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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)2007屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選集 幾種單級(jí)化工離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)電工程學(xué)院：王世乾 指導(dǎo)教師：王洪祥 摘 要：在化工業(yè)中，參與反應(yīng)的原料、中間產(chǎn)品經(jīng)常是流體，輸送各種流體的泵，被稱為化工廠的心臟。現(xiàn)代化工裝置發(fā)展飛速，對(duì)泵的要求也相應(yīng)地越來越高。本文對(duì)離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理論進(jìn)行了概述，根據(jù)給定參數(shù)，以磁力化工離心泵為例，采用速度系數(shù)法對(duì)葉輪和壓出室進(jìn)行了水力設(shè)計(jì)，并根據(jù)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)磁力離心泵進(jìn)行了徑向力和軸向力的平衡計(jì)算、鍵連接強(qiáng)度校核、汽蝕余量計(jì)算等工作。完成了磁力離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算工作，并設(shè)計(jì)了四種結(jié)構(gòu)不同的化工離心泵。 關(guān)鍵詞：離心泵；速度

2、系數(shù)法；葉輪；壓出室；汽蝕余量 Abstract：In chemical industry, the raw materials and semifinished products in reactions are mostly of liquid, while the pumps carrying them are called as the heart of a chemical factory. Today, the modern chemical equipments are developing at a very fast speed, and their demand on p

3、umps becomes higher and higher. In this thesis, the basic structure design theory of centrifugal pumps is reviewed, and according to the given parameters, the whole design and calculation work is done, with the magnetic chemical centrifugal pump as an example. The impeller and volute casing are desi

4、gned using the speed coefficient method. Basing on the designed structure, some forward and checking computations are carried out, including the axial and radial force balance computations, the key link strength check, the vapor corrosion allowance calculation, and so on. In this graduation design,

5、the total design and computation work of the magnetic chemical centrifugal pump is fulfilled, and four assemblage drawings of centrifugal pumps of different types are finished. Key words：Centrifugal pump speed coefficient method impeller volute casing vapor corrosion allowance 1 引 言 化工離心泵在石

6、油、化工、制藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，這是由于其具有性能適用性高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、流量均勻、壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)。磁力驅(qū)動(dòng)離心泵(簡(jiǎn)稱磁力泵)是將永磁聯(lián)軸器的工作原理應(yīng)用于離心泵的新產(chǎn)品，磁力傳動(dòng)密封具有全密封特點(diǎn)，是采用一對(duì)永磁聯(lián)軸器將電機(jī)力矩透過隔板和間隙傳遞給一個(gè)密封容器內(nèi)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無接觸、無軸封，工作可靠、壽命長(zhǎng)，減少了環(huán)境污染，比機(jī)械密封具有更加廣闊的應(yīng)用前景。本文的研究和設(shè)計(jì)任務(wù)主要有：設(shè)計(jì)四種基本工況參數(shù)相同、結(jié)構(gòu)不同的離心泵，并繪制其裝配圖；對(duì)磁力離心泵進(jìn)行完整的水力設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。 2 磁力離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理論 到目前為止，

7、工程上實(shí)用的離心泵水力設(shè)計(jì)方法主要有：模型換算法，速度系數(shù)法，面積比原理，自由旋渦理論等。本文采用速度系數(shù)法對(duì)離心泵進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，速度系數(shù)法又稱設(shè)計(jì)系數(shù)法，其實(shí)質(zhì)也是一種相似設(shè)計(jì)法，所不同的是模型換算法是以一臺(tái)模型泵為基礎(chǔ)。在文獻(xiàn)[3]中，Stepanoff專門用一章的篇幅詳細(xì)討論了比速和設(shè)計(jì)系數(shù)之間的關(guān)系，在統(tǒng)計(jì)大量實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上提出了著名的Stepanoff速度圖。國(guó)內(nèi)90年代初，張俊達(dá)[4]和何希杰[5]等對(duì)近年來的優(yōu)秀模型進(jìn)行了重新統(tǒng)計(jì)，提出了一些系數(shù)和規(guī)律。 2.2 磁力離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 泵的主要參數(shù)給定如下： 流量： Q=50m3/h=0.014m3/s 揚(yáng)程：

8、 H＝20m 轉(zhuǎn)速： n=2900rpm 比轉(zhuǎn)速： ns=130 1. 泵效率的估算和原動(dòng)機(jī)的選擇 根據(jù)有關(guān)資料，估得泵水力效率為0.85，容積效率為0.97，機(jī)械效率為0.95，則總效率=0.79， 進(jìn)而可得泵軸功率為P=3.4kW, 計(jì)算功率Pj =4.05kW, 選額定功率為5.5kw，轉(zhuǎn)速為2900rpm，效率為85.5%的電動(dòng)機(jī)，即為：Y132S1-2 電動(dòng)機(jī)。 2. 泵軸軸徑和輪轂直徑計(jì)算 根據(jù)泵軸材料，力學(xué)參數(shù)，初步給定泵軸直徑d=20mm, 輪轂直徑dh =30mm。 3. 葉輪的水力設(shè)計(jì)計(jì)算 查文獻(xiàn)[9]和經(jīng)計(jì)算得，葉輪進(jìn)口流速v0=3.47mm，葉

