高效、節(jié)能型離心泵設(shè)計(jì)

PAGEii高效、節(jié)能型離心泵設(shè)計(jì)摘要： 離心泵是一種用量最大的水泵，它被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。本課題以高效節(jié)能離心泵為設(shè)計(jì)對(duì)象，以一臺(tái)離心泵為設(shè)計(jì)參數(shù)，主要分為兩大塊，第一是關(guān)于泵通流流道的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括葉輪、蝸殼的水力計(jì)算，掌握葉輪及蝸殼的理論設(shè)計(jì)方法，可以完成蝸殼及葉輪的葉型設(shè)計(jì)；第二是關(guān)于離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括葉輪、蝸殼、主軸、軸承、密封等詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型，通過(guò)對(duì)不同的蝸殼和葉輪的制造工藝研究，包括鑄造、機(jī)加工等，完成多種蝸殼結(jié)構(gòu)和葉片的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)圖紙。關(guān)鍵詞：高效節(jié)能；葉輪；蝸殼；制造工藝目錄摘要 PAGEREF摘要\*romaniAbstract PAGEREFAbstract\*romaniTOC\o"1-3"\h\u21461緒論 1270382泵主要設(shè)計(jì)參數(shù) 2169932.1設(shè)計(jì)條件參數(shù) 227952.2泵進(jìn)出口流速 282592.2.1泵吸入口流速vs 274302.2.2泵排出口流速vs 249382.3泵轉(zhuǎn)速 2169062.4泵水力機(jī)構(gòu)及方案 3152532.5泵的效率 4200302.5.1泵總效率 498132.5.2機(jī)械損失和機(jī)械效率 410402.5.3容積損失和容積效率 4138992.5.4水力損失和水力效率 512802.6泵軸及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5208962.6.1泵軸傳遞扭矩 5180982.6.2泵軸材料選擇 518172.7葉片入口邊直徑D1 655672.8葉片入口處速度v0和絕對(duì)速度v1 6118172.9葉片入口寬度b1和圓周速度u1 6153702.10葉片包角φ的確定 7247002.11葉輪外徑D2 7201182.12吸入室設(shè)計(jì) 7248112.13螺旋形壓出室 718412.13.1基圓D3 8253382.13.2舌角α3 8287982.13.3泵舌安裝角θ 8325862.13.4蝸室斷面面積 879522.13.5擴(kuò)散管 9175792.14軸承 9186272.14.1軸承選擇 947852.14.2軸承的校核 9213632.15鍵的選擇與校核 1046002.15.1鍵的選擇 10324412.15.2鍵的強(qiáng)度校核 10326342.16聯(lián)軸器選擇 11103353原動(dòng)機(jī)的選擇 13275553.1原動(dòng)機(jī)概述 13270513.2原動(dòng)機(jī)選擇 13212623.2.1泵有效功率 13316543.2.2泵軸功率 13261203.2.3泵計(jì)算功率 147883.2.4選擇電動(dòng)機(jī) 14156934泵軸的校核 15104244.1強(qiáng)度校核 15280664.2剛度校核 17187055泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19146405.1出口段蝸室形線主要尺寸的確定 1978685.2多級(jí)離心泵出口段及中段的厚度計(jì)算 21217126離心泵重點(diǎn)部件高效設(shè)計(jì) 2294956.1高效吸水室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22104126.1.1吸水室模型建立 2273926.1.2吸水室結(jié)構(gòu)效率計(jì)算及分析 23283776.2結(jié)論 25109776.3離心泵高效葉輪設(shè)計(jì) 26265866.3.1葉輪的選擇 2622856.3.2設(shè)計(jì)結(jié)果 26235987泵體及其部件的密封設(shè)計(jì) 29173257.1葉輪密封 2969987.2泵體密封 2951507.3軸封設(shè)計(jì) 29276328離心泵葉輪的制造 3165689經(jīng)濟(jì)性分析 331584510結(jié)論 348754致謝 3514002參考文獻(xiàn) 3622439附錄 38 PAGE10 緒論泵是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體能量的機(jī)器。泵用來(lái)增加液體的位能、壓能、動(dòng)能（高速流體）。原動(dòng)機(jī)通過(guò)泵軸帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，對(duì)液體做功，使其能量增加，因此，所需量的液體可以通過(guò)泵的流動(dòng)部件從吸入罐輸送到所需的高度或壓力。泵的發(fā)明對(duì)近代工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展以及人們的日常生活發(fā)揮了不可忽視的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，泵產(chǎn)品的性能僅次于電機(jī)。泵的類型有很多，它們被廣泛使用。除了農(nóng)業(yè)排水和灌溉、城市和工業(yè)供水和排水、火力發(fā)電廠、煉油廠、鋼鐵化工，還有原子能發(fā)電、軍事、火箭供給等高科技產(chǎn)業(yè)也有著重要的應(yīng)用?？梢哉f(shuō)凡是要讓液體流動(dòng)的地方就有泵在工作，而眾多類型的回轉(zhuǎn)泵中應(yīng)用最廣的是離心泵[1]。離心泵依靠旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)液體的作用，將產(chǎn)生的機(jī)械能傳遞給液體。當(dāng)作用液體從葉輪進(jìn)口流向出口時(shí)，其速度能和壓力能增加。通過(guò)擠壓室從葉輪排出的液體將大部分速度能轉(zhuǎn)換為壓力能，然后沿排出管線輸送，此時(shí)，液體泄漏在葉輪進(jìn)口形成真空或低壓，吸入口儲(chǔ)液罐中的液體在液位壓力（大氣壓）的作用下被壓入葉輪進(jìn)口。因此，旋轉(zhuǎn)的葉輪不斷地吸入和排出液體。離心泵由葉輪、螺旋、泵體、泵軸、軸承、密封圈和止動(dòng)盒組成。在功率范圍內(nèi)，離心泵具有揚(yáng)程寬、流量范圍大、轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、安裝、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。從國(guó)內(nèi)外眾多的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中可以了解到，離心泵的產(chǎn)值是泵類產(chǎn)品中最高的。離心泵有其優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)自身的缺點(diǎn)。比如離心泵起動(dòng)前泵內(nèi)要灌滿液體，而且對(duì)于液體的黏度有較高的要求，否則會(huì)影響泵的性能，只能用于粘度近似于水的液體。遇上離心泵設(shè)計(jì)不完備或操作者不當(dāng)時(shí)，比如牛奶等特殊液體時(shí)，則易產(chǎn)生泡沫，會(huì)對(duì)下一工序生產(chǎn)產(chǎn)生影響。安裝不規(guī)范時(shí)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)“氣縛”現(xiàn)象，使機(jī)組產(chǎn)生距離震動(dòng)，影響輸送液體的效率和離心泵的正常做工作。