优秀毕业论文几种单级化工离心泵结构设计

哈尔滨工业大学2007届本科优秀毕业设计（论文）选集几种单级化工离心泵结构设计机电工程学院：王世乾 指导教师：王洪祥摘 要：在化工业中，参与反应的原料、中间产品经常是流体，输送各种流体的泵，被称为化工厂的心脏。现代化工装置发展飞速，对泵的要求也相应地越来越高。本文对离心泵结构设计的基本理论进行了概述，根据给定参数，以磁力化工离心泵为例，采用速度系数法对叶轮和压出室进行了水力设计，并根据所设计的结构尺寸，对磁力离心泵进行了径向力和轴向力的平衡计算、键连接强度校核、汽蚀余量计算等工作。完成了磁力离心泵的结构设计与计算工作，并设计了四种结构不同的化工离心泵。关键词：离心泵；速度系数法；叶轮；压出室；汽蚀余量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 pumps 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 designed 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, 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 allowance1 引 言化工离心泵在石油、化工、制药等领域广泛应用，这是由于其具有性能适用性高、体积小、结构简单、操作容易、流量均匀、寿命长等突出优点。磁力驱动离心泵(简称磁力泵)是将永磁联轴器的工作原理应用于离心泵的新产品，磁力传动密封具有全密封特点，是采用一对永磁联轴器将电机力矩透过隔板和间隙传递给一个密封容器内的转子旋转，运转时无接触、无轴封，工作可靠、寿命长，减少了环境污染，比机械密封具有更加广阔的应用前景。本文的研究和设计任务主要有：设计四种基本工况参数相同、结构不同的离心泵，并绘制其装配图；对磁力离心泵进行完整的水力设计计算和校核计算。2 磁力离心泵的结构设计2.1 离心泵结构设计的基本理论到目前为止，工程上实用的离心泵水力设计方法主要有：模型换算法，速度系数法，面积比原理，自由旋涡理论等。本文采用速度系数法对离心泵进行水力设计，速度系数法又称设计系数法，其实质也是一种相似设计法，所不同的是模型换算法是以一台模型泵为基础。在文献3中，Stepanoff专门用一章的篇幅详细讨论了比速和设计系数之间的关系，在统计大量实测的基础上提出了著名的Stepanoff速度图。国内90年代初，张俊达4和何希杰5等对近年来的优秀模型进行了重新统计，提出了一些系数和规律。2.2 磁力离心泵的结构设计泵的主要参数给定如下：流量： Q=50m3/h=0.014m3/s扬程： H20m转速： n=2900rpm比转速： ns=1301. 泵效率的估算和原动机的选择根据有关资料，估得泵水力效率为0.85，容积效率为0.97，机械效率为0.95，则总效率=0.79， 进而可得泵轴功率为P=3.4kW, 计算功率Pj =4.05kW, 选额定功率为5.5kw，转速为2900rpm，效率为85.5%的电动机，即为：Y132S1-2 电动机。2. 泵轴轴径和轮毂直径计算根据泵轴材料，力学参数，初步给定泵轴直径d=20mm, 轮毂直径dh =30mm。3. 叶轮的水力设计计算查文献9和经计算得，叶轮进口流速v0=3.47mm，叶轮进口直径Dj=80mm，叶轮叶片数Z=6，叶片出口安放角=30，叶轮外径D2=138mm，叶片厚度S=2mm，叶轮出口轴面速度vm2=2.77m/s，叶轮出口宽度b2=13mm。根据求出的尺寸D2、 b2、Dj和dh，参考相近的ns的叶轮图纸，绘制叶轮的轴面投影图，如图2-1所示。叶轮为了得到较好的抗汽蚀性能，使进口边处液流过流断面面积比叶轮进口有效面积大1.12.5倍，在本设计中为1.46倍。作图表和曲线检查轴面液流过流断面面积变化，如表2-1和图2-2所示。可以看出，轴面液流过流断面面积变化曲线接近直线，变化较为均匀，有利于降低水力损失。表2-1叶轮轴面液流过流断面面积变化表位置12345L(mm)017.22832.10644.4754.192b(mm)21.1622.70316.50414.13313Rc (mm)27.55934.47948.04659.56869A (mm2)43544915498052795633 图2-1 叶轮的轴面投影图 图2-2 轴面液流过流断面面积变化叶轮流线b-b的w-L曲线和vur-L验算表和曲线分别如表2-2和图2-3所示，表2-2是经过简化的流线验算表，其它流线从略。从验算曲线可以看出，两条曲线弯曲的不厉害，没有极大极小值出现，而是直线或接近直线，说明之前的叶轮的设计合理。