離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計

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1前言勞動人民在與自然界的斗爭中創(chuàng)造了最原始的提水工具，如水車、轆轤等，這些就是水泵的雛形。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和對自然規(guī)律的認識和掌握，這些原始的提水工具就發(fā)展成為現(xiàn)代的泵?，F(xiàn)在，水泵作為一種通用機械，在國民經(jīng)濟各個領域中都得到了廣泛的應用。農(nóng)業(yè)的灌溉和排澇，城市的給水和排水都需要泵。在工業(yè)的各個部門中，泵更是不可缺少的設備。如在動力工業(yè)中需要鍋爐給水泵、強制循環(huán)泵、循環(huán)水泵、冷凝泵、灰渣泵、疏水泵、燃油泵；在采礦工業(yè)中需要礦山排水泵、水砂沖填泵、水采泵、煤水泵；在石油工業(yè)中需要泥漿泵、注水泵、深井采油泵、輸油泵、石油煉制用泵等；在化學工業(yè)中需要耐腐蝕泵、比例泵、計量泵等；在交通運輸工業(yè)中需要燃油泵、噴油泵、潤滑油泵、液壓泵等。由此可見泵在工業(yè)中起到舉足輕重的作用。以前，泵只用來輸送常溫清水，所以常把泵稱為水泵。但是，現(xiàn)在這個概念已經(jīng)不十分確切了。據(jù)國家有關部門統(tǒng)計，離心泵每年的耗電量占總發(fā)電量的10％ 。葉輪機械主要的能量轉(zhuǎn)換是在葉輪中完成的，因此設計高效率的葉輪對離心泵的節(jié)能降耗有重要意義。隨著計算機技術和數(shù)值計算方法的飛速發(fā)展，CFD(計算流體力學)對離心泵流場分析結(jié)果的可信度逐增強，其分析結(jié)果運用于工程實踐是可靠的。本文在總結(jié)傳統(tǒng)設計理論的優(yōu)缺點后，引出現(xiàn)代運用計算機技術和數(shù)值計算理論的離心式水泵的葉輪結(jié)構(gòu)設計方法，即速度系數(shù)設計法。在目前世界能源日趨緊張的形勢下，降低泵的能量損失，提高它的效率是一個更加有意義的事情。葉輪是離心泵最重要的部件，在某種意義上來說離心泵的優(yōu)化問題就是對葉輪的優(yōu)化。所以把對離心泵葉輪的優(yōu)化作為本文研究內(nèi)容。本文主要對離心式水泵的葉輪結(jié)構(gòu)進行設計，首先弄清離心泵工作性能的主要參數(shù)，需要設計葉輪結(jié)構(gòu)的各部分尺寸，在葉輪設計過程中對泵的性能影響較大的參數(shù)主要有：葉輪進、出口直徑 和 ，葉片的進、出口寬度 、 ，葉片的進、出口安裝角 、0D2 1b2 1?等 6 個參數(shù)。所以合理設計這些參數(shù)非常重要。同時在設計過程中對葉輪的強度進行2?計算，在工作過程中，離心泵零件承受各種外力的作用，使零件產(chǎn)生變形和破壞，而零件依靠自身的尺寸和材料性能來反抗變形。一般，把零件抵抗變形的能力叫做剛度，把零件抵抗破壞的能力叫強度。所以，在設計離心泵葉輪時，應使零件具有足夠的強度和剛度，以提高泵運行的可靠性和壽命。葉輪的強度計算主要分為葉輪蓋板強度、葉片強離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計2度和輪轂強度三部分。葉輪的繪型和葉輪的技術要求也是相當重要的，這是保證葉輪正確葉片形狀的必要前提。最后，通過建立數(shù)字模型對葉輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。31 離心泵葉輪結(jié)構(gòu)葉輪機械主要的能量轉(zhuǎn)換是在葉輪中完成的，因此設計高效率的葉輪對離心泵的節(jié)能降耗有重要意義。葉輪是離心泵的最重要的零部件，在某種意義上來說離心泵的優(yōu)化問題就是對葉輪的優(yōu)化。所以設計經(jīng)濟合理的離心泵葉輪結(jié)構(gòu)至關重要。1.1 葉輪葉輪是離心泵最主要的零部件，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)葉輪后能量增加。葉輪一般由前蓋板、后蓋板、葉片和輪轂組成。圖 1-1 a 所示的這種葉輪叫閉式葉輪；如果葉輪沒有前蓋板，就叫半開式葉輪，如圖 1-1 b 所示。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采用。后 蓋 板 輪 轂后 蓋 板葉 片葉 片 輪 轂前 蓋 板a ) b )圖 1-1 離心泵的葉輪a） 閉式葉輪 b） 半開式葉輪Fig.1-1 Leave leaf's round of heart pumpa) Shut type leaf round b) The half open type leaf's round1.2 離心泵的主要性能參數(shù)離心泵上都有標牌，標牌上標明了泵的型號、主要參數(shù)和指標。