螺旋离心泵的设计 第1章 绪 论 1.1 选题背景及意义 近几十年来，砂石泵在国民经济各部门生产中的应用场景范围日益扩大，如用于抽送污水、粪便、泥浆和各类纤维杂质浆料，杂质泵已成为泵应用中很重要的领域。目前国内的杂质泵产品主要有污水泵、泥浆泵、纸浆泵和旋流泵，综观应用情况，现有各种杂质泵虽然具有抽送含颗粒、杂质混合液的较好性能，但由于受泵型结构所限，泵在工作中会时常发生绕缠与堵塞故障，而目.对物料破坏严重，更无法用于抽送长纤维、大粒径固体物和要求不损伤的物料，远不能够满足多行业的需要。 矿山分离机(简称螺旋泵)是一种新型杂质泵，具有极好的无堵塞、无绕缠与损伤少的性能。该新产品的开发在国外已有近30年历史，60年代由秘鲁率先推出，尔后日本、西德等国亦相继研制成功。据报道，目前国外的螺旋泵技术产品发展非常迅速，现已研制有单头、双头和带有盖板等不同结构的螺旋式叶轮，并且制成普通干式泵、浸没式泵、潜水泵多种系列产品，在许多生产部门得到普遍应用。 我国的矿山分离机新技术产品开发起步较晚，1988年本项目LLB型螺旋式离心泵的研制成功尚属国内首次。新产品已通过专家鉴定，并在多行业进行了几年的生产应用推广，取得了显著的生产效果与经济效益。 1.2 矿山分离机的概述及发展 1.2.1砂石泵的工作原理 泵是把原动机的机械能转换成抽送液体能的机器。原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体作功，使其能量整加，从吸水池经泵的过流部件输送到要求的高处或要求的压力的地方。 图1.1所示是简单的泵装置。原动机带动叶轮旋转，将水从A处吸入泵内，排送到B处。泵中起主导作用的是叶轮，叶轮中的叶片强迫液体旋转，液体在离心力的作用下向四周甩出。这种情况象转动的雨伞，雨伞上的水滴向四周甩出去的道理一样。泵内的液体甩出去后，新的液体在大气压力下进到泵内。如此连续不断地液体在大气压力下进到泵内。如此连续不断地从A处到B处供水。泵在开动前，应先灌满水。如不灌满水，叶轮只能带动空气旋转，因空气的单位体积的质量很小，产生的离心力甚小，无力把泵内和排水管路中的空气排出，再泵内造成真空，水也就吸不上来。泵的底阀是为灌水用的，泵出口侧的调节阀是用来调节阀是用来调节流量的。 1- 调节阀 2 – 排出短管 3 – 压水室 4 – 叶轮 5 – 底阀 6 – 吸水室 图1.1 泵工作的装置简图 需要强调指出的是，若在离心泵启动前没向泵壳内灌满被输送的液体，由于空气密度低，叶轮旋转后产生的离心力小，叶轮中心区不足以形成吸入贮槽内液体的低压，因而虽启动离心泵也不能输送液体。这表明离心泵无自吸能力，此现象称为气缚。吸入管路安装单向底阀是为避免启动前灌入泵壳内的液体从壳内流出。空气从吸入管道进到泵壳中都会造成气缚1)离心式（装径流式叶轮） 1)单吸（叶轮一面进水） 2)双吸（叶轮两面进水） (2)混流式（装混流式叶轮） (3)轴流式（装轴流式叶轮） (4)单级（装一个叶轮） (5)多级（装多个叶轮） 1.2.3砂石泵的发展 砂石泵具有输送各类杂质、浆料和固体物料无堵塞、不损伤等良好功能，故在一些生产部门拥有广泛的推广应用前景和显著的经济效益。 由于具有很多优点,因此,今后我国的需求量将持续增长,并有以下主要发展的新趋势。我国的形式和外国著名的生产厂的产品相比还不够多,如带有切割装置的泵、多级泵、抽送腐蚀性介质的等生产的还很少,然而其市场的需求量又很大,因此,具有非常好的发展前途。机械密封是的关键部分,采用两道单端面机械密封,这样介质的压力可以作用到端面,泄漏方向为内流型,这些都是有利的,但结构稍复杂。