《水工艺设备基础》_第三章(1)教程

水工艺设备基础1水工艺设备基础2水工艺设备基础3水工艺设备基础4水工艺设备基础5第3章水工艺设备理论基础主要内容：3.1容器应力理论3.2机械传动理论3.3机械制造工艺3.4热量传递与交换理论要求：掌握与水工艺设备设计制造有关的机械传动与制造工艺、结构力学、传热学等方面的基本知识；重点与难点：回转薄壳的薄膜应力的计算、内压薄壁容器的应力计算、机械传动的主要方式、主要机械制造工艺。3.1容器应力理论3.1.1容器概述容器定义：设备外部壳体的总称。3.1.1.1容器结构筒体(又称筒身)封头(又称端盖)法兰支座进出管人孔(或手孔)视镜等通用零部件，设计时可直接选用。3.1.2回转曲面与回转薄壳*回转曲面：以一条直线或平面曲线作母线，绕其同平面的轴线旋转一周形成的曲面叫回转曲面。回转轴：OO’3.1.3回转薄壳的薄膜应力薄膜应力：薄膜是回转薄壳的简称。在内压作用下，薄膜的横截面几乎不能承受弯矩，因此壳体在内压作用下的主要内力是拉力，假定这种拉力沿厚度方向均匀分布，称为薄膜应力。3.1.8内压封头设计封头分为三类凸形封头半球形封头半椭球形封头带折边球形封头无折边球形封头锥形封头无折边锥形封头带折边锥形封头平板形封头强度计算均以薄膜应力理论为基础，强度计算则应以平板弯曲理论为依据3.2机械传动理论3.2.1机械传动概述机械(Machinery):机构(Mechanism)和机器(Machine)的总称。3.2.1.1机构机构：由多种实物(如齿轮、螺丝、连杆、叶片等机械零件)组合而成，各实物间具有确定的相对运动(如水泵的叶片与外壳间，内燃机的活塞与气缸间等)。3.2.1.2机器机器:根据某种使用要求而设计制造的一种能执行某种机械运动的装置。在接受外界输入能量时，能够变换或传递能量、物料和信息。3.2.1.3机械应满足的基本要求(1)必须达到预定的使用功能，工作可靠，机构精简。(2)经济合理，安全可靠，生产率高，效率高，能耗少，原材料和辅助材料节省，管理和维修费用低。(3)操作方便，操作方式符合人们的心理和习惯，尽量降低噪声，有害介质渗漏，机身美观等。(4)对不同用途和不同使用环境的适应性要强(如容易卸、装等)。3.2.1.4机械传动的概念机械传动：利用构件和机构把运动和动力从机器的一部分传递到另一部分的中间环节称为机械传动。即按执行机构作业的特定要求，把原动机的运动和动力传递给执行机构。3.2.2机械传动的主要方式齿轮传动带传动链传动3.3机械制造工艺制造金属机件的基本工艺方法铸造压力加工焊接切削加工热处理3.4热量传递与交换理论传热过程：系统内由于温度差异使热量从高温向低温转移的过程称之为热量传递过程，简称传热过程。热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射热量传递起因：由于物体内或系统内两部分之间存在温度差。热量传递结果：传热可依靠其中一种方式或几种方式同时进行，净的热流方向总是从高温处向低温处流动。3.4.1热传导（导热）定义：若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导（导热）。特点：粒子只在平衡位置附近振动而不发生宏观位移。介质：热传导在固体、液体和气体中均可进行，但导热的微观机理因物态而异。对流换热定义和性质定义：对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。性质：*对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式对流换热实例：1)暖气管道;2)电子器件冷却；3)电风扇3.4.2对流换热1）必须有流体的宏观运动，必须有温差；2）对流换热既有热对流，也有热传导；3）流体与壁面必须有直接接触；4）没有热量形式之间的转化；5）由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层。对流换热特点流体流动的起因流体的相变流体的流动状态换热表面的几何因素流体的物理性质3.4.2.1影响对流换热的因素(1)不需冷热物体直接接触及任何中间介质就能进行热量传递。