9、輪進(jìn)口直徑Dj=80mm，葉輪葉片數(shù)Z=6，葉片出口安放角=30，葉輪外徑D2=138mm，葉片厚度S=2mm，葉輪出口軸面速度vm2=2.77m/s，葉輪出口寬度b2=13mm。 根據(jù)求出的尺寸D2、 b2、Dj和dh，參考相近的ns的葉輪圖紙，繪制葉輪的軸面投影圖，如圖2-1所示。葉輪為了得到較好的抗汽蝕性能，使進(jìn)口邊處液流過流斷面面積比葉輪進(jìn)口有效面積大1.1~2.5倍，在本設(shè)計(jì)中為1.46倍。作圖表和曲線檢查軸面液流過流斷面面積變化，如表2-1和圖2-2所示。可以看出，軸面液流過流斷面面積變化曲線接近直線，變化較為均勻，有利于降低水力損失。 表2-1葉輪軸面液流過流斷面面積變化表

10、 位置 1 2 3 4 5 L(mm) 0 17.228 32.106 44.47 54.192 b(mm) 21.16 22.703 16.504 14.133 13 Rc (mm) 27.559 34.479 48.046 59.568 69 A (mm2) 4354 4915 4980 5279 5633 圖2-1 葉輪的軸面投影圖 圖2-2 軸面液流過流斷面面積變化 葉輪流線b-b的w-L曲線和vu?r-L驗(yàn)算表和曲線分別如表2-2和圖2-3所示，表2-2是經(jīng)過簡(jiǎn)化的流線驗(yàn)算表

11、，其它流線從略。從驗(yàn)算曲線可以看出，兩條曲線彎曲的不厲害，沒有極大極小值出現(xiàn)，而是直線或接近直線，說明之前的葉輪的設(shè)計(jì)合理。 表2-2 b-b流線檢驗(yàn)計(jì)算表 軸面 單位 0 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ Δl mm 0 2.877 3.314 3.543 3.736 4.287 5.436 6.341 6.351 β/ 度 23 23 23 23.2 26.5 29.6 30 30 30 ΔL= Δl/ sinβ/ mm 0 7.36 8.48 8.99 8.43 8.68 10.87 12.68 1

12、2.7 L=ΣΔL mm 0 7.36 15.84 24.83 33.26 41.94 52.81 65.49 78.19 λ/ 度 66.5 77.2 83 86.2 85.3 86 88.5 88.6 90.4 φ 度 21.3 22.5 22.8 23.2 26.4 29.5 29.99 29.99 30 S mm 1 1.5 2.2 2.4 3 3 3 3 3 r mm 35.727 37.979 40.797 43.055 46.65 50.883 56.313 62.651

13、 69 w= vm/sinβ/ m/s 8.14 7.78 7.63 7.74 7.4 6.8 6.42 6.08 5.94 vu= u- vm/ tanβ/ m/s 3.34 4.37 4.44 8.83 7.02 9.95 11.53 13.76 15.796 vur m2/s 0.12 0.17 0.19 0.235 0.33 0.51 0.65 0.86 1.09 圖2-3 b-b的檢驗(yàn)曲線圖 4. 壓出室的設(shè)計(jì) 離心泵的壓出室是指葉輪出口法蘭盤至離心泵出口法蘭盤的過流部分。 先進(jìn)行蝸形體的計(jì)算，查文

14、獻(xiàn)[9]和經(jīng)計(jì)算得，蝸形體基圓直徑D3=150mm，蝸形體進(jìn)口寬度b3=20mm，蝸形體隔舌的舌角=15，隔舌起始角=22，然后計(jì)算蝸形體各個(gè)斷面面積，再設(shè)計(jì)計(jì)算擴(kuò)散管的尺寸。蝸形體斷面面積計(jì)算示意圖如圖2-4所示，蝸形體各斷面尺寸如圖2-5所示，蝸形體平面圖如圖2-6所示。 5. 磁力聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體情況，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的材料選用銣鐵硼，它的性能參數(shù)如下：剩余磁感性強(qiáng)度：Br(Gs)=10500～11500，磁感應(yīng)矯頑力：Hc(Oe)=8000～10000，最大磁能積：BHmax=24～27(106)，居里點(diǎn)：310。確定內(nèi)、外磁鋼的尺寸的原則：已知磁鋼厚度，則它的寬度為2～3

15、倍的厚度，長(zhǎng)度為3～ 圖2-4 蝸形體斷面面積計(jì)算示意圖 圖2-5 蝸形體各斷面 圖2-6 蝸形體平面圖 5倍的厚度，所以可知磁塊尺寸為：寬12mm，厚6mm，長(zhǎng)28.6mm，平均直徑109mm，總間隙6.1mm，內(nèi)外磁鋼的數(shù)目為12個(gè)，即m=12均勻分。經(jīng)扭矩驗(yàn)算，所設(shè)計(jì)的磁力聯(lián)軸器滿足扭矩要求。 6. 滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì) 根據(jù)文獻(xiàn)[12]等，以及已經(jīng)設(shè)計(jì)的泵的結(jié)構(gòu)尺寸，取滑動(dòng)軸承長(zhǎng)度L=55mm，壁厚bb=9.8mm，間隙為0.2mm。 2.3 磁力離心泵的其它校核與計(jì)算 本文針對(duì)磁力離心泵進(jìn)行了其他相關(guān)計(jì)算，主要有

