6.1.1軸封的作用…………………………………………………52
6.1.2填料密封………………………………………………….52
6.2 軸承部件的選擇……………………………………………….53
6.3 聯(lián)軸器的選擇………………………………………………….53
第7章 離心泵材料的選擇…………………………………………..53
7.1 殼體……………………………………………………………53
7.2 軸………………………………………………………………54
7.3 葉輪…………………………………………………………..54
第8章 經(jīng)濟分析……………………………………………………...55
8.1泵經(jīng)濟工作條件..………………………………………………55
8.2 技術經(jīng)濟分析的性質(zhì)………………………………………...55
結論………………………………………………………………………..56
參考文獻…………………………………………………………………..57
附錄1………………………………………………………………………59
附錄2………………………………………………………………………63
摘 要
泵作為一種通用機械，在國民經(jīng)濟中各個領域都有廣泛的應用。農(nóng)業(yè)的灌溉和排澇，城市的供水和排水都需要泵。在工業(yè)的各個部門泵更是不可缺少的。本人此次設計的是200D型離心式清水泵。此類泵是利用葉片和液體相互作用來輸送液體的葉片泵的一種，輸送清水（含雜質(zhì)量小1%，顆粒度小于0.1mm），物理化學性質(zhì)類似于水的其他液體。它輸送介質(zhì)溫度小于80，適用于礦山排水、工廠和城市給排水等場合。離心泵具有結構簡單，系統(tǒng)無需卸壓裝置，運行安全可靠和性能優(yōu)良等特點。
本文介紹200D型離心泵的各部分結構和幾何參數(shù)對泵性能的影響，分段式多級泵的用途比較廣泛，產(chǎn)量也比較大，這種泵實際上等于將幾個葉輪裝在一根軸上，串聯(lián)的工作，所以揚程一般比較高，每個葉輪均有相應的導葉。
【關鍵詞】 離心泵 導葉 葉輪 平衡裝置
Abstract
pump is as one kind of general machinery, and all there is the extensive application in each domain in national economy. The agriculture irrigates and draining flooded fields, and the water supply of city and draining off water all needs the pump. Each department pump in industry more cannot lack. What I this time designed is 200D's mould being at odds with the community or the leadership type clear water pump. This kind of pump is using leaf blade and liquid to interact to carry a kind of liquid vane pump, and carries clear water ( keeping in the mouth the miscellaneous quality small 1%, the granulation is smaller than 0.1mm ), similar other liquid in water of physicochemical property. Its transport medium temperature is smaller than 80, occasions such as is suitable in the mine draining off water and factory and city plumbing etc. It is simple that the centrifugal pump possesses the structure, and the system need not the decompression device, the characteristics such as to run safe and reliable(ly) with the function fine etc.
