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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘 要
本論文是設(shè)計一臺滿足設(shè)計要求的單級單吸離心泵，通過計算和分析，確定總體參數(shù)、配套功率和各部分的尺寸。離心泵的水力性能主要取決于離心泵的水力設(shè)計，它包括葉輪設(shè)計、壓出室和吸入 室的設(shè)計。目前離心泵水力設(shè)計方法有兩種：模型換算法和速度系數(shù)法。速度系數(shù)法是根 據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計獲得速度系數(shù)經(jīng)驗值來計算設(shè)計模型的各參數(shù)，也具有一定可靠性，而且不受 水力模型限制，本設(shè)計采用速度系數(shù)法進(jìn)行水力設(shè)計。使之達(dá)到理想的效果，具有良好的性能。
關(guān)鍵詞：離心泵 葉輪 速度系數(shù)法
ABSTRACT
This article is to design a centrifugal pump which should be satisfied the designedrequirement, throughing analysis, confirming total parameter, completed set power and each part’s size. The waterpower capability of centrifugal pump is mainly lied on its waterpower design, which includes impeller design, extruded room and inhaled room design .At present the waterpower design of centrifugal pump has two type methods: model conversion method and speed coefficient method. Speed coefficient method is according to experience statistic to obtain the experience value for speed coefficient to calculate each parameter of the design model, which has stated reliability, and can’t be restricted by the waterpower model. The design adopts speed coefficient method to process waterpower design, so let it reach the ideal effect and have the well capability.
Key words：centrifugal pump impeller speed coefficient method 目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
目錄 III
前 言 1
1 泵的相關(guān)概述 2
1.1 泵的基本技術(shù)要求 3
1.2 國內(nèi)外泵行業(yè)的發(fā)展趨勢 3
1.2.1 行業(yè)現(xiàn)狀 3
1.2.2 發(fā)展環(huán)境分析和需求預(yù)測 4
1.2.3 發(fā)展目標(biāo) 5
1.2.4泵技術(shù)發(fā)展趨勢 5
1.3項目提出背景及設(shè)計方向 5
2離心泵的設(shè)計參數(shù)及設(shè)計要求 6
2.1離心泵的設(shè)計參數(shù) 6
2.2 設(shè)計要求 6
2.2.1設(shè)計原則 6
2.2.2設(shè)計要求 6
2.2.3產(chǎn)品特點(diǎn) 7
3 離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
3.1離心泵機(jī)構(gòu)概述 7
3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計 8
3.2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 8
3.2.2傳動部分設(shè)計 9
3.3電機(jī)的選擇 11
3.4轉(zhuǎn)子軸設(shè)計 11
3.5密封 11
4泵的水力設(shè)計 13
4.1葉輪的設(shè)計 14
4.1.1計算設(shè)計泵的比轉(zhuǎn)速及汽蝕比轉(zhuǎn)速 14
4.1.2確定泵的進(jìn)出口直徑： 15
4.1.3效率的計算 16
4.1.4葉輪主要尺寸的計算： 17
4.2葉輪的繪型 25
4.3壓出室的水力設(shè)計 29
4.3.1 壓水室的類型和作用原理 29
4.3.2渦室的設(shè)計和計算 31
4.4吸水室的設(shè)計計算 36
5離心泵主要零部件的強(qiáng)度計算 39
5.1 葉輪強(qiáng)度計算 39
5.1.1 葉輪蓋板強(qiáng)度計算 39
5.1.2葉片厚度計算 40
5.2泵體強(qiáng)度的計算 41
5.3泵軸的強(qiáng)度校核 42
5.4離心泵的臨界轉(zhuǎn)速 44
6 汽蝕現(xiàn)象 45
結(jié)論 48
致 謝 49
參考文獻(xiàn) 50
IV
前 言
水泵作為一種通用機(jī)械，在社會各行各業(yè)中發(fā)揮著重要作用。它是除電動機(jī)以外使用范圍最廣泛的機(jī)械，幾乎沒有一個國民經(jīng)濟(jì)部門不使用水泵。泵對發(fā)展生產(chǎn)、保證人民的正常生活和保障人民的生命財產(chǎn)安全具有至關(guān)重要的作用。在農(nóng)業(yè)方面，水泵及排灌站在抵御洪澇、干旱災(zāi)害，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件等方面更是功不可沒。
作為一個水泵設(shè)計人員，設(shè)計一臺高質(zhì)量的泵，無論從節(jié)能還是從企業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性角度考慮，都會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。尤其是在深化改革、市場經(jīng)濟(jì)運(yùn)作的今天，圍繞價值工程學(xué)，以最低的生產(chǎn)投入，設(shè)計一種經(jīng)濟(jì)、安全、優(yōu)質(zhì)高效的泵，無疑是擺在我們面前的一項艱巨任務(wù)。
經(jīng)驗無疑是一項影響設(shè)計優(yōu)劣的重要因素。在今天，相當(dāng)多的設(shè)計環(huán)節(jié)仍然是靠經(jīng)驗確定的，很多的計算公式也是根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)出來的，所以，設(shè)計精度仍然局限在一定范圍內(nèi)。為了提高設(shè)計的準(zhǔn)確性，在設(shè)計工程中必須要有認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，同時盡量采用適合資深設(shè)計情況的公式。
光有理論知識是不能做好泵的設(shè)計的，此次設(shè)計正好為我們提供了一次時間的機(jī)會，有助于理解、鞏固理論知識和為以后的工作打下基礎(chǔ)。因此我們必須端正設(shè)計態(tài)度，以嚴(yán)肅的眼光看待設(shè)計，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)對待設(shè)計，同時在實(shí)踐過程中多想、多問、多動手，使我們能夠在以后的工作中迅速進(jìn)入角色，完成從學(xué)生到工程技術(shù)人員的轉(zhuǎn)變。
畢業(yè)設(shè)計是本科學(xué)生必須經(jīng)歷的一項重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用大學(xué)四年來所學(xué)專業(yè)的基本知識，基本理論和基本技能來分析解決生活中實(shí)際工程問題的重要環(huán)節(jié)，它與我們的學(xué)習(xí)過程是一脈相承的、緊密聯(lián)系不可分割的整體，是我們學(xué)習(xí)知識的繼續(xù)。在畢業(yè)設(shè)計過程中，我們不僅能夠檢驗總結(jié)我們對四年大學(xué)生活所學(xué)知識的理解而且我們可以從中學(xué)到更多的新知識，更重要的還能夠磨練我們的意志、考驗我們對待分析問題的嚴(yán)謹(jǐn)程度，這對我們即將要踏入社會的學(xué)生來說有著非常大的意義。
