高速離心泵的設(shè)計(jì)

1、摘 要本設(shè)計(jì)是根據(jù)給定設(shè)計(jì)參數(shù)完成高速離心泵的水力及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要包括葉輪、壓水室的水力設(shè)計(jì)和泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。確定出葉輪的幾何參數(shù)，繪制并檢查葉輪軸面投影圖，采用方格網(wǎng)保角變換法完成扭曲形葉片繪形。利用數(shù)字積分法， 根據(jù)蝸殼內(nèi)速度矩守恒，確定出蝸殼八個(gè)斷面參數(shù)，并進(jìn)行繪形。最后對(duì)泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制了裝配圖和部分零件圖，并對(duì)軸進(jìn)行了強(qiáng)度校核計(jì)算。關(guān)鍵詞：離心泵；葉輪；蝸殼；水力設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)AbstractAccording to the design parameters at the given point, this paper accomplished the design of the

2、 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 cros

3、s-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. Fi

4、nally, 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目錄摘要41 前言52 葉輪的水力設(shè)計(jì)62.1 泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)方案的確定62.2 葉輪

5、主要參數(shù)的選擇和計(jì)算82.3 葉輪的繪型142.4 葉輪進(jìn)出口速度三角形的繪制293 壓水室的設(shè)計(jì)與計(jì)算303.1 壓水室的結(jié)構(gòu)參數(shù)303.2 壓水室斷面形狀及各斷面面積313.3 壓水室平面圖的繪制344 誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)364.1 提高泵汽蝕性能的原因364.2 誘導(dǎo)輪的計(jì)算365 增速部分的設(shè)計(jì)416 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)456.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)456.2 裝配圖輪廓尺寸的457 強(qiáng)度計(jì)算477.1 泵軸的強(qiáng)度校核477.2 泵軸的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算548 鍵的強(qiáng)度計(jì)算558.1 葉輪處鍵的強(qiáng)度計(jì)算558.2 聯(lián)軸器處鍵的強(qiáng)度校核569 結(jié)論57總結(jié)與體會(huì)57謝辭58參考文獻(xiàn)591 前言水泵是一種應(yīng)用廣泛的水

6、力通用機(jī)械，在航天、航空、發(fā)電、礦ft、冶金、鋼鐵、機(jī)械、造紙、建筑以及農(nóng)業(yè)和服務(wù)業(yè)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。近年來， 在農(nóng)田水利建設(shè)和石油化學(xué)等工業(yè)部門的迅猛發(fā)展中，對(duì)離心泵的需求越來越 大。本次設(shè)計(jì)是根據(jù)給定設(shè)計(jì)參數(shù)完成高速離心泵水力及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并完成泵總裝圖的繪制。該泵在設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)如下：揚(yáng)程 H=500m，流量 Q=230 m3 / h ,轉(zhuǎn)速n=6000r/min，效率=50%，；根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，完成如下設(shè)計(jì)內(nèi)容：葉輪水力設(shè)計(jì)，進(jìn)行葉片繪形；壓水室水力設(shè)計(jì)，進(jìn)行壓水室繪形； 驗(yàn)算泵的抗汽蝕性能；完成總裝圖的繪制；對(duì)泵的主要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核；在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下完成設(shè)計(jì)說明書； 完成 3

7、000 字專業(yè)文獻(xiàn)英譯漢。2 葉輪的水力設(shè)計(jì)葉輪是泵的核心部分，泵的性能、效率、抗空蝕能力、特性曲線的形狀，都與葉輪的水力設(shè)計(jì)有緊密的關(guān)系。2.1 泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)方案的確定給定的數(shù)據(jù)和要求（1）流量：Q=230 m3 / h（2）效率：=50%。（3）揚(yáng)程：h=500m（5） 轉(zhuǎn)速： n = 6000 r / min（6） 介質(zhì)的性質(zhì)：溫度小于80°C 的清水或物理、化學(xué)性質(zhì)類似于水的其他液體。2.1.2 確定泵的總體結(jié)構(gòu)形式和泵的進(jìn)出口直徑首先大致選擇泵的結(jié)構(gòu)形式和原動(dòng)機(jī)的類型，進(jìn)而進(jìn)行下面的計(jì)算，經(jīng)比較分析后做最后的確定。(1) 泵吸入口徑泵的吸入口徑由合理的進(jìn)口流速確定

8、。泵吸入口的流速一般為 3 m / s 左右。從制造方便考慮，大型泵的流速取大一些，以減少泵的體積，提高過流能力;而提高泵的抗空蝕性能，則應(yīng) 該減少泵 的吸入口的 流速。 綜合考慮： 初定v s =2.505m/s4 ´ 0.06393.14 ´ 2.5054Qp vs則吸入口徑 D s =0.180m=180mm?？紤]到泵進(jìn)口法蘭直徑，圓整 D s =200mm。4Q反算進(jìn)口流速 v = p D 2=2.03m/s 與初選流速一致。ss(2) 泵排出口徑對(duì)于低揚(yáng)程泵，可取與吸入口徑相同，高揚(yáng)程泵，為減少泵的體積和排出口直徑，可使排出口徑小于吸入口徑，一般取D = (1 0

