C200125480单级双吸中开式离心泵设计毕业设计.doc

毕业设计说明书学 院： 机 电 工 程 学 院 专业年级： 2009级热能与动力工程 学生姓名: 学 号: 设计(论文)题目： C200-125-480单级双吸中开式离心泵设计 起 迄 日 期: 指 导 教 师: 教研室负责人: 日期: 2013年2 月23日摘 要本设计是根据给定设计参数完成NSC125-200-480双吸离心泵水力及结构设计。主要包括叶轮、蜗壳、吸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型。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，并进行绘型。同样对吸水室进行水力设计计算并绘型。最后对双吸泵进行结构设计，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：双吸泵、叶轮、蜗壳、水力设计、结构设计AbstractAccording to the design parameters at the given point, this paper accomplished the design of the double-suction 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 double-suction pump was designed and assembly drawing component graphics were drew. In addition, this program has been checked strength of the pump shaft.【Key words】：double-suction pumps；impeller；volute casing；hydraulic design；structural designTitle: NSC200-125-480 level in the open double suction pump目 录摘 要21 引言52 泵结构简要说明53 泵的水力设计53.1结构方案选择53.2估算泵的效率73.3 泵的理论扬程和流量为83.4 功率的计算83.5 联轴器处轴颈的初步确定及轴结构的草图绘制94叶轮主要尺寸的确定 （ 相似换算法）114.1按设计泵的参数要求计算比转114.2 选择模式泵114.3 求尺寸系数114.3计算设计泵的尺寸124.4 计算设计泵的性能曲线124.5 相似换算的效率修正124.6 相似换算的模型修改124.7压水室的设计134.8吸水室设计145 泵的整体结构设计165.1技术设计总图初定165.2 泵轴的结构设计165.3 装配图轮廓尺寸的的初定165.4主要零件的选择166 泵的强度计算176.1 轴的强度计算（强度、刚度以及临界转速的计算）176.2 壳体的强度计算（泵体和泵盖的璧厚计算）186.3 叶轮的强度计算226.4 泵盖连接螺栓的强度计算246.5 联轴器的强度计算256.6 叶轮处键的强度计算256.7 轴承的强度计算（寿命计算）26结 论27致 谢28参 考 文 献291 引言中开泵主要适用于自来水厂、建筑供水、灌溉、排水泵站、电站、工业供水系统等输送液体的场合，具有性能稳定、高效节能、应用范围广、效率高、流量大、维修方便等优点。所以对于中开泵再设计上创新具有不可估量的意义。本课题的任务是泵性能设计（水力流道尺寸设计）、泵壳体结构设计及强度计算、轴结构设计及强度计算、轴承部件的设计（轴承选用、润滑方式的确定、轴承寿命计算）、轴密封装置的设计、泵和原动机的联接方式及联接设备的选用、联接件（如键、螺纹等）的强度计算等等。2 泵结构简要说明中开泵（中开式循环）又称之为单级双吸式离心泵，其结构的确定即：是悬臂还是双支承式的；是分段的还是水平中开的。根据公司要求，本设计采用单级双吸水平中开结构，半螺旋型吸水室，螺旋型压水室。3 泵的水力设计3.1结构方案选择（1） 水平中开双吸泵设计采用电动机与泵用联轴器相连。（2） 确定泵比转速，确定泵的水力方案 在确定比转速时应该考虑下列因素：1=120210的区间，泵的效率最高，2) 采用单吸式过大时，可考虑采用双吸式；反之，采用双吸式过小时，应改用单吸式。3) 泵特性曲线也和大小有关。4) 比转速和泵的级数有关，级数越多，卧式泵一般不超过十级，立式深井泵和潜水泵级数多达几十级。5) 比转速一般按下列公式计算 （3）泵的进口直径D 及速度泵吸入口径。泵吸入口直径由合理流速确定。