此時(shí)離心泵的效率不高，會(huì)對(duì)能源產(chǎn)生浪費(fèi)。根據(jù)國(guó)內(nèi)專業(yè)流體機(jī)械設(shè)施的研究，全球水泵的功耗約占工業(yè)設(shè)備總功耗的25%，而離心泵的功耗約占水泵功耗的50%。中國(guó)離心泵的功率需求高達(dá)泵功耗的80%[2]。因此，提高泵的運(yùn)行效率，降低離心泵的能耗是非常重要的。因此，本文通過(guò)研究離心泵的工作原理以及離心泵的設(shè)計(jì)過(guò)程，從中得出較合適的使離心泵高效、節(jié)能的方法以及設(shè)計(jì)方法。完成一款高效節(jié)能離心泵的設(shè)計(jì)。泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)條件參數(shù)輸送介質(zhì)：清水；流量：Q=0.251m3/s；揚(yáng)程：H=42.6m；轉(zhuǎn)速：n=1400rpm；效率要求：大于61%；進(jìn)口直徑：255.7mm；出口直徑：430.6mm；輪轂直徑：77.2mm；進(jìn)口角度：20.1°；出口角度：14°；葉片厚度：12.9mm；葉片數(shù)量：7；泵進(jìn)出口流速泵吸入口流速vs泵的吸入直徑由適當(dāng)?shù)倪M(jìn)口電流決定?？紤]到制造的便利性，大型泵的流量更大，所以要減少泵的體積，提高溢流能力。為了提高泵的氣蝕保護(hù)性能，應(yīng)降低吸入流量。Ds式中，Ds——泵的吸入口直徑mm；vs——泵吸入口流速，由公式得vs=17605m/s。泵排出口流速vs公式同上，由設(shè)計(jì)條件可知泵出口直徑為430.6mm。有公式可的泵出口流速vs出=6208.10m/s。泵轉(zhuǎn)速在確定泵轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)該考慮以下因素：泵速越高，泵的體積越小，重量越輕。因此，應(yīng)盡可能選擇最高速度；速度與比速度有關(guān)，而比速度與效率有關(guān)，因此速度應(yīng)結(jié)合比速度確定；確定速度時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置（發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)）和傳動(dòng)裝置（變速齒輪箱等）的類型要考慮到；泵速度的增加受到氣蝕條件的限制，從汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)公式C=526nQ?h假定C值一定時(shí)，提高泵的轉(zhuǎn)速，則汽蝕余量增加，如果該值的增加量大于裝置的汽蝕余量，則泵會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。確定氣蝕條件下泵速的方法是選擇氣蝕的比速度C值，并計(jì)算給定裝置的汽蝕余量汽蝕余量，計(jì)算氣蝕條件下的允許速度，假設(shè)速度必須低于氣蝕條件下的允許速度，即N<設(shè)計(jì)體積流量qv=0.251m3/s。c=920根據(jù)對(duì)NPSHr，η等參數(shù)的要求，綜合考慮結(jié)構(gòu)、制造、性能等因素，全面的確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。按汽蝕條件要求確定比轉(zhuǎn)速時(shí)：n=（2—2）式中，C——汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)，C=920;?hr——泵所需的汽蝕余量，n=n=2980r/m<3744.83r/m。所以選用原動(dòng)機(jī)合理。泵水力機(jī)構(gòu)及方案輸水管道中使用的主泵可分為給水泵和主輸送泵兩種。主輸送泵是每個(gè)泵站的輸水泵。在結(jié)構(gòu)上，用于輸水管道的離心泵一般有單級(jí)雙吸、兩級(jí)雙吸、多級(jí)單吸等。單級(jí)泵用作給水泵或主齒輪泵，串聯(lián)運(yùn)行。多級(jí)泵用于主齒輪泵的并聯(lián)運(yùn)行，多級(jí)泵的級(jí)根據(jù)所需的揚(yáng)程選擇[4]。由于需要更高的工作效率，主泵的比轉(zhuǎn)數(shù)相對(duì)較高，因此水泵所需的最小汽蝕余量也較大，這意味著主泵的抗氣蝕性能較差，通常需要正壓才能進(jìn)入泵內(nèi)。比轉(zhuǎn)數(shù)（比速）是影響離心泵葉輪結(jié)構(gòu)和性能的參數(shù)。①泵在ns=150～250的范圍內(nèi)達(dá)到最高效率，當(dāng)ns<60時(shí)，泵的效率顯著降低；②當(dāng)ns的單吸葉輪過(guò)大時(shí)，可以考慮使用雙吸葉輪。相反，當(dāng)ns的雙吸葉輪太小時(shí)，可以考慮單吸葉輪；③比轉(zhuǎn)速也影響的泵的特性曲線形狀。比轉(zhuǎn)數(shù)：n（2—3）式中：ns——比轉(zhuǎn)數(shù)；n——泵軸轉(zhuǎn)速，r/m；n綜合以上論述計(jì)算，本設(shè)計(jì)采用單級(jí)單吸離心泵結(jié)構(gòu)。泵的效率泵總效率泵的總效率等于其機(jī)械效率、液壓效率和液壓效率的乘積。因此，為了提高泵的效率，我們必須注意減少設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行中的各種損失。目前，離心泵的總效率一般為0.55~0.90，這取決于其尺寸、類型和結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)前，只能根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（經(jīng)驗(yàn)公式或曲線）或類似的實(shí)際產(chǎn)品粗略確定待設(shè)計(jì)泵的效率。設(shè)計(jì)完成后，可以大致估計(jì)所設(shè)計(jì)泵的效率。只有在泵制造完成后，才能通過(guò)測(cè)試準(zhǔn)確確定效率[5]。機(jī)械損失和機(jī)械效率從原動(dòng)機(jī)傳遞到泵軸的功率首先需要消耗一部分來(lái)克服軸承與軸封之間的摩擦損失，然后需要消耗一部分來(lái)克服葉輪前后蓋板外側(cè)與流體之間的摩擦[6]。在上述三種損失中，圓盤摩擦損失所占比例最大，而軸承和軸封的損失一般認(rèn)為與泵的尺寸無(wú)關(guān)，只與零件的表面加工質(zhì)量、軸封結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，約占軸功率的1%~4%。上述三種P損失功率之和稱為機(jī)械損失Pm，其大小由機(jī)械效率ηm容積損失和容積效率輸入液壓動(dòng)力用于對(duì)通過(guò)葉輪的流體做功，因此葉輪出口處的流體壓力高于進(jìn)口壓力。由于泵中的旋轉(zhuǎn)部件和固定部件之間存在間隙，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，一些流體必須通過(guò)間隙從高壓側(cè)流向低壓側(cè)。這樣，通過(guò)葉輪的流量qVT（理論流量）就不會(huì)完全轉(zhuǎn)移到出口，其中泄漏的泄漏量qe是液體的一部分。在從葉輪和泄漏電流獲得能量消耗的過(guò)程中，泄漏引起的損失稱為體積損失，其大小由體積效率ηv來(lái)衡量。密封環(huán)處、平衡軸向力裝置處、密封裝置處是容積損失的主要發(fā)生位置。多級(jí)泵也有中間級(jí)泄漏。當(dāng)泵的流量減少時(shí)，泄漏的相對(duì)值增加。因此，對(duì)于低流量、高揚(yáng)程的泵，應(yīng)盡可能減少泄漏，以提高容積效率。容積損失與比轉(zhuǎn)速有關(guān)。隨著比轉(zhuǎn)速的增加，體積損失逐漸減小。通常，在所有特定速度范圍內(nèi)，容積損失等于所有圓水力損失和水力效率通過(guò)葉輪HT的有效流體（不包括泄漏）從葉輪接收的能量沒有完全傳輸，因?yàn)楸靡缌鞑糠值牧黧w流動(dòng)伴隨著沿途的摩擦損失和葉片進(jìn)出口處的碰撞、流動(dòng)分離和渦流造成的局部損失，因此會(huì)消耗一些能量。