螺旋離心泵的設計【12張CAD圖紙+畢業論文+任務書+開題報告】

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It was carried out exploratory design that combines the principles of ordinary screw and centrifugal pumps designed to meet the requirements of the product. The design process, I might appear on this pump structural problems and the problems faced by the actual use of the analysis and transformation, and the balance of axial and radial forces made a calculation and analysis. In the design of the structure process, choose the right form of structure, optimizing the parameters of the main components of strength check, to ensure that this pump has the reliability and practicality. Key words: Helicoidal Pump；Water Conservancy Counting；Impeller；Construction Design；Market 第1章 緒論 1.1 選題背景及意義 螺旋離心泵在國民經濟各部門生產中的應用范圍在近數十年內不斷擴大，已成為各類型泵中非常重要的一類。從使用情況來看，在輸送含顆粒、雜質混合液的情況上現有的各類型泵盡管有著良好的表現，但因為受構造的限制在工作中會經常出現繞纏與淤塞問題，并且嚴重破壞原料，故無法用于輸送長纖維、大直徑和不能被損傷的物料，遠遠滿足不了市場的需求。 螺旋離心泵在堵塞、繞纏和物料的破壞上表現優異，是一種新式泵。在國外，開發離心泵的歷史有50余年，秘魯于上世紀60年代首創，此后日本，德國和其他國家也成功開發了。據報道，當前國際上已研發了多種不同結構的螺旋式葉輪：單頭、雙頭和帶有蓋板等，技術發展迅猛。許多生產部門得到廣泛應用了普通干式泵、浸沒式泵、潛水泵等多種新型泵。 螺旋離心泵的開發在我國起步較晚，上世紀八十年代才首次制成了LLB型螺旋離心泵。新產品已通過專家鑒定和眾多行業生產應用多年，取得了巨大的經濟效益。 1.2 砂石泵的概述及發展 1.2.1砂石泵的工作原理 圖 1為簡易的泵結構示意圖。原動機使葉輪旋轉，讓液體由A處進入泵體，輸送至B處。葉輪起主導作用，葉片迫使液體運動，向四周做離心運動。泵體中的液體排出后，由于大氣壓力，新的液體進入泵內，循環往復。 注意應向泵內注滿水后再啟動。如不注滿水，則葉輪帶動空氣運動所產生的離心力不足以將泵內和管路中的空氣排出，泵內形成無法運行的真空狀態，這就是氣縛現象，說明離心泵沒有自吸能力。底閥用于灌水，調節閥用于調節流量。 圖 1 泵結構示意圖 1.2.2砂石泵的主要零部件 吸水室、葉輪、壓水室為泵的三大主要過流部件。 吸水室在葉輪前方，它將液體導向葉輪。外型主要有：螺旋形、直錐形、彎管形。 葉輪是過流部件的核心。由蓋板及葉片構成。以葉輪排出液體的不同運動方向為依據，主要分為徑流、混流和軸流。 徑流式葉輪的液體流出方向垂直于軸線； 混流式葉輪的液體流出方向與軸線的夾角處于0°到90°之間； 軸流式葉輪的液體流出方向平行軸線。 壓水室在葉輪外側，葉輪排出的液體被它收集后運輸到排出管。 泵的類型： 葉片式、容積式和其它類型是泵的主要類型。葉片式泵中葉輪在殼體內旋轉，液體的能量就是由它所提供。葉片式泵主要有：1.離心式:單吸、雙吸;2.混流式;3.軸流式;4.單級;5.多級。 1.2.3砂石泵的發展 螺旋離心泵具備不淤塞、損傷小等優異性能，在生產中有顯著的經濟效益，推廣前景樂觀。 