9、.7)Dts式中： Dt 泵排出口直徑；Ds泵吸入口直徑；最終確定的泵的吸入口和排出口直徑，應(yīng)該符合標(biāo)準(zhǔn)直徑。這次設(shè)計(jì)揚(yáng)程為50m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式D = (1 0.7)DtsD = 0.85D取ts=170mm2.1.3 泵轉(zhuǎn)速的確定及電動(dòng)機(jī)型號(hào)確定泵的轉(zhuǎn)速時(shí)考慮到下面因素：泵的轉(zhuǎn)速越高，泵的體積越小，重量越輕，因此，應(yīng)該選擇盡量高的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速和比轉(zhuǎn)速由關(guān)，而比轉(zhuǎn)速和效率由關(guān)，所以轉(zhuǎn)速應(yīng)該和比轉(zhuǎn)速結(jié)合起來確定。確定轉(zhuǎn)速應(yīng)該考慮原動(dòng)機(jī)的種類（電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)等）和傳動(dòng)裝置（變速傳動(dòng)等）。極對(duì)數(shù)246181012同步轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）300015001000750600500通常優(yōu)先選擇電動(dòng)機(jī)直接

10、聯(lián)結(jié)傳動(dòng)，異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速見表 2.1。表 2.1 電機(jī)同步轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)帶負(fù)荷后的轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速，通常按照 2左右的轉(zhuǎn)差率確定電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。由泵給定轉(zhuǎn)速 n=6000r/min, 選取極對(duì)數(shù) P=2，同步轉(zhuǎn)速為2985r/min 的異步電動(dòng)機(jī)。3.65 ´ 6000 ´23036002.1.4 計(jì)算比轉(zhuǎn)速 n s ，確定泵的水力方案比轉(zhuǎn)速的公式為：3.65 nQH 3 4n=s3500 4= 52.4在 n s =150250 的范圍，泵的效率最高，當(dāng) n s 60 時(shí)，泵的效率將顯著下降。采用單級(jí)單吸式時(shí) n s 過大，可考慮改成雙吸，反之采用雙吸n s 過小時(shí)，

11、 可考慮改成單吸式葉輪。泵的特性曲線的形狀也和 n s 有關(guān)。2.2 葉輪的主要參數(shù)的選擇和計(jì)算1h葉輪主要幾何參數(shù)有葉輪進(jìn)口直徑 Dj 、葉片進(jìn)口直徑 D 、葉輪輪轂直徑d、2葉片進(jìn)口安放角b 1 、葉輪出口直徑D2 、葉輪出口寬度b 、葉片出口角b 2 和葉片數(shù) Z。葉輪進(jìn)口幾何參數(shù)對(duì)汽蝕具有重要影響，葉輪出口幾何參數(shù)對(duì)性能（H、Q） 具有重要影響，而兩者對(duì)效率均有影響。2.2.1 葉輪進(jìn)口直徑 Dj 的確定葉輪進(jìn)口直徑Dj 與進(jìn)口速度有關(guān)，從前限制進(jìn)口速度v0 一般不超過 34m/s，認(rèn)為進(jìn)一步提高葉輪進(jìn)口流速會(huì)降低泵的抗汽蝕性能和水力效率。實(shí)踐證明：泵在相應(yīng)增加進(jìn)口v0 很廣的范圍內(nèi)運(yùn)

12、轉(zhuǎn)時(shí)，能保持水力效率不變，所以如果設(shè)計(jì)的泵對(duì)抗汽蝕性能要求不高，可以選較小的 Dj 以減少葉輪密封環(huán)的泄漏量， 以提高容積效率。決定葉輪內(nèi)水力損失的速度是相對(duì)速度的大小和變化，所以應(yīng)當(dāng)考慮泵進(jìn)口1對(duì)相對(duì)速度的影響，通常在葉輪流道中相對(duì)速度是擴(kuò)散的，即 w w 2 。這樣從11減小進(jìn)口相對(duì)撞擊損失的流道中的擴(kuò)散損失考慮，都希望減小 w ，若假定 w 最230336006000小 ，可推出計(jì)算葉輪進(jìn)口直徑的公式。Q3nD= k進(jìn)口當(dāng)量直徑：o0= 4.3 ´= 0.095m,圓整取 95mm式中: k 0 根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，對(duì)此泵確定為k0 =4.3進(jìn)一步增加k0 ,可以改善大流量下的工作條

13、件，提高泵的抗汽蝕性能考慮效率和汽蝕， k0 的選用范圍是：主要考慮效率 k0 =3.54.0兼顧效率和汽蝕k0 =4.05.0主要考慮汽蝕k 0 =5.05.5 這里選取k 0=4.3輪轂直徑： dh = 20所以葉輪進(jìn)口直徑：D2 + d 2D= 97mmjoh這里取 Dj = 100mm2.2.2 葉輪出口直徑 D2 的初步計(jì)算2222葉輪外徑 D 和葉片出口角b 等出口幾何參數(shù)，是影響泵的揚(yáng)程的最重要的因素。另外，影響泵揚(yáng)程的有限葉片數(shù)修正系數(shù)也與D 和b 及葉片數(shù)等參數(shù)有關(guān)?？梢娪绊懕玫膿P(yáng)程的幾個(gè)參數(shù)之間互為影響。因此，必須在假定某些參數(shù)為定值的條件下，求解葉輪外徑 D2 。因?yàn)閴核?/p>