泵吸入口流速一般为3m/s左右，但从制造方法考虑，大型泵的流速取大一些，以减少泵的体积，提高过流能力；但为了提高泵的抗汽蚀性能，应减少吸入流速。泵排出口径。对于低扬程泵，可取与吸入口径相同，而对于高扬程泵，为减少泵的体积和排出口直径，可使排出口径小于吸入口径，一般取 式中： 泵排出口直径； 泵吸入口直径；泵吸入口径和流速、流量的关系如下表3.1.表3.1 泵吸入口径和流速、流量的关系吸入口进mm40506580100150200250300400单级 泵 2550100180300500多级泵2546851552804507201500进口直径按下列公式确定。 取 求得 最终确定的泵的吸入口和排出口直径，应该符合标准直径。根据本次设计给定泵的型号,取200mm泵出口直径根据用户要求取泵进口速度泵出口速度3.2估算泵的效率（1） 水力效率水力效率按下列公式计算 （2） 容积效率容积效率按下列公式计算 （3）机械效率（4）泵的总效率=3.3 泵的理论扬程和流量为3.4 功率的计算（1） 泵的功率：（2） 原动机功率： 式中k-余量系数，可按表1选择； -传动效率，可按表2选择。表3.2 离心泵功率余量系数k泵的功率P/W电动机k汽轮机kP151.251.115551.151.1P1.101.1表 3.3 泵传动装置效率 传动方式直联传动平皮带传动齿轮传动蜗杆传动三角皮带传动1.00.950.90.970.70.90.92取110kw选取电动机根据电机资料选取Y系列（IP44）三相异步电动机型号为 Y315S-4，功率110kw 同步转速为1480r/min。3.5 联轴器处轴颈的初步确定及轴结构的草图绘制（1）扭矩的计算。（2）轴径和轮毂直径 泵的直径应按其承受的外载荷和刚度及临界转速条件确定。因为转矩是泵轴最主要的载荷，所以在开始设计时，可按转矩确定泵的最小直径。同时应根据所设计泵的具体情况，考虑影响刚度和临界转速的大概因素，可对初算的轴径做适当的修改，并圆整到标准直径。待泵转子设计完成后，再对轴的强度、刚度和临界转速进行详细的校核。按扭矩计算泵轴直径的公式为_材料的许用切应力，由表3查取。其值的大小决定轴的粗细，轴细可以节省材料，提高叶轮水力和气蚀性能；轴粗能增强泵的刚度，提高运行可靠性。表3 .4泵轴常用材料的许用切应力材料热处理要求/M用途35正火处理34.344.1一般单级泵45调质处理HB=24128644.153.9一般单级泵40调质处理HB=24130263.773.5大功率高压泵313调质处理HB=26928653.968.7耐腐蚀泵35调质处理HB=24128568.778.5高温泵d取标准直径等于45mm 图1 轴草图（4）轴封结构的选择在泵轴伸出泵体处，旋转的泵轴和固定的泵体之间有轴封机构。离心泵的轴封机构有两个作用：减少有压力的液体流出泵外和防止空气进入泵内。离心泵中常用的轴封机构有四种结构型式：有骨架的橡胶密封、填料密封、机械密封和浮动环密封，本设计采用填料密封。（5）轴承的选择轴承分为两大类：滑动轴承、滚动轴承。水平中开双吸离心泵的轴向力几乎为零，故选用滑动轴承。（6）联轴器的选择泵常用的联轴器有两种：爪型弹性联轴器、柱销联轴器。本设计采用爪型弹性联轴器，它的优点是体积小、重量轻、结构简单、便于加工制造、安装方便。4叶轮主要尺寸的确定 （ 相似换算法）4.1按设计泵的参数要求计算比转 前面已经算出=454.2 选择模式泵 对模式泵的要求是： 1)模型泵的与设计泵的相等或相近。 2)模型泵性能优良，特性曲线形状符合设计泵要求。 3)模型泵技术资料齐全可靠。 4)为了不失去相似性，希望实行泵和模型泵的雷诺数之比=1.01.5的范围内。4.3 求尺寸系数由相似定律，假定模型泵和实行泵的容积效率、水力效率相等则由以下公式可以计算尺寸系数和。 这里一直模型泵流量Q=1300，扬程H=180m,n=1450, ，且符合相似换算条件。所以 4.3计算设计泵的尺寸把模型泵过流部分的各尺寸乘以尺寸系数较大者或平均值或平均值，就可以得到设计泵的过流部分的相应尺寸，设计泵的叶片角等于模型泵的相应角度，即叶片厚度也可以按照上式计算，有时可能太大、有时可能太小，此时可以根据工艺、强度等条件确定。计算、确定出设计泵的各几何尺寸后，即可绘制出设计泵的过流部分图纸。在这里取=0.650则 4.4 计算设计泵的性能曲线在模型泵性能曲线取上若干个点，按相似理论换算成设计泵的相应点的参数，绘制相应的性能曲线。4.5 相似换算的效率修正在相似设计中一般认为模型泵和实型泵的效率相等，实际上由于大尺寸和小尺寸泵的流道相对粗糙度、相对间隙和叶片相对厚度等不同，水利效率、容积效率比小泵高、机械效率也稍高些。所以当相似泵的尺寸相差较大时，应考虑尺寸效应的修正。