This book is introduced the various part of structure of 200D's mould centrifugal pump and how much influences to the pump function of parameter, extensive, and output is also fairly greatly, in fact this kind of pump is equaled to to load several impellers on an axle, tandem work, so the lift is generally fairly higher, that every impeller all has corresponding(ly) leads.
【Key words】centrifugal pump, impeller, the leaf is led by the leaf, the balance installing
一般部分
第1章 諸論
我的設計題目是《200D多段離心式清水泵結構設計》。根據(jù)指導教師給的設計參數(shù)的具體分析，我設計的多段離心式清水泵需要的流量是每小時280立方米，揚程是260米水柱，工作效率為70%，轉速為每分鐘1470轉，液體重度為每立方米1000千克。多段離心式清水泵，它屬于D型泵。 D型離心式清水泵是單吸多級分段式離心泵，供輸送清水及物理化學性質(zhì)類似于水的液體之用。具有效率高，性能范圍廣，運轉安全平穩(wěn)，噪聲低，壽命長，零件互換性強，使用維護方便，產(chǎn)品規(guī)格齊全，覆蓋面廣等優(yōu)點。臥式多級分段式離心泵依靠自身的結構可以滿足大流量高揚程供水需求。往往是農(nóng)業(yè)工業(yè)中不可卻少的排水設施。因而該泵的性能應用范圍是泵業(yè)發(fā)展所關注的。在密封采用軟填料密封，注入液體或循環(huán)液體可以即起到密封作用又可以隔離及冷卻。該泵價格底，結構簡單、安裝檢修方便，因此可以隔離及冷卻適用于工廠、城市、礦山、農(nóng)村的給排水等，分段式多級泵的用途比較廣泛，產(chǎn)量也比較大，它應用領域也在不斷地擴大，具有廣泛的研究意義。
D型離心式清水泵在國內(nèi)外有了很大的發(fā)展。在國民經(jīng)濟的各個領域都有應用，無論是農(nóng)業(yè)、城市、礦山，還是工業(yè)的各個部門都有它的存在?？傊?，無論是尖端的科學技術，還是日常的生活，到處都需要泵，到處都有泵在運行。只要有泵的地方就有離心泵的存在，其發(fā)展前景是可觀的。在我國泵業(yè)發(fā)展龐大。從單級到多級，對泵的研究機理已經(jīng)達到了國際水準。離心泵是泵中的一個分支。我國的離心泵研究合理，基本上滿足從農(nóng)業(yè)到工業(yè)跨領域性應用。
離心泵是一種用量最大的水泵，在給水及農(nóng)業(yè)工程、固體顆粒液體輸送工程、石油及化學工業(yè)、航空航天和航海工程、能源工程和車輛工程等國民經(jīng)濟各個部門都有廣泛的應用。
第2章 泵的概述
2.1 泵及其在國民經(jīng)濟中的應用
泵是應用非常廣泛的通用機械，在國民經(jīng)濟各部門中，泵是不可缺少的機械設備，輸送各種液體都離不開它。例如在火力發(fā)電廠中，向鍋爐送水的給水泵；向汽輪機凝汽器送冷卻水的循環(huán)水泵；排出凝汽器中凝結水的凝結水泵；在幾級加熱器之間增加水流壓力的中繼水泵；排除熱力系統(tǒng)各處疏水的疏水泵；向熱力網(wǎng)系統(tǒng)補充水的補給水泵以及向熱力系統(tǒng)中補充軟化水的水泵等。這些泵都是火力發(fā)電廠的重要輔助設備。此外，還有用來輸送各種潤滑油、藥液以及排除鍋爐灰渣的特殊用途的泵。而且隨著科學技術的發(fā)展，其應用范圍正在迅速擴大。據(jù)1984年統(tǒng)計，泵耗電量占全國用電量的20%，耗油量占全國總用油量的5%?？梢?，提高泵類產(chǎn)品的技術指標，對節(jié)約能源，加速四個現(xiàn)代化建設具有重要意義。
2.2 泵的分類
泵的類型復雜，品種規(guī)格繁多。按其工作原理可分為以下三大類：
葉片式泵：是利用葉片和液體相互作用來輸送液體,葉片式泵是由裝在主軸上的葉輪的作用，給液體以能量的機器。按其作用原理可分為以下幾類：它主要是包括離心泵和軸流泵、混流泵。
離心泵主要是由離心力的作用，給葉輪內(nèi)液體以壓力能和速度能，進而，在殼體或?qū)~內(nèi)，將其一部分速度能轉變?yōu)閴毫δ?，進行抽送液體的泵。離心泵是葉片泵的一種，它具有轉速高、體積小、重量輕、效率高、流量大、結構簡單、性能平穩(wěn)、容易操作和維修等優(yōu)點。國內(nèi)外生產(chǎn)實踐表明：離心泵的產(chǎn)值在泵類產(chǎn)品中是最高的。這也是我的設計的目的，了解其結構和特點。
還有容積泵包括往復泵和轉達子泵。
