离心泵课程设计

1/19课程设计说明书设计题目：离心泵泵叶轮水力设计设计参数：流量0.1m3/s，扬程33.5m，转速1450rpm完成日期：2013年11月8日指导教师（签字）：能源与动力工程学院2/19目录第一章结构方案的确定1.1计算泵比转速1.2计算泵进出口直径1.3计算泵进出口流速1.4计算泵的效率1.5计算泵的功率1.6计算泵轴颈1.7参考图表及标准第二章叶轮的水力设计(速度系数法)2.1叶轮进口直径的确定2.2叶轮出口直径的确定2.3叶轮出口宽度确定2.4叶轮出口安放角的确定2.5叶轮叶片数的确定2.6精算叶轮外径2.7叶轮出口速度的确定2.8叶轮设计计算汇总表第三章叶轮木模图绘制3.1叶轮的轴面投影图3.2叶轮中间流线绘制3.3叶轮流线分点3.4确定进口安装角3.5叶片绘型第四章参考资料第五章课程设计有感3/19第一章结构方案的确定1.1计算比转速确定泵的比转速，根据比转速来确定泵的结构形式。比转速计算公式：ns=3.65𝑛√𝑄𝐻3/4式中：Q:水泵流量，单位：𝑚3/𝑠H:水泵扬程，单位：𝑚结果：ns=3.65×1450×√0.133.5.0.75=120.21.2计算泵进出口直径（1）泵的进口直径Ds泵的进出口直径取决于流量和经济流速，Ds=√4𝑄𝜋𝑉𝑠初选𝑉𝑠=2.65~2.83m/s之间，选取𝑉𝑠=2.7𝑚/𝑠结果：Ds=1000×√4×0.1𝜋×2.7=217𝑚𝑚,按标准取Ds=200𝑚𝑚（2）泵的进口直径Dd泵的出口直径按经验公式Dd=（0.7~1)Ds此处可以取Dd=Ds=200𝑚𝑚1.3计算泵进出口流速（1）泵的进口流速𝑉𝑠泵的进口直径已经选定，有进口流速，𝑉𝑠=4𝑄𝜋𝐷𝑠2结果：𝑉𝑠=4×0.1𝜋0.22=3.18𝑚/𝑠（2）泵的出口流速𝑉𝑑泵进出口处的流量和直径一致，𝑉𝑑=𝑉𝑠=3.18𝑚/𝑠1.4计算泵的效率（1）水力效率ηℎηℎ=1+0.0835log√𝑄𝑛3=1+0.0835log√0.114503=0.884（2）容积效率ηνην=11+0.68𝑛𝑠−2/3=11+0.68×120.2−2/3=0.9664/19（3）机械效率η𝓂′η𝓂′=1−0.07（ns/100）7/6=1−0.07（120.2/100）7/6=0.943考虑到填料、轴承损失约为2%η𝓂=η𝓂′−2%=0.939−0.02=0.923（4）泵的总效率ηη=ηℎ×ην×η𝓂=0.884×0.943×0.923=0.7881.5计算泵的功率（1）泵的轴功率NN=𝜌ℊ𝑄𝐻1000𝜂=1000×9.8×0.1×33.51000×0.788=41.66𝑘𝑤（2）原动机功率NgNg=kN=1.2×41.66=49.99𝑘𝑤系数k为余量系数和传动效率的综合衡量指标，根据原动机类型和传动方不同而选取不同的系数，此处预估为1.2。1.6计算泵轴直颈（1）泵的扭矩MnMn=9550Ngn=9550×49.991450=329.24N∙𝑚（2）泵最小轴颈d𝑚𝑖𝑛d=√𝑀𝑛0.2[𝜏]3=√329.240.2×450×1000003=0.0332𝑚=33.2𝑚𝑚泵选取材料45钢，式中[𝜏]=450×105𝑁/𝑚2；查标准轴颈值，选取R40系列，故有最小轴颈d𝑚𝑖𝑛=35𝑚𝑚1.7参考图表（1）泵的吸入口径、流量和流速的关系吸入口径mm40506580100150200250300单级泵流速m/s1.3751.772.12.763.532.832.652.83--流量m³/s6.2512.52550100180300500--（2）R40系列标准轴颈值22.423.625.026.528.030.031.533.535.537.540.042.545.047.550.053.056.060.063.067.071.075.080.085.0（3）泵用材料特性材料热处理要求[𝜏]𝑃𝑎(𝑁/𝑚2)用途45调质处理HB=241~286(441~539)×105一般单级泵5/19第二章叶轮的水力设计(速度系数法)2.1叶轮进口直径的确定设计没有汽蚀要求，主要考虑效率，取Ko=3.9进口当量直径，Do=Ko√𝑄/𝑛3=3.82×√0.1/14503=0.160𝑚=160𝑚𝑚叶轮进口直径,Dj=√𝐷𝑜2+𝑑ℎ2=Do=160𝑚𝑚由于水泵采用单级单吸，式中𝑑ℎ=0。