4.6 相似换算的模型修改如现有的模型泵与设计泵的不同，相差不是很多时，可以对模型泵加以修正，从而改变模型泵的性能参数，使模型泵的与设计泵的相等，然后按修改的模型泵尺寸和性能进行进行相似换算。4.7压水室的设计压水室的作用是以最小的损失将从叶轮中流出的高速液体收集起来，引向次级叶轮或引向吐出口，同时还将液体的一部分动能变为压能。螺旋形涡室的计算步骤1）基圆 基圆 可按下式计算： 2）涡室进口宽度 3）涡室隔舌安放角 4060801301802202803604）涡室断面面积的计算其中可按下式计算涡室最大断面面积（即第八断面）由于液体是从叶轮均匀流出的，故涡室各断面面积也均匀变化，可按下式分别计算各断面的面积： 5）扩散管液体离开涡室后进入扩散管，在扩散管中，一部分动能变为压能。扩散管末端为泵的出口，一般与吐出管路相连接。为了尽量减少在扩散时的水力损失，扩散管的角度一般取610度。4.8吸水室设计吸水室的作用是将吸入管路中得液体以最小的损失均匀地引向叶轮。本设计离心泵的吸水室采用半螺旋形吸水室，半螺旋形吸水室的优点是液体进入叶轮时流动情况比较好，速度比较均匀，但液体进入叶轮前已有预旋，多少要降低离心泵的扬程，对比转速较小的泵的影响不太明显，对比转速较大的泵的影响就很显著。（1） 确定吸入口径（2） 确定08断面的液体平均流速，该流速按下列公式计算叶轮进口流速。（3） 确定08断面面积（4） 对双吸泵为：（5） 依次确定各断面面积，各断面面积为： 5 泵的整体结构设计5.1技术设计总图初定在水力设计完成之后（包括吸水室，压水室等有关尺寸有相关尺寸需要与装配图配合起来设计之外）,应该进行装配图的总体设计，包括泵的布置形式，零件结构，零件型号选择等，比较立式，卧式两种布置形式的泵体结构，为了结构简单，便于机组的拆装，检修，采用卧式布置。5.2 泵轴的结构设计在设计泵的结构时，应该首先考虑泵轴的结构设计，由于泵轴上所装零件的不同就决定了泵轴的不同的轴颈系列，同时考虑到槽倒圆，倒角等。同时，轴的轴向尺寸是由零件装配尺寸，以及零部件之间所需间隙尺寸所决定的。因此泵轴的设计只能是先确定轴的径向尺寸。5.3 装配图轮廓尺寸的的初定装配图的大体轮廓，需要定出轮廓线，叶轮中心线，叶轮流道，压水室断面，吸水室断面，加上泵体壁厚，叶轮盖板的厚度。具体尺寸参数见总装图。5.4主要零件的选择对照设计装配图，选择一些主要零件如下所示，但是选择的零件主要针对标准件，及重要非标准件，其余零件可参照总装图：1）根据泵体及叶轮木模图进行总装方案设计画总装图（确定各零件的相对位置、壳体结构设计、轴结构设计、轴密封装置尺寸确定、轴承体结构设计等）。在总装方案设计的同时进行强度校核计算，并随时对方案进行适当修改。2）由总装图拆画零件图，画零件图时，要注意结构的合理性及工艺性；3）编制零件明细表及图样目录。6 泵的强度计算6.1 轴的强度计算（强度、刚度以及临界转速的计算）（1）计算作用在轴上的载荷总的轴向力为0，或假设全部由轴承承担。总的扭矩 。载荷（2） 作弯矩图由弯矩图求得知反力由弯矩图判断第一断面为可能的危险断面，分别计算相应的应力，A=1300N，。（3）估算临界转速的计算6.2 壳体的强度计算（泵体和泵盖的璧厚计算）（1）壳体璧厚因涡壳几何形状复杂，且受力不均匀，故难以精确计算。可以用来估算壁厚式中 H-泵扬程 Q-泵流量 -许用应力，M,铸铁：=9.814.7 M，铸钢：=19.624.5 M;-当量壁厚，按下列公式计算;代入数据H=76.8m，Q=324，n=1450，=45，材料为铸铁S=41.9（2）强度的校核用鲁吉斯方法进行强度校核。本方法假定最大应力发生在尺寸最大的轴面内，角度为处 在截面的轴面应力=0.015m, 材料为铸铁 k 圆周应力 径向应力对于脆性材料查表 6.3 叶轮的强度计算（1）盖板强度计算盖板的应力主要由离心力造成的，半径越小的地方，应力越大。在和处的应力近似用下式计算按等强度理论设计盖板，盖板处任意直径处的壁厚按下式计算式中 -材料的密度 【】-许用应力，对钢【】=，对铸铁【】=-材料的屈服极限、拉伸强度。叶轮，材料ZG1Cr13，（2）叶片厚度的计算根据叶片工作面和背面的压力差，可近似得出下面计算叶片厚度的公式式中 H-单级扬程，m； Z-叶片数； -叶轮外径，m；A- 系数，与比转速和材料有关。叶轮，叶轮选择钢材料ns4060708090130190280铸铁3.23.53.84.04.56710钢33.23.33.43.5568(3) 轮毂强度计算对一般离心泵，叶轮和轴是动配合。大型锅炉给水泵和热油泵等产品，叶轮和轴是静配合。