单级单吸离心泵IS200—150—250的水力及结构设计毕业论文

单级单吸离心泵IS200—150—250的水力及结构设计毕业论文

目 录

摘要……………………………………………………………3 1 前言………………………………………………………………4 2 叶轮的水力设计…………………………………………………5 2.1 泵的主要设计参数和结构方案的确定……………………5 2.2 叶轮主要参数的选择和计算…………………………6 2.3 叶轮的绘型…………………………………………11 2.4 作叶轮进出口速度三角形……………………………23 3 压水室的水力设计……………………………………………24 3.1 压水室的作用及螺旋型压水室作用的原理……………24 3.2 压水室的设计和计算…………………………………26 4 结构设计………………………………………………………31 4.1 主轴的结构设计………………………………………31 4.2 装配图轮廓尺寸的初定…………………………… 31 5强度计算………………………………………………………33 5.1 泵轴的强度计算……………………………………33 5.2 键的强度计算………………………………………39 5.3 轴承寿命的计算…………………………………………40 6 结论……………………………………………………………44 总结与体会…………………………………………………………45 谢词………………………………………………………………46 参考文献……………………………………………………………47

2

摘 要

本设计是根据给定设计参数完成，主要包括叶轮、压水室的水力设计和泵的结构设计。确定出叶轮的几何参数，绘制并检查叶轮轴面投影图，采用方格网保角变换法完成扭曲形叶片绘形。利用数字积分法，根据蜗壳内速度矩守恒，确定出蜗壳八个断面参数，并进行绘形。最后对泵进行结构设计，绘制了装配图和部分零件图，并对轴进行了强度校核计算。

关键词：离心泵；叶轮；蜗壳；水力设计；结构设计

Abstract

According to the design parameters at the given point, this paper accomplished the design of the centrifugal pump. It mainly contained the hydraulic design of the impeller, volute casing and structural of pump, structural design of the pump. Based on the resolution method of design of the pump, author obtained the geometric parameters of the impeller. Then author projected and checked the cross-section of impeller, drew the cylindrical blade using methods of grid square conformal transformation. On the basis of constant velocity moment, author calculated parameters of cross-section of volute using digital integral method. Author also drew the spiral curve and diffuser of volute casing. Finally, the structural of the pump was designed and assembly drawing component graphics were drew. In addition, this program has been checked strength of the pump shaft. 【Key words】：centrifugal pumps；impeller；volute casing；hydraulic design；structural design

3

1前言

水泵是一种应用广泛的水力通用机械，在航天、航空、发电、矿山、冶金、钢铁、机械、造纸、建筑以及农业和服务业等方面都有着广泛的应用。近年来，在农田水利建设和石油化学等工业部门的迅猛发展中，对离心泵的需求越来越大。

本次设计是根据给定设计参数完成IS200-150-250型离心泵水力及和结构设计，并完成泵总装图的绘制。该泵在设计点运行参数如下：

扬程H?20m，流量Q?400m3/h，转速n?1450r/min，效率??79%，必需空蚀余量(NPSH)r?2.95m；抽送介质为温度小于80?C的清水或物理、化学性质类似于水的其他液体。

根据以上设计参数，完成如下设计内容： (1) 叶轮水力设计，进行叶片绘形； (2) 压水室水力设计，进行压水室绘形； (3) 验算泵的抗汽蚀性能； (4) 完成总装图的绘制；

(5) 对泵的主要零件进行强度校核；

(6) 编写设计计算说明书，完成3000字专业文献英译汉。

4

２叶轮的水力设计

叶轮是泵的核心部分，泵的性能、效率、抗空蚀能力、特性曲线的形状，都与叶轮的水力设计有紧密的关系。

2.1泵的主要设计参数和结构方案的确定

2.1.1 给定的数据和要求

（1）泵的型号：IS200—150—250

（2）流量：Q?400m3/h?0.111m3/s （3）效率：??79%。

（4）扬程：h?20m

（5）转速：n?1450r/min

（6）必需空蚀余量(NPSH)r?2.95m

（7）介质的性质：温度小于80?C的清水或物理化学性质类似于水的其他液体。

2.1.2 确定泵的进出口直径

首先由给定的泵的标准型号IS200-150-250，即可得

泵进口直径Ds?200mm 泵出口直径Dd?150mm。

2.1.3 汽蚀验算 汽蚀比转数

C?5.62nQ(NPSH)r34?1207

可知，转速n、汽蚀基本参数NPSHr和C这三个参数之间有确定的关系，如得不到满足，将产生汽蚀。对于一定C值，假设提高转速，则NPSHr将增大，当该值大于所提供的装置汽蚀余量NPSHa时，就会发生汽蚀。