在油室内装双端面机械密封,两侧的端面应采用不一样的结构型式,使介质的压力能作用到下侧的端面上,否则只靠弹簧力,密封端面的反推力易使端面打开。因此,还应进一步在结构和材料方面做研究,提高其可靠性和寿命。普通泵已使用不锈钢、氟塑料()、衬塑、衬胶、喷涂陶瓷等,所有这些材料应当尽快应用到上,扩大的应用领域。而计算机辅助设计、辅助制造和辅助测试等新技术、新工艺的应用也势在必行。事实上,新技术、新材料、新工艺的应用,不但解放劳动生产力,而且还能够保证产品质量稳定可靠。我国的在国际市场上有着明显的价格竞争优势,但是必须要注意提高的可靠性和寿命,尤其要改善的外观品质,要给用户一种美的感觉,以使国产的早日更多地打入国际市场 第2章 砂石泵的总体结构设计 2.1砂石泵结构设计的总体方案分析 2.2.1螺旋离心泵叶轮结构特征 螺旋离心泵叶轮的叶片包角大，叶轮流道由单(双)叶片形成，流道较大，加上进口导向和螺旋推进作用，使得这种泵的通过性能很好，可以输送含大颗粒及纤维物质的液体，输送的浓度比其它型式无堵塞泵高。固液两相流体在这种泵中逐渐向前推进，流动方向无突然变化，因而流动平稳，对输送物料的破坏性小。螺旋离心泵叶轮的叶片伸到泵壳吸入口中，大幅度的提升了泵的抗汽蚀性能，泵的吸入性能好，因而能输送教高粘性的液体。 为便于研究和表达，结合螺旋离心泵叶轮的结构特点，在此定义叶轮的几个主要结构参数(见图2.1)。 (1)叶轮进口直径Dl 叶片工作面进口边缘处到叶轮轴心线的最大垂直距离称为叶轮进口半径。其值2倍即为Dl。 (2)叶轮轮毅直径Dh 叶片工作面进口边缘处到汗卜轮轴心线的最小垂直距离称为叶轮轮毅半径。此值2倍即为Dh。 (3)叶轮出口直径DZ 叶片出口边缘处到叶轮轴心线的最大垂直距离称为叶轮出口半径。此值2倍即为DZ。 (4)叶轮出口宽度b 叶一片工作面出口边缘处，前后盖板的轴向距离称为叶轮出口宽度。 (5)叶片长度L 叶片工作面最大进口边缘到叶片底面的轴向距离称为叶片长度。 (6)叶片包角α 叶片工作面从进口边缘到出口边缘绕轴所转过的角度称为叶片包角。 (7)出口边倾斜角αZ 叶片出口边与叶轮轴心线的夹角称为出口边倾斜角。 图2.1 螺旋离心泵几何结构参数 2.2.2砂石泵的主要性能参数 参数要求： 出口：200mm； 入口：200mm； 流量：120m3/h； 扬程：H=15m； 转速：1450r/min； 轴转速：9.61kW。 介质要求：适用于城市排污、污水处理、矿山作业、造纸、食品等行业。可输送含大颗粒及纤维物质的液体，输送浓度高达12%（体积浓度）。非常适合于输送污水、污浆、纸浆、废液及其他固液、气液两相液体。 螺旋离心泵，其独特的叶轮设计，使泵具有强制进科、宽流道、无堵塞性能好、效率高体积小、结构相对比较简单、操作容易、流量均匀、故障少、寿命长、购置费和操作费均较低等突出优点离心泵在化工生产中应用最为广泛，离心泵的基本部件是非常快速地旋转的叶轮和固定的蜗形泵壳。具有若干个（通常为4-12个）后弯叶片的叶轮紧固于泵轴上，并随泵轴由电机驱动作非常快速地旋转。叶轮是直接对泵内液体做功的部件离心泵的供能装置。泵壳中央的吸入口与吸入管路相连接，吸入管路的底部装有单向底阀。泵壳侧旁的排出口与装有调节阀门的排出管路相连接。当离心泵启动后，泵轴带动叶轮一起作高速旋转运动，迫使预先充灌在叶片间液体旋转，在惯性离心力的作用下，液体自叶轮中心向外周作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程获得了能量，静压能增高，流速增大。