表示泵工作性能的參數(shù)叫泵的性能參數(shù)，如流量 Q、揚程 H、轉(zhuǎn)速 n、功率 N、效率 、汽蝕余量 （或吸?h?上真空度 ）等。sH離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計41.2.1 葉輪的主要設計參數(shù)在葉輪設計過程中對泵的性能影響較大的參數(shù)主要有：葉輪進、出口直徑 和 ，0D2葉片的進、出口寬度 、 ，葉片的進、出口安裝角 、 等 6 個參數(shù)。所以合理設計1b2 1?2這些參數(shù)非常重要。1.2.2 液體在離心泵葉輪里的流動離心泵工作時，液體一方面隨著葉輪一起旋轉(zhuǎn)，同時轉(zhuǎn)動著的葉輪里向外流。液體隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)運動稱為圓周運動，其速度稱為圓周速度，用 表示。液體從旋轉(zhuǎn)著的葉u輪里向外的流動稱為相對運動，其速度稱為相對速度，用 表示。液體相對于泵體的運?動稱為絕對運動，其速度稱為絕對速度，用 表示。絕對速度 的向量等于圓周速度 和??u相對速度 的向量和，即?（2-1）u????52 離心泵葉輪的設計計算根據(jù)前面的介紹及結(jié)合實際情況離心式水泵的葉輪的設計方法有兩種即相似設計法和速度系數(shù)設計法。用相似設計法雖然很方便，但是，它只能保持原有水力模型的水平。因此，在采用相似設計法時，必須結(jié)合模型實驗，不斷分析和改進原有模型不足之處，才能逐步提高產(chǎn)品水平。所以，綜合考慮采用速度系數(shù)設計法是比較合理的。2.1 速度系數(shù)設計法2.1.1 速度系數(shù)設計法的導出由公式 可知，相似泵在相似工況下，相應速度比相等。能1212pppmmmu????不能由此找出一種設計離心泵的方法呢？兩臺相似的泵在相似的工況下，由公式 可知：2()ppmHDn?2()pp如果取 D 為各自的葉輪外徑 ，則上式可寫為：2D22mmppHnu?上式可改寫為： 2222mmppPpmuHgg?式中 和 ——模型泵的揚程和葉輪出口圓周速度， 和 是已知的。mH2u mH2u令 22muKgH?則離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計62pupKgH?式中 ——速度系數(shù)。2uK相似泵（即比轉(zhuǎn)數(shù)相等的泵）的速度系數(shù)是相等的。不同的 就有不同的 ，這樣sn2uK我們就可以得到 隨 而變的函數(shù)關系。附錄 C 中圖 2-1 就是以現(xiàn)有性能較好的產(chǎn)品2usn為基礎統(tǒng)計出來的離心泵葉輪各種流速的速度系數(shù)圖。設計時按 選取速度系數(shù)，作為s計算葉輪尺寸的依據(jù)，這樣的設計方法就叫速度系數(shù)設計法。用速度系數(shù)法進行產(chǎn)品設計時，雖然設計計算比較方便，但是產(chǎn)品只能保持原有的水平。因此，在采用速度系數(shù)設計法設計產(chǎn)品時，應結(jié)合模型試驗，不斷創(chuàng)造新的優(yōu)秀的模型，并將這些模型的速度系數(shù)充實圖 2-1，才能不斷提高產(chǎn)品水平。2.1.2 速度系數(shù)設計法的計算步驟1）確定葉輪入口直徑 0D確定 前，先用下式確定葉輪入口速度 （米/秒） 。0 0?（2-2）02KgH?式中 ——葉輪入口速度系數(shù)，可以從圖 2-1 中選取，0K?H——單級揚程（米） 。對于懸臂式離心泵的葉輪，入口直徑 （米）可以由水力學公式求得：0D'24Q???即：（2-3）'00D?上式中的 為通過葉輪的流量， 大于設計流量 ，因為通過葉輪的流量 中有一部分'Q'Q'Q經(jīng)密封間隙返回葉輪入口處。 可按下式計算：' '???式中 ——泵的容積效率，可按附錄 C 圖中 2-3 選取。??7在輪轂或軸穿過葉輪時，葉輪入口直徑 （米）為：0D（2-4）'2004hQd????式中 ——輪轂直徑，可按公式 （K 是經(jīng)驗系數(shù)，一般取 K=1.2 1.4，大泵取hd2hd :小值，小泵取大值。 ）計算。對分段式多級泵第一級葉輪，一般略為加大葉輪入口直徑，以減低液體進入葉輪的流速，提高泵的抗汽蝕性能。而其他各級葉輪由于已有一定的吸入壓力，故應盡量減小葉輪入口直徑，以提高泵的效率。設計時應按圖 2-1 中相應的曲線選擇系數(shù) 。0K?2）確定葉片入口邊直徑 1D在葉輪流道入口邊上取圓心，作流道的內(nèi)切圓，內(nèi)切圓的圓心到軸心線距離的兩倍即為葉片入口邊直徑 ，如附錄 C 中圖 2-2 所示。葉片入口邊直徑 一般可按比轉(zhuǎn)數(shù)1 1D確定：sn=40 100 則 （一般入口邊平行于軸心線；對流量較小的泵，可取 ；s:10D? 10D?對流量較大的泵，也可將入口邊伸向吸入口，但是應注意鑄造造型的工藝性） 。則102sn?10(.8)?:則3s:6則5s 10(.75)D則 （軸流泵）0sn?02?3）確定葉片入口處絕對速度 1?