按汽蚀条件来确定泵的转速的方法，是先选择C值，按给定的装置汽蚀余量

NPSHa或几何安装高度Hsz，计算汽蚀条件下所允许的转速。即

C(NPSH)r n?5.62Q34

式中：NPSHa=NSPHr?K（K—考虑汽蚀的安全余量）。

C(NPSH)r3/41207?2.953/4汽蚀允许转速：n'???1451(r/min)

5.62Q5.62?0.111经验算可知，转速n?1450(r/min)小于汽蚀允许转速，符合要求。

5

2.1.4 计算比转速ns，确定泵的水力方案 比转速公式为

H4在ns?150~200范围，泵的效率最高，当ns?60时，泵的效率将显著下降。采用单级单吸式时ns过大，可考虑改成双吸，反之采用双吸ns过小时，可考虑改成单吸式叶轮，泵的特性曲线的形状也和ns有关。本次设计选用单级单吸式的水力方案。

ns?3.65nQ3?3.65?1450?0.111?186.5 取186 3/4202.2叶轮的主要参数的选择和计算

叶轮主要几何参数有叶轮进口直径D1、进口当量直径D0、叶轮轮毂直径dh、叶片进口安放角?1、叶轮出口直径D2、叶轮出口宽度b2、叶片出口角?2和叶片数Z。叶轮进口几何参数对汽蚀具有重要影响，叶轮出口几何参数对性能（H、Q）具有重要影响，而两者对效率均有影响。

2.2.1 叶轮进口直径D1的确定

叶轮进口直径D1与进口速度有关，从前限制进口速度v0一般不超过3~4m/s，认为进一步提高叶轮进口流速会降低泵的抗汽蚀性能和水力效率。实践证明：泵在相应增加进口v0很广的范围内运转时，能保持水力效率不变，所以如果设计的泵对抗汽蚀性能要求不高，可以选较小的D1以减少叶轮密封环的泄漏量，以提高容积效率。

决定叶轮内水力损失的速度是相对速度的大小和变化，所以应当考虑泵进口对相对速度的影响，通常在叶轮流道中相对速度是扩散的，即w1＞w2。这样从减小进口相对撞击损失的流道中的扩散损失考虑，都希望减小w1，若假定w1最小 ，可推出计算叶轮进口直径的公式。

进口当量直径：Do?k03Q0.111?4.5?3?0.1911m,圆整取192mm n1450式中:k0根据统计资料，对此泵确定为k0=4.5

进一步增加k0,可以改善大流量下的工作条件，提高泵的抗汽蚀性能考虑效率和汽蚀，k0的选用范围是：

主要考虑效率 k0=3.5～4.0 兼顾效率和汽蚀k0=4.0～5.0

6

主要考虑汽蚀k0=5.0～5.5 这里选取k0=4.5 轮毂直径：dh?0 所以叶轮进口直径：

2D1?Do2?dh?192mm

2.2.2 叶轮出口直径D2的初步计算

叶轮外径D2和叶片出口角?2等出口几何参数，是影响泵的扬程的最重要的因素。另外，影响泵扬程的有限叶片数修正系数也与D2和?2及叶片数等参数有关。可见影响泵的扬程的几个参数之间互为影响。因此，必须在假定某些参数为定值的条件下，求解叶轮外径D2。

因为压水室的水力损失和叶轮出口的绝对速度的平方成正比。为了减少压水室的水力损失，应当减小叶轮出口的绝对速度，因此，我们把在满足设计参数下使叶轮出口绝对速度最小作为确定D2的出发点。

由叶轮出口速度三角形

22v2?vm2?vu2

叶轮出口轴面速度和圆周分速度vu2均与叶轮外径有关，现将v2表示为D2(u2)的函数，由基本方程式

vu2?gH u2?h推出D2的计算公式并计算出具体的数值为：

n186?1/2kD2?9.35(s)?1/2?9.35?()?6.847

100100D2?kD23取D2?291mm。

Q0.111?6.847?3?0.2908m n14502.2.3 叶轮出口宽度b2的计算与选择

n51865/6kb2?0.64(s)6?0.64?()?1.076

100100b2?kb23Q0.111?1.076?3?0.0457m n1450 7

由于制造关系，这里取b2?46mm

2.2.4 叶片数的选择

叶片数对泵的扬程、效率、汽蚀性能都有一定的影响。选择叶片数时，一方面考虑尽量减少叶片的排挤和表面的摩擦；另一方面又要使叶轮流道有足够的长度，以保证液流的稳定性和叶片对液体的充分作用。