當前國際對生產的需求量在不斷增長,各國都在發展多功能多用途、高可靠性和機械密封性的離心泵，并將會使用新材料、技術及工藝。 第2章 砂石泵的總體結構設計 2.1砂石泵結構設計的總體方案分析 2.1.1螺旋離心泵葉輪結構特征 由于螺旋離心泵葉輪葉片包角大、流道大，加上進口的導向和螺旋的推進作用，使泵的通過性表現優秀，輸送含大顆粒、纖維物質的液體濃度高于其它類型的泵。固液混合物料的流動方向不會突然變化，不會對物料的造成破壞。由于泵的葉片伸展至泵的吸入口，從而提高了抗汽蝕能力。由于吸入性好，所以可以輸送粘度較高的液體。 葉輪的主要結構參數(見圖2)。 1.葉輪進口直徑Dl 進口的邊緣與軸心線的最大垂直距離的2倍為進口直徑Dl。 2.葉輪輪轂直徑Dh 葉片邊緣處與軸心線的最小垂直距離的2倍為輪毅直徑Dh。 3.葉輪出口直徑DZ 葉片邊緣處與軸心線的最大垂直距離的2倍為出口直徑DZ。 4.葉輪出口寬度b 葉片出口邊緣處，兩蓋板間的軸向距離為出口寬度b。 5.葉片長度L 葉片工作面進口邊緣與葉片底面的軸向距離為葉片長度L。 6.葉片包角α 葉片工作面進口邊緣與出口邊緣繞軸所轉過的角度為葉片包角α。 7.出口邊傾斜角αZ 葉片出口邊緣與葉輪軸心線的夾角為出口邊傾斜角αZ。 圖 2 螺旋離心泵幾何結構參數 2.1.2砂石泵的主要性能參數 參數要求： 出口大?。?0 cm； 入口大?。?0 cm； 流量：2 m3/min； 揚程：H=15 m； 轉速：1450 r/min； 軸轉速：9.61 KW。 介質要求：能夠輸送液體中包含了大顆粒及長纖維的物料，輸送體積濃度達12%。 2.2確定泵的總體結構形式 基本部件為高速旋轉的葉輪和固定的蝸形泵殼。葉輪被固定在泵軸，上有4到12個后彎葉片，在電機驅動下與泵軸一起做高速旋轉。泵的吸入口和吸入管路相通，單向底閥安裝在入管路的底部。排出管路裝有調節閥并與泵殼側旁的排出口相通。螺旋離心泵主結構如圖3所示。 圖3 螺旋離心泵結構示意圖 首先需要確定泵的原動機類型及整體結構形式，然后綜合以下計算，分析比較后做最終決定。 由于泵還沒有設計出來，但設計時又要用到泵的效率，所以先參考同類產品，借助公式及曲線近似計算泵所需的效率值，再設法使其接近設計所要求的值。 由文獻[1]查得 1) 水力效率 (2.1) 泵流量Q，泵轉速為n，g取9.8 m/s2。 2)容積效率 (2.2) 實際容積效率會低于該計算值。 3) 機械效率 (2.3) (2.4) 4)理論揚程和理論流量 (2.5) (2.6) 2.3泵的進出口直徑的確定 2.3.1進口直徑 由文獻[1]查得 (2.7) 取v5=1.1m/s。 把參數代入 =mm (2.8) 取D5=200mm。 2.3.2泵的出口直徑Dd 由文獻[1]查得 =（1—0.7） (2.9) 本次設計的是低揚程泵，所以取Dd=0.9 D5。 2.4 泵轉速的確定 由文獻[1]查得 N=Nｏ（1-S） (2.10) N=1450r/min S：滑差率 ，取0.967，Nｏ取1500 r/min。 由文獻[1]查得 (2.11) 2.5確定泵的水利方案 由文獻[1]查得 (2.12) (2.13) 由文獻[1]查得 (2.14) 在不同國家的標準中n5的表達式各不相同，計算所得的n5也不同。將其換算為單位相同時的數值，公式： = =126.8,取。 綜合考慮以下因素來確定比轉速時： 1)泵的效率最高時ns=120~210，一旦小于60則效率明顯下降； 2)若使用單吸葉輪時ns太大，則采用雙吸式，取ns=27； 3)ns大小與泵特性曲線相關； 4)泵的級數和比轉速呈正相關，級數越多則ns就越大。 第3章 砂石泵的水利設計計算 3.1軸功率和原動機功率 由文獻[6]查得 泵的軸功率： (3.1) 原動機效率： (3.2) 式中：K為余量系數；為傳動效率。 3.2 泵軸徑和葉輪輪轂直徑的初步計算 設計時需根據其承受載荷、軸承剛度和臨界轉速來確定泵軸的直徑。泵軸最主要的載荷是扭矩，則可根據扭矩來設計泵的最小直徑。 由文獻[6]查得 根據扭矩計算泵軸直徑 m (3.3) 式中：為扭矩 (3.4) 式中：為計算功率，取 =1.2N；為材料的許用應力，取=490×Pa；d=0.04 m；=47.88 N·m；=7.27 kW。 