在泵的溢流部分，每單位重量的流體流動(dòng)中損失的能量稱為流動(dòng)損失，以h表示，其大小由流動(dòng)效率η?本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的泵的效率μ為76%。泵軸及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)泵軸傳遞扭矩M（2—4）式中：Me——泵軸傳遞扭矩；M泵軸材料選擇跟據(jù)泵軸的工作特點(diǎn)和載荷，在選擇輔助材料時(shí)應(yīng)考慮極具良好疲勞強(qiáng)度的碳素鋼和合金鋼。這些材料的綜合性能良好[7]。1）如果泵軸轉(zhuǎn)速不高，輸送介質(zhì)的溫度和壓力不高，則必須使用碳鋼；2）當(dāng)泵軸轉(zhuǎn)速較高，輸送介質(zhì)溫度和壓力較高時(shí)，選用高機(jī)械強(qiáng)度合金鋼。本設(shè)計(jì)泵軸選用45鋼材料，熱處理處理HB=241～286，需用切應(yīng)力τ為49MPa~58.8MPa。軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度條件：τ（2—5）式中：τmaxWtτ——許用應(yīng)力，MPa；對(duì)于實(shí)心軸：W（2—6）式中：d——軸徑，㎜。由式（5—5）和式（5—6）式得：d考慮到鍵的弱化效應(yīng)，聯(lián)軸器軸孔的直徑是標(biāo)準(zhǔn)化的，d取42mm。最小軸徑d確定，考慮托架型結(jié)構(gòu)，推算完成安裝滾動(dòng)軸承處軸徑d1，d大一級(jí)，并選用符合要求的最大標(biāo)準(zhǔn)尺寸，本設(shè)計(jì)取50mm。葉輪安裝位置的軸直徑d2測(cè)量值應(yīng)盡可能厚，但不應(yīng)太厚。同時(shí)，軸肩不得高于滾動(dòng)軸承內(nèi)圈，否則會(huì)影響軸承拆卸和潤(rùn)滑油的流動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中，d2取45mm。葉輪直徑d3比d1小一個(gè)平面，本次設(shè)計(jì)取48mm。輪轂直徑dh對(duì)泵的吸入功率沒有影響。在本設(shè)計(jì)中，dh為45毫米。葉片入口邊直徑D1取葉輪流道進(jìn)口邊緣的圓心，作流道的內(nèi)切圓，內(nèi)切圓圓心到軸心線距離的兩倍，即為葉片入口邊直徑，葉片進(jìn)口側(cè)的直徑，可根據(jù)比轉(zhuǎn)速ns確定。本設(shè)計(jì)中葉片入口邊直徑D1取0.40m。葉片入口處速度v0和絕對(duì)速度v1葉輪入口速度：ν0=K02g?式中，ν0K0KΚν一般取v0=v1或略大于v0，對(duì)高抗汽蝕的泵，可取v1=（0.4～0.83）v0。本設(shè)計(jì)中取v0=v1=8.84m/s。葉片入口寬度b1和圓周速度u1b（2—8）離心泵葉輪入口尺寸D0，D1和b1不僅可以影響泵的性能和效率，還可以影響泵的抗汽蝕性能。b圓周速度：u（2—9）u葉片包角φ的確定包角φ就是入口邊緣和圓心之間的連接線與出口邊緣和圓心之間的連接線之間的角度[8]。對(duì)比轉(zhuǎn)速Ns=60～220的泵，一般取φ=75°～150°，低比轉(zhuǎn)速葉輪取大值，高比轉(zhuǎn)速葉輪取小值。在確定葉片包角后，繪制圖案時(shí)應(yīng)按照具體情況進(jìn)行適當(dāng)更改。在本次設(shè)計(jì)中，φ取90°。葉輪外徑D2葉輪外徑D2是決定泵性能的最主要水力參數(shù)之一。D（2—10）式中，KH——揚(yáng)程系數(shù)，目前，理論上無(wú)法直接推導(dǎo)出計(jì)算公式。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀離心泵水力模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析方法對(duì)揚(yáng)程系數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行了修正擬合：KHKH=0.5683971-0.0007563×33.06-0.0000003×33.062=0.5431D2=603.14吸入室設(shè)計(jì)直錐型吸入室具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)和制造方便、流速分布均勻、流動(dòng)阻力損失小等優(yōu)點(diǎn)，主要用于單級(jí)單吸離心泵。直錐形吸入室的出口直徑與葉輪的進(jìn)口直徑相同，所以D=255.7㎜，通常進(jìn)口直徑比出口直徑大7%～12%，故取其值為290㎜，在允許的錐度下（約在7?-18?范圍內(nèi)）取14?，直錐式吸水室的軸向長(zhǎng)度確定為L(zhǎng)=200㎜。螺旋形壓出室螺旋形壓出室由一個(gè)截面愈發(fā)擴(kuò)大的圓環(huán)形流道和一個(gè)擴(kuò)壓管組成，位于葉輪出口之后，其功能是收集高速流出葉輪的液體，降低其速度，將速度動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，并按一定要求將液體輸送至下部葉輪進(jìn)口或出口管線[9]?；鶊AD3螺旋形壓出室螺旋線開始的位置稱為隔舌。隔舌所在直徑D3稱為基圓直徑。隔舌與葉輪外徑之間有一適當(dāng)?shù)拈g隙，若間隙過(guò)小，泵在大流量下可能會(huì)在水壓室內(nèi)產(chǎn)生氣蝕，并伴有著噪音和振動(dòng)，如果間隙過(guò)大，由于間隙中液體的循環(huán)，功率會(huì)損失，從而降低泵的最佳效率。D3如果基礎(chǔ)回路的尺寸選擇在上述公式的范圍內(nèi)，這對(duì)泵的性能沒有明顯影響。低比轉(zhuǎn)速泵選擇較小的系數(shù)值，高比轉(zhuǎn)速泵選擇本設(shè)計(jì)中采用的較大系數(shù)值1.08。D舌角α3舌角是蝸室第八斷面0點(diǎn)處（即蝸室螺旋線的起點(diǎn)）螺旋線切線和基圓切線之間的封閉角。為了使液體從葉輪穿過(guò)蝸室而不受沖擊，流體流動(dòng)角α2度通常等于葉輪出口的絕對(duì)速度α泵舌安裝角θ理論上，泵舌應(yīng)位于第Ⅷ斷面的基圓D3上，但這么做會(huì)使泵舌與葉輪間的間隙過(guò)小，且易產(chǎn)生共振頻率，泵舌也太薄。因此，一般沿著蝸室的螺旋線移動(dòng)泵舌，這是泵舌的安裝角度θ。泵舌的安裝角度從表5-1中選擇。表5—1泵舌安裝角選比轉(zhuǎn)速ns406080130180220280360安裝角10?15?20?25?30?38?45?45?在選擇泵舌的安裝角度θ時(shí)，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)布置的可能性。通常，圓角半徑應(yīng)在泵舌α處確定r=2mm～2.5mm，如果泵相對(duì)較小，可以相應(yīng)增大θ角。本設(shè)計(jì)泵舌安裝角10°。蝸室斷面面積蝸室的橫截面積對(duì)泵的性能有很大影響。泵的比轉(zhuǎn)速越小，沖擊越大，比轉(zhuǎn)速越大，沖擊越小。蝸室的橫截面積由耳蝸腔的選定速度決定。根據(jù)以下公式計(jì)算蝸室中流體的流速：ν3式中：ν3Κ3由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的標(biāo)準(zhǔn)表中根據(jù)比轉(zhuǎn)速ns=33.06選取螺旋形蝸室和導(dǎo)葉中的標(biāo)準(zhǔn)速度系數(shù)K3=0.515。從而可以得到ν3=0.515×2蝸室最大斷面處的面積為FⅧ：FⅧ=qvFⅧ=擴(kuò)散管為了減少壓力管路中的液壓損失，有必要進(jìn)一步降低壓力室中的流速。通常通過(guò)放置在第八節(jié)斷面后面的擴(kuò)散管來(lái)實(shí)現(xiàn)。液體離開蝸室后進(jìn)入擴(kuò)散管，在擴(kuò)散管中，80％～85％的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。擴(kuò)散管的末端是泵的排放口，與排放管道相連。因此，應(yīng)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管徑選擇排放直徑，其流量應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)流量。