参考[1]P108，叶片数按比转速选择（表2-1），取Z?6。

表2-1

ns Z

30～45 45～60 60～120 120～300 8～10 7～8 6～7 4～6 2.2.5 泵效率的选择与计算

先分别计算或估算水力效率?h和容积效率?v，最后由已知的总效率?推算出机械效率?m。

（1）容积效率:

叶轮前后盖板外侧与腔内侧形成了两个充满液体的空腔，称为泵腔。叶轮前盖板处的间隙使前泵腔与叶轮进口相通，前泵腔的另一端与叶轮出口相通。在压力差的作用下，有一部分水流流出叶轮后，又经过前泵腔和叶轮进口间隙返回叶轮入口，这部分水从叶轮中获得的能量在流动过程中全部不可逆的转化为热能，形成一种能量损失。在后泵腔轮毂处，因为设有各种形式的密封装置，这一典型的流动可以忽略不计。因而叶轮进口密封间隙处的这一泄漏量q代表了离心泵中典型的主要的容积损失。

容积效率可以采用下面的一些经验公式计算：

?v?（2）水力效率

1?10000?9800 ?2/31?0.68ns0.42?100%?91% 2(lgD0?0.172)?h?1?（3） 机械效率

由于知道总效率??79%，又???v?m?h可以计算出?m?88%

2.2.6 精算叶轮外径D2

叶轮外径D2是叶轮最重要的尺寸，故需要精确计算。以基本方程式精确计算，从理论上讲是比较严格的，但其中的水力效率，有限叶片修正系数，也只能用经

8

验公式计算。实践证明，精确计算的数值是基本可靠的。 由基本方程式： HT?u2vu2?u1vu1 g 由出口速度三角形 vu2??u2?所以整理后得： u2?vm2 tan?2vm2v?(m2)2?gHT? 2tan?22tan?260u2 n?由u2可以求得 D2?离心泵一般是选择适当的?2角精算D2。

（1）查相应资料，叶片出口安放角?2一般在16?~40?的范围内，通常选用

20?~30?。对高比转速泵，?2可以取小些，低比转速泵可以取大一些。本次设计取?2?22.5?。

（2） 求叶片出口排挤系数，需要确定叶片厚度?2，轴面截线与轴面流线的夹角取?2?90?。

（3）第一次精确计算叶轮外径，按照初定尺寸画出轴面投影后计算。 叶片出口排挤系数：

Z?2cot?226?4cot22.5?1?()?1?1?()?0.933 ?D2sin?23.14?298sin90??2?1?理论扬程：

HT?修正系数：

H?h?20?22m 0.91???(1?

静矩：

?260?)?0.8?(1?22.5?)?1.1 其中??0.65~0.85取??0.8 60?r211DDS???SiRi??rdr?(r22?r12)?[(2)2?(0)2]

r122221?(145.52?10?3?962?10?3)?0.00598m2 2叶片修正系数：

r22(145.5?10?3)2P???1.1??0.649

ZS6?0.00598

9

无穷叶片理论扬程：

HT??(1?P)HT?(1?0.649)?22?36m

在每次计算中都可以认为HT?不变。 出口轴面速度：

vm2?Q0.111??2.896m/s

?D2b2?2?v3.14?0.291?0.046?0.931?0.98vm2v?(m2)2?gHT??22.6m/s

2tan?22tan?260u260?22.6??0.298m ?n3.14?1450出口圆周速度：

u2?出口直径：

D2?与初定的值D2?291mm相差超过2%，进行第二次精算。 （4）第二次精确计算叶轮外径 叶片出口排挤系数：

Z?2cot?226?4cot22.5?1?()?1?1?()?0.933 ?D2sin?23.14?298sin90??2?1?出口轴面速度：

vm2?Q0.111??2.822m/s

?D2b2?2?v3.14?0.298?0.046?0.933?0.98vm2v?(m2)2?gHT??22.5m/s

2tan?22tan?2出口圆周速度：

u2?

出口直径：

D2?60u260?22.5??0.296m ?n3.14?1450 与假定值298mm相差小于2%，故可取D2?298mm为精确的叶轮外径。

2.3叶轮的绘型

叶轮是影响离心泵性能的主要零件。因此，准确的绘型是保证叶片形状的必要前提。叶轮全部几何参数确定后，应当根据这些确定的尺寸完成叶片绘型，为此应首先绘制叶轮轴面投影图。

10

画图时，最好选择ns相近，性能良好的叶轮图作为参考，考虑泵的设计的具体情况加以改进。轴面投影图的形状，十分关键，应经过反复修改，力求光滑顺畅。同时，应考虑到：(1)前后盖板出口保持一段平行或对称变化；(2)流道弯曲不应过急，在轴向结构允许的情况下，以采取较大的曲率半径为宜。设计时参考性能较好的相同比转速叶轮轴面投影图形状来绘制。