關(guān)于選擇單級單吸離心泵的設(shè)計，一方面，因為泵與我們的日常成活、與整個社會聯(lián)系都非常的緊密，其次，泵的結(jié)構(gòu)對于我們來說也不太陌生，難度適中，最后選擇這樣的課題進(jìn)行設(shè)計也能夠充分的檢驗我們對所學(xué)知識的理解程度，培養(yǎng)我們查找工具書的能力以及自己處理問題的能力。
1 泵的相關(guān)概述
泵是將原動機(jī)的機(jī)械能或其它能源的能量傳遞給輸送的液體，使液體的能量增加 的機(jī)械。泵類產(chǎn)品是廣泛應(yīng)用在國防、電力、石油、化工、建筑等工程領(lǐng)域的一種非常重 要的通用機(jī)械產(chǎn)品。離心泵是工業(yè)泵產(chǎn)品中數(shù)量最多、用途最廣泛的一種產(chǎn)品,其他產(chǎn)品大 多是在離心泵技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的,所以,離心泵的技術(shù)水平直接影響著國民經(jīng)濟(jì)各行 各業(yè)的技術(shù)水平。
泵的運(yùn)用在國民經(jīng)濟(jì)的各個部門都很普遍, 它的技術(shù)性能對各相關(guān)行業(yè)影響巨大。但由于泵內(nèi)部流動非常復(fù)雜, 對其流動規(guī)律的認(rèn)識還很不夠, 造成泵的水力設(shè)計還停留在半理論、半經(jīng)驗和試驗驗證的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計, 即” 設(shè)計~試制~試驗~改進(jìn)”的過程, 嚴(yán)重 的影響了泵性能的提高和技術(shù)進(jìn)步。為了提高設(shè)計效率,縮短設(shè)計時間, 優(yōu)化參數(shù)組合, 最終達(dá)到提高泵的性能的目的, 清華大學(xué)、沈陽水泵研究所、江蘇理工大學(xué)等單位從二十世紀(jì)七十年代開始, 先后開展了泵計算機(jī)輔助設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的研究工作。八十年代末、九 十年代初, 一些單位開發(fā)的泵水力設(shè)計軟件逐步達(dá)到實(shí)用化水平。在國外泵的技術(shù)發(fā)展迅速，美國的 HASKEL 公司、德國 LEYBOLD、日本 NIKKISO 等都生產(chǎn)研究出高性能的泵。
此外,新材料技術(shù)的研究也是今后泵業(yè)發(fā)展的重點(diǎn),泵的可靠性和節(jié)能則是最基本要求。
1.1 泵的基本技術(shù)要求
根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計資料表明，從泵的系統(tǒng)設(shè)計和使用人員以及大部分的工作場合的角度出 發(fā)，要求離心泵必須具有以下基本特點(diǎn)：
1、尺寸小，重量輕，占據(jù)空間??；
2、具有可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，無汽蝕破壞問題；
3、無需熟練的技術(shù)工人，操作簡單方便；
4、自動控制程序簡單靈活
5、能量消耗低
6、零件有良好的耐腐蝕性能和耐磨蝕性能；
7、拆裝轉(zhuǎn)子時無需專用工具，迅速簡便；
8、密封結(jié)構(gòu)能防止干轉(zhuǎn)，保證良好的密封性能；
9、軸承工作壽命長，能避免水流的噴射或浸滲；
10、具有良好的自吸結(jié)構(gòu)和自吸性能；
11、零部件通用化程度高，減少備件數(shù)量或庫存數(shù)量；
12、能采用符合標(biāo)準(zhǔn)且節(jié)省時間的試驗和檢測方法。
1.2 國內(nèi)外泵行業(yè)的發(fā)展趨勢
1.2.1 行業(yè)現(xiàn)狀
(1) 在過去的幾年內(nèi)，我國泵行業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢越來越與世界泵業(yè)技術(shù)發(fā)展趨向一 致，但總體技術(shù)水平較低。
(2) 在材料、工藝等基礎(chǔ)性研究方面取得了一定進(jìn)展，為國產(chǎn)化提供了有利的依據(jù)。
(3) 對一般通用泵的更新?lián)Q代，從性能范圍、結(jié)構(gòu)型式、使用用途、方便維修和外觀 質(zhì)量以及系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用程度方面有了進(jìn)一步完善。
(4) 國家采取積極的宏觀經(jīng)濟(jì)調(diào)控政策，市場持續(xù)的需求增長，對環(huán)境保護(hù)的日益重視以及用戶日益嚴(yán)格和不斷變化的要求和需求都成為推動行業(yè)廠技術(shù)水平提升的主要動 力。
(5) 產(chǎn)品制造工藝水平有了一定的提高，特別是近兩年一些企業(yè)擴(kuò)建和添置了設(shè)備， 裝備水平、工藝設(shè)備得到了進(jìn)一步完善，但缺少先進(jìn)的檢測和試驗手段。
(6) 產(chǎn)品品種依然比國外先進(jìn)國家少。
(7) 可靠性、可維修性、壽命有了一定的提高。
(8) 在高、精、尖技術(shù)含量高的產(chǎn)品領(lǐng)域，泵的產(chǎn)品供不應(yīng)求。
(9) 各種泵的產(chǎn)品出口大幅度增長，從另一個側(cè)面也反映了國內(nèi)泵行業(yè)在某些品種的泵技術(shù)方面有了明顯的提高。
(10) 泵行業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展正處于一個兩級分化的關(guān)鍵時期。
(11) 國家重點(diǎn)工程所需要的高技術(shù)含量配套用泵的研制取得了一定的進(jìn)展，配套能力 有所提高。
1.2.2 發(fā)展環(huán)境分析和需求預(yù)測
(1) 電力用泵：在“十五”后兩年、“十一五”及未來20年中，我國電力工業(yè)將以 更高速度發(fā)展。
(2) 石化用泵：石化用泵發(fā)展方向主要是大型化、高速化、機(jī)電一體化及泵產(chǎn)品成套化、 標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化；多品種、性能廣、壽命長及高可靠性；高效率、小型化；泵用 密封、軸承生產(chǎn)大型化和專業(yè)化。特別是高溫泵、低溫泵和超低溫泵、高速泵、精密計量泵、耐腐蝕泵、高速泵、精密計量泵、耐腐蝕泵、輸送粘稠介質(zhì)和帶固體顆粒介質(zhì)泵、屏蔽泵的技術(shù)將快速發(fā)展，需求量將大幅度增加。
(3)環(huán)保、城建用泵：環(huán)保是我國一項基本國策，“十·五”期間國家環(huán)保投資 7000億元，占同期 GDP的1.3% 。環(huán)保及城市自來水供應(yīng)領(lǐng)域需求各類泵的數(shù)量約20000臺。
(4)“三農(nóng)”及城鄉(xiāng)用泵：隨著西部大開發(fā)進(jìn)程加快以及中央對“三農(nóng)”的重視，“十·五” 期間“三農(nóng)”及城鄉(xiāng)用泵的增長率約為 16% 。按此增長率測算“十一·五”期間每年需 農(nóng)業(yè)泵可達(dá) 600～700萬臺。
(5)礦山及漿體輸送用泵：礦山工業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有十分重要的地位。礦山 及冶煉行業(yè)使用各種漿體和固液混合物輸送泵，這種對泵的材料的選擇提出了更高的要求，要耐磨損，同 時無堵塞、高可靠、壽命長。預(yù)計”十一五”期間需污水離心泵、單級雙吸離心泵、多級離心泵、潛水泵及備件等 2 萬臺套。
(6)南水北調(diào)工程：該工程是當(dāng)今世界上最大的調(diào)水工程，預(yù)計建設(shè)期長達(dá)50年，總投資5000 億元。該工程分為東線、中線、西線等三個工程，東線工程分三期。第一期工程總計37座泵站，第二期工程規(guī)劃新建13座泵站，第三期工程規(guī)劃新建17座泵站。
1.2.3 發(fā)展目標(biāo)
“十一五”期間，泵行業(yè)將以 25% 的平均速度發(fā)展。2010 年工業(yè)總產(chǎn)值（不變價）將達(dá) 995 億元。銷售產(chǎn)值將達(dá)到 1016 億元。產(chǎn)品銷售收入將達(dá)到 1190 億元。