由于我主要研究的是離心泵在這里就對其它的泵不多作介紹了。
2.3 葉片式離心泵的型式
葉片式泵按其結構型式，可詳細分類如下：
2.3.1按主軸方向
1.臥式：主軸水平放置；
2.立式：主軸垂直放置；
3.斜式：主軸傾斜放置；
2.3.2 按液體從葉輪流出的方向
1.徑流式：液體主要在與主軸垂直的平面上流出；
2.混流式：液體主要在與主軸為中心軸的圓錐面上流出；
3.軸流式：液體主要在與主軸同心的圓柱上流出；
2.3.3 按吸入方式
1.單吸：葉輪只在一面有吸入口；
2.雙吸：葉輪在兩面有吸入口；
2.3.4 按級數(shù)
1.單級：液體通過一個葉輪的結構；
2.多級：液體通過同一軸上的兩個以上葉輪的結構，稱為2級……；
2.3.5 按葉片安裝方法
1.可調(diào)葉片：葉輪的葉片安放角度可以調(diào)節(jié)；
2.固定葉片：葉輪的葉片安放角度是固定的；
2.3.6 按殼體分開方式
1.分段式：殼體按與主軸垂直的平面分開；
2.節(jié)段式：在分段式多級泵中，每一級殼體都是分開的；
3.中開式：殼體在通過軸心線的平面上分開；
4.水平中開式：在中開式中分開面是水平的；
5.垂直中開式：在中開式中分開面是垂直的；
6.斜中開式：在中開傾斜的式中分開面是
2.3.7 按泵體形式
1.蝸殼泵：葉輪壓出側具有帶蝸室的殼體；
2.雙蝸殼泵：葉輪壓出側具有帶兩個軸心對稱的蝸室的殼體；
3.透平泵：帶導葉的離心泵；
4.筒式泵：內(nèi)殼體外裝有圓筒狀的耐壓殼體
5.雙殼泵：指筒式泵之外的雙層殼體；
第6章 離心泵的基本理論知識及主要部件
3.1 離心泵的結構形式
離心泵結構形式雖然很多，但由于作用原理相同，所以主要零部件的形狀是相近的。離心泵的主要零部件有以下幾種：葉輪，吸入室，壓出室，密封環(huán)，軸封機構，軸向力平衡機構。泵的主要過流部件有吸水室、葉輪和壓水室，其中還包括導葉。泵的吸水室位于葉輪前面，其作用是把液體引向葉輪、有直錐形、彎管形和螺旋形三種形式。
壓水室位于葉輪外圍，其作用是收集從葉輪流出的液體，送入排出管。壓水室主要有螺旋形壓水室、矩形形壓水室兩種形式。
葉輪是泵最重要的工作元件，是過流部件的心臟。葉輪由蓋板和中間的葉片組成，根據(jù)液體從葉輪流出的方向不同，葉輪分為徑流式、混流式和軸流式三種型式。
徑流式葉、混流式葉輪、軸流式葉輪
3.2 泵的基本參數(shù)
表示泵的主要性能的參數(shù)有以下幾個：流量Q、揚程H、轉速n、汽蝕余量Δh、功率Ne和效率
3.2.1 流量
流量是泵在單位時間內(nèi)輸送出去的流體量（體積或質(zhì)量），其中，體積流量用Q表示，單位是：m3/s、m3/h、L/s等，質(zhì)量流量用表示，單位是：t/h、kg/s等。
質(zhì)量流量和體積流量的關系為
＝
式中 ——流體的密度（kg/m3、t/m3），常溫清水＝1000kg/m3。
液體重度γ隨溫度變化，而壓力變化對其影響較小。所以，在計算中可根據(jù)實際情況由表查出。
3.2.2 揚程
揚程是泵所抽送的單位重量的液體從泵進口處（泵進口法蘭）到泵出口處（泵出口法蘭）能量的增值。也就是一牛頓液體通過泵獲得的有效能量。其單位是N·m/=m，即泵抽送液體的液柱高度，習慣簡稱為米。
根據(jù)定義，泵的揚程可以寫為
式中 ——泵出口處單位重量流體的能量（m）
——泵進口處單位重量流體的能量（m）
單位重量流體的能量在水力學中稱為水頭，通常由壓力水頭(m)、速度水頭(m)、位置水頭Z（m）三部分組成，即
，
因此
式中 、——泵出品、進口處液體的靜壓力
、——泵出品、進口處液體的速度
、——泵出品、進口到任選的測量基準面的距離
3.2.3 轉速
轉速是泵軸單位時間的轉數(shù)，用符號n表示，單位是r/min。它與所用的原動機形式有關，如采用電作為動力源的可以選擇電機直接驅(qū)動，也可以選擇加入一個變速器，來改變轉數(shù)；也可以選擇采用汽油機、柴油機驅(qū)動；還可以采用汽輪機驅(qū)動。
3.2.4 汽蝕余量
汽蝕余量是表示汽蝕性能的主要參數(shù)。把泵入口的全水頭和液體飽和蒸氣壓力水頭之差，作為發(fā)生汽蝕的大致標準。汽蝕余量國內(nèi)曾用表示。
式中 P1——泵入口處的靜壓力
V1——泵入口處的平均流速
3.2.5 功率和效率
泵的功率通常指輸入功率，即原動機傳到泵軸上的功率，故又稱軸功率，用表示。
泵的有效功率又稱輸出功率，用表示。它是單位時間內(nèi)從泵中輸送出去的液體在泵中獲得的有效能量。
有效功率為：
?。↘W）
或 ?。↘W）
式中 ρ——泵輸送液體的密度（kg/m3）
——泵輸送液體的重度（N/m3）
Q——泵的流量（m3/s）
H——泵的揚程（m）
g——重力加速度（m/s2）
若液體重度的單位kgf/m3、Q、H的單位與上式相同，則
?。↘W）