3.3葉輪主要尺寸的確定方法 泵的性能與葉輪參數的設計有關。泵的流量與葉輪進口半徑呈正相關；葉輪出口處液體的圓周速度和牽連速度與出口半徑呈正相關，泵的理論揚程與之也呈正相關；葉片推動液體的速度與葉片間距呈正相關；泵性能也受到葉片厚度、傾角、輪心錐體的角度、半徑和長度等參數的影響。設計葉輪時要考慮各個參數，提高所設計的泵的性能。 使用速度系數法。 圖4 葉輪結構簡圖 3.3.1基本公式 由文獻[1]查得 則 (3.5) 因∝nD，則 D=- 由 D= 因∝nD,則。 K是速度系數，相似泵的K相等。利用ns和速度系數的關系，可得系數K，再根據K=f(ns)來計算各部分尺寸。 3.3.2用速度系數法計算葉輪主要尺寸的公式 由文獻[1]查得 1)葉輪進出口計算 (3.6) (3.7) 式中：Q為泵的流量；n為泵轉速；K0根據資料選取。 主要考慮效率時取=3.5~4.0 兼顧效率和汽蝕時取=4.0~4.5 主要考慮汽蝕時取=4.5~5.5 實取200mm；200mm；=180mm。 2)輪外徑或出口角的理論計算 由基本方程式： (3.8) 由速度三角形得 (3.9) 則 (3.10) 經整理得 解u2的一元三次方程得 由u2求得D2 求，需知，計算需用到（=Φ2），所以我們必須先假定是建立在錯誤的基礎上。所以用逐次逼近法：用求得的D2或設定一個D2值，根據以上過程、重新計算，當求得的D2值與設定的D2值相等或相近時結束。計算β2時，也要先設定β2進行逼近計算。有關參數的計算如下： ①計算 (3.11) (3.12) 式中：為葉片出口圓周厚度。取=0.8-0.9 = (3.13) 式中：為葉輪出口軸面截線與流線的夾角，取=70°~90°；為葉片出口實際厚度 一般取=2mm~4mm。 = (3.14) ②若使用直錐形吸水室，水沿內壁四周流入，沒有旋轉，=0。 半螺旋吸水室 (3.15) (3.16) 式中：R1為進口半徑；m=0.055~0.08 ；Q為流量；n為轉速；n5取較大值。 裝反導葉時，反導葉出口的圓周分速度 式中：α6=60°~90，是反導葉出口安放角；v6=(0.85~1.0)vj，是反導葉出口絕對速度；v6為葉輪進口速度。 螺旋離心泵通常選角β2，精確D2?；炝鞅萌~片出口邊是傾斜的，為了使外徑不同的各流線的揚程相同，D2較小的流線應采用大的出口角β2。由速度系數法計算尺寸，畫出出口邊，計算葉片各流線的出口角。 (3.17) 取40度，葉片數取Z=2 首次精算葉輪外徑 理論揚程 （3.18) 修正系數 ψ= (3.19) 取=0.66 靜矩 (3.20) 精算葉輪外徑 有限葉片數休整數 ψ (3.21) 無窮葉片數理論揚程 =（1+P）=62.1 m (3.22) 葉片出口排擠系數 ψ2=1-=0.98 (3.23) 出口軸面速度 ==1.28(m/s) (3.24) 出口圓周速度 =25.8 m/s (3.25) 出口直徑 =0.34 m (3.26) 第二次精算葉片出口排擠系數 ψ2=1-=0.981 (3.27) 出口軸面速度 ==1.31(m/s) (3.28) 出口圓周速度 =25.6 m/s (3.29) 葉輪外徑 =350 m (3.30) 葉片出口排擠系數 ψ2=1-=0.981 (3.31) 出口軸面速度 ==1.31 m/s 出口圓周速度 =25.8(m/s) (3.32) 出口速度 =7.05(m/s) (3.33) 無窮葉片數出口圓周分速度 =23.59 m/s (3.34) 3.4 壓水室設計 3.4.1渦形體各斷面面積內的平均速度 由文獻[1]查得 (3.35) 式中：是速度系數，若=127時，則=0.362；H=15m，為泵的揚程。 代入上式=6.21m/s，取=6m/s。 渦形體隔舌安放角ψ=20°，分為六個斷面，計算斷面流量 20 m3/s (3.36) 斷面面積 (3.37) 式 中 ：Ф 是 斷 面 包 角 。 3.4.2、舌角的計算 由文獻[1]查得 舌角應與葉輪出口絕對速度的液流角一致，即 == (3.38) 式 中 ： 為 有 限 葉 片 數 時 中 間 流 線 出 口 處 液 流 圓 周 的 分 速 度 。 