14、室的水力損失和葉輪出口的絕對(duì)速度的平方成正比。為了減少壓水室的水力損失，應(yīng)當(dāng)減小葉輪出口的絕對(duì)速度，因此，我們把在滿足設(shè)計(jì)參數(shù)下使葉輪出口絕對(duì)速度最小作為確定 D2 的出發(fā)點(diǎn)。由葉輪出口速度三角形v= v2 + v22m 2u 2葉輪出口軸面速度和圓周分速度 vu 2 均與葉輪外徑有關(guān)，現(xiàn)將 v2 表示為 D2（ u2 ）的函數(shù)，由基本方程式v=gHu 2uh2h推出 D2 的計(jì)算公式并計(jì)算出具體的數(shù)值為：n- 1- 1k= 9.35(D 2s3230 / 36006000100) 2 = 9.35 ´ (52.4 /100)2 = 12.92Q3nD= k2D 2= 12.92&#

15、180;= 0.284 m2取 D= 0.287 m 。2.2.3 葉輪出口寬度b 2 的計(jì)算與選擇k= 0.64(ns) 5 6 = 0.64 ´ (52.4/100) 5/6= 0.3735b 2b= k2b 2100Q3n= 0.3735´3230/ 36006000= 8.22 mm2由于制造關(guān)系，這里取b= 11 mm2.2.4 葉片數(shù)的選擇葉片數(shù)對(duì)泵的揚(yáng)程、效率、汽蝕性能都有一定的影響。選擇葉片數(shù)時(shí)，一方面考慮盡量減少葉片的排擠和表面的摩擦；另一方面又要使葉輪流道有足夠的長度，以保證液流的穩(wěn)定性和葉片對(duì)液體的充分作用。葉片數(shù)按比轉(zhuǎn)速選擇（表 2.2）取 Z =

16、8 。表 2.2n304045 60120120300s60Z8107867462.2.5 泵效率的選擇與計(jì)算先分別計(jì)算或估算水力效率h h ，機(jī)械效率h m ，容積效率h v ，最后計(jì)算總效率h。（1） 容積效率:葉輪前后蓋板外側(cè)與腔內(nèi)側(cè)形成了兩個(gè)充滿液體的空腔，稱為泵腔 。葉輪前蓋板處的間隙使前泵腔與葉輪進(jìn)口相通，前泵腔的另一端與葉輪出口相通。在壓力差的作用下，有一部分水流流出葉輪后，又經(jīng)過前泵腔和葉輪進(jìn)口間隙返回葉輪入口，這部分水從葉輪中獲得的能量在流動(dòng)過程中全部不可逆的轉(zhuǎn)化為熱 能，形成一種能量損失。在后泵腔輪轂處，因?yàn)樵O(shè)有各種形式的密封裝置，這一典型的流動(dòng)可以忽略不計(jì)。因而葉輪進(jìn)口密

17、封間隙處的這一泄漏量 q 代表了離心泵中典型的主要的容積損失。容積效率可以采用下面的一些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：0h=1´ 100= 95 0v1 + 0.68 ns- 2/300取h= 950 0n 2svh,m= n 2 + 970（2） 機(jī)械效率s´ 100% =85%，取 0.85假設(shè)軸承填料損失為 5%，則h m=0.80 (3)水力效率：vmh由于知道總效率=50%，又h= h h h可以計(jì)算出hh =0.66。2.2.6 第一次精算葉輪外徑 D 2葉輪外徑 D2 是葉輪最重要的尺寸，故需要精確計(jì)算。以基本方程式精確計(jì)算，從理論上講是比較嚴(yán)格的，但其中的水力效率，有限葉片

18、修正系數(shù)，也只能用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。實(shí)踐證明，精確計(jì)算的數(shù)值是基本可靠的。由基本方程式：HT= u 2 v u- u v21u 1g由出口速度三角形v= u-v m 2u 2 ¥2tg b2所以整理后得：u=vm 2+(2tgbvm 2) 2 + gHT¥22由u可以求得D =2tgb260 u222n p離心泵一般是選擇適當(dāng)?shù)腷 角精算 D 。22（1） 查相應(yīng)資料，葉片出口安放角 b 一般在16o 40o 的范圍內(nèi)，通常選用220o 30o 。對(duì)高比轉(zhuǎn)速泵， b 可以取小些，低比轉(zhuǎn)速泵可以取大一些。本次設(shè)2計(jì)取b2=25° 。（2） 求葉片出口排擠系數(shù)，需要確定葉

19、片厚度d2，軸面截線與軸面流線的夾角取l2=90°。ZdD p221 + (ctg bsin l2 )228 ´ 5284 ´ 3.141 + ( ctg 22.5 0 )sin 900按照初定尺寸畫出軸面投影后計(jì)算： 葉片出口排擠系數(shù)：j= 1 -2= 1 -= 0.883理論揚(yáng)程：H= H=Thh5000.66= 757.58 my = (0.65 0.85)(1+ b2/ 60) = 0.8 ´(1+ 22.5) = 1.160r11S= ò 2 rdr =(r 2 - r 2 ) =(1422 - 47.52 ) = 0.008954