軸功率和有效功率Ne之差為泵內(nèi)的損失功率，其大小用泵的效率來計量。泵的效率為有效功率和軸功率之比，用η表示，即
， 也可以用下式表示
式中 ηm——機械效率
ηv——容積效率
ηk——水力效率
3.3 泵的各種損失及泵的效率
機械損失和機械效率：原動機傳到泵軸上的功率又稱軸功率，首先要花費一部分去克服軸承和密封裝置的摩擦損失，剩下來的軸功率用來帶動葉輪旋轉。但是葉輪旋轉的機械能并沒有全部傳給通過葉輪的液體，其中一部分消耗于克服葉輪前、后蓋板表面與液體和蓋板表面與泵腔中液體之間的摩擦，這部分損失稱為圓盤摩擦損失。而機械損失效率ηm由軸承損失功率、密封損失功率和圓盤損失功率大小表示。
式中 Nm1——軸承損失功率
Nm2——密封損失功率
Nm3——圓盤損失功率
Nm ——機械損失
Nˊ——輸入水力功率
輸入水力功率用來對通過葉輪的液體作功，因而葉輪出口處液體的壓力高于進口壓力。出口和進口的壓差，使得通過葉輪的一部分液體從泵腔經(jīng)葉輪密封環(huán)間隙向葉輪進口逆流。這樣，通過葉輪的流量Qt又稱泵的理論流量，并沒有完全輸送到泵的出口。其中泄漏量這部分液體把從葉輪中獲得的能量消耗于泄漏的流動過程中。即從高壓液體（出口壓力）變?yōu)榈蛪海ㄟM口壓力）液體。所以容積損失的實質(zhì)也是能量損失。容積損失的大小用容積效率來計量。容積效率為通過葉輪除掉泄漏之后的液體（實際的流量Q）的功率和通過葉輪液體（理論流量Qt）功率（輸入水力功率）之比，即
式中 Qt——泵的理論流量
；
——泵的理論揚程，它表示葉輪傳給單位重量流體的能 量
——泄漏量
多級泵有級間泄漏。另外，泵平衡軸向力裝置、密封裝置等的泄漏量也應算在泵的容積損失之中。這些都是我應該注意的問題。
通過葉輪的液體從葉輪中接收的能量Ht，也并沒有完全輸送出去，因為液體在泵過流部分和沖擊、脫流、速度方向及大小變化都會引起水力損失，從而要消耗掉一部分能量。單位重量液體在泵過流部分流動中損失的能量稱為水力損失，用來表示。由于存在水力損失，單位重量流體經(jīng)過泵增加的能量H，要小于葉輪傳給單位重量液體的能量Ht，即。泵的水力損失的大小用泵的水力效率來計量。水力效率為去掉水力損失液體的功率和未經(jīng)水力損失液體功率之比，即
總效率為有效輸出功率和軸功率之比，即
變化為
即
泵的總效率等于機械效率、容積效率和水力效率之乘積。
3.4 離心泵主要零部件及結構型式
我將按液流從泵入口至出口所經(jīng)過部件的先后順序，來討論和介紹各個主要部件及其結構型式。
3.4.1 吸入室及其結構型式
吸入室的作用是將吸入管路中的液體以最小的損失均勻地引向葉輪。吸入室對液體進入葉輪的流動情況有很大的影響，所以吸入室形狀的好壞能影響離心泵的汽蝕性能。對于泵的設計來說也是非常重要的。
1. 錐形管吸入室
錐形管吸入室，這種型式的吸入室的結構簡單，制造方便，能在葉輪入口前產(chǎn)生不大的加速度，使葉輪前流速均勻，液體在錐形管吸入室中損失很小。但是，它主要用于懸臂式結構，其它結構形式的泵中很少采用。所以并不是我所選的吸入室。
2. 圓環(huán)形吸入室
圓環(huán)形吸入室，這種型式的吸入室的優(yōu)點是機構簡單軸向尺寸較短，缺點是液體進入葉輪時有沖擊和旋渦損失：在葉輪前，液流分布也不太均勻。但是，由于多級泵的揚程、吸入室中的水力損失所占比重不大，故在多級泵中廣泛使用。由于畢業(yè)設計需要我也采用了圓環(huán)形吸入室。符合設計要求。
3. 半螺旋形吸入室
半螺旋形吸入室，這種型式的吸入室的優(yōu)點是液體進入葉輪時流動情況比較好，速度比較均勻，但液體進入葉輪前有預旋，多少要降低離心泵的揚程對比轉數(shù)較小的泵的影響還不太明顯，對轉數(shù)較大的泵的影響就很顯著了。我國的中開式泵都采用半螺旋形吸入室，也有個別懸臂泵采用這種形式。也不在考慮之內(nèi)。
3.4.2 葉輪及其結構型式
葉輪的功用是將原動機的機械能傳遞給液體，使液體的壓力能和動能均有所提高的零件。葉輪是影響離心泵性能的主要零件。葉輪一般由前蓋板、葉片、后蓋板和輪轂所組成。葉輪的材料要求有高強度、抗腐蝕、抗沖刷的性能，因此一般采用鑄鐵、磷青銅或黃銅制成。而大型給水泵和凝結水泵則一般采用不銹鋼。
其結構有開式、半開式和閉式。
3.4.3 壓出室及其結構型式
壓出室的作用是以最小的損失，將從葉輪中流出的液體收集起來，均勻地引至泵的吐出口或次級葉輪，在這個過程中，還將液體的一部分動能轉變?yōu)閴毫δ堋?
1. 螺旋形渦室
它一般用于單級泵，不在考慮之內(nèi)。
2. 環(huán)形壓出室
由于環(huán)形壓出室內(nèi)的各個斷面面積相等，所以，各處的流速不相等，因此，無論是否在設計工況下工作，在環(huán)形壓出室中總是有沖擊損失的。所以具有環(huán)形壓出室泵的效率較高而具有螺旋形壓出室的泵效率低，由于我設計的是清水泵，所以環(huán)形壓出室，也不考慮。