如阳光能够穿越低温太空向地面辐射。(2)辐射换热过程伴随能量转化，即物体部分内能→电磁波能→另一物体内能(3)温度高于绝对零度的一切物体，不论温度高低，都会不断地发射热射线。总效果为高温物体把能量传给低温物体。特点3.4.4辐射换热3.4.4.1辐射换热的本质和特点目录一、水泵的定义及分类二、叶片式水泵三、离心泵1、离心泵组成2、离心泵工作原理3、离心泵的分类4、动力部分：电动机5、传动部分：泵轴、联轴器、轴承6、做功部分：叶轮四、水泵效率曲线及影响因素一、水泵定义及分类1、水泵的定义：水泵是输送和提升液体的机器，它把原动机的机械能转化为被输送液体的能量，使液体获得压能（动能或势能）。电能机械能压能一、水泵定义及分类水泵的分类：按作用原理分：（1）叶片式水泵：它对液体的压送是靠装有叶片的叶轮高速旋转而完成的。属于这一类的有离心泵、轴流泵、混流泵。（2）容积式水泵：它对液体的压送是靠泵体工作室容积的改变来完成的。一般使工作室容积改变的方式有往复运动和旋转运动两种，如喷雾器等。（3）其他类型水泵：这类泵是指除叶片式水泵和容积式水泵以外的特殊泵。属于这一类螺旋泵、射流泵、水锤泵、水轮泵以及气升泵。二、叶片式水泵1、叶片式水泵的定义：是依靠叶轮的高速旋转以完成其能量的转换。2、叶片式水泵分类：根据叶轮出水的水流方向可将叶片式水泵分为径向流、轴向流和斜向流3种；拥有径向流叶轮的泵称为离心泵，液体质点在叶轮中流动时主要受到的是离心力作用。拥有轴向流叶轮的泵称为轴流泵，液体质点在叶轮中流动时主要受到的是轴向升力的作用。拥有斜向流叶轮称为混流泵，它是上述两种叶轮的过渡形式，液体质点在这种水泵叶轮中流动时即受离心力的作用，又有轴向升力的作用。二、叶片式水泵3、按叶轮进水方式分：（1）、单吸泵：单面进水式离心泵（2）、双吸泵：液体从两侧对称进水的离心泵其中：以叶片式水泵结构简单，维修方便，在实际应用中最为广泛。特类别点性能离心泵混流泵轴流泵流量小介于二者之间大扬程高介于二者之间低水泵特点比较表二、叶片式水泵二、叶片式水泵三、离心泵离心泵的基本构造：（单级单吸式离心泵）四大部分：动力部分电动机传动部分泵轴做功部分叶轮基础部分底座三、离心泵1、离心泵（单级单吸式离心泵）主要具有两个部分：（1）、包括叶轮和轴在内的旋转部件；（2）、由壳体、泵壳盖和轴承组成的静止部件；2、工作原理：在离心泵中，液体由大气压力或其他压力强行压入一组旋转的叶片中，这些叶片组成叶轮，叶轮在其外围以高速排出液体。该速度能通过环绕在叶轮周围的蜗室或一组固定的扩压导向叶片转化为压力能。三、离心泵3、离心泵的分类以泵内叶轮数量分：（1）、泵的压头由单个叶轮产生，则称之为单级泵。（2）、有两个或者多个叶轮串联运转，且所有叶轮都装在一个泵体内的，称之为多级泵。以水泵吸水方式分：（1）、针对叶轮而言，单面进水的离心泵称为单吸泵。（2）、双面进水，即两个吸水室的离心泵称为双吸泵。三、离心泵以水泵的安装方式分：（1）、潜入在水泵的吸入供给源中运转的泵，称之为湿式安装型。（2）、露天运转，且通过接管将输送液体引入并从水泵中排出，则称之为干式安装型。以电动机和泵头的位置分：（1）、电动机与泵头自下而上叠加连接，且为整体连接，称为立式泵。（2）、卧式泵电动机和泵头横卧于底座上，安装后需进行精度调整。三、离心泵4、动力部分：电动机水泵电机类型按水泵类型分按安装方式分按电机结构分普通电动机潜水电动机卧式安装同步电动机异步电机立式安装防爆电动机三、离心泵4.1、同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电机相同，它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电机。三、离心泵特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p，ns称为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n=f/p。转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。