泵產(chǎn)品國內(nèi)市場占有率，“十一·五”期間預(yù)計可達(dá)到 92% 。由于國家注重重大工程國產(chǎn)化率的提高，因此，火電、核電和“三大化工”中的重點(diǎn)產(chǎn)品市場占有率預(yù)計可達(dá)80% ~85% 。
1.2.4泵技術(shù)發(fā)展趨勢
世紀(jì)泵技術(shù)的發(fā)展趨勢有以下幾個方面：
1）理論與設(shè)計方法科學(xué)化。
2）生產(chǎn)制造高技術(shù)化。
3）產(chǎn)品模塊化和個性化。
4）密封無泄露化。
5）原動機(jī)無極化和監(jiān)控系統(tǒng)自動化。
1.3項目提出背景及設(shè)計方向
IS系列單級單吸離心泵是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2858所規(guī)定的性能和尺寸設(shè)計，聯(lián)合全國設(shè)計的節(jié)能泵，是BA型、BL型及其他單級清水離心泵的更新，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均向國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)靠攏，達(dá)到國際先進(jìn)水平。IS系列單級單吸離心泵輸送的物質(zhì)為清水及物理和化學(xué)性質(zhì)類似清水的液體。
本次對離心泵設(shè)計的主要方向為：
1) 離心泵葉輪的設(shè)計
2) 離心泵壓水室的設(shè)計
3) 泵軸的設(shè)計
4) 軸承與密封原件的選擇
設(shè)計的ＩＳ單級單吸離心泵適用于城市和工業(yè)的給排水、高層建筑增壓送水、林噴灌、消防增壓、遠(yuǎn)距離輸送、船用消防等。
2離心泵的設(shè)計參數(shù)及設(shè)計要求
2.1離心泵的設(shè)計參數(shù)
設(shè)計一適用于工業(yè)和城市給排水，高層建筑增壓送水，園林灌溉，消防增壓及設(shè)備配 套，船舶用泵。結(jié)合目前離心泵的型譜，確定如下參數(shù)作為本次離心泵設(shè)計的參數(shù)。
流量
(m3 / h)
揚(yáng)程
(H )
轉(zhuǎn)速
(r / min)
必須汽蝕余量
(NPSHr )
150m3/h
60m
2900r/min
5
表 2-1設(shè)計參數(shù)
2.2 設(shè)計要求
2.2.1設(shè)計原則
按照 “三化”即標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的要求，在離心泵的設(shè)計中，產(chǎn)品符合 GB/T5657-1994《離心泵技術(shù)條件(III)類》標(biāo)準(zhǔn)。此次離心泵的設(shè)計目標(biāo)是:在保證性能參 數(shù)的前提下，著重提高泵的可靠性和可維修性，提高使用壽命與泄漏性能，提高泵的環(huán)境 適應(yīng)性，尤其是抗泥沙性能和有一定的抗腐蝕性。
2.2.2設(shè)計要求
適用介質(zhì):淡水、海水。
溫度：0～50℃
環(huán)境條件:空氣中含少許油霧
軸承設(shè)計：滾動軸承設(shè)計壽命不少于 17500h。軸承體外表面溫度不應(yīng)超過 70℃。軸承溫升不應(yīng)超過 35℃
轉(zhuǎn)子不平衡力矩：M。
2.2.3產(chǎn)品特點(diǎn)
1、抗磨損，累計無泄漏運(yùn)轉(zhuǎn)時間長 ；
2、可維修性好；
3、效率高，重量輕；
4、外形緊湊，占地面積小。
3 離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1離心泵機(jī)構(gòu)概述
離心泵的結(jié)構(gòu)型式繁多，主要可分為單級泵與多級泵兩大類：
1．單級離心泵 單級離心泵大多采用螺旋形壓出室，其葉輪的吸入方式有單吸式和雙吸式兩種，軸的布置則有臥式和立式兩種。最簡單最常用的泵如托架式懸臂泵，這是一種單級單吸離心式水泵，即 IS/IB 型泵。如果要求流量較大，且具有一定的吸上性能，則可采用單級雙吸離心式泵，即 S 型泵。這兩型泵既可作為臥式也可設(shè)計成立式結(jié)構(gòu)，為了減少占地面積，降低泵的吸入高度設(shè)計成立式結(jié)構(gòu)，同時，這樣可將電動機(jī)置于泵組上部減少電動機(jī)與水的接觸機(jī)會。
2．多級泵 為提高泵的揚(yáng)程，可把泵的葉輪串聯(lián)起來，做成多級泵。離心式多級泵可分成兩大類，一類是水平中開式泵，或稱螺殼式多級泵，這一類泵的葉輪布置都是對稱的，用以抵消軸向力。另一類是節(jié)段式多級泵，它沒有螺旋形壓出室，而代之以導(dǎo)流器。它的葉輪一般是 串聯(lián)布置，它是通過專門的平衡機(jī)構(gòu)來平衡軸向力。船用泵當(dāng)中還有一種多級泵，它是由 一級離心葉輪與一級旋渦葉輪串聯(lián)組成。它也是為實(shí)現(xiàn)小流量高揚(yáng)程而設(shè)計的，它利用了 離心葉輪良好的吸入性能，又通過旋渦葉輪實(shí)現(xiàn)了高揚(yáng)程?，F(xiàn)代的高壓鍋爐給水泵就是采用這種結(jié)構(gòu)型式，由于泵的揚(yáng)程太高，在分段泵殼配合處常有高壓水泄漏出來，為了確保 密封，常采用雙層殼體，即在分段殼體之外再套一個整體的圓筒。
3. 離心泵工作原理：泵內(nèi)充滿液體后，啟動離心泵，葉輪快速轉(zhuǎn)動，葉輪的葉片驅(qū)使液體流動，并依靠慣性向葉輪外緣流去，同時葉輪從吸水室吸進(jìn)液體。在這一過程中，葉輪中的液體繞流葉片，在繞流運(yùn)動中液體將作用力作用于葉片，反過葉片將相等大小的作用力作用于液體，這個力對液體做功，使液體得到能量而流出葉輪，這時液體的動能與靜壓能均增大。隨著液體的靜壓能的增加，液體被迫經(jīng)壓水室壓出。
3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計
參照國內(nèi)外此類單級離心泵的結(jié)構(gòu)，并吸收其優(yōu)點(diǎn)，確定了本次離心泵的總體結(jié)構(gòu)布 置。由于是單級泵，取消了串并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的最薄弱環(huán)節(jié)---水軸承，可使其可靠 性大為提高。采用加長聯(lián)軸節(jié)，泵體采用后開式的結(jié)構(gòu)，在不拆卸進(jìn)出水管路和電機(jī)的情況 下即可取出轉(zhuǎn)子。這樣，泵內(nèi)的零件如泵體密封環(huán)和機(jī)械密封等密封易損件，在維修保養(yǎng) 或更換修理時，可大大減輕使用者的勞動強(qiáng)度，縮短維修時間，并保證承壓管路尤其是高 壓管路的密封性，這一點(diǎn)對于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備是十分重要的。
3.2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
本次設(shè)計的單級單吸離心泵整體為臥式結(jié)構(gòu)，泵由單級離心泵和電機(jī)組成，泵組為整裝機(jī)組，電機(jī)固定在泵架上，泵組通過底座安裝在地基上，也可通過泵架采用中間懸掛安裝。電機(jī)通過聯(lián)軸器將動力傳入泵轉(zhuǎn)子部件上帶動其旋轉(zhuǎn)。泵的轉(zhuǎn)子部件包含了主軸、 葉輪、軸承、機(jī)械密封、軸承座等零件，通過軸承座與泵體相連。泵體采用后開始結(jié)構(gòu)， 轉(zhuǎn)子部件可以從泵體上部實(shí)現(xiàn)安裝與拆卸。離心泵的吸水口于排水口軸心線垂直。離心泵葉輪通過軸端螺紋固定在主軸端上，用螺母進(jìn)行軸向固定，用止動墊片進(jìn)行防松止動。葉輪與主軸通過不銹鋼平鍵傳遞動力。泵的軸端密封采用了泄漏極少的機(jī)械密封，同時在泵體密封涵中設(shè)計了防干轉(zhuǎn)空腔，以保護(hù) 機(jī)械密封在剛起動或泵內(nèi)不完全排氣時在沒有液體潤滑的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)械密封的潤滑與 冷卻液通過增設(shè)的綜合防泄漏系統(tǒng)來提供與保證。
3.2.2傳動部分設(shè)計
離心泵的原動機(jī)一般都選擇電動機(jī)，電動機(jī)通過聯(lián)軸器將動力輸入泵中。因 此聯(lián)軸器的設(shè)計好壞將會決定整個機(jī)組的效率以及傳動的平穩(wěn)性，進(jìn)而影響泵運(yùn) 行的平穩(wěn)性。同時聯(lián)軸器的選擇與設(shè)計還直接關(guān)系到泵的拆卸與維修性能。目前 國內(nèi)同行業(yè)中一般還是用傳統(tǒng)的凸緣式(圖 3-2)或柱銷式(圖 3-3)聯(lián)軸器。