3. 徑向?qū)~
徑向?qū)~：導葉與渦室的作用相似，可以把導葉看作在葉輪周圍安放的幾個渦室（也可以把渦室看作是只有一個葉片的導葉）。導葉的作用是以最小損失，把由葉輪流出的高速液體收集起來，并把液體的一部分動能變?yōu)閴耗?，還要通過反導葉以最小損失把液體均勻得引向次級葉輪。
4. 流道式導葉
流道式導葉：流道式導葉的特點是液體叢導葉入口到反導葉出口都在導葉流道內(nèi)流動，所以速度變化比較均勻。目前，我國的分段式多級泵一般很少采用流道式導葉。符合設計要求，壓出室我選擇扭曲徑向?qū)~。
5. 扭曲葉片式導葉
扭曲葉片式導葉：扭曲葉片式導葉引導液流和能量轉換的效果雖然沒有徑向?qū)~好，但是，扭曲葉片式導葉徑向尺寸比較小，所以深井泵、潛水泵、作業(yè)面潛水泵和一部分混流泵由于泵的外徑受到限制而采用扭曲葉片式導葉。扭曲葉片式導葉收集液體和能量轉換工作全部在導葉流道內(nèi)進行。
3.4.4 軸封機構及其結構型式
在泵軸伸出泵體處，旋轉的泵軸和固定的泵體之間有軸封機構。離心泵的軸封機構有兩個作用：減少有壓力的液體流出泵外和防止空氣進入泵內(nèi)。盡管軸封在離心泵中所占的位置不大，但泵是否正常運轉卻和軸封密切有關。
1. 有骨架的橡膠密封
有骨架的橡膠密封：在這種密封中，密封碗是主要密封元件，它利用橡膠的彈力和彈簧壓力將密封碗緊壓在軸（軸套）上。這種密封結構的優(yōu)點是，結構簡單、體積小、密封效果比較顯著；缺點是密封碗內(nèi)孔尺寸容易超差。因此，將軸壓得太緊，造成消耗功率太大。這種密封結構安裝要求較嚴，壽命比較短，所以在小泵上用得還比較多，在大泵上很少采用。
2. 填料密封
填料密封：是一般離心泵中最常用的密封結構，一般由填料套、填料環(huán)、填料、填料壓蓋、長扣雙頭螺栓和螺母組成，靠填料和軸（或軸套）的外圓表面接觸來實現(xiàn)密封的。軸封的嚴密性可以用松緊填料壓蓋的方法來調(diào)節(jié)。填料密封的合理泄漏量是液體從填料函中滲漏出來，成滴狀，每分鐘泄漏量為60滴左右。根據(jù)計算和資料我采用了此密封。
3. 機械密封
機械密封：主要密封原件、輔助密封原件、壓緊原件和其他輔助原件組成。優(yōu)點是密封性好、壽命長、泄漏少、功率消耗少，在運轉中可以達到幾乎不泄漏的程度，所以廣泛應用于輸送高溫、高壓和強腐蝕性的液體的離心泵。缺點是制造復雜、價格較貴、損壞時不易更換，另外主要密封原件和其他輔助密封原件的材料不好選擇。
4. 浮動環(huán)密封
浮動環(huán)密封：浮動密封是籍浮動環(huán)端面和浮動套端面的接觸來實現(xiàn)軸向密封的，徑向密封是籍軸套外圓表面與浮動環(huán)內(nèi)圓表面形成的狹窄縫隙以產(chǎn)生節(jié)流來密封的。浮動密封的優(yōu)缺點是結構簡單、泄漏量介于機械密封和填料密封之間，運轉可靠，但爭購向尺寸略大于其他密封機構。
3.4.5 軸向力平衡機構及其結構型式
多級泵一般用平衡鼓或平衡盤平衡軸向力。因為，泵在運行中由于作用在轉子上的力不對稱就產(chǎn)生了軸向力。由于軸向力的存在，泵的轉動部分必然在軸向力的推動下發(fā)生串動，轉子與泵體發(fā)生研磨，使泵不能正常工作。
3.4.6 其它零部件
離心泵除上述主要零部件以外，還有泵軸、中段、軸承體、托架、支架、聯(lián)軸器等零部件。
第7章 離心泵結構設計
設計題目：多級離心式清水泵結構設計與計算
設計參數(shù)： 流量Q=280 m3/h
揚程H=260 m
效率η=70%
轉速n= 1470 r/min
液體重度γ=1000 kg/m3
4.1離心泵結構方案的選擇
4.1.1原電機的選擇
選擇原電機時應該綜合考慮動力來源、價格、投資和維護管理費用等。由于電源比較方便，一般均采用電機驅(qū)動。所以本設計采用電機直接驅(qū)動。
離心泵軸功率的計算：
4—1
式中：Ne——泵的有效功率 KW
η——離心泵的效率
γ——清水的重度 =1000kg/m3
Q——離心泵的流量 Q=280m3/h
H——離心泵的揚程 H=260m
查“離心泵總效率”圖4-1
取 =0.70
則：
圖4-1 多級離心泵總效率
則計算功率： Nc=1.2N=1.2283.22=339.86kw 4-2
查“機械設計手冊”選電機型號為Y355L1-2型
4.1.2確定電機轉數(shù)n、比轉數(shù)ns和級數(shù)i
由于本泵是采用電機直接驅(qū)動的形式，所以電機轉數(shù)確定，滿載轉數(shù)n=1470r/min 。
根據(jù)比轉數(shù)計算公式： 4—3
式中： n s——比轉數(shù)
n——泵的轉數(shù) n=1470r/min
Q——泵的流量 Q=280m3/h
H——泵的揚程 H=260m