擴(kuò)散管的擴(kuò)散角一般取8°～12°，擴(kuò)散角過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致液體在邊界層中流出，增加水力損失。擴(kuò)散管的長(zhǎng)度與進(jìn)口截面直徑之比不得超過(guò)2.5～3，否則，由于邊界層厚度增加，液體流將流失，擴(kuò)散器的工作性能將惡化。本泵擴(kuò)散角選取12°，吐出口直徑為430mm。軸承軸承選擇根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，軸承可分為滑動(dòng)摩擦軸承（以下簡(jiǎn)稱滑動(dòng)軸承）和滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)摩擦軸承（以下簡(jiǎn)稱滾動(dòng)軸承）分為兩類。滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)械中廣泛使用的部件之一。這取決于主要部件之間的滾動(dòng)接觸支撐旋轉(zhuǎn)部件具有成本低、功耗低、阻力小的優(yōu)點(diǎn)。而且，它標(biāo)準(zhǔn)化，便于選擇、潤(rùn)滑和維護(hù)。滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)相對(duì)較小，使機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)靈活輕快，提高了工作效率。潤(rùn)滑油的消耗更少。如果滾動(dòng)軸承有良好的[10]密封裝置，只需添加一次潤(rùn)滑油即可長(zhǎng)期使用[11]。本設(shè)計(jì)中的泵葉輪使用平衡孔來(lái)平衡軸向力的70%~90%，軸向力其余部分由止推軸承承擔(dān)。所以選擇深溝球軸承。軸承的校核軸承的壽命校核：L式中：Lh——額定壽命，40000h；n——轉(zhuǎn)速，r/min；C——在基本額定動(dòng)載荷，Cr是相反的向心軸承。參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，得Cr=25.5KN；P——當(dāng)量動(dòng)載荷，N；ftε——壽命系數(shù)，對(duì)球軸承的壽命系數(shù)為3；fpP=XF式中：X——徑向動(dòng)載荷系數(shù)，1.0；FrY——軸向動(dòng)載荷系數(shù)，0；Fa由公式得：C=1.2=16.24KN<25.5KN鍵的選擇與校核鍵的選擇鍵的選擇包括兩個(gè)方面：類型和尺寸。鍵的類型應(yīng)根據(jù)鍵連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用要求和工作條件選擇；鍵的尺寸根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和強(qiáng)度要求確定。鍵的主要尺寸是其橫截面尺寸（通?；阪I寬度b×鍵高度表示h）和長(zhǎng)度L。鍵的橫截面尺寸為b×h，根據(jù)軸的直徑從標(biāo)準(zhǔn)中選擇。鍵的長(zhǎng)度L通常可以根據(jù)輪轂的長(zhǎng)度來(lái)確定，即鍵長(zhǎng)等于或略短于輪轂的長(zhǎng)度。一般來(lái)說(shuō)，輪轂的長(zhǎng)度可取L≈（1.5～2）d，d是軸的直徑。選定的鍵長(zhǎng)度也對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)中指定的長(zhǎng)度系列。葉輪與軸配合鍵選擇：圓頭普通平鍵（A型）b=8mm，h=7mm，L=50mm。聯(lián)軸器與軸配合鍵選擇：圓頭普通平鍵（A型）b=8mm，h=7mm，L=32mm。鍵的強(qiáng)度校核當(dāng)平鍵連接傳遞扭矩時(shí)，常見材料組合和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的普通平鍵連接（靜態(tài)連接）的主要失效形式是表面塌陷。除非出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)載，否則鍵不會(huì)被切斷。因此，強(qiáng)度校核計(jì)算通常僅根據(jù)工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行。假設(shè)載荷均勻分布在鍵的工作面上，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為：σ式中：T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m；k——鍵與輪轂鍵槽之間的接觸高度，mm，k=0.5h，h為鍵的高度，mm；l——鍵的工作長(zhǎng)度，mm，圓頭平鍵l=L-b，L為鍵的公稱長(zhǎng)度，mm，b——鍵的寬度，mm；d——軸的直徑，mm；σp鍵、軸和輪轂之間最弱材料的允許擠壓應(yīng)力P鍵、軸和輪轂之間最弱材料的允許壓力，MPa，具體數(shù)值參考表5—2。表5—2鍵連接的許用擠壓應(yīng)力、許用應(yīng)力MPa許用擠壓應(yīng)力或許用應(yīng)力連接工作方式鍵或轂、軸的材料載荷靜載荷輕微沖擊沖擊σ靜連接鋼120~150100~12060~90鑄鐵70~8050~6030~45葉輪與軸配合鍵校核：σp聯(lián)軸器與軸配合鍵校核：σp=2×聯(lián)軸器選擇在水泵中，離合器是連接兩個(gè)軸、傳遞扭矩并使它們一起轉(zhuǎn)動(dòng)的重要部件。聯(lián)軸器也是一個(gè)關(guān)鍵部件，在水泵運(yùn)行和維護(hù)期間需要定期維護(hù)、檢查、維修和校正。由于聯(lián)軸器連接的兩個(gè)軸的制造和安裝誤差，兩個(gè)軸的位置不能完全重合。同時(shí)，在機(jī)器運(yùn)行期間，部件變形、基礎(chǔ)下沉、旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量不平衡、運(yùn)行期間溫度變化、軸承磨損等。兩個(gè)軸的位置進(jìn)一步變化，產(chǎn)生軸向位移、徑向位移、角位移、綜合位移等。引導(dǎo)[12]。如果在連接兩個(gè)軸時(shí)無(wú)法補(bǔ)償這些偏轉(zhuǎn)，則會(huì)產(chǎn)生額外的應(yīng)力和變形，導(dǎo)致強(qiáng)烈振動(dòng)，并惡化軸、軸承和軸上零件的工作條件?；谏鲜銮闆r，聯(lián)軸器的功能不僅是傳遞連接兩個(gè)軸的扭矩，還可以補(bǔ)償兩個(gè)軸的軸位置偏差，吸收振動(dòng)和減輕沖擊。聯(lián)軸器可分為普通聯(lián)軸器、安全聯(lián)軸器和特殊聯(lián)軸器。法蘭聯(lián)軸器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維修方便、扭矩傳遞大、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。該泵選用凸緣聯(lián)軸器。本次設(shè)計(jì)選用YL4，YLD4型聯(lián)軸器。標(biāo)記：從動(dòng)端：J型軸孔，A型鍵槽，d=24mm，L=52mm。聯(lián)軸器的初步校核：公稱扭矩Tn=40n.m，而泵軸的扭矩T=35.19n.m≤Tn，所以合理。許用轉(zhuǎn)速n=9500r/min泵轉(zhuǎn)速n=2980r/min≤9500r/min，因此合理。原動(dòng)機(jī)的選擇原動(dòng)機(jī)概述泵原動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)根據(jù)泵的性能參數(shù)、管道輸送過(guò)程、自動(dòng)控制要求、能源供應(yīng)條件等因素確定[13]。無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，電動(dòng)機(jī)都是輸水管道使用最廣泛的原動(dòng)機(jī)。