一般取 或略大于 ，對抗汽蝕性能要求較高的泵，可取 。10?0 10(.483)???:4）確定葉片入口寬度 1b可按下式確定：1b（2-5）11'QbD???離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計8離心泵葉輪入口尺寸 ， 和 除影響泵的性能和效率外，對泵的抗汽蝕性能影響0D1b很大。5）確定葉片入口處圓周速度 1u可按下式確定：1u（2-6）160Dn??6）確定葉片數(shù) Z現(xiàn)在尚無確定葉片數(shù)的準確方法，對 的泵，一般取 6 片；對低比轉(zhuǎn)數(shù)的25s:泵可以取 9 片，但應注意勿使入口流道堵塞；對高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵可以取 片。此外，還45:可以用下列經(jīng)驗公式進行估計：（2-7）2(1.5)ZD?:式中 ——葉輪外徑，單位為厘米。2D在一般情況下，增加葉片數(shù)可以改善液體流動的情況，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，所以過多的增加葉片數(shù)，不但要降低效率，并使葉輪的汽蝕性能惡化，還能導致泵性能曲線出現(xiàn)駝峰。在葉片包角不變的情況下，葉片數(shù)減少時，每個葉片的負荷增加，對液體導流作用降低，泵揚程也要下降。有些比轉(zhuǎn)數(shù)較低的泵，采取長短葉片間隔安放的形式，如圖 2-4 所示。這樣既保證了足夠的葉片數(shù)，又防止了葉輪流道入口的堵塞。9圖 2-4 堵塞流道長短葉片的葉輪Fig.2-4 Stop leaf's round of flow a length leaf's slice7）確定葉片入口軸面速度 1m?可按下式確定：1m?（2-8）1m??式中 ——葉片入口排擠系數(shù)1?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，1?再來校核 值。1?在估算時，一般取 ，低比轉(zhuǎn)數(shù)的小泵去大值。1.3??:8）確定葉片入口安放角 ?葉片入口安放角就是在葉片的入口處，葉片工作面的切線（嚴格地說，應該是在流面上葉片骨線的切線）與圓周切線間的夾角，如圖 2-5 所示。假定液體是無旋流入葉輪內(nèi)，則由速度三角形可知：（2-9）'1mtgu???式中 ——液體進入葉輪相對速度的液流角，如圖 2-6 所示。'1?1? ??1'1?Sl 葉 片 骨 線液 流 方 向離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計10圖 2-5 葉片入口安放角 圖 2-6 葉片的沖角Fig.2-5 Leaf slice the entrance put cape Fig.2-6 The blunt cape of leaf's slice葉輪入口處的葉片安放角比相對速度液流角增大了一個角度，這個角度叫做沖角，以 表示，葉片入口安放角 為：??1?（2-10）'1????一般沖角取 ，葉片入口安放角 。35??:04?:在確定葉片入口安放角 時，選取一個沖角 的原因是：1?（1）液體在進入葉輪前，已受吸入室、軸或葉輪的影響而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動（即預旋） ，增加沖角就是考慮了預旋的影響，以減少液體的沖擊損失。（2）取正沖角后，葉片入口處排擠系數(shù) 減小了，即增大了葉片入口面積，改善了1?液體流動情況，可以略為提高泵的汽蝕性能。對錐形管吸入室的泵來說，液體進入葉輪前，預旋較小，但對半螺旋形吸入室來說，預旋就比較大，所以選取沖角時還要考慮吸入室結(jié)構(gòu)形式的影響。沖角對泵的抗汽蝕性能有一定影響。試驗表明，在正沖角范圍內(nèi)，沖角變化對泵抗汽蝕性能影響不大，加大沖角可以延緩泵在大流量工況工作時抗汽蝕性能的急劇惡化。但如果正沖角 超過 ，將引起效率的下降。如果取負沖角，則泵的抗汽蝕性能要明??20?顯地惡化。9）確定葉片厚度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34: 56:厚度，以使葉片有足夠的剛度。10）計算葉片排擠系數(shù) 1?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1不考慮葉片厚度的過流面積與考慮葉片厚度過流面積（即實際過流面積）之比值：（2-11）11()tbt????11式中 ——葉片節(jié)距， （圖 2-5） ；1t 1DtZ??——葉片在圓周方向的厚度（圖 2-5） 。?葉片在圓周方向的厚度 可按下式計算：1?（2-12）1sinS???式中 ——入口處的葉片實際厚度（嚴格地說是流面上的厚度） ，代入公式（2-11）得：1S（2-13）1111()sinsinDbZSS?????????