圖 3-1 凸緣式聯(lián)軸器
圖 3-2 彈性柱銷聯(lián)軸器
柱銷式聯(lián)軸器是最早采用的一種聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器如圖所示存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝定位
調(diào)整困難，壽命短等缺點(diǎn)。在國內(nèi)離心泵上已逐步用爪式聯(lián)軸器替代了柱銷式聯(lián)軸器。爪式聯(lián)軸器相對結(jié)構(gòu)簡單，通過增加彈性橡膠墊具有了一定的柔性補(bǔ)償能力。但同時也帶來 了薄弱環(huán)節(jié)，即彈性橡膠墊壽命很短，使用一段時間就需要更換，需要經(jīng)常維護(hù)，而且更 換時還需將電機(jī)拆下，很不方便。
圖 3-3 漸開線花鍵軸聯(lián)軸器
漸開線花鍵聯(lián)軸器是一種新型的聯(lián)軸器形式(圖 3-4)，該聯(lián)軸器在國外離心泵上已經(jīng)得到大量應(yīng)用，但國內(nèi)離心泵中應(yīng)用范圍不廣。在此次設(shè)計中，引入了該種形式的聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器有易拆卸、轉(zhuǎn)動慣量小、可柔性補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。
該聯(lián)軸器的設(shè)計計算主要是花鍵的擠壓強(qiáng)度校核，校核公式如下：
其中：
T——扭矩，T=177400N.m
y ——各齒不平衡系數(shù)，取 0.7
z——齒數(shù)，z=28
h——齒的工作高度，h=m=3mm
l——齒的工作長度，1=30mm
Dm——平均直徑，Dm=87mm
[ P] ——許用壓強(qiáng)，Ppp=15Mpa
將以上各設(shè)計參數(shù)代入公式，得：
可見強(qiáng)度滿足要求。
3.3電機(jī)的選擇
根據(jù)計算得,電機(jī)的功率大約是38.68kw.根據(jù)運(yùn)用場合的不同選擇電機(jī)型號為Y225M-2，電機(jī)額定功率45KW，同步轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分，滿載轉(zhuǎn)速2970轉(zhuǎn)/分。
3.4轉(zhuǎn)子軸設(shè)計
本次設(shè)計的泵為臥式泵,它的轉(zhuǎn)子采用傳統(tǒng)的雙支點(diǎn)支撐懸臂結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-4所示。
3-4轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡圖
3.5密封
離心泵的密封主要包括機(jī)械密封、填料函密封及彈性材料密封的常用設(shè)計方法。
機(jī)械密封：是為了克服填料函中采用柔軟填料的問題。為使運(yùn)轉(zhuǎn)中的密封表面小，在大多數(shù)情況下，兩個接觸面之間充入一層具有密封作用的夜膜。機(jī)械密封依靠的就磨損最是這樣一層穩(wěn)定的液膜
填料函密封：使用柔性材料作為密封材料，由于新材料的出現(xiàn)，密封材料更是層出不 窮，如聚四氟乙烯纖維、石墨纖維、金屬纖維、玻璃纖維、硅鋁纖維等。
彈性填料：彈性密封可用作靜態(tài)、旋轉(zhuǎn)與往復(fù)運(yùn)動狀態(tài)下的密封，具有良好的柔軟性 和彈性。但它的摩擦系數(shù)高，會造成過熱從而導(dǎo)致橡膠變脆和破裂。最后致使密封損壞
由于機(jī)械密封具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1） 泄露量極小。
2） 壽命長。
3） 對軸的摩擦小。
4） 可自動運(yùn)行而不需要在運(yùn)行時調(diào)正。
5） 功率損失小。
6） 耐振動性好。
7） 使用廣泛。
所以本次設(shè)計采用單端面機(jī)械密封。需注意的是機(jī)械密封有零件多，精度高，安裝拆卸要求高，相應(yīng)的造價也高等缺點(diǎn)。但從實(shí)際需要及生產(chǎn)角度來看，采用機(jī)械密封利大與 弊，機(jī)械密封也是今后的發(fā)展趨勢。
3-5機(jī)械密封簡圖
1）主要密封原件：由動環(huán)、靜環(huán)、組成。動環(huán)和靜環(huán)一般用不同材料制成，一個硬度 較低，一個硬度較高。但也可根據(jù)具體情況將兩個環(huán)用同一材料制成。
2）輔助密封原件：由動環(huán)密封圈、靜環(huán)密封圈和其他適當(dāng)?shù)膲|片組成。根據(jù)不同的要求，輔助密封原件常采用 O 型環(huán)、V 型環(huán)或其他形狀的密封環(huán)。以便能吸收對密封面有不 良影響的振動，輔助密封環(huán)原件常用橡膠或塑料等材料制成。
3）壓緊原件和其他輔助原件：如彈簧、推環(huán)、傳動座、防轉(zhuǎn)銷等，以及保證動環(huán)和靜環(huán)所工作所必須的其他零件，都屬于這一類原件。
由于機(jī)械密封工作條件復(fù)雜，工作時，在動環(huán)和靜環(huán)密封面不斷產(chǎn)生摩擦熱，致使動 環(huán)和靜環(huán)間的液膜汽化，某些零件老化、發(fā)焦、變形，這些都影響使用壽命。因此，在選 擇機(jī)械密封時，還必須注意機(jī)械密封的冷卻。
本節(jié)小結(jié)：
本節(jié)主要講述了一下所所設(shè)計泵的總體結(jié)構(gòu)、部分零部件的設(shè)計構(gòu)造，以及部分零部件的作用，這將為接下來的設(shè)計提供參考。
4泵的水力設(shè)計
離心泵的水力性能主要取決于離心泵的水力設(shè)計，它包括葉輪設(shè)計、壓出室和吸入室 的設(shè)計。目前離心泵水力設(shè)計方法有兩種：模型換算法和速度系數(shù)法。模型換算法就是參 照已有的優(yōu)秀水力模型進(jìn)行相似換算來設(shè)計新的水力模型，參照的水力模型必須與設(shè)計模 型幾何相似和工況相似。速度系數(shù)法是根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計獲得速度系數(shù)經(jīng)驗值來計算設(shè)計模型 的各參數(shù)。兩種設(shè)計方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，模型換算法設(shè)計可靠性與準(zhǔn)確性較高，但受水力模 型所限，不能超越已有的模型水力性能。而速度系數(shù)法所取的經(jīng)驗系數(shù)由于是來自于經(jīng)驗 統(tǒng)計，也具有一定可靠性，而且不受水力模型限制，因此很多時候被設(shè)計者所采用。本設(shè) 計用度系數(shù)法進(jìn)行設(shè)計。離心泵葉輪速度系數(shù)如圖 4-1 所示
圖4-1葉輪速度系數(shù)圖
4.1葉輪的設(shè)計
4.1.1計算設(shè)計泵的比轉(zhuǎn)速及汽蝕比轉(zhuǎn)速
比轉(zhuǎn)速 ：
汽蝕比轉(zhuǎn)速C:
4.1.2確定泵的進(jìn)出口直徑：
1) 泵的進(jìn)口直徑
表4-1泵的吸入口徑、流速流量的關(guān)系
泵的進(jìn)口直徑也叫泵吸入口徑，是指泵吸入法蘭處管的內(nèi)徑，吸入口徑有合理的進(jìn)口流速決定，泵的進(jìn)口流速一般為3m/s左右。常用泵的吸入口徑、流量流速的關(guān)系如表4-1所示。
首先選取
泵進(jìn)口直徑的計算公式為：
取
2) 泵的出口直徑
泵出口直徑也叫泵的排出口直徑，是指泵排出法蘭處管的內(nèi)徑，對于低揚(yáng)程泵，排出口徑可與進(jìn)口直徑相同；對于高揚(yáng)程泵，為減少泵的體積和排出管路直徑，可取排出口徑小于進(jìn)口直徑，一般取
這里取得：
4.1.3效率的計算
1) 容積效率計算
在設(shè)計泵時要用泵的效率,但泵尚未設(shè)計出來,故只能參考同類產(chǎn)品,或借助經(jīng)驗公式和曲線近似的確定泵的總效率和各種效率值,并設(shè)法在設(shè)計中達(dá)到確定的效率值。容積效率可按下列公式進(jìn)行計算：
所以容積效率為：
設(shè)平衡盤泄露量與理論流量之比為：
2) 機(jī)械效率的計算
圓盤摩擦損失效率和機(jī)械效率可有一下公式計算得出：
考慮到軸承等的損失，這里取軸承的損失為0.02，所以機(jī)械效率為：
3) 水力效率的計算:
水力效率的計算可按下列公式進(jìn)行計算
4) 泵的總效率：
4.1.4葉輪主要尺寸的計算：