在當(dāng)?shù)毓╇姵渥愕那闆r下，使用電動(dòng)機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：1）泵設(shè)備價(jià)格較低，經(jīng)濟(jì)性良好；2）該設(shè)備具有體積小、重量輕、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、檢測(cè)周期長(zhǎng)、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)；3）基礎(chǔ)和支撐系統(tǒng)簡(jiǎn)單；4）可直接與離心泵連接，無(wú)需齒輪箱；5）易于自動(dòng)控制，操作人員少。電機(jī)分為異步和同步兩種類型：異步電動(dòng)機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，價(jià)格低廉，是最常用的節(jié)水管道。同步電機(jī)：可提高電網(wǎng)功率因數(shù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，減少無(wú)用功耗，節(jié)約電能，價(jià)格昂貴。原動(dòng)機(jī)選擇泵有效功率Ne式中，g——重力加速度，9.81m/s2；ρ——密度，kg/m3；qv——設(shè)計(jì)流量，m3H——泵的揚(yáng)程，m；Ne——有效功率，kw；Ne泵軸功率N=N式中：N——設(shè)計(jì)條件下的軸功率，kw；Ne——泵效率。N=泵計(jì)算功率Nc=1.15N（3-3）式中，Nc——計(jì)算功率，kw；Nc=1.15×171.95=197.74kw選擇電動(dòng)機(jī)基于以上討論和計(jì)算，并根據(jù)課題要求，本次設(shè)計(jì)選用異步電動(dòng)機(jī)，其具體參數(shù)見表3-1。由于設(shè)計(jì)要求泵功率大于61%，因此所選泵滿足要求。表3—1選用異步電動(dòng)機(jī)具體參數(shù)泵軸的校核軸的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上零件的安裝定位要求和軸的制造工藝，充分確定軸的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)不僅影響軸的工作性能和軸上零件的操作安全，而且增加了軸的制造成本和軸上零件的裝配難度。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是離心泵設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。軸的工作能力計(jì)算是指軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性的計(jì)算。在大多數(shù)情況下，軸的工作性能主要取決于軸的強(qiáng)度[14]。此時(shí)，只需檢查軸的強(qiáng)度，以防止斷裂或塑性變形。對(duì)于剛度要求較高的軸（如車床主軸）和應(yīng)力較大的細(xì)長(zhǎng)軸，還應(yīng)進(jìn)行剛度計(jì)算，以防止在操作過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的彈性變形。對(duì)于高速運(yùn)行的軸，還應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，以防止共振和損壞。在工作過(guò)程中，離心泵軸在各種外力作用下發(fā)生變形和損壞，軸通過(guò)自身的尺寸和材料性能抵抗變形和損壞。通常，軸抵抗變形的能力稱為剛度，軸抵抗破壞的能力稱為強(qiáng)度。離心泵軸的設(shè)計(jì)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以提高泵的可靠性和使用壽命。這樣，軸的尺寸應(yīng)更大，材料應(yīng)更好地使用。另一方面，希望軸的重量減輕，成本降低。這些要求相互矛盾。在設(shè)計(jì)計(jì)算中要正確處理這一矛盾，合理確定離心泵軸的尺寸和材料，以滿足軸的剛度和強(qiáng)度要求，做到物盡其用、用材合理。葉輪和其他部件安裝在軸上，并在泵體內(nèi)同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)。泵軸的強(qiáng)度和剛度對(duì)泵的使用壽命和可靠性有很大影響。因此，對(duì)軸的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核是非常必要的。強(qiáng)度校核軸的自重：W式中：v——軸總體積，以軸平均直徑35mm為軸徑計(jì)算的軸體積，m3；ρ——軸材料的密度，ρ=7900kg/m3W葉輪的自重：W式中：n——葉輪個(gè)數(shù)；m——單個(gè)葉輪質(zhì)量，估算得出葉輪質(zhì)量是18kg；W與其他部件的自重相比，軸和葉輪的自重可以忽略不計(jì)。作軸受力簡(jiǎn)圖如圖1：圖1軸受力簡(jiǎn)圖求支座反力R1，R2，有公式得：R式中：Fr——徑向力，F(xiàn)r=705N；Rs=2474N；Y=有公式的：R1=1557N求得得b點(diǎn),d點(diǎn)彎矩：作軸的彎矩圖如圖2：圖2軸彎矩圖軸扭矩圖3：圖3軸扭矩圖軸彎扭矩合成圖見圖4：圖4軸彎扭矩合成圖由圖14可見，b面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量彎矩為：計(jì)算危險(xiǎn)截面處直徑：考慮到軸上鍵槽對(duì)軸的削弱故增大軸徑5％db=31.19mm≤db=30.06mm≤通過(guò)計(jì)算可得出結(jié)論，軸強(qiáng)度校核符合條件。剛度校核實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，臥式泵的軸剛度只需滿足以下條件。該泵為單級(jí)懸臂泵，只需滿足以下公式：t式中：l—兩支撐中心之間的距離，m；t—泵軸懸臂部分的長(zhǎng)度，m；t因此，剛度滿足條件。泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)泵體的作用是在一定的空間內(nèi)關(guān)閉葉輪，使液體通過(guò)葉輪的作用被吸入和壓出。泵殼通常為蝸殼形狀，故又稱蝸殼。由于流道的橫截面積逐漸擴(kuò)大，葉輪周圍甩出的高速液體逐漸減少流量，使部分動(dòng)能能有效轉(zhuǎn)化為靜壓能。泵殼不僅收集從葉輪噴出的液體，而且是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置。泵體由進(jìn)口段、中間段、出口段和軸承架組成。出口段流道形狀對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)影響較大，必須結(jié)合相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算。為了保證多級(jí)離心泵的強(qiáng)度和剛度，需要通過(guò)計(jì)算確定中間段和出口段的厚度[15]。出口段蝸室形線主要尺寸的確定出口段的蝸室由水壓室和水壓室組成。有兩種水壓室：螺旋水壓室和環(huán)形水壓室。環(huán)形水壓室具有對(duì)稱、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。多級(jí)離心泵的出口段通常采用環(huán)形水壓室。這種結(jié)構(gòu)便于安裝和布置，加熱后泵體變形均勻。因此，本次設(shè)計(jì)的離心泵的水壓室采用直錐形水壓室。同時(shí)，它也采用了對(duì)稱形式。出口段蝸殼室的橫截面如圖5所示。圖5蝸室截面圖確定基圓直徑D3及壓水室直徑D4基圓直徑D3應(yīng)略大于葉輪外徑D2。如果基圓直徑小于葉輪外徑，可能會(huì)發(fā)生振動(dòng)和噪音。通常情況下取，系數(shù)的取值與泵的比轉(zhuǎn)速有關(guān)，表3-1給出了比轉(zhuǎn)速與取值的關(guān)系。表3-1基圓直徑的參考價(jià)值比轉(zhuǎn)速ns基圓直徑D242~7070~106106~177177~2821.05D21.06D21.07D21.08D2由于本文中泵ns=33.06，因此取系數(shù)為1.04，計(jì)算得基圓直徑D2=208mm離心泵出口段的水壓室采用直錐形水壓室。