i——多級泵的級數(shù)
將上述數(shù)值帶入上式可得如下關
n==
分別帶入級數(shù)i=3、4、5、6、7、8級，分別求出相應的比轉數(shù)ns的值，見表4—2級數(shù)i與比轉數(shù)ns關系表
表4—2級數(shù)i與比轉數(shù)ns關系表
級數(shù)i
3
4
5
6
7
8
比轉數(shù)ns
135
167
197
226
256
283
由上表以及查閱了“離心泵總效率”圖4-1，綜合考慮，確定級數(shù)為i=6級，比轉數(shù) ns=226。
在確定比轉數(shù)時應考慮下列因素：
（1）的區(qū)間，泵的效率最高，泵效率顯著下降；
（2）采用單吸葉輪，過大時可考慮采用雙吸式，反之，采用雙吸過小時，應改為單吸式；
（3）比轉數(shù)和泵的級數(shù)有關，級數(shù)越多，越大。臥式泵一般不超過10級，立式深井泵和潛水泵級數(shù)多達幾十至幾百級。但目前的趨勢是盡量提高轉速，減小級數(shù)，以提高泵運行的可靠性。
4.1.3初步確定吸入口直徑D、流速Vs和吐出口直徑
泵吸入口徑的確定主要看吸入管內(nèi)的流速，根據(jù)國內(nèi)資料看外管路經(jīng)濟流速分析和有關規(guī)定，吸入管內(nèi)最大流速一般不超過5米/秒，最常用的流速為3米/秒左右，管徑大時，流速可適當慢些，但流速慢了管徑就要大些，又不經(jīng)濟。因此，必須根據(jù)具體情況作綜合分析比較。常用的泵吸入口徑、流量和流速的關系見表4—3。
表4—3 泵吸入口徑、流量和流速的關系
吸入口徑（mm）
50
65
80
100
150
200
250
300
400
多
級泵
流速
m/s
1.77
2.1
2.54
3
2.44
2.48
2.54
2.84
3.42
流量
m3/s
12.5
25
46
85
155
280
450
720
1500
對汽蝕性能要求較高的泵（汽蝕比轉數(shù)C>1000），在吸入口徑小于250毫米時，建議取吸入口流速Vs=1.0~1.8 m/s；在吸入口徑大于250毫米時，建議取吸入口流速Vs=1.4~2.2 m/s。
根據(jù)上述分析取吸入口流速 Vs=2.4 m/s，
則由公式：
D= 4—4
式中， Q—流量， Q=280m3/s
Vs—吸入口流速， Vs=2.48 m/s
則， D= 0.198 m
由上表可圓整為，D=0.20 m=200 mm
由吸入口流速公式：
Vs= 4—5
可得： Vs==2.477m/s
由吐出口流速公式：
=D=200 4—6
4.1.4確定泵的最小汽蝕余量Δhmin和汽蝕比轉數(shù)C
泵的允許吸上真空度是隨泵使用地點的大氣壓，吸入管路中的阻力和流速，以及所抽送液體的性質(zhì)和溫度的不同而變化的。所以使用時不太方便，故引入了一個表示泵汽蝕性能的參數(shù)，這就是汽蝕余量。
在設計離心泵時，需要有一個能表示泵的汽蝕性能，而又與泵的設計參數(shù)有聯(lián)系的綜合性參數(shù)，作為比較泵汽蝕性能和選擇模型泵的依據(jù)。故引入一個汽蝕比轉數(shù)C來表示離心泵的最小汽蝕余量與泵設計參數(shù)間的關系。
取， C=680 n=1470 r/min Q=280 /h
=(5.62×n×÷C)
=4.07 m
由“清水的汽化壓力與溫度的關系曲線”在泵的設計手冊上第四章第四小節(jié)可查得，常溫下清水的汽化壓力Pv=0.024kg/cm2?
根據(jù)計算公式：
4—7
式中：Pa—標準大氣壓Pa=1 kg/cm2
Pv—溫下清水的汽化壓力Pv=0.024 kg/cm2
—最小汽余量=3.2 m
Vs—吸入口流速 Vs=2.5 m/s
將上述數(shù)值帶入上式可得：
m
根據(jù)汽蝕比轉數(shù)計算公式：
4—8
式中： Q=280 m3/h
n=2950 r/min
=4.07 m
將上述數(shù)值帶入上式可得：
=802
汽蝕比轉速是在入口幾何相似，運動相似和動力相似的條件下推導出來的，所以對一組入口相似的泵，在相似的工況下，他們的C值相同。因此，C值可以作為葉輪入口和吸入室?guī)缀蜗嗨频呐袆e數(shù)。泵的最小汽蝕余量越小，汽蝕比轉速越大，所以C值可以作為在考慮汽蝕性能時選取模型泵的一個參數(shù)。
允許吸上真空度為：
為了安全，最大吸入口真空度常減去0.3做允許吸上真空度。
m
汽蝕比轉速是在入口幾何相似，運動相似和動力相似的條件下推導出來的，所以對一組入口相似的泵，在相似的工況下，他們的C值相同。因此，C值可以作為葉輪入口和吸入室?guī)缀蜗嗨频呐袆e數(shù)。泵的最小汽蝕余量越小，汽蝕比轉速越大，所以C值可以作為在考慮汽蝕性能時選取模型泵的一個參數(shù)。
4.2軸徑的初步設計
從《機械零件》書中可知，可按下式計算泵軸所傳遞的扭力矩M