泵軸徑和葉輪輪轂直徑的初步計算 葉輪主要幾何參數(shù)有葉輪進(jìn)口直徑、葉片進(jìn)口直徑、葉輪輪轂直徑、葉片進(jìn)口寬度、葉片進(jìn)口角、葉輪出口直徑、葉輪出口寬度、葉片出口角、葉片數(shù)、葉片包角等。葉輪進(jìn) 口幾何參數(shù)對氣蝕性能有重要影響，葉輪出口幾何參數(shù)對性能具有重要影響，兩者對泵的 效率均有影響。下圖表示的是穿軸和葉輪幾何形狀和主要尺寸參數(shù)。
圖4-2離心泵的葉輪圖
1. 葉輪的主要尺寸計算：
1. 軸功率：
2. 電機(jī)的配套功率：
根據(jù)電機(jī)的配套功率選擇電機(jī)為Y系列電機(jī)，電機(jī)號為Y225-2型，電機(jī)的額定功率為45KW，同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，滿載轉(zhuǎn)速為2970r/min。
3. 扭矩可按照以下公式進(jìn)行計算：
4. 最小軸頸
泵軸的直徑應(yīng)按其承受的外載荷（拉、壓、彎、扭）和剛度及臨界轉(zhuǎn)速條件確定。因 為扭矩是泵軸的主要的載荷，所以在開始設(shè)計時，可按扭矩確定泵軸的最小直徑（通常是 聯(lián)軸器處的軸徑）。同時應(yīng)根據(jù)所設(shè)計泵的具體情況，考慮影響剛度和臨界轉(zhuǎn)速的大概因素， 可對粗算的軸徑作適當(dāng)?shù)男薷?，并圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑。待泵轉(zhuǎn)子設(shè)計完成后，再對軸的強(qiáng)度、 剛度和臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行詳細(xì)的校核。
按扭矩計算泵直徑的公式如下:
式中為扭矩
泵軸材料選 1Cr18Ni9Ti
許用切應(yīng)力 [t ] =25Mpa
所以最小軸頸為：
取葉輪的軸頸為35mm
輪轂的直徑為
在畫泵軸結(jié)構(gòu)草圖時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
a、 各段軸徑應(yīng)盡量取用標(biāo)準(zhǔn)直徑；
b、 軸上的螺紋一般采用標(biāo)準(zhǔn)細(xì)牙螺紋，其內(nèi)徑應(yīng)大于螺紋前軸段的直徑；
c、 軸定位的凸肩一般為 1～2mm。
葉輪進(jìn)口直徑Dj的計算
葉輪進(jìn)口直徑又叫吸入眼直徑或葉輪頸部直徑。葉輪的進(jìn)口速度和葉輪進(jìn)口直徑有關(guān)?？筛鶕?jù)如下公式進(jìn)行計算：
根據(jù)統(tǒng)計資料進(jìn)行選值，對大多數(shù)泵來說，現(xiàn)取
整取
2. 葉輪進(jìn)口速度的計算：
取
3. 葉片入口邊絕對速度：
v1 = 0.757v0 = 0.757 ′ 5.5= 4.13（m / s）
4. 葉片入口邊的直徑：
D1 = 0.92D0 = 0.92 ′ 97 = 90mm
5. 葉片入口圓周速度：
6. 葉片入口寬度
7. 葉輪的出口寬度
葉輪的出口寬度可有一下公式求得：
所以
8. 葉片進(jìn)口角的計算
葉片進(jìn)口角也就是葉片入口安放角，它是葉片入口處葉片工作面上的切線（嚴(yán)格地說， 應(yīng)該是在流面上葉片股線的切線）與圓周切線間的夾角。
對于直錐形吸水室
取
,
沖角一般取3
9. 葉輪的出口直徑的計算
葉輪出口直徑可按下面公式進(jìn)行計算：
10. 精算葉輪出口直徑：
根據(jù)比轉(zhuǎn)速去葉片數(shù)
有葉片數(shù)，取出口安放角
葉片出口厚度
取
下面采取逐次逼近法精算葉輪出口直徑：
第一輪驗算
其中：
理論揚(yáng)程：
取
將以上參數(shù)代入下列公式中得：
第二次驗算：
根據(jù)第一次計算的結(jié)果，取
將以上計算參數(shù)代入下列公式得：
計算結(jié)果與初始值一致，計算完畢。
11. 有限葉片液體出口速度和圓周速度
因此：
12. 液體流出葉片的絕對速度：
至此，葉輪的繪型所需的尺寸，角度等參數(shù)，已經(jīng)全部計算完畢。上述參數(shù)都能影水泵的性能，其中， D0 、 D1 、 b1 對離心泵的汽蝕性能和流量影響較大； D2 、 b2 對水泵 揚(yáng)程的影響較大；b2 還對泵性能曲線的形狀影響較大。但是，對葉輪其他因素（如葉片數(shù)、 包角、葉片厚度、沖角、葉片入口直徑等）也需認(rèn)真對待。這些參數(shù)的合理性將直接對泵的性能產(chǎn)生影響。 葉輪是影響離心泵性能的主要零件，葉輪的主要尺寸計算完畢后，就可以進(jìn)行繪型。準(zhǔn)確地繪型是保證葉片形狀正確的前提。
4.2葉輪的繪型
目前常用的葉輪繪型方法有：圓柱葉片葉輪繪型法和保角變換繪型法。本次設(shè)計采用 最常用的圓柱葉片葉輪繪型法。
1）軸截面設(shè)計
葉輪各部的尺寸確定之后，可畫出葉輪軸面投影圖。 畫圖時，最好選擇 ns 相近，性 能好的葉輪圖作為參考，考慮設(shè)計泵的具體情況加以改進(jìn)。軸面投影圖的形狀，十分關(guān)鍵， 經(jīng)過反復(fù)修改，力求光滑通暢。同時應(yīng)考慮到：
1、前后蓋板保持一段平行或?qū)ΨQ變化；
2、流道彎曲不應(yīng)過急，在軸向結(jié)構(gòu)允許的條件下，以采用較大的曲率半徑為宜。 傳統(tǒng)低比轉(zhuǎn)速離心泵葉輪基本上屬于徑流式葉輪。前，后蓋板型線均由直線和圓弧構(gòu)成。進(jìn)口先是一段短的軸向流道，然后迅速向徑向，出口方向也是徑向。在設(shè)計軸截面型 線時，參考了定型的水力模型，結(jié)合經(jīng)驗，確定了以下幾項設(shè)計準(zhǔn)則：
1、前蓋板由一段進(jìn)口水平直線，兩段圓弧和出口端的一段直線組成。
2、后蓋板由一段進(jìn)口水平直線，一段圓弧和出口端的一段直線組成。
3、前，后蓋板出口端直線的斜率絕對值相等，符合相反，以保證出口水流處于徑流方 向。調(diào)整圓弧半徑的大小和位置，可以找到光滑的前，后蓋板的型線。判斷前，后蓋板的型線光滑的條件是檢查過水?dāng)嗝婷娣e沿軸面流線的變化規(guī)律是否平滑。一般要求流道呈輕度擴(kuò)散或連續(xù)收縮狀。特別是去除葉片所占空間后的凈過水?dāng)嗝婷娣e沿軸面流線的變化規(guī)律更為重要。
圖4-3葉輪軸面投影圖
圓柱形葉片葉輪繪型的主要步驟如下：
1、作軸畫投影圖
軸面就是包含軸心線的截面，如圖 4-3 中的 O-A 面就為軸面。軸面投影就是將葉輪上 的點(diǎn)按圓弧投影在某一軸面上的圖形。如圖 4-3 中的 a 點(diǎn)本來不在軸面 O-A 上，但是以 O 點(diǎn)為圓心，以 r1 為半徑旋轉(zhuǎn)，即可將 a 點(diǎn)投影到 O-A 面上，得 a′點(diǎn)；同理 c 點(diǎn)本來也不 在軸面 O-A 上。但是以 O 點(diǎn)為圓心，r2 為半徑旋轉(zhuǎn)，即可將 c 點(diǎn)投影到 O-A 面上，得 c′點(diǎn)。 將軸面 O-A 投影，如圖 4-3，此圖即為軸面投影圖。在軸面投影圖上，可以比較全面地看 到葉輪前后蓋板形狀，葉片入口邊、出口邊各點(diǎn)相對于葉輪軸心線的徑向位置和軸向位置， 但是，入口邊、出口邊上備點(diǎn)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 圖的步驟為：
（1)取 ,作軸心線 O-O 的平行線 DE，如圖 4-3 所示。
（2)作軸心線 O-O 的垂線 AB，使
圖4-4軸面投影圖的繪制
(3)過點(diǎn) B 作 BC 線，使角DABC =-3°～5°。 DABC 的大小與比轉(zhuǎn)速和泵的結(jié)構(gòu)形 式有關(guān)，比轉(zhuǎn)速小的取 0°一些蝸殼式泵取-3°。
(4)以適當(dāng)半徑作圓弧，使之與直線 DE 和 BC 相切，即得葉輪后蓋板的初步輪廓線。
(5)過 B 點(diǎn)作軸心線 O-O 的平行線，并截取 FB=b2。
(6)作軸心線 O-O 的平行線 GH 和 JK。GH 距軸心線距離為
(7)以 JK 線上相應(yīng)點(diǎn)為圓心,以為半徑做圓，使之與葉輪后蓋板輪廓線相切。
(8)以適當(dāng)?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 GH 線和葉輪入口 圓相切，并通過 F 點(diǎn)。
(9)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 D2 值作軸線 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。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(dāng)?shù)男薷摹?