根據(jù)以下公式計(jì)算蝸室中液體的流速：ν3式中：ν3Κ3根據(jù)比轉(zhuǎn)速ns=33.06由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取螺旋形蝸室和導(dǎo)葉中的速度系數(shù)K3=0.515。ν3=0.515×2蝸室最大斷面處的面積FⅧ：FⅧ=qvFⅧ=壓水室的速度系數(shù)由圖6選?。簣D6壓水室的速度系數(shù)結(jié)合上式計(jì)算的斷面面積S=Qvs=469mm2。壓水室的半徑高于基圓半徑30mm，流道內(nèi)部寬度為20mm，計(jì)算出的壓水室直徑D3=泵出口直徑、長(zhǎng)度和過(guò)渡位置的確定位于泵出口處的直徑Dr與泵進(jìn)口的直徑Ds有關(guān)系，通常情況下取Dr=（1~0.7）Ds離心泵出口部分與中心部分相連，出口段的進(jìn)口直徑Ds取中段的端部直徑，系數(shù)取0.7，出口段的出口直徑由DS=430.6mm根據(jù)設(shè)計(jì)條件確定。軸的長(zhǎng)度和相對(duì)于軸的過(guò)渡位置的高度主要根據(jù)軸的位置以及與其他零件的匹配尺寸來(lái)確定，取擴(kuò)散管長(zhǎng)度L=300mm，L1=140mm。多級(jí)離心泵出口段及中段的厚度計(jì)算傳統(tǒng)的泵體厚度計(jì)算方法難以精確計(jì)算。一般情況下，先用經(jīng)驗(yàn)公式確定壁厚，然后根據(jù)實(shí)際工況加厚，以確保滿足剛度和強(qiáng)度要求[16]。出口段蝸室的厚度可以根據(jù)下式初步計(jì)算h=式中：h一蝸室厚度，cm；σ一材料的許用應(yīng)力；heq—相對(duì)于特定速度的蝸室等效厚度；?計(jì)算得蝸室的厚度h=3.5mm，中段的厚度計(jì)算可根據(jù)公式：δ≥式中：δ一中間段的厚度；i一葉輪的級(jí)數(shù)；Di—中段入口直徑；p一壓強(qiáng)，壓強(qiáng)可根據(jù)下式計(jì)算得出：p=根據(jù)類似泵的尺寸，中段的入口直徑為170mm，入口壓力P0為大氣壓力。連接到入口部分的中間部分的厚度計(jì)算為δ1=2mm，連接到出口部分的中間部分的厚度δ2=3mm。考慮到腐蝕和磨損情況，并確保泵的可靠性，中間部分的厚度加厚至5mm。為了便于加工和制造，將兩個(gè)中間部分的厚度取為相同的值，得到中間部分的厚度離心泵重點(diǎn)部件高效設(shè)計(jì)高效吸水室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)離心泵吸入管接頭與葉輪進(jìn)口之間的空間稱為吸入室。它是液體進(jìn)入離心泵的第一個(gè)部件。液體在進(jìn)入葉輪之前流過(guò)吸入室。在液體從吸入管流入葉輪的過(guò)程中，應(yīng)改變流速，特別是應(yīng)調(diào)整流速分布，以適應(yīng)液體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)。因此，在葉輪前面設(shè)置吸入室來(lái)調(diào)節(jié)壓力非常重要。它的功能是以最小的流量損失將液體平穩(wěn)地導(dǎo)入葉輪，并且要求葉輪進(jìn)口處的速度分布更加均勻。離心泵吸入室的作用是以最小的損失將吸入管路中的液體均勻地引至葉輪。它對(duì)進(jìn)入葉輪的液體的流動(dòng)狀態(tài)有很大影響。其幾何形狀和設(shè)計(jì)直接影響泵的性能和汽蝕的性能[17]。吸水室可分為以下三種形式：直錐管吸水室：直錐吸入室是單級(jí)泵中最常用的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、水力性能優(yōu)良的吸入室。液體在直錐管中流動(dòng)時(shí)，溢流段逐漸減小，流速逐漸增大，流速分布均勻，能更好地保證液體均勻進(jìn)入葉輪。（2）環(huán)形吸水室：環(huán)形吸水室是形狀和斷面積均相同的吸水室，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)稱，軸向尺寸較小，常用于泵軸穿過(guò)吸水室的泵如雜質(zhì)泵和多級(jí)泵。采用環(huán)形吸水室往往是根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要。（3）半螺旋形吸水室：在半螺旋式吸入室中，當(dāng)液體流經(jīng)吸入室的截面時(shí)，部分液體已進(jìn)入葉輪，因此截面面積逐漸由大變小，因此外壁設(shè)計(jì)為螺旋形。與環(huán)形吸入室相比，半螺旋吸入室在液體繞過(guò)軸后不會(huì)產(chǎn)生漩渦，流動(dòng)狀態(tài)均勻，葉輪進(jìn)口速度場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定。半螺旋吸入室廣泛應(yīng)用于單級(jí)雙吸泵和中開式多級(jí)泵。通過(guò)分析汽蝕的理論公式［18］可知，影響泵氣蝕性能的主要因素有兩個(gè)：一個(gè)是葉輪進(jìn)口前的吸入室設(shè)計(jì)，另一個(gè)是葉輪進(jìn)口的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明，吸入室設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)影響葉輪的氣蝕性能，吸入室?guī)缀涡螤顝?fù)雜會(huì)對(duì)減壓系數(shù)產(chǎn)生不利影響。因此，進(jìn)一步對(duì)吸入室進(jìn)行模擬計(jì)算，選擇效率最高的吸入室是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。吸水室模型建立根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一離心泵，其性能參數(shù):設(shè)計(jì)流量Q=0.251m3/s、揚(yáng)程H=42.6m、轉(zhuǎn)速n=1400r/min、軸功率Pa=171.95kW。主要幾何參數(shù):進(jìn)口直徑Dj=255.7mm、出口直徑D2=430.6mm、葉片進(jìn)口安放角β2=20.1°、葉片數(shù)Z=7、葉片包角φ=110°、葉片厚度=12.9mm、蝸殼基圓直徑D3=145mm、蝸殼進(jìn)口寬度b3=30mm。葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖如圖7所示。根據(jù)相關(guān)參數(shù)，分別設(shè)計(jì)了直錐、環(huán)形和半螺旋三種不同結(jié)構(gòu)的支撐吸入室，并用三維軟件Solidworks進(jìn)行建模。建立好的吸水室三維模型如圖8所示。圖7葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖8吸水室三維模型吸水室結(jié)構(gòu)效率計(jì)算及分析圖9顯示了具有不同吸入室的離心泵的性能曲線。Q為實(shí)際流量，Qd為額定流量。從圖中可以看出，在小流量條件下，效率和水頭略有不同。在額定工況和大流量工況下，三種不同吸入室的效率有明顯差異。隨著流量的增加，效率逐漸降低，在額定工況下效率最高。與直錐形吸入室相比，半螺旋和環(huán)形吸入室下的離心泵效率大大降低，特別是在大流量1.4Qd的情況下，效率下降最為明顯，降幅分別為4.74%、21.71%。直錐形吸入室離心泵的效率下降緩慢，效率最高。就揚(yáng)程而言，半螺旋和直錐吸入泵的揚(yáng)程下降緩慢且相對(duì)相似，在額定工況下，二者相差4.42%，在大流量條件下，壓差為7.84%，而環(huán)形吸入室下的壓頭明顯減小。與直錐形吸入室相比，在額定流量和大流量條件下，兩者的差異分別為11.83%和21.75%。圖9不同吸水室離心泵效率曲線在小流量條件下，不同的吸入室對(duì)離心泵汽蝕性能的影響沒有差別。隨著流量的增加，臨界汽蝕余量逐漸增大，半螺旋和環(huán)形吸入室離心泵的臨界汽蝕余量大幅增大，表明流量的增加更有可能引起葉輪的汽蝕。三種不同的吸入室對(duì)離心泵汽蝕特性的影響為：環(huán)形吸入室>半螺旋形吸水室>直錐形吸入室?？梢钥闯?