公式（2-13）的計算值應與原來選取的 相等或相接近，如果相差太大，則需重新?選取 ，計算和，再按式（2-13）計算 ，直至計算的 與選取的 相等或相近為止。1? 11?1?11）葉片包角 的確定?就是葉片入口邊與圓心的連線和出口邊與圓心連線間的夾角，如附錄 C 圖 2-7 所示。包角越大、葉片間流道越長，則葉片單位長度負荷越小、流道擴散程度越小，有利于葉片與流道的能量交換。如葉片的包角太小，則葉片與液體的摩擦損失增加，鑄造工藝性差，所以，包角大小應選取適當。目前，對 的泵，一般取 ，低比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪取大值，高比轉(zhuǎn)數(shù)6012sn?:7510????:葉輪取小值。包角確定后，在繪型時還要根據(jù)具體情況作適當?shù)男薷摹?2）確定葉輪外徑 2D可以通過葉輪出口圓周速度 求得， 可按下式計算：2D2u2（2-14）2KgH?式中 ——葉輪出口圓周速度系數(shù)，可從圖 2-1 中選取。2uK葉輪出口圓周速度 確定后，可按下式計算葉輪外徑 ：2u2D（2-15）260uDn??離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計12的大小對泵的性能有明顯的影響，如圖 2-8 所示。2DD ' ' 2D ' 2D ' ' ' 2D ' 2 D ' ' 2 D ' ' ' 2HQ圖 2-8 對泵性能曲線的影響2DFig.2-8 to pump function curve of influenceHQβ 2 9 0 ?β 2 = 9 0 ?β 2 9 0 ?圖 2-9 對泵性能曲線的影響2?13Fig.2-9 to pump function curve of influence2?13）葉片出口安放角 2葉片出口安放角 一般在 范圍內(nèi)，通常選用 。對高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵，?1640?:203?:可以取得小些，低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵 可取得大些。葉片出口安放角 對性能曲線形狀（圖2?2 2?2-9 所示） 、葉輪流道形狀和泵的揚程影響較大，故在決定 時應該仔細。214）確定葉輪出口寬度 2b可以通過葉輪出口軸面速度 確定，如圖 2-10， 可按下述公式計算：2b2m?2m?（2-16）2KgH?式中 ——葉輪出口軸面速度系數(shù)，可按圖 2-1 選擇。 的大小，直接影響泵的2mK? 2mK?流量。葉輪出口軸面速度 確定后，可按下式確定葉輪出口寬度 ：2m 2b（2-17）'222()mQbDZ?????式中 ——葉片出口處圓周方向厚度（米） 。2?可按下式計算：（2-18）2sinS???式中 ——葉輪出口處葉片真實厚度（嚴格地說是流面上厚度） ，如圖 2-11 所示。2S對低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵來說， 過小往往在結(jié)構(gòu)上和鑄造上難以保證。因此，可用堵塞葉2b輪部分流道的方法來增加 ，如圖 2-4 所示。一般認為葉輪各流道中流過的流量相等，故如果堵塞 1/3 流道， 可增寬 50%左右。堵塞的流道應當對稱，以免由不平衡而引起泵2振動。離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計14υ u 2υ u 2 ∞u 2υ m 2υ 2 ∞ω 2 ∞ω 2α 2α ' 2β ' 2β 2圖 2-10 葉輪出口速度三角形Fig.2-10 Leaf the round export speed triangle 2?2?圖 2-11 葉輪出口排擠Fig.2-11 Leaf the round export discriminate against15）確定葉輪出口絕對速度與圓周速度的夾角 2?由圖 2-10 可知，在葉輪葉片無窮多時，液體流出葉輪的方向為：152mutg????由圖 2-10 知 22mutg?????代入上式，得： 22mtutg?????（2-19）122mtt?在有限葉片時，液體實際流出角為 ，由圖 2-10 可知'2?'2mutg??（2-20）'122ut??由公式 知，由公式 可得：1THp???2uTHg??21up??液流流出葉輪的絕對速度為： 2um??至此，葉輪繪型時需要的尺寸、角度等參數(shù)，已經(jīng)計算完畢，這些參數(shù)都能影響水泵的性能。但是，在葉輪的這些參數(shù)中，哪些是影響離心泵性能的主要因素呢？實踐證明， 、 、 對離心泵汽蝕性能影響較大， 對離心泵流量影響較大， 、 對水泵0D1b2b2D?揚程的影響較大， 對泵性能曲線形狀影響較大。但是，對葉輪其他一些因素（如葉片2?數(shù) Z、包角 、葉片厚度 S、沖角 、葉片入口直徑 等）也需要認真對待。這些參數(shù)???1D如果選得協(xié)調(diào)，就能得到滿意的結(jié)果。