20、m 2r1葉片修正系數(shù) P：2212P= y r 2 =1.1 ´ 0.142 2= 0.3096ZS8 ´ 0.008954無窮葉片理論揚(yáng)程：H= H (1+ P) = 757.58´ (1+ 0.3096) = 992.16mT ¥T在每次計(jì)算中都可以認(rèn)為 H不變。T¥出口軸面速度：v=Q=230 / 3600= 7.76m/sm 2hvD b pj2 220.95 ´ 0.284 ´ 0.011 ´ 3.14 ´ 0.883出口圓周速度：(2tgbvm 2) 2 + HT¥g2u=vm 2

21、+22tgb2+´7.767.76u=()2992.169.81 =108.47m/s22tg 22.502tg 22.50出口直徑：=60 uD2=60 ´ 108.47= 0.345m2np6000´ 3.14取 D= 0.345m22.2.7 第二次精算葉輪外徑 D28 ´ 5345 ´ 3.141 + ( ctg 22.5 0 )sin 900葉片出口排擠系數(shù)：ZdD p221 + (ctg bsin l2 )22j= 1 -2= 1 -= 0.942出口軸面速度：Q230 / 3600vm 2 = hvD b pj2 22= 5.99

22、m/s0.95 ´ 0.345 ´ 0.011 ´ 3.14 ´ 0.942出口圓周速度：(2tgbvm 2) 2 + HT¥g2u=vm 2+22tgb2+´5.995.99u =()2992.169.81 =106.15m/s22tg 22.502tg 22.50出口直徑：=60 uD2=60 ´ 106.15= 0.338m2np6000´ 3.142.2.7 第二次精算葉輪外徑 D28 ´ 5338 ´ 3.141 + ( ctg 22.5 0 )sin 900葉片出口排擠系數(shù)：ZdD

23、p221 + (ctg bsin l2 )22j= 1 -2= 1 -= 0.940出口軸面速度：Q230 / 3600vm 2 = hvD b pj2 22= 6.13m/s0.95 ´ 0.338 ´ 0.011 ´ 3.14 ´ 0.940出口圓周速度：(2tgbvm 2) 2 + HT¥g2u=vm 2+22tgb2+´6.136.13u =()2992.169.81 =106.33m/s22tg 22.502tg 22.50出口直徑：2D= 60 un=60 ´ 106.33= 0.338m2p6000´

24、 3.14可見求得的值和初定的值相差很少，不超過 2，說明 D2= 0.338m 是精確的值。2.3 葉輪的繪型葉輪是影響離心泵性能的主要零件。因此，準(zhǔn)確的繪型是保證葉片形狀的必要前提。葉輪全部幾何參數(shù)確定后，應(yīng)當(dāng)根據(jù)這些確定的尺寸完成葉片繪型，為此應(yīng)首先繪制葉輪軸面投影圖。畫圖時(shí)，最好選擇n s 相近，性能良好的葉輪圖作為參考?？紤]泵的設(shè)計(jì)的具體情況加以改進(jìn)。軸面投影圖的形狀，十分關(guān)鍵，應(yīng)經(jīng)過反復(fù)修改，力求光滑順暢。同時(shí)，應(yīng)考慮到：(1)前后蓋板出口保持一段平行或?qū)ΨQ變化；(2)流道彎曲不應(yīng)過急，在軸向結(jié)構(gòu)允許的情況下，以采取較大的曲率半徑為宜。設(shè)計(jì)時(shí)參考性能較好的相同比轉(zhuǎn)速葉輪軸面投影圖形

25、狀來繪制。2.3.1 葉輪軸面投影圖的繪制軸面投影圖繪制的已知控制尺寸只有四個(gè)：葉輪半徑 R 2，葉輪進(jìn)口直徑以及葉輪出口寬度和輪轂直徑，所繪軸面投影圖應(yīng)當(dāng)滿足這四個(gè)已知尺寸。繪制低比轉(zhuǎn)速葉輪軸面投影圖時(shí)，應(yīng)注意以下問題：軸面圖上，前后蓋板內(nèi)表面的投影在葉輪出口部分，在低比轉(zhuǎn)速葉輪中都是直線。為提高葉輪水力效率和保證圓柱形葉片進(jìn)口沖角不至太大，這兩條直線應(yīng)對(duì)稱布置。葉輪流道寬暢一些，有利于減少葉輪的水流速度，降低水力損失，也有利于增強(qiáng)葉輪抗氣蝕性能，保證有少量氣泡出現(xiàn)后泵的外特性不致迅速變化。從這個(gè)角度考慮應(yīng)使上述兩條直線分離程度盡量大，但長度是有限的。前蓋板以一段圓弧過渡兩直線，該圓弧應(yīng)于兩

26、直線相切。在泵的軸向尺寸要求不嚴(yán)格時(shí)，可取大一些。后蓋板流線下部一半也以一段圓弧構(gòu)成，此圓弧與直線相切，也應(yīng)與1/2 的水平線相切（對(duì)于軸不穿越葉輪吸入口的葉輪，水平線指葉輪軸心線，這時(shí)并不強(qiáng)求圓弧與軸心線一定相切），比值一般在 1.22 這一范圍內(nèi)。必要時(shí)，過渡圓弧也可以用兩相切圓弧構(gòu)成。軸面液流過水?dāng)嗝嫒鐖D 2-1 所示。2.3.2 檢查軸面流道過水?dāng)嗝孀兓闆r軸面投影圖畫出之后，必須檢查流道面積變化是否合理。如果流道面積無規(guī)律變化，則會(huì)產(chǎn)生局部漩渦，增大損失。檢查步驟如下：（1） 在周面投影圖流道內(nèi)作 810 個(gè)內(nèi)切圓。內(nèi)切圓個(gè)數(shù)越多，檢查精度越高，但是工作量也越大。將這些內(nèi)切圓圓心用光