，吸入室的幾何形狀對(duì)離心泵的性能有重大影響。為了更好地研究和分析不同吸入室的流場(chǎng)速度變化對(duì)葉輪空化的影響，分別截取了三個(gè)吸入室設(shè)計(jì)流量條件下葉輪初始空化的矢量分布圖、壓力云圖和形狀圖，如圖10～12所示。由圖10可知，直錐吸入室通道內(nèi)速度分布對(duì)稱，流場(chǎng)均勻性好，通道內(nèi)無(wú)渦流。圖10吸水室壓力與速度矢量圖(直錐形吸水室)如圖11所示，半螺旋形吸水室在輸出C處的速度明顯較高，隔舌處有明顯的漩渦，有一定的回流，導(dǎo)致一定的能量損失。圖11吸水室速度矢量圖(半螺旋形吸水室)從圖12中看出，當(dāng)液體沿著環(huán)形吸入室進(jìn)口側(cè)的錐體流動(dòng)時(shí)，流場(chǎng)是均勻的，速度逐漸增加。圖12吸水室速度矢量圖(環(huán)形吸水室)結(jié)論在在小流量條件下，不同的吸入室對(duì)離心泵汽蝕性能的影響沒有差別。隨著流量的增加，臨界汽蝕余量逐漸增大，半螺旋和環(huán)形吸入室離心泵的臨界汽蝕余量大幅增大，表明流量的增加更有可能引起葉輪的汽蝕。三種不同的吸入室對(duì)離心泵汽蝕特性的影響如下：環(huán)形吸水室＞半螺旋形吸水室＞直錐形吸水室[19]。在不同工況下，直錐形吸入室葉輪進(jìn)口處的氣蝕較小，而半螺旋吸入室和環(huán)形吸入室葉輪進(jìn)口處的氣蝕在流道進(jìn)口之間擴(kuò)散，環(huán)形吸入室葉輪進(jìn)口處的氣蝕最為明顯。可以看出，吸入室的幾何形狀對(duì)離心泵的性能有重大影響。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)以及設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)選擇直錐形吸水室作為蝸殼的吸入室設(shè)計(jì)，能夠使泵的效率最大化。離心泵高效葉輪設(shè)計(jì)由于水力機(jī)械的關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)換必須依賴于葉輪和水壓室，因此葉輪是一個(gè)核心部件。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，對(duì)整個(gè)機(jī)組能否滿足工作要求有很大影響。離心泵水力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是依靠流量分析和基于流量分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高離心泵的運(yùn)行效率[18]，只有充分掌握葉輪的內(nèi)部流動(dòng)，了解流道部件內(nèi)部壓力和速度場(chǎng)的實(shí)際分布，才能進(jìn)一步優(yōu)化水力設(shè)計(jì)。葉輪的選擇圓柱形葉輪(ns<90)廣泛，應(yīng)用于離心泵中。其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，但效率和性能相對(duì)較差。在大流量、高壓頭和高空化性能要求的情況下，必須使用扭曲葉片的葉輪。本設(shè)計(jì)泵的比轉(zhuǎn)速ns=33.06<90，采用圓柱形葉輪。設(shè)計(jì)結(jié)果定義網(wǎng)格和邊界條件后，直接使用Fluent軟件進(jìn)行仿真模擬。通過(guò)計(jì)算可以得到最佳的葉輪型線。根據(jù)設(shè)計(jì)條件，進(jìn)口角為20.1°，出口角為14°，葉片為7片。根據(jù)最佳尺寸，可以知道殘余誤差、葉輪壓力和轉(zhuǎn)速分布，如圖13~圖15。圖13殘差曲線圖14葉輪的壓力分布云圖圖15葉輪的速度分布云圖從圖13可以看出，從入口到出口，絕對(duì)速度繼續(xù)增加。由于葉輪屬于后彎型，靠近工作面的流速越快，遠(yuǎn)離工作面的流速越低[20]。從圖15可以看出，靠近工作面流體的雷諾數(shù)越大，它處于絮狀流狀態(tài)，但遠(yuǎn)離工作面流體的雷諾數(shù)越低，粘性效應(yīng)越大，因此它表現(xiàn)為層流。圖14是壓力分布的云圖?？梢钥闯?，從入口位置到出口位置有上升趨勢(shì)。壓力面上的壓力明顯超過(guò)吸入面，在葉片進(jìn)口處可以看到一個(gè)明顯的低壓區(qū)。葉輪壓力逐漸增加，梯度沒有明顯波動(dòng)。因此，葉輪的設(shè)計(jì)更加合理。通過(guò)優(yōu)化后的離心泵，其實(shí)際運(yùn)行效率從61%提高到74%，大大提高了運(yùn)行效率。泵體及其部件的密封設(shè)計(jì)密封件是設(shè)備中的附件，但密封件的質(zhì)量對(duì)整個(gè)設(shè)備的效率和性能有很大影響，在一定程度上反映了產(chǎn)品的質(zhì)量水平[21]。單個(gè)密封失效造成的損失可能是密封本身價(jià)格的1000萬(wàn)倍。密封的基本要求是密封性能好、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、制造維護(hù)方便、成本低。密封件多為易損件，應(yīng)確保互換性強(qiáng)，并實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。葉輪密封葉輪口環(huán)置于葉輪進(jìn)口邊緣，其結(jié)構(gòu)和尺寸由葉輪相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)和尺寸決定?？诃h(huán)可隨葉輪旋轉(zhuǎn)，并與調(diào)整螺釘連接。其作用是防止葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)與泵體發(fā)生摩擦，增加葉輪與泵體之間的距離，增加泄漏，影響效率。本次設(shè)計(jì)的泵口環(huán)材料為HT200鋼，結(jié)構(gòu)形式為平環(huán)式，如圖16。圖16機(jī)械密封泵體密封泵體密封圈放置在葉輪口環(huán)的適當(dāng)位置，用開槽螺釘連接到泵體上，并固定在泵體上的泵體上，結(jié)構(gòu)尺寸由泵體相關(guān)零件的尺寸決定。其功能與葉輪口環(huán)類似。不同之處在于，密封圈用于保護(hù)泵體。本次設(shè)計(jì)的離心泵密封圈材料為HT200鋼，結(jié)構(gòu)形式為平環(huán)式。泵體密封圈與葉輪口環(huán)配合使用，可減少流體損失，耐磨損，更換方便。泵體密封圈與葉輪口環(huán)之間的距離不易過(guò)大或過(guò)小。過(guò)度裝配會(huì)導(dǎo)致泄漏、增加磨損并降低容積效率；太小可能會(huì)導(dǎo)致兩者之間的摩擦，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)。總之，兩者之間的間隙為0.1mm-0.2mm。軸封設(shè)計(jì)軸封和泵軸之間的密封。軸封的主要功能是防止高壓泵的液體泄漏和進(jìn)入泵的空氣會(huì)減少輸送的液體量。軸封選擇不當(dāng)不僅降低了泵連續(xù)運(yùn)行的成本，還縮短了泵連續(xù)運(yùn)行所需的時(shí)間。在現(xiàn)代大型工廠中，減少設(shè)備的連續(xù)工作時(shí)間等于減少利潤(rùn)。此外，在泵中運(yùn)輸易燃、易爆和有毒液體時(shí)，泄漏問(wèn)題更為嚴(yán)重[22]。本設(shè)計(jì)中泵采用機(jī)械密封。機(jī)械密封（端面密封）是一種防液損裝置，由至少一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸的端面組成，這些端面在液體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力（或磁力）的作用下，在輔助密封和滑動(dòng)的配合下被卡住。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的選擇主要基于密封的工作參數(shù)、介質(zhì)特性、泄漏和使用壽命要求，以及密封安裝的有效空間限制。此外，必須考慮安裝、維護(hù)和密封的價(jià)格。由于機(jī)械密封的兩個(gè)端面緊密配合，在密封端面之間的接合處（密封界面）形成一個(gè)小缺口。