在這方面靈活性是較大的，或者說，目前這些參離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計16數(shù)之間尚未找到嚴格的關系，選取是否適當，在一定程度上取決于設計者的經(jīng)驗。2.2 葉輪結(jié)構(gòu)尺寸的設計計算已知設計參數(shù)為 Q=90 、H=80m、 =6.28m， ，以電機直接驅(qū)動，3/mhmaxsH708%??:輸送常溫清水，由這些參數(shù)設計一臺單吸單級離心泵葉輪結(jié)構(gòu)。設計計算步驟如下：2.2.1 結(jié)構(gòu)形式的確定1）確定吸入口徑和吐出口徑：由表 2-1 知，可取吸入口徑為 100mm，吐出口徑也取為 100mm。表 2-1 泵的吸入口徑、流速和流量的關系Tablet.2-1 Inhalation caliber, current velocity and relate to of discharge of pump吸入口徑（mm） 40 50 65 80 100 150 200 250 300 400單 流速 （m/s） 1.375 1.77 2.1 2.76 3.53 2.83 2.65 2.83 — —級 流量 （ ）3/mh6.25 12.5 25 50 100 180 300 500 — —多 流速 （m/s） 1.375 1.77 2.1 2.54 3 2.44 2.48 2.54 2.84 3.42級 流量 （ ）3/h6.25 12.5 25 46 85 155 280 450 720 15002）求 ：取 =1 ， =1000 ，由附錄 C 中圖 2-12 取min?ap2/kgcm?3/kgm0.24p??，得：/kgc由公式 42minmax10()asshHg?????24 90[].13610(.2)4.88????=4.0m3）確定轉(zhuǎn)速 n：代入公式 得：3/4min5.6Qch??17=0.3143/45.6290nc?n如果選用兩極電機，則 =2950r/min，c=926.3；n如果選用四極電機，則 =1480r/min，c=464.72。由表 2-2 可知，如果選用四極電機，要達到預定的 是很困難的，故泵取maxsH=2950r/min。n表 2-2 單吸單級泵的 和 c 值minh?Tablet.2-2 Lists absorb single pump of be worth with ci吸入口徑（mm）40 50 65 60 100 150 200設計流量（）3/mh6.25 12.5 25 50 100 180 300轉(zhuǎn) 速（r/min）2950 2950 2950 2950 2950 1480 2950 1480 2950汽蝕余量（minh?）2.5 2.8 3.0 3.5 4.0 4.0 4.5 4.3 5.5汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c348 450 610 775 980 660 1190 810 13304）結(jié)構(gòu)方案的選擇： 3/4.65snQH?3/4.295068?=63.6由附錄 C 圖 2-13 知，這樣的比轉(zhuǎn)數(shù)是有可能達到預定效率的。因此，此單吸單級泵就設計為， =2950r/min， =63.6。nsn5）軸徑的初步計算：根據(jù)使用條件，參考附錄 D，取泵軸為 35 號鋼，泵軸的初步計算過程：解：參考圖 2-13，取泵的效率為 =72%?離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計18按公式 計算泵的軸功率102QHN???=27.23KW1098236.7??泵的計算功率可按公式 .32.6cNKW?取 =40cNKW參考表 2-3，取 35 號鋼許用切應力[ ]為 450 ，按公式 和?2/kgcm97360cNMn?計算，泵軸所轉(zhuǎn)遞的扭矩 為：30.2[]Md??M97360cNn?40295?=300kgm:泵的最小軸徑為：=30.2[]Md??30.45?=2.3 cm取標準尺寸，d=25mm。表 2-3 泵軸常用材料的許用切應力Tablet.2-3 The pump stalk in common use materials slices in response to the dint材 料 熱 處 理 要 求 許用切應力[ ]?（ ）2/kgcm用 途35 正火處理 405:一般單級泵45 調(diào)質(zhì)處理 24186HB?:6一般多級泵40Cr 調(diào)質(zhì)處理 378大功率高壓泵3Cr13 調(diào)質(zhì)處理 9耐腐蝕泵35CrMo 調(diào)質(zhì)處理 5在高溫下工作（t=200～400 ）C?取固定轉(zhuǎn)子部件的螺紋直徑 。 30 3 的細牙螺紋的底徑為 ，聯(lián)軸器30Mdm??28?