M= 4—9
式中：M—泵軸所傳遞的扭力矩 N·m
Nc—計算功率 Nc=339.86 KW
n—泵轉數(shù) n=1470 r/min
將上述數(shù)值帶入公式4—9得：
M==2186.9 N·m
按扭矩初步計算的最小軸徑d為：
d= 4—10
式中 []——材料的許用應力（Pa）
d ——最小軸徑（m）
《機械手冊》上查“泵軸常用材料的許用切應力”，
本泵選擇45調(diào)質(zhì)處理HB=500-600 則[]=550Pa
則最小軸徑d：
d== m=60 mm
由于電機與泵軸之間采用凸緣聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器結構簡單，工作可靠，裝拆方便，剛性好，傳遞轉矩大。但當兩軸對中精度較低時，將引起較大的附加載荷，適用于對中精度良好的一般傳動。所以選用該類型聯(lián)軸器。選擇YL1型聯(lián)軸器，根據(jù)聯(lián)軸器將最小軸徑圓整為d=60mm。
固定轉子的零件螺紋直徑為： d=72 mm
安裝軸承和葉輪處的直徑為： d1=75 mm
由于葉輪和軸通常是用鍵聯(lián)結的，因此，輪轂要有一定強度，輪轂的直徑dh可按下列經(jīng)驗公式計算。
確定輪轂處的直徑：
、 4—11
式中： k—經(jīng)驗系數(shù)，一般取k=1.2—1.4,這里去k=1.4
d1—安裝葉輪處的軸的直徑 d1=75 mm
則： dh=kd1 =1.475=105 mm
泵軸在運行中，除了承受扭矩外，還承受由皮帶傳動所引起的徑向力、轉子自重及由不平衡所引起的離心力等，這些力都會使軸產(chǎn)生彎曲；而軸向力會使軸產(chǎn)生拉伸或壓縮。在軸徑初步計算中，合理選擇許用應力，除可節(jié)省材料外，對泵來說還有其特殊意義：如果軸的許用應力取得小，軸就粗，葉輪入口尺寸就要加大，這就惡化了吸入條件，降低了離心泵效率；反之，如果許用應力取得大，軸就細，對泵的吸程和效率都有好處，但必須保證軸的安全可靠。因此，必須合理選擇許用應力，充分發(fā)揮材料的效能。
4.3離心泵葉輪的設計
葉輪是將來自原動機的能量傳遞給液體的零件，液體流經(jīng)葉輪能量增加。葉輪一般由前蓋板、后蓋板、葉片和輪轂組成。如果葉輪沒有前蓋板，就是半開式葉輪，沒有前蓋板、也沒有后蓋板的葉輪叫開式葉輪，開式葉輪在一般情況下很少應用。
葉輪主要幾何參數(shù)有葉輪進口直徑D0、葉片進口直徑D1、葉輪輪轂直徑dk、葉片進口寬度b1、葉片進口角η1、葉輪出口直徑D2、葉輪出口寬度b2、葉片出口角η2、葉片數(shù)、葉片包角等。葉輪進口幾何參數(shù)對汽蝕性能有重要的影響，葉輪出口幾何參數(shù)對性能具有重要影響，兩者對泵的效率均有影響。
分段式多級泵的第一級葉輪，因為要考慮到泵的汽蝕性能，需要特殊設計，故以次級葉輪為例，設計設計算步驟如下：
4.3.1確定葉輪入口直徑D0
由于泵要求效率比較高，而多級泵的次級葉輪入口已有一定壓力，故可將泵入口速度系數(shù)盡可能取得高些。
先確定葉輪入口速度，可用公式
4—12
式中：——葉輪入口速度系數(shù)
H ——泵的單級揚程
由圖4—3“離心泵葉輪的速度系數(shù)”表
圖4—3 離心泵葉輪的速度系數(shù)
由上圖可以查到葉輪入口速度系數(shù)=0.22，泵的單級揚程Hi=260/6=43.3m
所以：
m/s
通過葉輪的流量Qˊ可用公式：
4—13
式中： ——泵的容積效率
查圖《離心泵的設計基礎》4—4可得流量等于38m3/h的容積效率，根據(jù)比轉數(shù)可查得=0.942
則： m3
則葉輪入口的直徑可根據(jù)公式：
4—14
取 D0=70mm
4.3.2 確定葉片入口邊直徑D1
在葉輪流道入口邊上取圓心，做流道的內(nèi)切圓，內(nèi)切圓圓心到軸心線距離的兩倍即為葉輪入口邊直徑。確定葉片入口邊直徑，一般與比轉數(shù)有關，由于本設計的比轉數(shù)ns=167在100～200之間，所以D1≥D0,一般入口邊平行于軸心線；對流量較小的泵，可取D1>D0;對流量較大的泵，也可將入口邊伸入吸入口，但是應注意鑄造造型的工藝性。
取D1=(1～0.8)D0 =150 mm=0.150 m
4.3.3 確定葉片入口處絕對速度V1
一般取=，對汽蝕性能要求高的泵，取=(0.4～0.83)
這里取
=0.7 4—15
=0.7=0.7×4.4=3.08 m/s
4.3.4 確定葉片入口寬度b1
離心泵葉輪入口尺寸，入口寬度和入口邊直徑除影響泵的抗汽蝕性能影響很大。
4—16
4.3.5確定葉片入口處圓周速度
計算用公式： 4—17
則：
4.3.6 確定葉片數(shù)Z