2．軸面投影因的檢查 軸面投影圖畫出后，必須檢查流道面積變化是否合理。如果流道面積無規(guī)律地變化，則液體在葉輪流道內(nèi)有加速和減速、要產(chǎn)生局部旋渦，增大損失。軸面投影圖的檢查方法 如下：
在軸面投影圖流道內(nèi)，作很多內(nèi)切圓，內(nèi)切圓圓心距的大小視軸面投影圖的大小而定，距離越小，檢查精確度越高，但工作量也越大。將這些內(nèi)切圓心用圓滑曲線連接起來，就 得到了葉輪軸面流道中線 ab，如圖 4-5 所示。
圖4-5軸面圖的檢查
4.3壓出室的水力設(shè)計
4.3.1 壓水室的類型和作用原理
吸水室位于葉輪之前，壓水室位于葉輪之后，它們和葉輪一起構(gòu)成泵的過流部件。因 為吸水室和壓水室是固定的過流部件。研究其中的流動時，一般不引入相對速度。絕對速 度的大小和過水?dāng)嗝娣e有關(guān)，方向與其幾何形狀有關(guān)。絕對速度可分解成兩個分量：圓周 分量和軸面分量。
通常所說的壓水室是指螺旋形壓水室、環(huán)形壓水室和導(dǎo)葉等的總稱。流出葉倫的液體，其絕對速度值很大，且具有很大的旋轉(zhuǎn)分量。但液體通過壓水室以后，絕對速度變小，旋轉(zhuǎn)分量等于零或者是很小的值，因而壓水室是轉(zhuǎn)換能量的過流部件。
壓水室的作用
1）收集從葉輪中流出的液體，并輸送到排出口或下一級葉輪吸入口；
2）保證流出葉輪的流動是軸對稱的，從而使葉輪內(nèi)具有穩(wěn)定的相對運(yùn)動，以減少葉輪 內(nèi)的水力損失；
3）降低液流速度，使速度能轉(zhuǎn)換成壓能；
4）消除液體從葉輪流出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以避免由此造成的水力損失。壓水室具有以下三種基本形式圖 4-8 所示。通常，主要采用兩種形式。從水力方面看，螺 旋形壓水室的流動比較理想，適應(yīng)性強(qiáng)，高效率范圍寬。但流道不能機(jī)械加工，尺寸形狀、 表面光潔度直接靠鑄造來保證。葉片式壓水室一般可以單獨(dú)制造。并可以進(jìn)行機(jī)械加工，但水力方面不如螺旋形壓水室理想。渦室主要用于多級泵，而帶導(dǎo)葉的環(huán)形壓水室，因能消除徑向應(yīng)力，主要用于大型單級泵。
圖 4-6 a-螺旋形壓水室 b-導(dǎo)葉 c-帶導(dǎo)葉的環(huán)形壓水室
2、壓水室的作用原理
螺旋形壓水室的作用原理，如圖 4-9 所示。液流從葉輪流出后，進(jìn)入兩個平行的平 板之間，當(dāng)忽略液體的粘性摩擦力時，這種液流不受任何外力作用，應(yīng)遵從速度矩保持性定理，即:
, (常數(shù))
圖 4-7壓水室工原理
壓水室的形狀，按符合這種流動規(guī)律來設(shè)計，得到流體流動的軌跡之后，按此軌跡加 做固體壁，就作出了符合流動的壓水室。如上圖所示。
4.3.2渦室的設(shè)計和計算
螺旋形渦室稱渦形體如下圖 4-8 所示。其優(yōu)點(diǎn)主要是制造方便，泵性能曲線高效率區(qū) 域比較寬，車削葉輪后泵效率變化較小。在設(shè)計螺旋形渦室時通常認(rèn)為液體從葉輪中均勻 流出，并在渦室中做等速運(yùn)動，渦室只起收集液體的作用，在擴(kuò)散管中液體的一部分動能 變成壓能。
圖4-8渦室的幾何參數(shù)
基圓直徑
切于隔舌頭的圓被稱為基圓，用 D3 表示。 應(yīng)稍大于葉輪外徑 D2 ，使隔舌和葉輪間有適當(dāng)?shù)拈g隙，該間隙過小，容易因液流阻塞而引起噪聲和振動；但間隙過大，除增加徑向 尺寸外，因間隙外存在著旋轉(zhuǎn)的液流環(huán)，消耗一定的能量，間隙越大，泵的效率下降的越多，通常?。?