當(dāng)加壓介質(zhì)通過(guò)該間隙時(shí)，會(huì)形成一層極薄的液膜，從而產(chǎn)生阻力，防止介質(zhì)泄漏，并潤(rùn)滑端面，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期潤(rùn)滑效果。離心泵葉輪的制造離心泵葉輪是一種典型的液壓元件，與流體相互作用的區(qū)域應(yīng)為具有嚴(yán)格水動(dòng)力特性的變厚度曲面體。如圖17所示，傳統(tǒng)葉輪葉片的厚度從進(jìn)口側(cè)到出口側(cè)各不相同。此外，需要對(duì)前后口環(huán)進(jìn)行機(jī)加工，以滿足配合間隙的需要。對(duì)于大多數(shù)口環(huán)公稱直徑（略大于葉輪進(jìn)口直徑）小于200mm的離心泵，最大允許間隙量?jī)H為0.3mm~0.5mm（下限為0.06mm~0.08mm）[15]。鑄造離心輪由組合式前蓋板、鏟子和后蓋板組成[23]。葉輪葉片具有結(jié)構(gòu)流線型，所以水力性能好。另一方面，由于鑄造工藝的限制，葉輪葉片和前后蓋板不能太薄。沖壓組合式葉輪正好相反：由于板材選材和沖壓工藝的限制，葉輪葉片不能做成流線型，但板材厚度較薄，因此葉片和前后蓋板可以制作得很薄，其重量約為鑄造葉輪的五分之一[24]。如圖18所示，沖壓組合葉輪主要由單獨(dú)沖壓的前蓋板、后蓋板、后密封圈和兩組葉片（或一組葉片）組成。當(dāng)葉片精度較高時(shí)，可先對(duì)葉片進(jìn)行沖壓成形，然后用五軸機(jī)床進(jìn)行切割，以達(dá)到更高的精度要求，提高離心泵的效率。圖17鑄造式葉輪圖18沖壓組合式葉輪經(jīng)濟(jì)性分析設(shè)備的成本效益體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的整個(gè)過(guò)程中。設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)。設(shè)計(jì)和制造的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在機(jī)器的低成本上；使用經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)是生產(chǎn)率高、效率高、能源、原材料和輔助材料消耗低，以及管理和維護(hù)成本低。在設(shè)計(jì)中，主要采取以下措施來(lái)提高設(shè)計(jì)和制造的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：1）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，采用單級(jí)懸臂形式，保證其功能的充分實(shí)現(xiàn)；2）采用價(jià)格經(jīng)濟(jì)的材料，如直錐形吸入室、葉輪、螺旋渦流室、泵體密封圈和密封圈。儲(chǔ)物箱和支架采用HT200鑄鐵或車床鑄造、沖壓或加工。HT200具有合理的價(jià)格、良好的鑄造性能和切削性能，應(yīng)用廣泛。鑄造成型后，加工零件少，工藝技術(shù)要求低，可采用普通車床加工；3）設(shè)計(jì)應(yīng)用CAD技術(shù)以及Solidworks和ANSYS等軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，加快了設(shè)計(jì)速率，減少了計(jì)算過(guò)大的壓力，降低了設(shè)計(jì)成本；4）提高零件的結(jié)構(gòu)可制造性，使其使用更少的材料（泵體腔），易于加工（回刀槽）和組裝（驅(qū)動(dòng)槽上方的砂輪）；5）盡量使用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用的零部件，如聯(lián)軸器、鍵和軸承；6）零件結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)和尺寸；7）選用高效的傳動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)通過(guò)離合器直接驅(qū)動(dòng)泵軸旋轉(zhuǎn)，減少了傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)，降低了能耗和生產(chǎn)成本；8）采用潤(rùn)滑方式以延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命；9）采用可靠的密封系統(tǒng)（機(jī)械密封），減少泄漏；10）采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果盡可能準(zhǔn)確，確保機(jī)器具有足夠的可靠性。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，大大減少了材料浪費(fèi)，縮短了加工時(shí)間，使其經(jīng)濟(jì)合理適度。結(jié)論本次設(shè)計(jì)任務(wù)是一臺(tái)高效節(jié)能的離心泵。考慮到離心泵的基本工作性能，流量范圍較大（一般為10~350m3/h，最大流量可達(dá)10000m3/h以上）。水頭隨流量變化。在一定流量下，只能提供一定的水頭（單級(jí)水頭一般為10~80m）。本次設(shè)計(jì)的泵的液壓方案采用單級(jí)單吸結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用閉式葉輪（帶蓋板和圓盤，流道封閉）。軸設(shè)計(jì)為階梯軸，材料為45鋼。本設(shè)計(jì)的吸入室采用直錐形吸入室，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。在這種設(shè)計(jì)要求下，所設(shè)計(jì)的泵可以達(dá)到最高的效率。壓出室選用螺旋壓出室，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、高效區(qū)寬、葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)后泵效率變化小等優(yōu)點(diǎn)。離心泵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生軸向力和徑向力。葉輪后蓋板上開有一圈小孔，以補(bǔ)償軸向力。剩余軸向力由軸向軸承承載，徑向力小，無(wú)需采取特殊補(bǔ)償措施。軸封采用普通機(jī)械密封，性能可靠，泄漏少，使用壽命長(zhǎng)，功耗低，無(wú)需頻繁維護(hù)，滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和高溫、低溫、高壓、真空等惡劣工況的密封要求，可滿足高速和各種高腐蝕性介質(zhì)的要求。協(xié)助設(shè)計(jì)機(jī)械密封的潤(rùn)滑、沖洗和冷卻。沖洗冷卻方式為自沖洗，并預(yù)留沖洗通道。葉輪與泵體之間的密封由四個(gè)密封圈（葉輪前密封圈、泵體前密封圈、葉輪后密封圈和泵體后密封圈）實(shí)現(xiàn)。密封圈材料為HT200，不僅滿足密封要求，而且避免了葉輪和泵體的磨損。本設(shè)計(jì)的要求是高效節(jié)能的離心泵。設(shè)計(jì)要求泵效率大于61%。經(jīng)計(jì)算，本次設(shè)計(jì)的離心泵效率約為74%，滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)過(guò)程符合標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度符合要求。因此，本設(shè)計(jì)是合格的，符合要求。參考文獻(xiàn)關(guān)醒凡．泵的理論與設(shè)計(jì)［M］.北京:宇航出版社,1995,179-238.查森.葉片泵原理及水力設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987,20-149.張雪蕊.低揚(yáng)程大流量離心泵的高效率節(jié)能技術(shù)研究[J].廣東建材,2021,37(08):60-62.吳桂芬.高比速離心泵的高