为了使轮毂和轴的配合不松动，在运转时由离心力产生的变形应小于轴和叶轮配合的最小过盈量。在叶轮轮毂处由离心力所引起的应力可近似按公式（9-1）计算，由此应力所引起的变形为： (9-3)式中 E弹性模量（MPa）；（铸铁E=1.2×105；铸钢E=2×105；铜E=1.1×105） DC叶轮轮毂平均直径（mm）；D由离心力引起的叶轮轮毂直径的变形（mm）。D应小于叶轮和轴配合的最小过盈量min，即 Dmin计算圆周应力 由公差配合表查的的最小过盈量为0.016mm,这里，所以轴和叶轮不会松动。6.4 泵盖连接螺栓的强度计算 校核泵后盖的连接螺栓的强度。已知 p=4900k，=0.080m， =0.0741m，=0.0728m，s=0.003m，z=6，材料为Q235-A，垫片d=0.5475m,B=13mm，h=0.015m，材料为Q235-A，=196.1 M，【】=588.4 M.（1）计算密封力=mp=2.7×7.9= 21.33M（2）计算螺栓预紧力和总作用力取x=0.15，K=1.4（3）强度校核在装配条件下：扳手力矩 拉应力 M扭矩 切应力 折算应力 在工作条件下：拉应力 安全系数 n=（4）校核垫片挤压强度6.5 联轴器的强度计算联轴器取弹性柱销连轴器弹性联轴器的销轴对螺栓的切应力，型号为CB3883对于45号钢=58.988.3满足强度要求。6.6 叶轮处键的强度计算叶轮处键的尺寸为，轴径d=0.050m，扭矩，采用单键。对45号钢=58.988.3<满足强度要求。6.7 轴承的强度计算（寿命计算）式中C为基本额定动载荷，Q为载荷，对于推力轴承，可见泵零件强度校核表2-3-12，为温度系数，见表2-3-13p为轴承载荷,即为n为转速为指数。 结 论随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过一个月的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 在这次毕业设计中通过和同学的交流和同事的请教，让我和同事和同学的关系更加亲近了，也让我体会到相互交流和学习的力量，所以在这里真的要感谢我的同学和南方泵业技术部的所有同事和领导在这次设计上对我的帮助。 我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。 在此要感谢我的指导老师李老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。致 谢近三个月时间的毕业课题设计是我大学生活中忙碌而又充实一段时光。这里有治学严谨而又亲切的老师，有互相帮助的同学，更有积极、向上、融洽的学习生活氛围。短短的时间里，我学到了很多的东西。不仅学到就更多的理论知识，扩展了知识面，提高了自己的实际操作能力；而且学会了如何去学习新的知识，学会了面对困难和挑战，学会了团结合作，互助互利。大学本科的学习生活即将结束。在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。本文能够顺利完成，要特别感谢我的导师李香桂老师，感谢各位系的老师的关心和帮助。参 考 文 献1）甘肃工业大学丁成伟.离心泵与轴流泵原理及水力设计.机械工业出版社2）查森.叶片泵原理及水力设计.中国工业出版社3）关醒凡.现代泵技术手册.宇航出版社4）张克危.流体机械原理.机械工业出版社5）格梁科（苏）.叶片泵.国防工业出版社6）斯捷潘洛夫（苏）.离心泵与轴流泵.机械工业出版社7）A.A. 洛马金.离心泵与轴流泵.机械工业出版社，19788）巴依巴科夫（苏）.叶片式水泵 .王焕德等译编著9）沈阳水泵研究所.叶片泵设计手册.北京：机械工业出版社10）AT特罗斯科兰斯基（波兰）.叶片泵计算与结构.机械工业出版社11）沈阳水泵研究所.离心泵设计基础.机械工业出版社12）A.J.Stepanoff (斯捷潘诺夫) 离心泵、轴流泵的理论与应用.机械工业出版社13）陆林广,张仁田泵站进水流道优化水力设计北京：中国水利水电出版社14）图尔克（苏） 著.水泵和水泵站.董咏春译15）孙寿.水泵汽蚀及其防治16）杨开林.电站与泵站中的水力瞬变及调节17）I.J卡拉西克（美）.泵手册.机械工业出版社18）AKovats.Design and Performance of Centrifugal and Axial Flow Pumps and Compressors，196419）A.T特罗斯科兰斯基，S.拉扎尔基维茨叶片泵计算与结构.耿惠彬，译.北京：机械工业出版社，1981.20）日本农业土木协会，泵站工程技术手册M.奚启隶，译.北京：中国农业出版社，1998.