16、： 1. 徑向力與軸向力的計(jì)算 當(dāng)離心泵工作在偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，蝸室各斷面中的壓力不相等，液體作用于葉輪出口處的圓周面上的壓力也各不相等，導(dǎo)致徑向力的產(chǎn)生。經(jīng)計(jì)算，徑向力FR=13.5N，可見此力較小，可不采取平衡措施。 在單吸離心式葉輪的吸入口處，后蓋板的前側(cè)面受吸入壓力的作用，而其后側(cè)面受高壓的作用。此外，由于兩側(cè)密封泄漏不相等的各種影響，葉輪兩蓋板上的液體壓力分布情況也不相同。因此液體作用于葉輪上的力是不平衡的，于是產(chǎn)生作用在葉輪上的軸向力F1。此力與軸平行，從后蓋板指向葉輪進(jìn)口。液體流入葉輪進(jìn)口及從葉輪出口流出的速度大小及方向均不相同。因此，在葉輪上作用著一個(gè)動(dòng)反力F2，此力也是

17、軸向的，但與F1的方向相反。經(jīng)計(jì)算，軸向力Fa=F1-F2=77.6N，采取平衡孔進(jìn)行平衡。 2. 鍵鏈接的強(qiáng)度校核 經(jīng)驗(yàn)算，泵軸上所使用的鍵均滿足強(qiáng)度要求。 3. 汽蝕余量 泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中，若其過流部分的局部區(qū)域(如葉輪葉片進(jìn)口稍后的某處)。液體的絕對(duì)壓力下降到所抽送液體當(dāng)時(shí)溫度下的汽化壓力時(shí)，液體便在該處開始汽化，形成汽泡(汽泡內(nèi)部的壓力約等于汽化壓力)。這些汽泡隨液流向前運(yùn)動(dòng)至高壓區(qū)時(shí)，汽泡周圍的高壓液體使汽泡急劇地縮小以至凝結(jié)，在汽泡消失的同時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)以高速(由于汽泡破裂)填充空穴，發(fā)生互相撞擊而形成強(qiáng)烈的水擊，使過流部件受到腐蝕和破環(huán)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，這種水擊可使局部壓力高達(dá)50

18、MPa。上述過程稱為汽蝕。汽蝕導(dǎo)致噪音和振動(dòng)，破壞過流部件，使泵性能下降。本文取泵汽蝕余量為2.85m。 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)所研究的是生產(chǎn)實(shí)際問題，即化工離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文按照一般的機(jī)械設(shè)計(jì)步驟，通過對(duì)現(xiàn)有資料和理論的研究及市場(chǎng)調(diào)查，設(shè)計(jì)出四種不同結(jié)構(gòu)的離心泵，并針對(duì)磁力離心泵進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，本文主要完成以下幾方面的工作： (1)用速度系數(shù)法確定葉輪的基本尺寸。根據(jù)求出的葉輪尺寸參考ns相近的葉輪圖紙繪制葉輪的軸面投影圖，并且進(jìn)行了軸面液流過流斷面面積的變化進(jìn)行檢驗(yàn)校核。 (2)對(duì)離心泵的壓出室進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定它的基本參數(shù)和水力尺寸。 (3)計(jì)算徑向力和軸向力，并對(duì)它們進(jìn)行平衡，本

19、文所設(shè)計(jì)的泵，均采用平衡孔來平衡軸向力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 (4)所設(shè)計(jì)的磁力離心泵采用磁力聯(lián)軸器，使設(shè)計(jì)的離心泵達(dá)到了完全密封的效果，很好的解決了以往離心泵所出現(xiàn)的泄露問題。 (5)采用相似的基本參數(shù)，設(shè)計(jì)了四種結(jié)構(gòu)不同的離心泵，并繪制了相應(yīng)的裝配圖。 由于泵的水力設(shè)計(jì)和磁力聯(lián)軸器的完全分析和計(jì)算是非常的復(fù)雜的，加之某些條件的局限，本文對(duì)離心泵設(shè)計(jì)計(jì)算的分析還不是很全面，還有很多有意義的方向值得大家研究和攻關(guān)。 參考文獻(xiàn) 1 沈陽(yáng)離心泵研究所，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院. 葉片泵設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983，42-540 2 Stepanoff A J. Centrifugal and Axial Flow Pumps. 2nd. New York: John Wiley& Sons/ Inc, 1957 3 李多民. 磁力傳動(dòng)泵密封套的設(shè)計(jì)計(jì)算. 水泵技術(shù)，1996, 10-12 139 - -