华中科技大学离心泵课程设计

课程设计说明书

设计题目：离心泵水力设计

设计参数：流量0.1m3/s，

扬程62m，

转速1450rpm

学生姓名：

学号：

班级：

完成日期：

指导教师（签字）：

能源与动力工程学院

目录

第一章绪论.............................................................................................................................. - 2 -

1.1泵用途........................................................................................................................... - 2 -

1.2泵的分类....................................................................................................................... - 2 -

1.3离心泵主要部件........................................................................................................... - 3 -第二章结构方案确定................................................................................................................ - 4 -

2.1 确定安装高度.............................................................................................................. - 4 -

2.2 确定泵进、出口直径.................................................................................................. - 5 -

2.3 确定效率和功率以及电动机的选择.......................................................................... - 5 -

2.4 功率的确定.................................................................................................................. - 6 -第三章叶轮水力设计.............................................................................................................. - 7 -

3.1 叶轮进口直径D0的确定............................................................................................ - 7 -

3.2确定叶轮出口直径....................................................................................................... - 7 -

3.3确定出口宽度b2.......................................................................................................... - 8 -

3.4确定叶片数................................................................................................................... - 8 -

3.5确定叶片出口角........................................................................................................... - 8 -

3.6确定叶片实际厚度....................................................................................................... - 8 -

3.7用速度系数法确定进出口轴面速度........................................................................... - 8 -

3.8确定叶片出口排挤系数............................................................................................... - 8 -

3.9确定叶片包角φ.......................................................................................................... - 9 -

3.10精算叶轮出口直径D2................................................................................................ - 9 -第四章叶轮的CAD设计 ..................................................................................................... - 10 -

4.1轴面图绘制及过水断面检测..................................................................................... - 10 -

4.2轴面流线的绘制......................................................................................................... - 13 -

4.3进出口边参数的确定：............................................................................................. - 14 -

4.4方网格保角法叶片绘型：......................................................................................... - 16 -第五章压水室的设计............................................................................................................ - 18 -D的确定 ................................................................................................. - 18 -

5.1 基圆直径3

5.2 压水室的进口宽度.................................................................................................... - 18 -

5.3 隔舌安放角和隔舌螺旋角 ........................................................................... - 18 -第六章参考资料.................................................................................................................... - 19 -第七章设计感悟........................................................................................... 错误！未定义书签。

第一章绪论

1.1泵用途

农业灌溉和排涝，城市给水排水；动力工业中锅炉给水泵、强制循环泵、循环水泵、冷凝泵、灰渣泵、疏水泵、燃油泵等；采矿工业的矿山排水泵、水砂充填泵；石油工业中泥浆泵、注水泵、深井才有泵、输油泵、石油炼制泵等；化学工业中耐腐蚀泵、比例泵、计量泵。

1.2泵的分类

泵的定义：通常把提升液体、输送液体和使液体增加压力的机器统称为泵。

分类如下：

（1）叶片泵：利用叶片和液体相互作用来输送液体，如离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵等。

（2）容积泵：利用工作容积周期性变化来输送液体，如活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、齿轮泵、螺杆泵等。

（3）其它类型泵：只改变液体位能的泵，如水车；或利用流体能量来输送液体的泵，如射流泵、水锤泵等。

m/3，扬程在8~2800m范围内使用离心泵比较合适。

流量在5~20000h

泵的优缺点：

优点：效率高、体积小、重量轻、转速高、流量大、结构简单、性能平稳、容易操作和维修等。

缺点：启动前需要灌泵、液体粘度对泵性能有较大影响，如下图1-1所示。

图1-1离心泵输送清水的粘度极限

1.3离心泵主要部件

[][][][][]

[]

?

?????

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?

?、联轴器等主要零部件

、轴承体、托架、支架离心泵还有泵轴、中段衡鼓。多级泵采用平衡盘或平，级泵用平衡孔或平衡管平衡产生了轴向力，单：作用在转子上的力不轴向力平衡机构浮动环密封。填料密封、机械密封和内；有骨架橡胶密封、泵外和防止空气进入泵液体流出有轴封机构，减少压力转泵轴和固定泵体之间：泵轴伸出泵体处，旋轴封机构。体密封环和叶轮密封环—泵

—环上分别安装了两个密封压区流动。泵体和叶轮为减少高压区液体向低密封环叶片式导叶。叶、流道式导叶和扭曲螺旋形、环形、径向导一部分动能变为压能；轮，顺便将的引至吐出口或次级叶流出的液体收集，均匀：以最小损失将叶轮中压出室。环形、半螺旋形吸入式匀进入叶轮；锥形、圆：使液体以最小损失均吸入室（很少用）。式、半开式和开式叶轮成；分为闭、后盖板、叶片轮毂组体的零件；一般前盖板将原动机能量传递给液离心泵::叶轮

第二章 结构方案确定

2.1 确定安装高度

本次设计的泵叶轮参数为比转速ns=75.75，流量Q=0.1m 3/s ，扬程H=62m 。

根据比转速选择设计为单机单吸离心泵。

由于比转速为75.75，由比转速和转速关系公式：

4

/365.3H Q n n s =

计算得到转速n=1450r/min 。

所给参数中没有给定空化余量NPSHr 的值以及空化比转速C 的值，故只能利用公式Δhr=

计算有关值。

查叶片泵设计手册的表和推荐公式可初选得： “单吸泵”的空化系数σ=6-3

410216?s n =6-341075.75216??=0.0692。 而Δhr==4.292m ，C=

=1007.45。

由于

，故可确定为兼顾空化和效率的离心泵。

同时可以计算给出泵的安装高度： 取NPSHa=1.3NPSHr=5.58m ，常温下清水的

=0.24，吸入液面压力等于

大气压力，根据经验，设吸入装置损失hc=0.5m ，则Hs=

=10.33-0.5-0.24-5.58=4.01m 。

2.2 确定泵进、出口直径

根据水力机械现代设计方法离心泵叶轮设计范例，吸入口直径Ds由进

口流速(经济流速)决定，，由于要满足气蚀要求，初选2—3.5 m/s 试初选选泵的进口流速m/s。

则有206mm，根据规范手册要求，取Ds=205mm。

泵出口直径：Dd=（0.7~1.0）Ds，取Dd=144mm，即取Dd=0.702Ds。

泵进口速度： 3.03m/s

泵出口速度： 6.14m/s。

2.3 确定效率和功率以及电动机的选择

1）估算水力效率：

0.884，取0.88.

式中Q为泵的流量（m*3/s）（双吸泵取Q/2），n为泵的转速（r/min）2）估算容积效率：

0.963,取=0.96.

该容积效率只为考虑叶轮前密封环的泄漏，对于有平衡孔、级间泄漏和平衡盘泄漏的情况，容积效率还要相应降低。

3）估算机械效率：

圆盘损失效率0.903

取0.90

由于要考虑轴承和填料损失的效率，故假定轴承、填料损失为2%，则

有最终机械效率0.88。

4）计算泵的总效率：

0.74。

2.4 功率的确定

1）轴功率：78.909

配套电机功率=1.3 78.909=102.582kw，查《机械设计课程设

计》附表9-1选用电动机，选用Y315S-4 型电动机。其参数为同步转数为1500r/min，满载转数为1480 r/min,额定功率为110 kw，可满足设计要求。 2）最小轴径的确定：

泵轴的直径应按其承受的外载荷（拉、压、弯、扭）和刚度及临界转速条件确定。因为扭矩是泵轴最主要的载荷，所以在开始设计时，可按扭矩确定泵轴的最小直径，最小直径一般位于联轴节处。