2.3.1 叶轮轴面投影图的绘制

轴面投影图绘制的已知控制尺寸只有四个：叶轮半径，叶轮进口直径，叶轮出口宽度和轮毂直径，所绘轴面投影图应当满足这四个已知尺寸。绘制低比转速叶轮轴面投影图时，应注意以下问题：

轴面图上，前后盖板内表面的投影在叶轮出口部分，在低比转速叶轮中都是直线。为提高叶轮水力效率和保证圆柱形叶片进口冲角不至太大，这两条直线应对称布置。

叶轮流道宽畅一些，有利于减少叶轮的水流速度，降低水力损失，也有利于增强叶轮抗气蚀性能，保证有少量气泡出现后泵的外特性不致迅速变化。前盖板以一段圆弧过渡两直线，该圆弧应于两直线相切。在泵的轴向尺寸要求不严格时，可取大一些。后盖板流线下部一半也以一段圆弧构成，此圆弧与直线相切，也应与1/2的水平线相切（对于轴不穿越叶轮吸入口的叶轮，水平线指叶轮轴心线，这时并不强求圆弧与轴心线一定相切），比值一般在1.2～2这一范围内。必要时，过渡圆弧也可以用两相切圆弧构成。

2.3.2 检查轴面流道过水断面变化情况

轴面投影图画出之后，必须检查流道面积变化是否合理，如图2-1。如果流道面积无规律变化，则会产生局部漩涡，增大损失。

图2-1 轴面液流过水断面

检查步骤如下：（1）在周面投影图流道内作6～10个内切圆。内切圆个数越

11

多，检查精度越高，但是工作量也越大。将这些内切圆圆心用光滑的曲线连接起来，便是叶轮流道中心线。

（2）依次量出各计算点过水断面形成线与流道中线交点到叶轮进口中点的曲线距离，并分别按上述方法计算出面积，流道中线如图2-2所示。

（3）连接相应的圆心与前后盖板的切点，如下图中三角AOB，将三角形中垂线OD分为三等分，分点为E和C。过E点且和轴面流线相垂直的曲线?AEB是过水断面的形成线，其长度b可得。过水断面形成线的重心近似认为和三角形AOB的重心重合（C点），重心半径为Rc。

设曲线?AEB长为b，曲线?AEB绕叶轮轴心线旋转一周所得的轴面液流过水断面面积可用F来计算。依次量出各计算点过水断面形成线与流道中线交点到叶轮进口中点的曲线距离，并分别按上述方法计算出面积。

图2-2 流道中线图

各过流断面的面积F计算出后，可用纵坐标表示过流断面面积F，用横坐标表示流道中线长度L，做出F值随L变化的F?L曲线，以观察Fi沿流道的变化情况，如表2-2所示：

表 2-2 F-L曲线计算表

序号 1 2 3 4 Rci(mm) 48 60 88 112 b(mm) Fi?2?Rcib(mm2) 28938 31274 34816 37278 Li(mm) 0 53 92 119 98 83 63 53 12

5 6 131 149 49 46 40311 43043 139 158 由此表画出F?L曲线，如图2-3所示：

图2-3 F-L曲线

一般来说，如F?L曲线为直线或者接近直线的光滑曲线，则叶轮轴面投影图就是合理的。

2.3.3 作中间流线图

一元理论假设流动是对称的，即每个轴面上的流动是相同的。在同一过流断面上轴面速度相等，做流线就是将每一个过流断面分成几个面积相等的单元面积。反映在轴面投影图上就是这些流线将过流断面形成线分成若干小段，而每段长度和其形心道叶轮轴心线距离与2?的乘积相等。

三条流线将过流断面形成线分成两部分b1，b2，而b1，b2形心到轴心线距离分别为Rb1，Rb2。得：2?Rb1b1=2?Rb2b2 或 Rb1b1=Rb2b2。

作中间流线时可以随手勾画出流线的形状，然后进行验算。在同一过流断面上分成的每一单元过流断面面积都相等。否则，重新修改流线形状，直到面积相等为止。

当过流断面形成线被分成几部分后，这些小段曲线与直线相近，检查时可以近似的取每一小段弧线的中心点作为该小段的形心。在作中间流线过程中，要想在同一过流断面上分成几个绝对相等的面积是可能的，但是这样工作量太大，因此在作中间流线过程中，允许在同一过流断面上分成若干个有一定误差的断面。一般允许误差不得超过在同一过流断面上各小段面积的平均值的3%。

13

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/alig.html