27、滑的曲線連接起來，便是葉輪流道中心線。流道中線圖如圖 2.1 所示。圖 2.1 軸面液流過水?dāng)嗝?2)連接相應(yīng)的圓心與前后蓋板的切點(diǎn)，如下圖中三角形 AOB，將三角形中垂線 OD 分為三等分，分點(diǎn)為 E 和 C。過 E 點(diǎn)且和軸面流線相垂直的曲線 AEB 是過水?dāng)嗝娴男纬删€，其長度 b 可得。過水?dāng)嗝嫘纬删€的重心近似認(rèn)為和三角形AOB 的重心重合（C 點(diǎn)），重心半徑為 R。C設(shè)曲線 AEB 長為 b，曲線 AEB 繞葉輪軸心線旋轉(zhuǎn)一周所得的軸面液流過水?dāng)嗝婷娣e可用 Fi= 2p R bci i來計(jì)算。依次量出各計(jì)算點(diǎn)過水?dāng)嗝嫘纬删€與流道中線交點(diǎn)到葉輪進(jìn)口中點(diǎn)的曲線距離。并分別按上述方法計(jì)算出面

28、積。圖 2.2流道中線圖各過流斷面的面積 F 計(jì)算出后，可用縱坐標(biāo)表示過流斷面面積F，用橫坐標(biāo)表示流道中線長度 L，做出 F 值隨 L 變化的 F-L 曲線，以觀察 F 沿流道的變化情i況。如表 2.3 所示：序號(hào)ribF = 2p rbiiLiL / Li表 2.3 F-L 曲線計(jì)算值123.7547.57088.200231.3541.888249.431.470.173352.9333.8811267.462.950.347478.7926.9613346.690.740.5005105.9721.9714628.3118.410.6526140.5415.9814111.0152.83

29、0.84271691111680.4181.511由此表可以做出該方案的 F-L 曲線，如圖 2.3 所示：圖 2.3F-L 曲線圖一般來說，如果 F-L 曲線為直線或者接近直線的光滑曲線，則葉輪軸面投影圖就是合理的。2.3.3 作中間流線圖一元理論假設(shè)流動(dòng)是對(duì)稱的，即每個(gè)軸面上的流動(dòng)是相同的。在同一過流斷面上軸面速度相等，做流線就是將每一個(gè)過流斷面分成幾個(gè)面積相等的單元面積。反映在軸面投影圖上就是這些流線將過流斷面形成線分成若干小段，而每段長度和其形心道葉輪軸心線距離與 2 p 的乘積相等。三條流線將過流斷面形成線分成兩部分 b ， b12，而b ， b12形心到軸心線距離分別為 R， Rb

30、1b 2。得： 2p Rb1b = 2p Rb1b 22或Rb = Rb 。b11b 22作中間流線時(shí)可以隨手勾畫出流線的形狀，然后進(jìn)行驗(yàn)算。在同一過流斷面上分成的每一單元過流斷面面積都相等。否則，重新修改流線形狀，直到面積相等為止。當(dāng)過流斷面形成線被分成幾部分后，這些小段曲線與直線相近，檢查時(shí)可以近似的取每一小段弧線的中心點(diǎn)作為該小段的形心，。在作中間流線過程中，要想在同一過流斷面上分成幾個(gè)絕對(duì)相等的面積是可能的，但是這樣工作量太大， 因此在作中間流線過程中，允許在同一過流斷面上分成若干個(gè)有一定誤差的斷 面。一般允許誤差不得超過在同一過流斷面上各小段面積的平均值的 3%。表 2.4 劃分中間

31、流線面積檢查計(jì)算表1-214.441.44596.76814.360-124.2830.01728.541436.823.943718.441-215.0247.16708.34815.230-117.1755.57954.1416.9641884.8942.41-216.0463.57930.6614.820-112.687.571103.3812.652206.761103.381-212.687.571103.3812.60-110.02117.351175.8510.0262351.71175.851-210.02117.351175.8510.020-15.5169929.55.57

32、1859929.51-25.5169929.55.5過流道brr ´ bsum(r ´ b)(r ´ b)avb = (r ´ b)av/ r水?dāng)嗝嫣?hào)0-133.616.8564.4833.6111129.32564.661-213.9240.58564.8713.910-129.8419.89593.521190.229.922595.14最后根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)得如圖 2.4 所示。圖 2.4 中間流線劃分軸面流線是軸面和流面的交線，也就是葉片和流面交線的面投影；一條軸面流線繞軸旋轉(zhuǎn)一周形成的回轉(zhuǎn)面是一個(gè)流面。因而，要分流面就是將每一過流斷面分成幾個(gè)面積相等