的定位凸臺有 1.8mm 左右是完全可以的。19取安裝軸承和葉輪處的直徑 為 。1d35m?葉輪輪轂直徑可按公式 計算，取系數(shù) =1.4，則2hK?K。21.44359hdd??有計算知：裝聯(lián)軸器處的最小軸徑為 ；2m裝葉輪處的軸徑為 ；35葉輪輪轂直徑為 。492.2.2 葉輪的設計計算在設計離心泵的葉輪時，因為要考慮到泵的汽蝕性能，需要特殊設計，設計計算步驟如下：1）確定葉輪入口直徑 ：由于泵要求效率比較高，而單級泵入口已有一定的壓力，0D故可將泵入口速度系數(shù)盡可能取得高一些，由圖 2-1 知，可取 ，代入公式（2-0.15K??2） ，得葉輪入口速度 為：0?=0.15× =5.94 02KgH??29.8?/ms由圖 2-3，取泵的容積效率 ，則通過葉輪的流量 為：9%?'Q=0.0278 '360.Q??3/s代入公式（2-4） ，得：'2004hDd???24.78=0.495???=0.0914m取 。092Dm?2）確定葉片入口邊直徑：取 ，得：10D?1?3）確定葉片入口邊絕對速度 ：取 ，得：1?0.8離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計2010.8.594.7/ms????4）確定葉片入口寬度 ：代入公式（2-5） ，得：b=0.0186 =18.611'QD??.2340.75?5）確定葉片入口圓周速度 ：代入公式（2-6） ，得：u160n?.291.4/60ms?作草圖后，初步確定葉片入口邊與前蓋板交點處直徑為 100 ，與后蓋板交點處直徑為 85 ，相應于入口邊與前、后蓋板交點處圓周速度 和 為：m'1u'''13.40295.4/66Dnums????''1.813./6）確定葉片數(shù) Z：暫取 6 片葉片，待葉輪外徑確定后，再按公式（2-7）進行核算。7）確定葉片入口軸面速度 ：取葉片入口排擠系數(shù) ，代入公式（2-8） ，得：1m?1.??1.34756./mms???8）確定葉片入口安放角 ：首先確定液流角 ，代入公式（2-9） ，得：?'1?'1.0.45mtgu??' '128??葉片入口邊與前、后蓋板相交處的液流角分別為 和 。'94?'5?取沖角 ，代入公式（2-10） ，可得葉片安放角 ：5???? 1?' ' '1286???????葉片入口邊與葉輪前、后蓋板相交處的葉片安放角分別為 和 。'248?'30?9）確定葉片厚度：此處暫取葉片厚度 ，在強度計算部分再核算葉片厚度。15Sm2110）確定葉片排擠系數(shù) ：代入公式（2-13） ，得：1?11 '3.14056sin28sinDSZ????????=1.27此處計算的葉片排擠系數(shù)與假設的 值一致。1?11）確定葉片包角 ：暫取 ，在繪型時在根據(jù)具體情況作適當?shù)男薷摹?50??12）確定葉輪外徑 ：由圖 2-1 知，可取 ，代入公式（2-14） ，得：2D20.965uK?.9683.21/uKgHms?代入公式（2-15） ，得葉輪外徑 ：203.210.549Dn????=250 m葉輪直徑確定后應校核葉片數(shù)，取系數(shù)為 1.2，代入公式（2-7） ，得：2156Z??此處計算的葉片數(shù)與上述選擇的相符。13）確定葉片安放角 ：取 ，在作方格網(wǎng)時，再根據(jù)具體情況進行修改。2?230?14）確定葉片的出口寬度 ：由圖 2-1，取 ，代入公式（2-16） ，得：b20.14mK??2.98mgH???/s代入公式（2-17） ，可得葉片的出口寬度 ：2b' '2 222()()sinmmQQbZSDZ??????????0.7865(3.14)4.1si3??=0.0093 離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計22取 。210bm?15）確定在有限葉片時液體出口速度與圓周速度的夾角 ：'2?由 21up???由圖 2-10 知， 22mutg?????4.138.0t?.7/s?由公式 知， 21rpZ???:其中 2(0.5.68)0.sin??3??:.850.9?:取 .9?則 2 210.9.1560rpZ?????:.357?由此， 21.02.9/357umsp???代入公式（2-20） ，得： '122mutg????114.0.89ttg???' '2?液體流出葉輪的絕對速度 為：22322.941um????3.27/ms?3 葉輪強度計算葉輪強度計算可以分為計算葉輪蓋板強度、葉片強度和輪轂強度三部分，現(xiàn)分別計算如下：3.1 葉輪蓋板強度計算離心泵不斷向高速化方向發(fā)展，泵轉(zhuǎn)速提高后，葉輪因離心力而產(chǎn)生的應力也隨之提高，當轉(zhuǎn)速超過一定數(shù)值后，就會導致葉輪破壞。在計算時，可以把葉輪蓋板簡化一個旋轉(zhuǎn)圓盤（即將葉片對葉輪蓋板的影響略去不計） 。