当液体离开叶轮进入泵壳后，由于壳内流道逐渐扩大而减速，部分动能转化为静压能，最后沿切向流入排出管路。所以蜗形泵壳不仅是汇集由叶轮流出液体的部件，而且又是一个转能装置。当液体自叶轮中心甩向外周的同时，叶轮中心形成低压区，在贮槽液面与叶轮中心总势能差的作用下，致使液体被吸进叶轮中心。依靠叶轮的不断运转，液体便连续地被吸入和排出。液体在离心泵中获得的机械能量最终表现为静压能的提高。2.2所示) 图2.2螺旋式离心泵结构示意图 选定泵的总体结构及形式和原动机的类型。进而结合下面的计算，经分析比较后做最终确定。 在设计泵时要用泵的效率，但泵尚未设计出来，故只能参考同种类型的产品，或借助经验公式和曲线近似地确定泵的总效率和各种效率值，并设法再设计中达到确定的效率。 水力效率、容积效率和机械效率的估算 由文献[1]查得 1、水力效率 (2.1) 式中：Q—泵流量（m3/s）Q/2）； n—泵转速（r/min）； g—9.8m/s2。 2、容积效率 (2.2) 该容积效率为只考虑叶轮前密封环的泄露的值于有平衡孔、级间泄露和平衡盘泄露的情况，容积效率还要相应降低。 机械效率 (2.3) (2.4) 理论扬程和理论流量 (2.5) (2.6) 2.3泵的进出口直径的确定 2.3.1进口直径 泵进口直径也叫泵吸入口径，是指泵吸入法兰处管的内径。吸入口径由合理的进口流速确定。泵的进口流速一般为3m/s左右。从制造经济性考虑，大型泵的转速取大些，以减少泵的体积，提高过流量能力。从提高抗汽蚀性能考虑，应取较大的进口直径，以减小流速。常用的泵吸入口径、流量和流速的关系列表。对抗汽蚀性能要求高的泵，再洗入口径小于250mm时，可取洗入口流速Vs=1—1.8m/s，在洗入口径大于250mm时，可取Vs=1.4—2.2 m/s。 选定进入流速后，按下式确定 由文献[1]查得 (2.7) 取v5=1.1m/s。=mm (2.8) 圆整D5=200mm。 2.3.2泵的出口直径Dd 泵出口直径也叫做泵的排口径，是指泵排出法兰处管的内径。对于低扬程的，排出口径可与吸入口径相同。对于高扬程泵，为减少泵的体积和排出管路直径，可排出口径小于吸入口径一般取 由文献[1]查得 =（1—0.7） (2.9) 因为设计的是低扬程泵，所以取Dd=0.9 D5。 2.4 泵转速的确定 (1)泵的转速越高，泵的体积越小，重量越轻。据此应选择尽量高的转速； (2)转速和转比数有关，而比转数和效率有关。所以，转速应和比转数结合起来确定； (3)确定转速应考虑原动机的种类和传动装置； 通常优先选择电动机直接连接传动，异步电动机的同步转速由表查出。电动机带负载后的转速小于同步转速；通常按2%左右的滑差率确定电动机的额定转速。 由文献[1]查得 N=Nｏ（1S）(2.10) N=1450r/min S—滑差率 ，S取0.967Nｏ取1500 r/min4)转速越高，过流部件的磨损加快，机组的震动，噪声变大； (5)提高泵的转速受到汽蚀条件的限制。 由文献[1]查得汽蚀比转速公式： (2.11) 2.5确定泵的水利方案 泵的相似定律建立了泵的几何相似的共性，就是说在相似工作情况下，泵体性能参数之间有相似的关系。也就是说，如果泵性能参数之间有着上述关系，泵与泵是几何相似的。但是用相似定律来判别泵是否几何相似和运动相似、即不方便，也不直观。 在相似定律的基础上，可以推出对一系列几何相似的泵，性能之间的综合数据。如果这些泵的数据相等，则这些泵是几何相似和运动相似的，可以用相似定律换算泵体性能之间的关系。