三、离心泵4.2、异步电动机是属于交流电机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机三、离心泵特点是：优点：结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省材料，价格便宜。缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。三、离心泵4.3、电机相关参数。型号性能2级电动机4级电动机磁极对数1对磁极2对磁极电机转数3000r/min|2960r/min1500r/min|1450r/min启动电流大小电机扭矩小扭矩=9550*P(功率）/n（转速）大扭矩=9550*P(功率）/n（转速）适用型号Y系列JSJ系列TD系列Y系列JSJ系列TD系列三、离心泵5、传动部分：泵轴、联轴器、轴承泵轴的作用是：借联轴器和电动机相连接，将电动机的转矩传递给叶轮，所以它是传递机械能的主要部件。材质性能45#碳钢2Cr13不锈钢304不锈钢316不锈钢含碳量0.42~0.50%0.16~0.25%≤0.07%≤0.07%硬度及抗拉强度HB=241σ=600MPAHB=192σ=635MPaHB=187σ=520MPaHB≤187σ≤520MPa耐腐蚀性易腐蚀难腐蚀较难腐蚀极难腐蚀适用介质适用中性介质适用弱酸、弱碱介质适用酸、碱介质适用强酸、强碱介质三、离心泵5、传动部分：泵轴、联轴器、轴承轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑动轴承两种，滚动轴承使用牛油作为润滑剂，滑动轴承使用的是透明油作为润滑剂。三、离心泵5、传动部分：泵轴、联轴器、轴承内容类别滑动轴承滚动轴承缺点1、非液体摩擦滑动轴承，摩擦损失大；2、设计、制造、润滑及维护要求较高；1、承受冲击载荷能力较差；2、高速重载荷情况下轴承寿命较低；3、振动及噪声较大；4、径向尺寸比滑动轴承大；优点1、寿命长，适用于高速运行；2、能承受冲击和振动载荷；3、运转稳定，工作平衡，无噪音；4、结构简单，装拆方便；5、承载力大，可用于重载场合；1、同尺寸轴径，滚动轴承的宽度比滑动轴承小；2、消耗润滑剂少，便于密封，易于维护；3、运转精度高；三、离心泵5、传动部分：泵轴、联轴器、轴承爪型联轴器膜片式联轴器柱销式联轴器三、离心泵5、传动部分：泵轴、联轴器、轴承内容类别爪型联轴器膜片式联轴器弹性联轴器特点又称弹性块联轴器，通常使用聚氨酯橡塑制成，特点是体积小，重量轻，结构简单，制造容易，工作稳定不需维护、安装方便等。常用于减振、缓冲和缓冲要求不高的中小功率场合其最大需用扭矩低于850N.M。采用一组厚度很薄的弹簧片，制成各种形状，用螺栓分别与主从动轴上的两半联轴器连接，其结构简单，不需要润滑和维护，耐高温变形，对中性能好，可靠性高，传动扭矩大，但价格相对较高。可用于高温及腐蚀性较强等的恶劣环境中。以柱销与两半联轴器的凸缘相联，柱销的一段以圆锥面和螺母与另一半凸缘上的锥形销孔形成固定配合，另一端带有弹性套，装在另一半联轴器凸缘的柱销孔中，弹性套用橡胶制成，其特点是结构简单，安装方便，更换容易，传动扭矩大。使用于启动较为频繁的场合。三、离心泵6、做功部分：叶轮三、离心泵6、做功部分：叶轮闭式叶轮-叶轮前后有盖板，一般有5-7个叶片，每两个叶片与盖板之间形成封闭空间，容积效率高，常用于输送清水和无纤维杂质的液体。半开式叶轮-叶片铸在后侧盖板上，适合输送易沉淀和含杂质的液体、开式叶轮-叶片直接铸在轮毂上，效率低，用于污水泵和泥浆泵及低压小型泵。四、水泵效率曲线及影响因素1、能效曲线Q-H曲线，表示流量和扬程关系。特点是扬程随流量增大而减小。Q-η曲线，表示流量和效率关系。效率最高点表明该泵在对应的流量和扬程下工作最经济。Q-N轴曲线,表示泵的流量和轴功率的关系，其特点是流量由小到大，轴功率也由小到大。四、水泵效率曲线及影响因素2、能效计算公式式中：N轴-水泵轴功率(KW)Q-水泵输送流量（L/S)H-水泵输送扬程（m）η-水泵输送效率（%