所以
渦室進(jìn)口寬度 b3
通常大于包括前后蓋板的葉輪出口寬度，至少有一定的間隙，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子的串動和制造誤差。目前，有些渦室的 b3 取得相當(dāng)寬，這樣，使葉輪前后蓋板帶動旋轉(zhuǎn)的液體可暢通 的流入壓水室，回收一部分圓盤摩擦功率，提高泵的效率，另外可適應(yīng)不同寬度的葉輪，提高產(chǎn)品的通用性，一般取:
-葉輪的出口寬度 S——葉輪蓋板的厚度 C——常數(shù) 一般取
渦室的隔舌安放角
隔舌位于渦室螺旋線部分的始端，將螺旋線部分與擴(kuò)散管隔開。習(xí)慣稱過隔舌頭部的斷面為 0 斷面，隔舌和第Ⅷ斷面的夾角為隔舌安放角，用 0 表示。0 的大小保證螺旋線 部分與擴(kuò)散管光滑連接，并盡量減少徑向尺寸。下表列出了 0 和比轉(zhuǎn)速的關(guān)系。
表4-2隔舌安放角和比轉(zhuǎn)速的關(guān)系
所以取
隔舌螺旋角a0
隔舌安放角是隔舌處內(nèi)壁與圓周方向的夾角，為了符合流動規(guī)律，減小液流的撞擊，隔舌螺旋角應(yīng)等于葉輪出口稍后的絕對液流角。
渦室的斷面形狀和斷面面積
渦室斷面面積對泵的性能影響很大。對同一個葉輪，如果渦室斷面面積過小，則流量一揚(yáng)程曲線變陡，最高效率點(diǎn)向小流量方向移動，效率低；如果渦室斷面過大，則流量——揚(yáng)程曲線比較平坦，最高效率點(diǎn)向大流量方向移動，效率也降低，降低值比渦室斷面面積過小時要小。
速度系數(shù)法是一種廣義的相似換算法，它是根據(jù)統(tǒng)計的性能良好的速度系數(shù)進(jìn)行設(shè)計的，和葉輪速度系數(shù)法類似。渦室中液流速度可按下式進(jìn)行計算：
K3 ——螺旋形渦室中的速度系數(shù)，可由下表選取:
表 4-3 螺旋形渦室和導(dǎo)葉中的速度關(guān)系
由表4-3可查得
渦室中的速度確定后，可計算出渦室的最大斷面處的面積。由于液流是慈寧宮葉輪均勻流 出的，故渦室的各個斷面面積也均勻的變化，可按比例求出。
通過第Ⅷ斷面的流量
第Ⅷ斷面的面積 S
各斷面面積計算可按下列公式進(jìn)行計算
計算得各斷面面積為：
渦室擴(kuò)散管的設(shè)計計算
液體離開渦室后進(jìn)入擴(kuò)散管，在擴(kuò)散管中，一部分動能變?yōu)閴耗?。擴(kuò)散管末端為泵擴(kuò)散管末端為泵的 突出口，一般與吐出管相連接。
擴(kuò)散管的作用在與降低速度，轉(zhuǎn)換為壓能，同時減少排出管路中的損失。 擴(kuò)散管的進(jìn)口可以認(rèn)為是渦室的第Ⅷ斷面，出口是泵的排出口，擴(kuò)散管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是：
A 排出口徑 應(yīng)符合經(jīng)濟(jì)流速和標(biāo)準(zhǔn)直徑，間葉輪設(shè)計部分。
B 擴(kuò)散管高度 ，在保證擴(kuò)散角和加工及螺旋連接的條件下，應(yīng)盡量取小值，以減少泵的尺寸。
C 擴(kuò)散角取 9o 。
渦室壁厚的計算
圖4-9離心泵的渦室
對于一般的渦室壁厚可以按下式進(jìn)行計算：
[s ] 為許用應(yīng)力，渦室所選的材料為鑄鐵，許用應(yīng)力為 [s ] =100～150，取 120.得：
4.4吸水室的設(shè)計計算
吸水室，指泵進(jìn)口法蘭到葉輪進(jìn)口的過流部分。吸水室的功用是把液體按要求的條件引入葉輪。吸水室中的速度較小，因而水力損失和壓水室相比要小得多，但是吸水室的流動狀態(tài)，直接影響葉輪中的流動情況，對泵的效率也有一定的影響，尤其對泵的汽蝕性能影響較大。 對吸水室的要求是：
1、保證葉輪進(jìn)口有要求的速度場，如速度分布均勻，大小適當(dāng)，方向符合要求等。
2、吸水室內(nèi)的速度分布均勻，水力損失最小。 因為直錐形吸水室，結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良。本設(shè)計中吸水室采用直錐形吸水室。如圖4-14 所示。其中液體在直錐形收縮管中流動，流速漸增，分布均勻，水力損失小，保證葉輪進(jìn)口有均勻的速度場。
吸水室進(jìn)口直徑 Ds ，通常取為
圖4-10直錐形吸水室
——葉輪進(jìn)口直徑
所以
吸水室進(jìn)口直徑，也是泵進(jìn)口法蘭處的內(nèi)徑。由于直錐形吸水室的長度，視泵的總體 尺寸結(jié)構(gòu)而定，沒有特殊要求。所以取長度 L=120mm。
本章小結(jié)：
本章主要論述了離心泵的水力設(shè)計部分。水力設(shè)計是離心泵設(shè)計工作的關(guān)鍵內(nèi)容之一本章采用速度系數(shù)法進(jìn)行了水力設(shè)計，確定了葉輪與壓出室的主要尺寸，給出了詳細(xì)的計算過程。首先利用通過經(jīng)驗積累的系數(shù)法確定初步的數(shù)值，再通過逐次逼近法計算確定葉輪的出口直徑，最后根據(jù)計算結(jié)果，完成對葉輪軸面投影圖的繪制由于 速度系數(shù)設(shè)計法是通過經(jīng)驗統(tǒng)計獲得速度系數(shù)經(jīng)驗值來計算模型的各參數(shù)的方法，雖具有 一定的可靠性與準(zhǔn)確性，但為了保證設(shè)計方案最終能成功，在設(shè)計參數(shù)的確定上都留有一 定的余量。
5離心泵主要零部件的強(qiáng)度計算
由于離心泵零件在工作過程中承受各種外力的作用，會使零件產(chǎn)生變形和破壞。故設(shè)計離心泵零件時，應(yīng)使零件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，盡量使零件的尺寸大些，材料用得好些，以提高泵運(yùn)行的可靠性和壽命。但另一方面，又希望零件尺寸小，重量輕，成本低，這是相互矛盾的在設(shè)計計算時要正確處理這個矛盾，合理地確定零件的尺寸與材料。
由于零件的形狀不規(guī)則，一般材料力學(xué)公式難以解決這些零件的強(qiáng)度和剛度計算的問 題。以此，經(jīng)驗公式是必不可少的。
5.1 葉輪強(qiáng)度計算
葉輪強(qiáng)度的計算可以分為計算葉輪蓋板強(qiáng)度、葉片強(qiáng)度兩部分。
5.1.1 葉輪蓋板強(qiáng)度計算
葉輪蓋板厚度一般由結(jié)構(gòu)與工藝的要求決定的，單吸泵的葉輪蓋板厚度可以從表 5-1得到。
表5-1葉輪蓋板厚度與葉輪直徑的關(guān)系
由葉輪直徑取蓋板厚度為5mm.