这个综合数据就是比转数，也称比转速或简称比速。 由文献[1]查得 (2.12) (2.13) QI称为折引流量，HI称为折引扬程。因为QI、HI是从定律中推导的，所以对一系列几何相似的泵，在相似工况下运转时，QI、HI分别等于相同的值。 另外，值得说明的是，QI、HI不是没有因次的（其中HI就有因次）。虽然有因次 但不影响它们作为相似判断的依据，因为对于几何相似的泵，在相似工作情况下，用同一规定的单位算得的QI、HI都等于常数。 折引流量和折引扬程，虽能作为相似判断依据使用，但这中间还包括叶轮尺寸在内，用起来还不方便。为此，将上边两式分别1/2，3/4次方，并相除，则消掉两式中的尺寸参数。所得的综合数据只包括性能参数，而且仍然是从相似定律推得的，所以，也是泵的相似准则，叫做比转数。在我国为使之与水机的比转数一致，将上面数据乘以常数3.65，并用n5表示。 由文献[1]查得 (2.14) 式中：Q-m3/s(对双吸泵取Q/2)； H-m（对多级泵取单级扬程）； n-r/mm。 有些国家标准中n5的表达式中无系数3.65，且流量，扬程的单位也各不相同。这样，对同一相似泵n5的计算结果也不同。因此，应换算为使用相同单位下的数值。其换算关系如下所示： = 应用在本次设计中，配合相应的参数得： =126.8 取圆整。 在确定比转速时应考虑下列因素： (1)ns=120—210的区间，泵的效率最高，ns60泵效率显著下降； (1)采用单吸叶轮ns过大时考虑采用双吸式；取ns=27； (1)泵特性曲线的形状也和ns大小有关； (1)比转速和泵的级数有关，级数越多，ns越大。 2.6 本章小结 离心泵的基本部件是非常快速地旋转的叶轮和固定的蜗牛形泵壳。具有若干个（通常为412个）后弯叶片的叶轮紧固于泵轴上，并随泵轴由电机驱动作非常快速地旋转。叶轮是直接对泵内液体做功的部件，为离心泵的供能装置。泵壳中央的吸入口与吸入管路相连接，吸入管路的底部装有单向底阀。泵壳侧旁的排出口与装有调节阀门的排出管路相连接 第3章 砂石泵的水利设计计算 3.1轴功率和原动机功率 由文献[6]查得 泵的轴功率： (3.1) 原动机效率： (3.2) 式中：K—余量系数； —传动效率。 3.2 泵轴径和叶轮轮毂直径的初步计算 叶轮主要几何参数有叶轮进口直径Dj、叶片进口直径Dl、叶轮轮毂直径dh、叶片进口直径b、叶片进口角?1、叶轮出口直径D2、叶轮出口宽度b2、叶片出口角?2、叶片数Z、叶片包角Ф等、叶轮进口几何参数对汽蚀性能有重要影响，叶轮出口几何参数对性能（H，Q）[6]查得 按扭矩计算泵轴直径的公式为： （m） (3.3) 式中：—扭矩（N·m）。 (3.4) 式中：—计算功率，可取 =1.2N； —材料的许用应力（Pa），取490×； d=0.04（m）； =47.88（N·m）； =7.27（kW）。 3.3叶轮主要尺寸的确定方法 性能测试表明，叶轮参数的设计对泵的性能至关重要。如叶轮进口半增大，泵的流量会相应增加；叶轮出口半径增大，会增大液体在叶轮出口处的圆周速度和牵连速度而提高泵的理论扬程；叶片间距增大，叶片朝出口推动液体的速度相应增加，有利于增大泵的流量；叶片厚度对泵性能亦有较大影响，叶轮厚度减小会增大泵的流量，叶轮进口处薄叶片还有利于将液体导入叶轮流道，较厚的叶片则利于提高泵的容积效率;叶轮包角对泵的性能影响很复杂，叶厂包角增大叶轮长度也随其增加，有利于叶片向液流平滑传递能量和减少泵的容积损失，但亦同时增大液流阻力损失，影响提高泵的效率；另外，叶片倾角、轮心锥体的角度、半径和长度等参数亦对泵的性能有一定影响。