33、的單元面積，反映在軸面投影圖上就是將過流斷面分成若干小段。按每個(gè)圓環(huán)面積相等確定分點(diǎn)。2.3.4 葉片進(jìn)口安放角的選擇和計(jì)算(1) 葉片進(jìn)口邊的確定在畫出葉輪軸面投影圖之后，應(yīng)在圖中畫出葉片進(jìn)口邊，進(jìn)口邊的位置對(duì)葉輪的汽蝕性能關(guān)系密切，葉片進(jìn)口邊的形狀也對(duì)汽蝕初生有直接的影響。適當(dāng)向葉片入口延伸，有利于提高葉輪抗汽蝕性能。進(jìn)口邊各點(diǎn)葉片安放角相差不大， 實(shí)際葉片進(jìn)口邊都置于同一軸面內(nèi)。在葉片軸面投影圖上繪制葉片進(jìn)口邊時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意：進(jìn)口邊與前后蓋板輪轂線的夾角不要太小，A、B 兩點(diǎn)的高度差不要太大，且過A、B 兩點(diǎn)的直線與軸心線夾角一般在 20 0 40 0 內(nèi)。葉片進(jìn)口邊的確定如 2.5 所示

34、。(2) 進(jìn)口安放角的確定葉片進(jìn)口角，通常取之大于液流角，即 b1 ñb2 ，其正沖角Db = b1 - b2 。沖角的范圍通常為Db = 30 150 。采用正沖角可以提高抗汽蝕性能，并且對(duì)效率影響不大，對(duì)于扭曲葉片可沿葉片進(jìn)口邊各流線加同一沖角；也可以在前蓋板流線處使用最大沖角，因?yàn)檫@里是汽蝕敏感區(qū)，沖角從前蓋板到后蓋板遞減。其原因可做如下解釋：用正沖角，能增大葉片進(jìn)口角，減少葉片的彎曲，從而增大葉片進(jìn)口過流面積，減小葉片的排擠。最終減小葉片進(jìn)口的V1和W 。1用正沖角，在設(shè)計(jì)流量下，液體在葉片進(jìn)口背面產(chǎn)生脫流。用正沖角,能改善在大流量的工作條件。若經(jīng)常在大流量下運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)選較大的

35、沖角。葉片進(jìn)口邊有時(shí)和過水?dāng)嗝嫘纬删€重合，有時(shí)不重合。進(jìn)口邊與三條流線的交點(diǎn) a、b、c 三點(diǎn)的過水?dāng)嗝娌煌?3) 葉片進(jìn)口角的確定葉片進(jìn)口角b2是葉輪主要幾何參數(shù)，對(duì)泵的性能參數(shù)、水力效率和特性曲線的形狀有重要影響。常用的范圍是b= 180 400 ，增大b 角，在相同流向下葉22輪出口速度增大，壓水室的水力損失增大，并且在非設(shè)計(jì)流量下沖擊損失增大，容易使特性曲線出現(xiàn)駝峰。因此，為獲得下降的特性曲線，不宜選過大的b 角。22.3.5 計(jì)算出口速度出口圓周速度：Dnpu =2260= 3.14 ´ 0.338 ´ 600060= 106.22m/s8 ´ 533

36、8 ´ 3.141 + ( ctg 22.50 )sin 900出口軸面排擠系數(shù)：ZdD p221 + (ctg bsin l2 )22j= 1 -2= 1 -= 0.94出口軸面速度：v=Q=230 / 3600= 6.13m/sm 2hvD b pj2 220.95 ´ 0.338 ´ 0.011 ´ 3.14 ´ 0.94出口圓周分速度：H g757.58´ 9.81v =Tu 2u2= 69.89m / s106.33無窮葉片出口圓周分速度：v= HT ¥g = 992.16 ´ 9.81 = 91.54m

37、/su 2 ¥u2106.33葉片進(jìn)口圓周速度：=p Dnu1A0.0485 ´ 6000 ´ 3.14 = 15.10(m / s)1A6060=p Du1Bn = 0.03807 ´ 6000 ´ 3.14 = 11.96(m / s)1B6060=p Dnu1C1C60= 0.03076´ 6000´ 3.1460= 9.66(m / s)2.3.6 作葉片進(jìn)口邊并計(jì)算葉片進(jìn)口速度葉片進(jìn)口邊在平面上的投影在同一個(gè)軸面上的為好。但是也可以不在一個(gè)軸面投影圖上，在葉輪的軸面投影上作葉片的進(jìn)口邊，應(yīng)盡量使葉片進(jìn)口邊之間的幾條

38、流線趨于相等。進(jìn)口邊和流線夾角最好使直角。葉片進(jìn)口邊軸面投影的形狀， 從鑄造的角度處發(fā)，最好為一直線或使有一曲率的圓弧。葉片進(jìn)口邊向吸入口方向適當(dāng)延伸，以提高葉輪的抗汽蝕性能，并能使泵性能曲線上出現(xiàn)駝峰的可能性減小，并要求所做的進(jìn)口邊應(yīng)使前后蓋板的長度不能相差太大，否則容易產(chǎn)生二此回流。作圖時(shí)應(yīng)考慮以上的綜合因素，并參照比轉(zhuǎn)速相近的模型，作出出口邊。(1).作葉片進(jìn)口邊并計(jì)算葉片進(jìn)口速度F= 2p R s1AAAF= 2p R s= 2 ´ 3.14´ 0.03435´ 0.0444 = 0.00958m2= 2´ 3.14´ 0.03807&