取==7.04 m/s (3.39) 代入上式===38.7度 渦形體寬度 =（1.5—2）；=105—140 mm (3.40) 繪型時實際=180mm。 3.4.3 基圓直徑 由文獻[1]查得 基圓直徑為： ==350—367.2 mm (3.41) 取=360 mm。 3.5 葉片厚度的確定 根據之前計算結果，誘導輪和葉輪距離X進口直徑為D1 由于越小越好，則取為20mm 葉片厚度 mm 為軸面流線與水平的夾角 =20 實際厚度mm 流面厚度=4mm (3.42) 圓周厚度 mm (3.43) 軸面垂直厚度 5.2 mm (3.44) 徑向厚度 1.8 mm (3.45) 第4章 軸向力及其平衡 4.1 軸向力的計算 根據半開式葉輪的經驗公式近似計算軸向力 式 中 ： 是 圓 心 在 葉 片 進 口 邊 上 與 葉 輪 輪 廓 相 切 的 圓 的 直 徑 。 d1=（D1-dh）/2=40cm；k為軸向力系數，查表得 k=1.63；為d圓心處的半徑，=（D1+D2）/4=100mm；為液體重度，=2650kg/m3 故： 第5章 砂石泵主要零件的強度計算 5.1 葉輪強度計算 5.1.1蓋板強度計算 由文獻[4]查得 蓋板的應力大部分是由離心力造成的，應力越大的地方半徑越小。 （4.1） （4.2） 式中：為材料的寬度；為許用應力， 銅的；為材料的屈服極限；為拉伸強度；e=2.71828；D2=0.248m；ρ=7800N·m；Dx=0.2mδ2=0.008m；u2=18.9m/s；w=18.9r/s。 材料選取ZG1Cr13,KPa。 5.1.2葉片厚度計算 由文獻[4]查得 （4.3） 式中：H為單級揚程；Z為葉片數；D2為葉片外徑；A是系數，取A=5；D2=0.248m；ns=127；Z=2；H=15m S=50.248=3.4mm 實際S=4mm。 最小壁厚： 一般鑄造條件下灰鑄鐵最小許可厚度 HT250：。 高 錳 鋼 ： 砂 型 鑄 造 m m 。 筋 的 厚 度 ： 1 0 m m 。 5.1.3輪轂強度計算 由文獻[6]查得 軸向力 （4.4） 由此應力所引起的變形為 （4.5） 式中：E為彈性模數，鑄鐵E=，鑄銅E=，銅E=； Dc為輪轂平均直徑；為由離心力引起的輪轂直徑的變形；應小于葉輪和軸配合的最小公盈，即<。 MPa 因 故在時葉輪蓋板是安全的。 mm < 根據公差配合，可知因離心力引起的變形小于最小配合公盈。 5.2泵軸的強度校核 5.2.1 泵軸的強度計算 由文獻[9]查得 軸的當量彎矩 （4.6） 式中：為計算斷面的彎矩；a為系數，通常取a=0.57~0.61。故取a=0.6。 N·m （4.7） mm （4.8） 查得軸是安全的。 5.2.2 泵軸的剛度校核 由文獻[9]查得 由軸的細長比： 經計算，得：=1.35 故泵軸是可以采用的。 聯軸器的選用：d=40mm，L=112mm，D=130mm，D1=105mm 螺栓個數n=4，直徑M10，L0=229mm，重量m=7.29kg，轉動慣量是0.043。 5.3 鍵的校核 5.3.1 鍵的選擇 由文獻[9]查得 M=47.88 N·m （4.9） d=40mm 鍵：，一般鍵聯接 深度：軸，轂，平鍵l=50mm 5.3.2 鍵聯接強度計算 由文獻[9]查得 計算鍵的剪切應力： N·m （4.10） 可知鍵是安全的。 計算鍵的擠壓應力 N·m （4.11） 鋼的許用擠壓應力=1500~1600 N·m 由于 ，輪轂是安全的。 鍵的剪切應力可按下式計算： （4.12） 式中：M為鍵所傳遞的扭矩；d為軸徑；b為鍵的寬度；l為鍵的長度；為鍵的許用剪切應力，45號鋼的鍵取=600 N·m。 擠壓應力 （4.13） 式中：h為鍵高；為許用擠壓應力。 通常需根據輪轂材料進行校核。鍵的材料的許用擠壓應力比輪轂的大，故取鋼的許用擠壓應力：=1500-1600 N·m。 