表2-2 b-b流线检验计算表轴面单位0lmm02.8773.3143.5433.7364.2875.4366.3416.351/度23232323.226.529.6303030L=l/ sin/mm07.368.488.998.438.6810.8712.6812.7L=Lmm07.3615.8424.8333.2641.9452.8165.4978.19/度66.577.28386.285.38688.588.690.4度21.322.522.823.226.429.529.9929.9930Smm11.52.22.433333rmm35.72737.97940.79743.05546.6550.88356.31362.65169w=vm/sin/m/s8.147.787.637.747.46.86.426.085.94vu=u- vm/ tan/m/s3.344.374.448.837.029.9511.5313.7615.796vurm2/s0.120.170.190.2350.330.510.650.861.09图2-3 b-b的检验曲线图4. 压出室的设计离心泵的压出室是指叶轮出口法兰盘至离心泵出口法兰盘的过流部分。先进行蜗形体的计算，查文献9和经计算得，蜗形体基圆直径D3=150mm，蜗形体进口宽度b3=20mm，蜗形体隔舌的舌角=15，隔舌起始角=22，然后计算蜗形体各个断面面积，再设计计算扩散管的尺寸。蜗形体断面面积计算示意图如图2-4所示，蜗形体各断面尺寸如图2-5所示，蜗形体平面图如图2-6所示。5. 磁力联轴器的设计根据本设计的具体情况，内、外转子的材料选用铷铁硼，它的性能参数如下：剩余磁感性强度：Br(Gs)=1050011500，磁感应矫顽力：Hc(Oe)=800010000，最大磁能积：BHmax=2427(106)，居里点：310。确定内、外磁钢的尺寸的原则：已知磁钢厚度，则它的宽度为23倍的厚度，长度为3 图2-4 蜗形体断面面积计算示意图 图2-5 蜗形体各断面 图2-6 蜗形体平面图5倍的厚度，所以可知磁块尺寸为：宽12mm，厚6mm，长28.6mm，平均直径109mm，总间隙6.1mm，内外磁钢的数目为12个，即m=12均匀分。经扭矩验算，所设计的磁力联轴器满足扭矩要求。6. 滑动轴承的设计根据文献12等，以及已经设计的泵的结构尺寸，取滑动轴承长度L=55mm，壁厚bb=9.8mm，间隙为0.2mm。2.3 磁力离心泵的其它校核与计算本文针对磁力离心泵进行了其他相关计算，主要有：1. 径向力与轴向力的计算当离心泵工作在偏离设计工况点时，蜗室各断面中的压力不相等，液体作用于叶轮出口处的圆周面上的压力也各不相等，导致径向力的产生。经计算，径向力FR=13.5N，可见此力较小，可不采取平衡措施。在单吸离心式叶轮的吸入口处，后盖板的前侧面受吸入压力的作用，而其后侧面受高压的作用。此外，由于两侧密封泄漏不相等的各种影响，叶轮两盖板上的液体压力分布情况也不相同。因此液体作用于叶轮上的力是不平衡的，于是产生作用在叶轮上的轴向力F1。此力与轴平行，从后盖板指向叶轮进口。液体流入叶轮进口及从叶轮出口流出的速度大小及方向均不相同。因此，在叶轮上作用着一个动反力F2，此力也是轴向的，但与F1的方向相反。经计算，轴向力Fa=F1-F2=77.6N，采取平衡孔进行平衡。2. 键链接的强度校核经验算，泵轴上所使用的键均满足强度要求。3. 汽蚀余量泵在运转中，若其过流部分的局部区域(如叶轮叶片进口稍后的某处)。液体的绝对压力下降到所抽送液体当时温度下的汽化压力时，液体便在该处开始汽化，形成汽泡(汽泡内部的压力约等于汽化压力)。这些汽泡随液流向前运动至高压区时，汽泡周围的高压液体使汽泡急剧地缩小以至凝结，在汽泡消失的同时，液体质点以高速(由于汽泡破裂)填充空穴，发生互相撞击而形成强烈的水击，使过流部件受到腐蚀和破环。实测结果表明，这种水击可使局部压力高达50MPa。上述过程称为汽蚀。汽蚀导致噪音和振动，破坏过流部件，使泵性能下降。本文取泵汽蚀余量为2.85m。结 论本设计所研究的是生产实际问题，即化工离心泵的结构设计，本文按照一般的机械设计步骤，通过对现有资料和理论的研究及市场调查，设计出四种不同结构的离心泵，并针对磁力离心泵进行设计计算，本文主要完成以下几方面的工作： (1)用速度系数法确定叶轮的基本尺寸。根据求出的叶轮尺寸参考ns相近的叶轮图纸绘制叶轮的轴面投影图，并且进行了轴面液流过流断面面积的变化进行检验校核。(2)对离心泵的压出室进行设计，确定它的基本参数和水力尺寸。(3)计算径向力和轴向力，并对它们进行平衡，本文所设计的泵，均采用平衡孔来平衡轴向力，结构简单。(4)所设计的磁力离心泵采用磁力联轴器，使设计的离心泵达到了完全密封的效果，很好的解决了以往离心泵所出现的泄露问题。(5)采用相似的基本参数，设计了四种结构不同的离心泵，并绘制了相应的装配图。由于泵的水力设计和磁力联轴器的完全分析和计算是非常的复杂的，加之某些条件的局限，本文对离心泵设计计算的分析还不是很全面，还有很多有意义的方向值得大家研究和攻关。参考文献1 沈阳离心泵研究所，中国农业机械化科学研究院. 叶片泵设计手册. 北京：机械工业出版社，1983，42-5402 Stepanoff A J. Centrifugal and Axial Flow Pumps. 2nd. New York: John Wiley& Sons/ Inc, 19573 李多民. 磁力传动泵密封套的设计计算. 水泵技术，1996, 10-12139- -