故在设计叶轮时，需要综合分析考虑各个参数，以期得到较佳泵的性能。 选用方法：速度系数法。（叶轮结构简图如3.1所示） 图3.1 叶轮结构简图 速度系数法实际上也是一种相似设计法。它和模型算法再实质上是相同的，其差别在于模型换算是建立在一台相似泵基础上的设计，而速度系数法是建立在一系列相似泵基础上的原理。利用统计系数计算过流不见的各部分尺寸。 3.3.1基本公式 速度系数公式的一般形式。利用速度系数确定尺寸表达式的一般形式。 由文献[1]查得 则 (3.5) 因∝nD，则 D=- 由 D= 因∝nD,则。 系数K称为速度（尺寸）系数，对相似泵来说这些系数相等，故这些系数分别为比转速ns的函数。即K=f(ns)利用ns和速度系数的关系（公式、曲线、数据），求得系数K，根据上面公式能计算出各部分尺寸。 3.3.2用速度系数法计算叶轮主要尺寸的公式 由文献[1]查得 叶轮进出口计算 (3.6) (3.7) 式中：Q—泵的流量（m3/s）对双向流Q/2； n—泵转速（r/min）； K0—系数，根据统计资料选取。 主要考虑效率时取：=3.5—4.0 兼顾效率和汽蚀时取：=4.0—4.5 主要考虑汽蚀时取：=4.5—5.5 实取200mm； 200mm； =180mm。 2.轮外径或出口角的理论计算 设计泵时，在保证相同性能情况下，能选用不同的参考组合，这样就增加了速度系数的近似性。因为D2是最主要尺寸，按速度系数法算得D2之后，最好以按此算得的D2为基础进行理论计算，理论计算是以基本方程式为基础，从理论上讲是比较严格的。但是计算得的D2为基础进行理论计算。理论计算是以基本方程式为基础，从理论上讲是比较严格的。但计算过程中用到水力效率，有限叶片数修正系数等，也只能用经验公式估算。所以理论计算法，实际上也是近似的。实践证明，理论计算结果，绝大多数都是可靠的。 下面介绍叶轮外径D2和β2角的精确计算方式。 由基本方程式： (3.8) 由速度三角形得 (3.9) 则 (3.10) 经整理得 解u2的一元三次方程得 由u2求得D2 用上式求时，必须知道，计算要用到（=Φ2），故必须先假定的D2是建立在不正确的基础上。这种情况下，需要用求得的D2或假定一个D2（此D2值为求得D2和前次假定D2之间），按上述步骤、重新进行计算，直到求得的D2与假定的D2相同或相近为止。这种方法称为逐次逼近法。如果计算β2，也应该先假定β2进行这次逼近计算。有关参数的计算如下： (1)计算得 (3.11) (3.12) 式中：—叶片出口圆周厚度。再计算时可假定=0.8-0.9 = (3.13) 式中：—叶轮出口轴面截线度； —叶片出口线)和吸水室结构及形式有，直锥形吸水室，水沿周壁流入，无旋转，=0。 半螺旋吸水室 (3.15) (3.16) 式中：R1—相应进口半径； m—系数，m=0.055—0.08 ，n5大者取大值； Q—流量（m3/s） 式中：α6—反导叶出口安放角，一般α6=60—90度； v6—反导叶出口绝对速度，一般v6=(0.85—1.0)vj； v6—叶轮进口速度。 离心泵一般是选择β2角，精确D2。混流泵因为叶片出口边是倾斜的，各流线的外径不同，为得到相同的扬程，D2小的流线。