計算分析表明，對旋轉(zhuǎn)圓盤來說，圓周方向的應力是主要的，葉輪的圓周速度與圓周方向應力 （ ）近似地有以下?2/kgcm關系：（3-1）4210mug???:式中 ——葉輪材料的重度（ ） 。對鑄鐵葉輪來說， =0.0073（ ） ；對m? 2/kcm?2/kgc鑄鋼葉輪 =0.0078（ ） ；對銅葉輪 =0.0088（ ） ；m?g——葉輪圓周速度（ ） ；2u/s——重力加速度（ ） ，一般取 。g2/c980g?2/cms計算過程如下：解：計算圓周方向應力，代入公式（3-1） ，得： 442210.736.198mug????:2./kgc由表 3-1 知， ，故在 時，葉輪蓋板是安全的，此時葉輪蓋[]??2950/innr?離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計24板厚度由結(jié)構(gòu)和工藝要求確定。由表 3-2 知，可選葉輪蓋板厚度為 5 。m表 3-1 葉輪材料的許用應力Tablet.3-1 Leaf round of the material use in response to the dint材 料 名 稱 熱 處 理 狀 態(tài) 許用應力[ ]（ ）?2/kgcmHT20-40 退火處理 2503:ZG 25 退火處理 67ZG1Cr13 退火處理 91ZG2Cr13 調(diào)質(zhì)處理 HB 229-269ZGCr18Ni12Mo2Ti 固溶化處理 4ZG1Cr18Ni9 固溶化處理 05:ZGCr28 退火處理 78表 3-2 葉輪蓋板厚度Tablet.3-2 Leaf the round cover plank thickness葉輪直徑（ ）m108:1250:1520:520?蓋板厚度（ ）4 5 6 73.2 葉片厚度計算為了擴大葉輪流道有效過流面積，希望葉片越薄越好；但葉片選得太薄，在鑄造工藝上有一定的困難，而且從強度方面考慮，葉片也需要有一定的厚度。目前，鑄鐵葉輪的最小葉片厚度為 3～4 毫米，鑄鋼葉片最小厚度為 5～6 毫米。葉片也不能選擇得太厚，葉片太厚要降低效率，惡化泵的汽蝕性能。大泵的葉片厚度要適當加厚一些，這樣對延長葉輪壽命有好處。表 3-3 葉片厚度的經(jīng)驗系數(shù)Tablet.3-3 Leaf slice the experience coefficient of the thickness比 轉(zhuǎn) 數(shù)40 60 70 80 90 130 190 280材料系 數(shù) K鑄鐵 3.2 3.5 3.8 4.0 4.5 6 7 1025鑄鋼 3 3.2 3.3 3.4 3.5 5 6 8葉片厚度 S（mm）可按下列經(jīng)驗公式計算：（3-2）21iHSKDZ??式中 ——經(jīng)驗系數(shù)，與材料和比轉(zhuǎn)數(shù)有關，對鑄鐵和鑄鋼葉論，系數(shù) 推薦按表 3-3K K選??；——葉輪外徑（ ） ；2Dm——單級揚程（ ） ；iH——葉片數(shù)。Z計算過程如下：解：由表 3-3，取經(jīng)驗系數(shù) ，代入公式（3-2 ） ，得5K?2 8013.5216iHSDZ???4.m?取葉片厚度 。5Sm?3.3 輪轂強度計算對一般離心泵，葉輪和軸是動配合。大型鍋爐給水泵和熱油泵等產(chǎn)品，葉輪和軸是靜配合。為了使輪轂和軸的配合不松動，在運轉(zhuǎn)時由離心力產(chǎn)生的變形應小于軸和葉輪配合的最小公盈。在葉輪輪轂處由離心力所引起的應力可近似地按公式就（3-1）計算，由此應力所引起的變形為：（3-3）cDE???離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計26式中 ——彈性模數(shù)（ ） ；對鑄鐵 ；對鑄鋼 ；對銅E2/kgcm61.30E??61.750E??；61.0??——葉輪輪轂平均直徑（ ） ；cDc——由離心力引起的葉輪輪轂直徑的變形（ ） 。? cm應小于葉輪和軸配合的最小公盈 ，即in?minD?計算過程如下：解：代入公式（3-3） ，可得離心力所引起的葉輪輪轂直徑變形量 ：D?6108.7493cDE????.m由公差配合表可知，軸徑為 35 ，精度配合的最小公盈 。min0.5??minD??由離心力所引起的變形小于最小的配合公盈。274 葉輪的繪型葉輪的影響離心泵性能的最主要部件，葉輪的主要幾何尺寸計算完畢后，就可以進行繪型工作。由于葉片形狀比較復雜，制造得不準就要影響離心泵的性能。因此，準確地繪型是保證葉片形狀正確的必要前提。目前常用的繪型方法有：圓柱形葉片葉輪繪型法和保角變換繪型法。對于低比轉(zhuǎn)數(shù) 的單級單吸離心泵一般為圓柱形葉片葉輪。60sn?圖 4-1 軸面投影圖Fig.4-1 Stalk noodleses cast shadow diagra4.1 圓柱形葉片葉輪繪制法圓柱形葉片葉輪的繪制主要步驟如下：4.1.1 作軸面投影圖軸面就是包含軸心線的截面，如圖 4-1 b 中的 面就為軸面。軸面投影就是將葉OA?