第6章 砂石泵主要通用零部件的選擇 6.1軸封結構的選擇 此 次 設 計 的 填 料 密 封 的 結 構 尺 寸 為 ： 填料寬度S =1.6=10mm （5.1） d為軸式軸套直徑 填料高度H 當液體壓力MPa時 H=(5-7)S=60mm （5.2） 填料壓蓋高度h h=(2-3)S=25mm （5.3） 填料壓蓋長度b b=(0.5-1)S=8 mm （5.4） 填料壓蓋螺栓長度L 需 保 證 填 料 函 體 內 裝 滿 填 料 時 ， 不 必 加 壓 就 能 擰 上 螺 母 。 填料壓蓋螺栓直徑d，取M6 填料壓蓋厚度 =9 mm （5.5） 取=7mm 為 填 料 壓 蓋 螺 栓 直 徑 。 6.2 軸承部件的選擇 選擇61309/P6型號的深溝球軸承（GB276-64）。 尺寸：軸徑d = 45mm，D =100mm，B = 25mm 安裝尺寸：D1 =54 mm，D3=90mm 重量：0.83kg 選擇11109/P6型號的雙列向心球面球軸承（GB281-64） 尺寸：軸徑 d = 45mm，D =100mm，B = 36mm 安裝尺寸：D1=55mm，D3=90mm 重量：1.25kg 6.3 聯軸器的選擇 根據設計要求，由于直徑等于40mm，故選擇彈性套柱銷聯軸器（GB4323-84）,Tl6型號，L=112mm，D=160mm，A=45mm。 重量：10.36kg 轉動慣量：0.026kg·m2 6.4 電動機的選擇 查手冊電動機選取Y系列封閉式三相異步電動機。 電動機相關參數： 型號：Y132M-4；功率：7.5kW；額定電流：15.4A；額定電壓：380V；轉速：1440r/min；效率：87%；功率因數：0.85。 結束語 本次所設計的螺旋離心泵，在當今國際上具有廣泛的應用范圍，且開發前景十分樂觀。在實際生產中，它解放了生產力、創造了可觀的經濟價值，為工業、生產業、礦業等許多行業的進步起到了巨大的推進作用。 設計就要有創新、有可行性。本次螺旋離心泵的設計是為了能更廣泛應用于實際生產中，在控制成本的情況下創造盡可能多的經濟價值。結合了普通螺旋泵和離心泵的技術原理，大量閱讀資料后通過反復的計算、驗算，證明了該泵的可靠性和實用性，以及在輸送物料上不可比擬的優異性。 在設計的過程中，我充分利用了四年來所學的專業知識，并在查閱大量文獻中了解掌握了許多新的知識。這些都幫助我順利地完成了此次的課題。在設計中，綜合考慮了成本問題，如何使經濟效益最大化問題，如何使產品安全可靠、質量過硬等多方面的問題，改進了大量參數與結構設計，使此次的設計得到了優化。 經過精心、細心、耐心地設計后的產品，相信它能夠在實踐生產中，發揮它的作用。 參考文獻 [1]關醒凡.泵的理論與設計[M].機械工業出版社,2007. [2]關醒凡.現代泵技術手冊[M].北京:宇航出版社，2005. [3]離心泵設計基礎編寫組.離心泵設計基礎[M].機械工業出版社，2007. [4]鐘正邦.兩相流理論在泥漿泵設計中的應用[M].流體工程出版社，2008 . [5]卜炎.中國機械設計大典 第3卷[M].江西科學技術出版社，2005. [6]徐灝.機械設計手冊 第4卷[M].機械工業出版社，2001. [7]成大先．機械設計手冊 第1卷[M].化學工業出版社，2002. [8]王三民，諸文俊．機械原理與設計[M].機械工業出版社，2001. [9]煤炭工業部.液壓傳動設計手冊[M].上海科學技術出版，2003. [10]梁冰，朱玉才.固液兩相流泵的邊界層理論及其應用[M].科學出版社，2003. [11]孫明.機械工程基礎（上、中、下冊）[M].黑龍江人民出版，2000. [12]陳乃祥，吳玉林.離心泵[M].機械工業出版，2003. [13]機械零件設計手冊[M].冶金工業出版社，2002. 致謝 到今天為止，此次的畢業設計終于順利完成了，首先我要感謝對我的培養，在我遇到困難時，是的精神鼓舞著我，讓我充滿榮譽感和使命感。 在這大半年的設計過程中，我最要感謝我的導師，是他不辭辛苦、不求回報、毫不保留地指導我。從最初的選題到畢業設計的順利完成，林老師都以他嚴肅的學術態度、嚴謹的治學態度和積極的生活態度感染并激勵著我，讓我不懼困難的挑戰，克服了一個又一個的技術難題，最終完成了螺旋離心泵的設計。 而我周圍的同學們也給予了我莫大的幫助，他們在我遇到困難時，為我提供想法和建議，經常使我有了新思路。在此我要衷心的感謝一直以來幫助我的那些同學。 - 26 -