39、#180; 0.0479 = 0.01146m21BBBF= 2p R s= 2´3.14´ 0.04302´ 0.03853= 0.01041m21CCC(2).計(jì)算進(jìn)口角 A 流線葉片進(jìn)口角假設(shè)j1 A= 0.80Q0.0639v=m1 Ah Fj= 8.78 m / s0.95 ´ 0.00958 ´ 0.90v1 A1 Atg b1 A' =m1 A =vu1 A8.7815.10= 0.57b 1A ' = 30.170b= b' + Db=30.17°+1.83°=32 0 ， Db=1.

40、83°Z dD1 Ap11 + ( ctgsinbl1 A) 21 A1A1A1A1Aj= 1 -1 A1 + ( ctg32 ° ) 2sin90 °8 ´ 2= 1 -48.05´ 3.14´=0.80與假定的j1 A= 0.80 相符。B 流線葉片進(jìn)口角Q0.0639v=m1Bh F j= 7.62(m / s)0.95´ 0.01146 ´ 0.77v1B1Btg b1 B' =m1 B =vu1 B7.6211.96= 0.64b= b8 ´ 238.07 ´ 3.141 +

41、( ctg 350sin 900)21B1B' + Db1B=32.51°+2.49°=35 0 ， Db1A=2.49°ZdD1Bp11 + (ctg bsin l1B )21Bj= 1 -1B= 1 -= 0.768C 流線葉片進(jìn)口角dxQ0.0639vm1C=h F jv 1C1C= 8.5(m / s)0.95´ 0.01041´ 0.76tg b1C' =m1C =vu1C8.619.66= 0.88b= b8 ´ 227.54 ´ 3.141 + ( ctg 430sin 900)21C1C

42、9; + Db1C=41.3°+1.7°=43 0 ， Db1A=1.7°Zd1D1Cp1 + ( ctg bsin l1C)21Cj= 1 -1C= 1 -= 0.757一般來說，D b應(yīng)該采用正沖角，能夠減小排擠，增大過流能力，減小葉片彎曲，增加葉片進(jìn)口過流面積，且采用正沖角，在設(shè)計(jì)流量下，液體在葉片進(jìn)口背面產(chǎn)生脫流。因?yàn)楸趁媸侨~輪流道的低壓側(cè)，在這里形成的旋渦不容易向高壓側(cè)擴(kuò)散，因而旋渦是穩(wěn)定的、局部的、對(duì)汽蝕影響較小。采用正沖角，還能改善在大流量下的工作條件，即泵在大流量下運(yùn)轉(zhuǎn)，則應(yīng)選擇較大正沖角。2.3.7 葉片繪型所謂葉片繪型就是畫葉片。為此，應(yīng)當(dāng)在幾

43、個(gè)流面上畫出流線（葉片骨線）， 然后按一定規(guī)律把這些流線串起來，變成了無厚度的葉片。畫葉片有兩種方法， 作圖法和解析法。在本次設(shè)計(jì)中，采用保角變換法進(jìn)行葉片繪型。繪型原理：在一流面上，其上有一條流線。用一組夾角為Dq 的軸面和一組垂直軸線的平面去截流面，使之在流面上構(gòu)成小扇形格網(wǎng)，并且令小扇形的軸面長度DS ，和圓周方向上的長度Du 相等。當(dāng)所分的這些小扇形足夠小時(shí)，則可以把流面上的曲面扇形，近似看作是小平面正方形。流面上的小扇形從進(jìn)口到出口逐漸增大。所謂保角變換，顧名思義，就是保證空間上流線與圓周方向的角度不變的變換。在平面上的展開流線只要求其與圓周方向上的夾角和空間流線的角度對(duì)應(yīng)相等。展開

44、流線的長度和形狀則于實(shí)際流線可能不相同。因此只在相似，而不追求相同?？梢栽O(shè)想把流面展開成圓柱面，然后把圓柱面沿母線切開，展開成平面。由此可見，空間流線穿過流面上小扇形，將扇形兩邊分別切成兩段，相應(yīng)的流線在平面方格網(wǎng)上，把正方形兩邊分別切成成比例的兩段，由相似的關(guān)系，則對(duì)應(yīng)的角度相等，即保持角度不變，變換到（平面和軸面投影）上。因?yàn)樗欣L制扭曲葉片的方法，均適宜于繪制圓柱葉片，故以扭曲葉片為例進(jìn)行敘述。繪型步驟：沿軸面流線分點(diǎn)分點(diǎn)的實(shí)質(zhì)就是在流面上畫特征線，組成扇形格網(wǎng)。因?yàn)榱髅婵梢杂幂S面圖和平面圖表示，因此，分點(diǎn)在軸面圖上沿以條流線（相當(dāng)于一個(gè)流面）進(jìn)行。流面就是軸對(duì)稱的，一個(gè)流面的全部軸面流