離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計28輪上的點按圓弧投影在某一軸面上的圖形。例如圖 4-1 b 中的 a 點本來不在軸面 上，OA?但是以 點為圓心，以 為半徑旋轉(zhuǎn)，即可將 a 點投影到 面上，得 點；同理 c 點O1r OA?'本來也不在軸面 上，但是以 點為圓心， 為半徑旋轉(zhuǎn)，即可將 c 點投影到A?O2r面上，得 點。將軸面投影，如圖 4-1 a ,此圖即為軸面投影圖。在軸面投影圖上，A?'c可以比較全面地看到葉輪葉輪前后蓋板形狀，葉片入口邊、出口邊各點相對于葉輪軸心線的徑向位置和軸向位置，但是，入口邊、出口邊上各點并不一定在同一軸面上。作軸面投影圖時，盡量參考比轉(zhuǎn)數(shù)相等、性能良好的葉輪的軸面投影圖。作軸面投影圖的步驟如下：1）取 ，作軸心線 的平行線 （圖 4-2） 。2hdO?DE2）作軸心線 的垂線 ，使 。AB2?圖 4-2 軸面投影圖的繪型Fig.4-2 The stalk noodles casts shadow draw of diagram a type3）過點 作 線，使 。 的大小與比轉(zhuǎn)數(shù)和結(jié)構(gòu)形式有關，BC35AB????:ABC比轉(zhuǎn)數(shù)小可以取 （分段式多級泵一般取 ） ，高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵（或雙吸泵）可以取 ，0? 0? 35?:一些渦殼式泵， 可以取到 （圖 4-2 中 線在 線的左側(cè)） 。?294）以適當半徑作圓弧，使之與直線 和 相切，即得葉輪后蓋板的初步輪廓線。DEBC5）過 點作軸心線 的平行線，并截取 。BO?2Fb?6）作軸心線 的平行線 和 。 距軸心線距離為 ， 距軸心線為GHJK0DJK。12D7）以 線上相應的點為圓心，以 為半徑作圓，使之與與葉輪后蓋板輪廓線相切。JK12b8）以適當?shù)膱A弧和直線作成葉輪前蓋板的輪廓線，此輪廓線必須與 線和葉輪入GH口圓相切，并通過 點。F9）作葉片入口邊：對低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵，入口邊可以平行于軸線，按計算的 值作軸線1D的平行線即可。但也有一些比轉(zhuǎn)數(shù)小于 100 的泵，葉片入口邊伸向吸入口。高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵，可過 點（ 點在前蓋板輪廓線上，徑向尺寸可等于或略大于葉輪入口直徑 ，M 0如圖 4-2）作 線，使 線的延長線與軸線 的夾角 （混流泵可取NO?3045???:） 。過 、 點和葉輪入口圓中心點作一光滑曲線，此線即為葉輪入口邊。4065???:此處所作的葉片入口邊僅是初步的，在作平面投影圖或方格網(wǎng)時，還要根據(jù)具體情況作適當?shù)男薷摹?.1.2 作葉輪平面投影圖圓柱形葉片可以用一個或幾個圓弧畫成。用一個圓弧畫的葉片較短、流道擴散情況也不如用幾個圓弧畫成的葉片好，現(xiàn)以用兩個圓弧畫葉片的方法為例，作圖步驟如下：1）作葉輪的 =250 和 =100 。如圖 4-3。2Dm12）作中間圓 （一般取 ） ，按下式計算對應于 的i 21iD??iDi?（4-1）121())ii??3）作半徑線 ，由 點作直線 ，使 。OAAB2O???4）作半徑線 ，使 ，并與 圓交于點 。C2i????iDC離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設計30O2i??i1i?圖 4-3 圓柱形葉片葉輪的繪型Fig.4-3 Cylinder form leaf slice leaf's round draw a type5）過 、 點作直線，并與 圓交于另一點 。ACiD6）連接半徑線 ，作直線 ，使 ，并與 線交于 點。OEiO???ABE7）以 點為圓心，以 為半徑作弧，此弧必通過 點。EAD8）作半徑線 ，使 ，并與 圓交于點 。F1i???1F9）過 、 點作直線，并與 圓交于另一點 。DDG10）作半徑線 。作直線 ，使 ，并與 線交于點 。OGH1O???EH11）以點 為圓心、以 為半徑作弧，此弧必通過 點。H12）以 和 點為圓心、分別以 和 為半徑作圓弧，并適當削尖修圓葉EAES?片入口邊，即得葉片形狀。其中 為葉片真實厚度。13）以葉片數(shù) 等分葉輪外徑，并用上述方法依次作其他葉片，如圖 4-4 所示。Z4.1.3 葉輪平面投影圖流道的檢查對葉輪平面投影圖的流道也應該進行核算，如圖 4-4。在平面投影圖流道內(nèi)作內(nèi)切圓，連接內(nèi)切圓圓心，即得流道中線。對應于軸面投影圖中的內(nèi)切圓 1、2、3、……（內(nèi)切圓圓心距葉輪中心線距離為 、 、 、……）作平面投影圖中的內(nèi)切圓（這些內(nèi)切圓圓心1r23距葉輪中心線的距離也為 、 、 、……） 。相應的兩個內(nèi)切圓直徑的乘積，即為對應