电动机实际扭矩675.63N·m，

取Kg/m2。（为泵轴材料的许用应力）

则，最小轴径为40.07mm

按计算误差估计可圆整为40，可选取为45的轴径，保证安全。

第三章 叶轮水力设计

3.1 叶轮进口直径D 0的确定

1)求0V

002V V K gH ,查《泵产品设计规程》图1-1-15得0V K =0.12

4.18m/s

2）求通过叶轮的流量'Q

流过叶轮的流量 0.104m 3/s 。

3）求叶轮进口直径0D

164mm （查《泵产品设计规程》图1-1-15得

K 0=4.0）取该值为叶轮进口直径，即D 0=164mm 。 （由于是单级单吸泵，所以轮毂直径

0mm ）。

3.2确定叶轮出口直径

由速度系数法得到

(查图知，0.98)。

叶轮出口直径：

449.97mm ，圆整取

450mm

3.3确定出口宽度b2

根据水力机械现代设计方法泵设计范例，由经验公式：

20.66mm,其中，圆整取22mm。

3.4确定叶片数

当比转速为60-120时，取Z=6-7，根据经验，暂取Z=7。

3.5确定叶片出口角

=22.5°。

根据实际情况，一般取叶片出口角为β

2

3.6确定叶片实际厚度

叶片实际厚度 5.44mm（查表,再利用线性插值法取A=3.315），取整得6mm。

3.7用速度系数法确定进出口轴面速度

4.88m/s，查图知

3.834m/s，查图知

3.8确定叶片出口排挤系数

0.9224

3.9确定叶片包角φ

根据设计经验，初步选择包角为120°。

3.10精算叶轮出口直径D2

及叶片出口安放角对泵的性能影响很大，尤其是在设计由于叶轮外径D

2

流量下能否达到要求的扬程是一个重要问题。用速度系数法确定时，稀疏的

选取时按一般情况确定的，有一定的近似性。基本方程为主的精确计算和

是必要的。

精算公式为：

根据原先设想，由于吸入室选择为直锥型入口，故有。

其中取为前知的0.88，，。

取0.62，0.8525。

利用初步设定的数据画出轴面图，利用制图CAD软件将中心线分为11段，并求出弧长值ΔSi，取每段中点，得到ri，从而得到静力矩：

0.0291

将数据带入得到第一次精算，将此数据带入得到：

447.12mm

与初步计算的数据误差为0.67%，小于2%，可以选用，但是为了保险起见，进行再次精算：

0.9218， 3.653m/s，

∴443.37mm，与前一次相差0.84%。

同理可得，第三次精算得到443.44mm，差别不大，取444mm。

最终结果：444mm，β

=22.5°。

2

计算截图如下：

第四章叶轮的CAD设计

4.1轴面图绘制及过水断面检测

利用上面所得到的数据，初步设计出叶轮的轴面图如下：

设计之后对其进行过流断面检测：

方法是在流道中作许多个内切圆，以内切圆的圆心向前后盖板流线作垂线，连接A、B两点，形成三角形ABO，然后过O点作AB垂线并将其三分，如上图所示。

作圆弧AEB与AO、BO相切，长度为bi，作为过水断面形成线，C点作为过水断面中心，半径Rc。成型后如下图所示：

过水断面的面积，做出每一个断面的面积随过水断面中心线长度变化的趋势即可。

计算结果如下图：

用MATLAB绘制出相应的过水断面检测图：

图形成平缓上升趋势，属于高效率的曲线，符合要求，故可采用。

4.2轴面流线的绘制

采用的方法是将过水断面分为两个流道，并且两个流道的过水断面面积相

等。具体的做法是：

算，其中n——所分流道数

i——从轴线侧算起欲求的流线序号（不包括前后盖板流线）

此处57mm。

然后从出口便开始，用与“过水断面检测”相同的方法用小内切圆分流道，并且是两个流道过水断面面积相等，如图所示：

如果两个内切圆所在的过水断面面积不相等，则需继续调整，知道两个过水断面面积差别在3%以内时才行，最终结果如上图所示。

4.3进出口边参数的确定：

进口参数：

在轴面流线上初步确定叶片的进口边，分别与前盖板流线、中间流线。后盖板流线交于A、B、C三点。如下图所示：

分别过A、B、C三点作过水断面形成线，可以得出：

进口直径D1a/mm 165.540

进口直径D1b/mm 119.417

进口直径D1c/mm 79.445

由此可得，进口圆周速度：

进口u1a/(m/s) 12.56

进口u1b/(m/s) 9.06

进口u1c/(m/s) 6.03

在图中可以求出A、B、C三点对应的过水断面面积

进口轴面速度为：，而进口角β1a'可以由公式：

得到，进口角，是进口冲角，一般采用正冲角，大小在3°~15°之间。

出口参数：

叶轮的出口圆周速度为：33.69m/s

理论扬程为：70.45m。

出口圆周分速度为：20.49 m/s。

根据公式，无穷叶片数的理论扬程为：

84.97m。

无穷叶片数的出口圆周分速度为：24.71m/s。

4.4方网格保角法叶片绘型：

保角变换是将流面展开成平面的方法，本次设计中采用网格法保角变换具体步骤如下：

在轴面投影图旁画两条夹角等于6°的射线，作两条射线表示夹角为6°的两个轴面。从出口开始，沿轴面流线试取长度Δs，若Δs中点对应的两射线间的弧长Δu与Δs相等，则往下继续取；若不相等，则调整后再算。（注意：Δs是流线的长度，而不是射线段之间的垂直长度）。

具体过程如图：

按照顺序，从出口边开始，分别对前盖板流线，中间流线和后盖板流线进行分割，得到如上图所示的结果，过程中可以根据相应的数据列出方程帮助计算：

出口边编号为0，依次往下编号，对应网格图中的横线，竖线为包角的角度，将流面图展开成平面图如图：

第五章压水室的设计

压水室是指叶轮出口到泵出口法兰（对节段式多级泵是到次级叶轮出口前，对水平中开水泵则是到过渡流道之前）的过渡部分。设计压水室的原则：

1、水力损失最小，并保证液体在压水室中的流动是轴对称的,以保证叶轮中的流动稳定；

2、在能量转换过程中，轴对称流动不被破坏；

3、消除叶轮的出口速度环量，即进入第二级叶轮之前，速度环量等于0。

4、设计工况，流入液体无撞击损失。

5、因流出叶轮的流体速度越大，压出室的损失hf越大，对低ns尤甚，因此对低ns泵，加大过流面积，减小损失hf。

在水力方面，螺旋形压水室的流动比较理想，适应性强，高效率范围宽。本次设计采用螺旋形压水室。

5.1 基圆直径

D的确定

3

，因此取整数460mm。

5.2 压水室的进口宽度

+

b+

=2

C

S

b

==44 mm （查资料知一般取C=10mm）3

2

5.3 隔舌安放角和隔舌螺旋角

由和的关系查表得，此处隔舌安放角大小为16°。

隔舌螺旋角应该等于叶轮出口稍后的绝对液流角，即

而由前所知20.49m/s， 3.686m/s，∴10.2°。

第六章参考资料

[1]《叶片泵设计》.华中科技大学水机教研室.武汉：华中科技大学出版社

[2]《离心泵》.陈乃香吴玉林.北京：机械工业出版社，2003:105-143

[3]《水力机械现代设计方法》.孙建平.武汉：华中科技大学出版社

[4]《流体机械原理》.张克危.北京.机械工业出版社

[5]《泵与风机》.郭立君.北京.中国电力出版社