2.2叶轮出口直径的确定系数𝐾𝐷2=(9.35~9.6)(𝑛𝑠100)−0.5=9.35×(120.2100)−0.5=8.528叶轮出口直径，D2=𝐾𝐷2√𝑄/𝑛3=8.528×√0.1/14503=0.350𝑚=350𝑚𝑚2.3叶轮出口宽度的确定系数𝐾𝑏2=(0.64~0.7)(𝑛𝑠100)5/6=0.647×(120.9100)5/6=0.754叶轮出口宽度，b2=𝐾𝑏2√𝑄/𝑛3=0.754×√0.1/13503=0.0309𝑚=30.9𝑚𝑚2.4叶轮出口安放角的确定叶轮出口安放角β2=20~30°，β2越大，泵扬程越高，此处β2=22.5°2.5叶轮叶片数的确定叶片数Z=6.5𝐷2+𝐷1𝐷2−𝐷1𝑠𝑖𝑛β2+β12=6.5354+164354−164𝑠𝑖𝑛22.5+302=7.742此处叶片数Z=7。2.6精算叶轮外径计算叶轮外径时一般先假设β2，再来计算𝐷2，在计算过程中要用到Ht∞,而计算Ht∞过程有需要用到𝐷2，故此过程需要假定一个初值进行迭代运算，下面为这个迭代过程的计算步骤。计算中将会采用到下面几个参数，现行在此列出○1系数a=0.6;○2叶片厚度暂时定为𝛿2=0.004𝑚；○3叶片角度𝜆2=90°。（1）第一次精算过程理论扬程：Ht=Hηℎ=33.50.884=37.9𝑚6/19修正系数：ψ=a(1+β260)=0.75×(1+22.560)=0.825静矩：S=𝑅22−𝑅122=0.17452−0.0822=0.012有限叶片修正系数：P=ψ𝑅22𝑍𝑆=0.825×0.174527×0.012=0.299无穷叶片理论扬程：Ht∞=(1+P)Ht=(1+0.299)×37.9=49.23𝑚叶片出口排挤系数：ψ2=1−𝑍𝛿2𝜋𝐷2√1+(𝑐𝑜𝑡β2𝑠𝑖𝑛𝜆2)2=1−7×0.004𝜋×0.349√1+(𝑐𝑜𝑡22.5°𝑠𝑖𝑛90°)2=0.933出口轴面速度：υm2=𝑄𝜋𝐷2𝑏2ψ2ην=0.1𝜋×0.349×0.0309×0.933×0.966=3.27𝑚/𝑠出口圆周速度：𝒰2=υm22𝑡anβ2+√ℊHt∞+(υm2tanβ2)2=3.272𝑡𝑎𝑛22,5°+√9.8×49.23+(3.27tan22.5)2=26.26𝑚/𝑠出口直径：D2=60𝒰2𝜋𝑛=60×26.26𝜋×1450=0.346𝑚=346𝑚𝑚（2）第二次精算过程理论扬程：Ht=Hηℎ=33.50.884=37.9𝑚修正系数：ψ=a(1+β260)=0.6×(1+22.560)=0.825静矩：S=𝑅22−𝑅122=0.1732−0.0822=0.0118有限叶片修正系数：P=ψ𝑅22𝑍𝑆=0.825×0.17327×0.0118=0.299无穷叶片理论扬程：Ht∞=(1+P)Ht=(1+0.299)×37.9=49.23𝑚叶片出口排挤系数：ψ2=1−𝑍𝛿2𝜋𝐷2√1+(𝑐𝑜𝑡β2𝑠𝑖𝑛𝜆2)2=1−7×0.004𝜋×0.346√1+(𝑐𝑜𝑡22.5°𝑠𝑖𝑛90°)2=0.933出口轴面速度：υm2=𝑄𝜋𝐷2𝑏2ψ2ην=0.1𝜋×0.346×0.0309×0.933×0.966=3.30𝑚/𝑠出口圆周速度：𝒰2=υm22𝑡anβ2+√ℊHt∞+(υm2tanβ2)2=3.302𝑡𝑎𝑛22,5°+√9.8×49.23+(3.30tan22.5)2=26.31𝑚/𝑠出口直径：D2=60𝒰2𝜋𝑛=60×26.31𝜋×1450=0.346𝑚=346𝑚𝑚(3)结果分析两次精算结果非常相近，可以认为满足计算精度要求，取D2=346𝑚𝑚,其实这个精算结果和初算结果也非常接近，误差为1%，可以看出这主要是出口安放角为22.5°，速7/19度系数法中各个系数推导都是在这个角度进行推导的，从这个角度来说，当设计叶轮的出口安放角为22.5°时，也可以不用精算叶轮外径，在容许误差之内，可以将初算值视为精确值。2.7叶轮出口速度的确定（1）出口轴面速度υm2ψ2=1−𝑍𝛿2𝜋𝐷2√1+(𝑐𝑜𝑡β2𝑠𝑖𝑛𝜆2)2=1−7×0.004𝜋×0.346√1+(𝑐𝑜𝑡22.5°𝑠𝑖𝑛90°)2=0.923υm2=𝑄𝜋𝐷2𝑏2ψ2ην=0.1𝜋×0.346×0.0309×0.923×0.966=3.29𝑚/𝑠（2）出口圆周速度𝒰2𝒰2=υm22𝑡anβ2+√ℊHt∞+(υm2tanβ2)2=3.292𝑡𝑎𝑛22,5°+√9.8×49.23+(3.29tan22.5)2=26.29𝑚/𝑠（3）无穷叶片出口圆周分速度𝑣u2∞𝑣u2∞=ℊHt∞𝒰2=9.8×49.2326.29=18.35𝑚/𝑠（4）出口圆周分速度𝑣u2𝑣u2=ℊHt𝒰2=9.8×37.926.29=14.13𝑚/𝑠2.7叶轮设计计算汇总表计算项目计算结果单位叶轮进口直径Dj160𝑚𝑚叶轮出口直径D2346𝑚𝑚叶轮出口宽度b230.9𝑚𝑚叶轮出口安放角β222.5°叶轮叶片数Z7片理论扬程Ht37.9𝑚叶片出口排挤系数ψ20.923出口轴面速度υm23.29𝑚/𝑠出口圆周速度𝒰226.29𝑚/𝑠无穷叶片出口圆周分速度𝑣u2∞18.35𝑚/𝑠出口圆周分速度𝑣u214.13𝑚/𝑠8/19第三章叶片木模图绘制3.1叶轮的轴面投影图（1）轴面投影图的绘制在叶轮的几个基本尺寸确定后，就可以根据这几个尺寸做出叶片的轴面投影图，轴面投影图应该满足一下两点要求：○1前后盖板出口保持一段平行或是对称变化；○2流道弯曲不应该过急，在结构允许的情况下，尽量采用较大的曲率半径。图例一：流道轴面投影图（2）轴面流道过水断面面积变化情况轴面投影图绘制好后，还要对轴面投影图的质量做评估，其原则是保证过水断面面积从进口到出口呈现出单调增或是有极大值的变化规律。考虑到采用的手工作图的方法，不可能精确求出曲面的面积，采用的近似算法来代替曲面面积的精确值，下面详细叙述这一方法：1．在流道中做一系列内切圆，使内切圆和前后盖板流线相切；2．连接同一内切圆的两个切点做出弦线，过圆心做弦线的垂线，找出此垂线的两个三分点，靠近圆心的三分点编号为1，远离圆心的三分点编号为2；3．过同一内切圆的两个切点和1号点做圆弧，此圆弧可以看成是流道的过水断面，记9/19过水断面长度为b，同时记2号点距中间轴线的距离为R𝑐,记过水断面面积为F，可以知道F=2πR𝐶𝑏;4．做出流道断面变化情况图，从流道过水断面面积变化情况对轴面投影图质量做出评估，当评估结果不理想时修改流道轴面投影图；5．如此反复，直到做出满足要求的轴面流道投影图。图例二：流道过水断面图图例三：过水断面面积变化图流道断面面积检查断面序号断面长度b重心高度Rc断面面积F180.0040.0020105.6272.1446.4621057.28362.5261.1924037.51453.4378.9926516.99545.7496.5227740.36638.87116.5628471.19736.03135.8230746.45834.03150.1532103.64930.9017333587.0310