泵的效率跟葉片數(shù)的多少有直接關系。葉片數(shù)多，泵的效率就能得到提高，這是因為葉片數(shù)增加后，葉片間流道的擴散程度減弱，液流的擴散損失減小，泵的效率上升，但葉片數(shù)過多的時候，葉片與液流的摩擦損失增加，結果反而導致泵的效率下降。對 的泵，取6片；對低比轉速的泵可以取9片，但應注意勿使入口流道堵塞；對高比轉數(shù)的泵可以去4—5片。在一般情況下，增加葉片數(shù)可以改善液體流動情況，適當提高泵的揚程，但葉片數(shù)增加后將增加葉片摩擦損失，減少流道過流面積。
取z=6片
4.3.7 確定葉片入口軸面速度
葉片入口軸面速度Vm1可按下式確定
= 4—18
式中 為葉片入口排擠系數(shù),
在設計離心泵時先選取排擠系數(shù)進行試算，待葉片厚度和葉片入口安放角確定后，在來校核值。
在估算時一般取，這里取=1.3。
則： = 4—19
=1.33.08
=4.00 m/s
4.3.8 確定葉片入口安放角
葉片入口安放角就在葉片入口處，葉片工作面的切線與圓周切線間的夾角，如圖4-5示。假設液體是無旋流入葉輪內(nèi)，則由速度三角形知：
4—20
式中：——液體進入葉輪相對速度的液流角。
、前面已經(jīng)計算過。
則：
葉輪入口安放角比相對速度角增大了一個角度，這個角度叫沖角，用表示，葉片入口安放角為：
4—21
一般沖角取=，葉片入口安放角
則葉片入口安放角：=
選擇一個沖角的原因是：液體在進入葉輪前，已受吸入室、軸或葉輪的影響而旋轉運動，增加沖角就是考慮了預選的影響，以減少液體沖擊損失；取正沖角后，葉片入口處排擠系數(shù)減小了，幾增大葉片入口積，改善了液體流動情況，可以提高泵的汽蝕性能。沖角對泵抗汽蝕性能有一定的影響。
4.3.9確定葉片厚度S1
從水力性能的角度考慮，葉片應盡量薄，這樣一方面可以減少葉片對液流的排擠，提高泵的揚程，同時還可以減小葉片前緣處的尾流損失，提高效率。而從強度方面的要求考慮，則葉片應有一定的厚度。在確定葉片厚度時應注意：對較小的泵，要考慮到鑄造的可能性，對鑄鐵葉輪，葉片最小厚度為毫米；對鑄鋼葉輪，葉片最小厚度為毫米。對大泵應適當增加葉片厚度，以使葉片有足夠的剛度。
我選用了鑄鋼材料的葉輪，故葉片厚度S1=6 mm
4.3.10確定葉片排擠系數(shù)
葉片排擠系數(shù)是葉片厚度對流道入口過流斷面面積影響的系數(shù)。它等于流道入口葉片厚度的過流面積與考慮葉片厚度過流面積之比值：
4—22
式中 —葉片節(jié)矩，如圖4-5，可按 ：
=， 4—23
—葉片在圓周方向上的厚度，如圖4-5
按公式：
= 4—24
—入口處的葉片實際厚度（嚴格的說是液面上的厚度）
將上述4—22、4—23、4—24三個式子聯(lián)立可得：
4—25
式中， D1—葉片入口邊直徑
S1—葉片厚度
Z—葉片數(shù)目
—葉片入口安放角
則，
4.3.11 葉片包角的確定
葉片包角就是入口邊與圓心的連線和出口邊與圓心連線間的夾角。包角越大、葉片間流道越廣，則葉片單位長度負荷小，流道擴散程度越小，有利于葉片與液流的能量交換。如葉片包角太大，則葉片與液體的摩擦損失增加，鑄造工藝性差，所以包角大小應適當選取。
對的泵，一般取=。
取=
4.3.12確定葉輪外徑
由公式：
4—26
式中，—葉輪出口圓周速度，m/s，可按下式計算：
= 4—27
式中，—葉輪出口圓周速度系數(shù)，由圖4—3選取 為0.38。
H— 多級泵的單級揚程
則， == m/s
則， D2=360 mm
根據(jù)公式， 4—28
則：取系數(shù)為1.1，
Z=6 片
取6片與前面假設相似。
4.3.13 確定葉片出口安放角
葉片出口安放角一般在16°~40°范圍內(nèi)，通常選用20°~30°，通常選用200~300。對高轉速的泵，安放角可以取得小一些，低比轉速的泵可取得大一些。葉片出口安放角對性能曲線的形狀，葉輪流道形狀和泵的揚程影響都較大。
取 =
4.3.14 確定葉輪出口寬度
實測表明，當葉片寬度改變時，通過葉輪的流量變化不大。因此，若葉片寬度過窄，則葉片單位面積上的負荷增加，滑移系數(shù)增大而使葉輪的理論揚程減小，同時葉輪的相對速度增大，液流與葉片表面的摩擦損失增加，從而造成泵效率的下降。
b2可以通過葉輪出口軸面速度確定，《離心泵的設計基礎》葉輪出口速度三角形圖5—8，VM2可按下式計算：
4—29
式中，—為葉輪出口軸面速度系數(shù)，可按圖4—4選擇。取值0.15。
H—多級泵的單級揚程。
則， m/s
由于已確定，所以可以按下式計算b2:
4—30
式中：—流經(jīng)葉輪的流量，m3/s
D2—葉輪外徑，m
Z—葉片數(shù)目
—葉片出口處圓周方向的厚度，可有下述公式計算：
4—31
式中：S2—葉輪出口處葉片真實厚度（嚴格地說是流面上的速度）見圖《離心泵設計基礎》葉輪出口排擠5—9，這里取葉片的厚度。
—葉片出口安放角。
將公式4—30、