45、線均相同，所以只要分相應(yīng)的一條軸面流線，就等于在整個(gè)流面上繪出了方格網(wǎng)。流線分點(diǎn)的方法很多，現(xiàn)在介紹兩種：a). 逐點(diǎn)計(jì)算法：Du = Dq 2pr360式中： Dq 任取的兩軸面間的夾角，一般取 Dq =3 0 5 0 ，取的角度越小，分的點(diǎn)就越多； r 流面上的扇形中心（軸面流線兩分點(diǎn)中間）的半徑。分點(diǎn)的方法是葉輪出口，沿軸面流線任意取，量出Ds 段中點(diǎn)的半徑 r，按照Du = Dq 2pr 計(jì)算Du 。如果算得的等于預(yù)先取的，則分點(diǎn)是正確的。若 Du 不等360于Ds ，重新取Ds ，再算Du 直到兩者相等。繼之，從分得的點(diǎn)起，再分第 2,3,4 點(diǎn)。這種方法的缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生積累誤差。b

46、). 作圖分點(diǎn)法：在軸面投影圖旁，畫兩條夾角等于Dq 的射線。這兩條射線表示夾角為Dq 的兩個(gè)軸面。與逐點(diǎn)計(jì)算分點(diǎn)法相同，一般取Dq =3 0 5 0 。從出口開始，先試取Ds ，若Ds 的中點(diǎn)與半徑對(duì)應(yīng)的兩條射線間的弧長 Du ，與試取的Ds 相等，則分點(diǎn)是正確的，如果不是相等的，就逐次逼近，直到Ds = Du 為止。第 1 點(diǎn)確定以后， 用同樣的方法分第 2、3、4點(diǎn)。當(dāng)流線平行軸線時(shí)，Du 不變，用對(duì)應(yīng)的Ds 截取流線即可。各流線用相同的Dq 分點(diǎn)。畫展開流面（平面方格網(wǎng)）并在其上繪制流線，因?yàn)楸＝亲兓ɡL型時(shí)基于局部相似，而不追求局部相等，所以幾個(gè)流面可以用一個(gè)平面方格網(wǎng)代替。方格網(wǎng)的

47、大小任意選取，橫線表示軸面流線的相應(yīng)分點(diǎn)，豎線表示夾角為對(duì)應(yīng)分點(diǎn)所用Dq 的軸面，畫出方格網(wǎng)并把特征線進(jìn)行編號(hào)。而后在其上繪制流線，通常先畫中間流線。流線在方格網(wǎng)上的位置應(yīng)該與相應(yīng)軸面流線分點(diǎn)序號(hào)相對(duì)應(yīng)。進(jìn)出口角度應(yīng)與預(yù)先確定好的值相符，包角大小可以靈活掌握。型線的形狀極為重要，不理想時(shí)，應(yīng)該堅(jiān)決修改。必要時(shí)，可以改變?nèi)~片進(jìn)口邊的位置，包角的大小等。進(jìn)口邊在方格網(wǎng)中位于同一豎線上，進(jìn)口邊的三點(diǎn)位于同一條 0 豎線上，表示進(jìn)口邊位于同一軸面上，一般離心泵進(jìn)出口邊都位于同一軸面上。混流泵，或離心泵繪型的型線不理想時(shí)，進(jìn)出口邊均可不位于同一軸面上，如何布置，主要由方格網(wǎng)上流線的形狀和下步所述的軸面截

48、線形狀的好壞來決定。如圖 2.5 所示。圖 2.5 流線分點(diǎn)畫軸面截線在方格網(wǎng)中畫出的三條流線，就是葉片的三條型線。用軸面（相當(dāng)于方格網(wǎng)中的豎線）去截這三條流線，相當(dāng)于用軸面去截葉片，所截三點(diǎn)的連線，時(shí)一條軸面截線，把方格網(wǎng)中的每隔一定的角度的豎線和三條流線的交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于編號(hào)1、2、3、4 的位置，用插入法分別插到軸面投影圖相應(yīng)的三條流線上，把所得的點(diǎn)連成光滑的曲線，就得到葉片的軸面截線。軸面截線應(yīng)該光滑，按照一定的規(guī)律變化。軸面截線和流線的夾角l 最好接近 90 0 ，一般不要小于 60 0 。l 角太小，蓋板和葉片的真實(shí)夾角g 過小，就會(huì)帶來鑄造困難、排擠嚴(yán)重和過水?dāng)嗝嫘螤畈涣迹裰茉鲩L）

49、等缺點(diǎn)。g 角可按照公式ctgg = ctgl cos b 進(jìn)行計(jì)算。葉片加厚方格網(wǎng)保角變換繪型，一般在軸面投影圖上按照軸面截線所得的軸面截線為骨線向兩邊加厚，或認(rèn)為是工作面向背面加厚。沿軸面流線方向的軸面厚度S按m照下式計(jì)算：1 + tg 2 b + ctg 2 lSSm = cos b = d圖 2.6 流面展開方格網(wǎng)和葉片厚度變化規(guī)律流面上各軸面厚度變化規(guī)律如表 2.5 所示。流線軸面0IIIVVIVIIIXXIIISa 流線角度 a cos aSmb 流線角度 b cos bSm表 2.5 葉片加厚計(jì)算表2.52.722.9433333231.0429.7628.9527.1126.0622.50.850.860.870.880.890.900.922.943.163.373.413.373.333.263533.7731.4328.7525.3623.0722.50.820