離心泵現(xiàn)在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(yīng)力也隨之提高，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定數(shù)值后，就會導(dǎo)致葉輪破壞。在計算時，可以把葉輪蓋板簡化為 一個旋轉(zhuǎn)圓盤（即將葉片對葉輪蓋板的影響忽略不計），計算與分析表明，對旋轉(zhuǎn)圓盤來說， 圓周方向的應(yīng)力是主要的，葉輪的圓周速度與圓周方向的應(yīng)力 s 近似有以下關(guān)系
蓋板的材料為ZCuSn3ZnPb6Ni[s ] =40Mpa
小于40M，符合要求。
5.1.2葉片厚度計算
為了擴(kuò)大葉輪流道有效過流表面，希望葉片越薄越好；但如果葉片選擇得太薄，在鑄造工藝上有一定的困難，而且從強(qiáng)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 ㎜，鑄鋼葉片的最小厚度為 5 ㎜～6 ㎜。葉片也不能選擇得太厚，否則會降低效率，惡化泵的氣蝕性能。大泵的葉片厚度可適當(dāng)加厚一些，這對延長葉輪壽命有好處。
材 料
比轉(zhuǎn)速/r·min
40
60
70
80
90
130
190
280
系數(shù) K
鑄鐵
3.2
3.5
3.8
4.0
4.5
6
7
10
鑄鋼
3
3.2
3.3
3.4
3.5
5
6
8
表5-2葉片厚度的經(jīng)驗系數(shù)
葉片厚度按經(jīng)驗公式進(jìn)行計算即：
取 ,
取S=4mm
5.2泵體強(qiáng)度的計算
常見的離心泵泵體主要對渦室壁厚的計算，并且采用近似的計算方法。 渦室是離心泵中較大的零件，并承受高壓液體的作用。所以渦室除了應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和良 好的工藝性以外，為了保證運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，還必須有足夠的剛度。在實(shí)踐中，有個別渦室 雖然強(qiáng)度足夠，但由于剛度不夠，在加工、實(shí)驗、存放和運(yùn)行過程中會產(chǎn)生變形。從而影 響泵的裝配與運(yùn)行。
目前，一般低壓泵和中壓泵的渦室均以鑄造工藝制造，實(shí)踐表明，如果泵體壁超過40mm，在鑄造時容易產(chǎn)生疏松現(xiàn)象。所以，對吐出壓力超過 5Mpa 的泵，很少采用普通鑄 鐵泵體，一般均采用高強(qiáng)度鑄鐵，鑄鋼或合金鋼制造。
由于渦室形狀很不規(guī)則，很難準(zhǔn)確地計算渦室中的應(yīng)力，現(xiàn)推薦建在統(tǒng)計的基礎(chǔ)上的方法，壁厚為：
即：
所以S=11mm
5.3泵軸的強(qiáng)度校核
在泵的水力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計初步完成后，應(yīng)該校核軸的強(qiáng)度和剛度。使泵軸彎曲的原因有：泵軸的質(zhì)量和套裝在軸上的葉輪、軸套等零件的質(zhì)量；轉(zhuǎn)子的徑向力；由葉輪平衡后的剩余不平衡所影起的離心力等。因此，泵軸是在彎曲與扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下工作的，通常 應(yīng)按彎曲與扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用來校核軸的強(qiáng)度的校核。
1. 作用在泵軸上的載荷
泵軸上的載荷有以下幾種；
a) 徑向力
具有螺旋形壓水室的泵，在運(yùn)轉(zhuǎn)中會產(chǎn)生作用于葉輪上的徑向力，使軸受交變應(yīng)力，并會產(chǎn)生一定的撓度。在校核強(qiáng)度時，要予以考慮。
螺旋形壓水室是按設(shè)計流量設(shè)計的，此刻液體在葉輪周圍壓水室中的速度和壓力是均勻的，軸對稱的。因為壓力是軸對稱的，故作用于葉輪上的合力為零，理論上無徑向力。 但是，當(dāng)壓水室和葉輪相互協(xié)調(diào)的條件（設(shè)計流量），被破壞時，兩者出現(xiàn)尖銳的矛盾，從 而破壞了壓力沿葉輪軸對稱分布的條件，因而產(chǎn)生了徑向力。產(chǎn)生徑向力的另一個原因是， 從葉輪流出液體的動反力對葉輪作用。葉輪周圍壓水室中的壓力，對液體流出葉輪，起阻 礙作用。由于壓水室的壓力不對稱，液體流出葉輪的速度，也是不對稱的，壓力大的地方 流速小，壓力小的地方流速大，方向與葉輪出口絕對速度方向相反，近似與圓周相切，故 動反力引起的徑向力 R 的方向大致為壓力引起的徑向力 P 反轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn) 90°。在小流量時 大約指向隔舌相反的方向。P 和 R 合成得總的徑向力 F。
消除和減弱徑向力對軸的作用十分必要，為此，可將渦室分成兩個對稱的部分，即構(gòu) 成雙層渦室或雙渦室。在雙渦室里，雖然每個渦室的壓力分布是不均勻的，但由于對稱性， 作用在葉輪上的徑向力是互相平衡的。
軸向力 泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)子上作用著軸向力，該力將拉動轉(zhuǎn)子軸向移動。泵轉(zhuǎn)子上作用的軸向力，主要有以下各分力產(chǎn)生：
1) 葉輪前、后蓋板不對稱產(chǎn)生的軸向力
2) 動反力。
3) 軸臺、軸端等結(jié)構(gòu)因素引起的軸向力。
4) 轉(zhuǎn)子重量引起的軸向力。
5) 其它影響軸向的力。
單級葉輪的軸向力平衡措施
（1）采用雙吸式葉輪使軸向力相互抵消。
（2）開平衡孔或加裝平衡管
（3）采用平衡葉片
2. 計算泵軸上的載荷
1）徑向力Fr =1.797KN
軸向力Fa =4.53KN
扭矩
3. 強(qiáng)度校核
根據(jù)第三強(qiáng)度理論軸頸D按下式計算
取軸的材料為1Cr18Ni9Ti [s ] =45Mpa
4. 確定軸的危險斷面
斷面A端按上述公式計算得
同理得斷面B的軸頸為
由于A、B兩點(diǎn)的軸頸分別為35mm和45mm,故強(qiáng)度滿足要求
5.4離心泵的臨界轉(zhuǎn)速
當(dāng)泵袖的轉(zhuǎn)速逐漸增加并達(dá)到某一數(shù)值時，泵就會猛烈的振動起來，轉(zhuǎn)速低于或高于這一轉(zhuǎn)速時，泵就能平穩(wěn)地工作，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個較高的數(shù)值時，泵又會重復(fù)出現(xiàn)振動現(xiàn)象。通常把泵發(fā)生振動時的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速 nc 。泵發(fā)生振動的臨界轉(zhuǎn)速有好幾個，這些臨界轉(zhuǎn)速由低到高，依次稱為第一臨界轉(zhuǎn)速、第二臨界轉(zhuǎn)速等等。泵的工作轉(zhuǎn)速不能與臨界轉(zhuǎn)速相重合、相接近或成倍數(shù)，否則，將發(fā)生共振現(xiàn)象而使泵遭到破壞。計算泵臨界轉(zhuǎn)速的目的就是為了使泵的工作轉(zhuǎn)速避開臨界轉(zhuǎn)速，以免泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)生振動。 泵的工作轉(zhuǎn)速低于第一臨界轉(zhuǎn)速的軸稱為剛件軸；高于第一臨界轉(zhuǎn)速的軸稱為柔性抽。
通常將單級泵的軸設(shè)計成剛性袖，即系的工作轉(zhuǎn)速低于軸的臨界轉(zhuǎn)速。因為如果把單級泵的鈾設(shè)計成柔性鈾時，每次開車和停車，袖都要通過第一臨界轉(zhuǎn)速而發(fā)生振動，這些振動 會使葉輪密封環(huán)和機(jī)械密封等加速磨損，一般剛性軸的上作轉(zhuǎn)速必須滿足下列關(guān)系：
通常把多級泵的軸設(shè)計成柔性軸較為合理，即泵的工作轉(zhuǎn)速大于第一臨界轉(zhuǎn)速。因如果把多級系的軸設(shè)計成剛性鈾時，軸的直徑增大，輪毅直徑和葉輪入口直徑。也要相應(yīng) 增大，這樣會降低泵的效率和汽蝕性能。
一般來說，泵軸的臨界轉(zhuǎn)速僅與轉(zhuǎn)子質(zhì)量和剛性系數(shù)有關(guān)，與軸的位置形式（如立式 與臥式）無關(guān)。
計算臨界轉(zhuǎn)速是一項很煩瑣的工作，通常用材料力學(xué)中的圖解法求出軸系的靜撓度， 再根據(jù)靜撓度求臨界轉(zhuǎn)速。本次設(shè)計由于時間關(guān)系，不做具體求解。
6 汽蝕現(xiàn)象
汽蝕現(xiàn)象又稱空蝕現(xiàn)象或空泡現(xiàn)象，它是水力機(jī)械及其某些有關(guān)的機(jī)器中特有的現(xiàn)象。 汽蝕的結(jié)果是破壞水力機(jī)械金屬的表面，而這種破壞與液體氣化成氣泡、氣泡再凝結(jié)成液 體的過程相關(guān)，因此稱它為汽蝕或汽蝕現(xiàn)象。
大約在 19 世紀(jì)末，人們在遠(yuǎn)洋輪船的螺旋槳上最先發(fā)現(xiàn)了汽蝕現(xiàn)象。當(dāng)輪船的推進(jìn)機(jī) 械被較高速的螺旋槳所代替時，使用過的螺旋槳上發(fā)現(xiàn)有海綿狀的金屬表面破壞，嚴(yán)重的則將葉斷裂失落。后來，在其他與液體有關(guān)的機(jī)器零件上先后也發(fā)現(xiàn)了類似的破壞現(xiàn)象， 如水泵、水輪機(jī)的葉輪，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及葉輪與殼體的間隙中，均發(fā)生了這種破壞現(xiàn)象。于是 人們開始尋找破壞的原因，發(fā)現(xiàn)在某種情況下，液體在流動過程中連續(xù)性會遭到破壞，在 液體中產(chǎn)生很多氣泡，這些氣泡在稍后的地方又縮小和消失。如果機(jī)器的零部件在液體之 中，氣泡附