在这种情况下，可根据速度系数法算得尺寸，画出出口边，然后按下式计算叶片各流线 精算叶轮外径（第一次） 理论扬程 （3.18) 修正系数 ψ= (3.19) 取=0.66 静矩 (3.20) 精算叶轮外径 有限叶片数休整数 ψ (3.21) 无穷叶片数理论扬程 =（1+P）=62.1（m） (3.22) 叶片出口排挤系数 ψ2=1-=0.98 (3.23) 出口轴面速度 ==1.28(m/s) (3.24) 出口圆周速度 =25.8(m/s) (3.25) 出口直径 =0.34（m） (3.26) 精算第二次叶片出口排挤系数 ψ2=1-=0.981 (3.27) 出口轴面速度 ==1.31(m/s) (3.28) 出口圆周速度 =25.6(m/s) (3.29) 叶轮外径 =350m (3.30) 叶片出口排挤系数 ψ2=1-=0.981 (3.31) 出口轴面速度 ==1.31(m/s) 出口圆周速度 =25.8(m/s) (3.32) 出口速度 =7.05(m/s) (3.33) 无穷叶片数出口圆周分速度 =23.59(m/s) (3.34) 3.3.3 叶轮磨损分析 大范围的应用于矿山、冶金、煤炭、电力等部门的渣浆泵在输送固液混合物时砂石泵的过流部件存在不同程度的磨损。严重时会影响生产的正常进行。因此研究砂石泵磨损规律，探讨减轻磨损破坏的途径具备极其重大意义之由于砂石泵内磨损的因素有很多，研究有一定的难度。目前，对砂石泵的研究主要侧重于外部特性和内部流动。而对泵内磨损问题的研究则较少。磨损机理和规律尚不清楚，尤其对非常快速地旋转的泵轮磨损系统的研究尚未见报道。本文在实验室条件下对离心式砂石泵叶轮的磨损进行了分析，并对固体颗粒在泵轮内的运动进行了数值模拟，对渣浆泵叶轮磨损问题较为系统地进行了研究。 叶轮几何参数决定泵水力性能的优劣，无疑也对泵内叶轮的磨损有重要影响。一设计合理的叶轮不仅使泵在性能上能达到较高的指标，而且使泵的运行寿命也大大延长，因而研究叶轮的几何参数对磨损的影响是合理设计渣浆泵的一大关键。 在较低浓度范围内，泵轮叶片的磨损强度与所输送固体颗粒的浓度成正比浓度愈高单位磨损量愈小时运送浆体更经济。 大粒径磨粒所造成的主要磨损区靠近叶片头部，而小粒径磨粒所造成的主要磨损区靠近叶片压力面出口段。 叶片进口角对磨损强度影响明显大，出口角对磨损强度影响小。出口角过小时，磨损易在叶片的出口段集中，而出口角过大时，沿叶片压力面易发生严重损。因此合理选择叶片参数不仅有利于提高渣浆泵的水力性能，而且可提高其抗磨损性能之 泵轮叶片的磨损强度与泵转速呈n次方关系，在渣浆泵的设计中应尽可能优先选较低的转速，在输送高浓度的固体物料时更为如此。 1. 转速与磨损的关系 叶轮转速不仅是决定泵内流动的主要的因素，对泵内的磨损也具有很大的影响。随着转速的增大，流场内如果流速增大，粒子获得的动能一也越大，对泵内叶轮造成的磨损越大。根据理沦分析，磨损量与速度成立方关系，但在实际中，由于受实验方法和其它因素的影响.谏度的乘方指数又是不同的。一般而言，对于坚硬和脆性材料如铸铁、合金钢等，值为2.5-3.3；而对于铝来说，由于是一种软而韧的材料，其又值则大约为5。 图3.1磨损与转速的关系（磨损时间120分钟） 2、磨粒浓度与磨损的关系 磨损随浓度的增加而增加，并遵循磨损与浓度的一次方成正比的关系. 输送单位体积浓度固粒产生的磨损称作单位磨损量。单位磨损量越小，泵在它的运转期间传送的固体量越多。一般，单位磨损量随着中、低浓度的增加而减小，当Cv=19%时，磨损量达到最小；此后即使浓度增加，单位磨损量仍然为常数。低浓度实验结果与其规律是相适应的。 损失率（%）浓度Cv（%） 图3.2 磨损与浓度之间的关系图 3、叶片数与磨损的关系 当叶片数增加后，单个叶片的损失减少，说明叶轮的常规使用的寿命将会延长。 从理论上分析，叶片数增加，叶片总的表面积增加，受到颗粒碰撞的机会增多，叶轮总的磨损将有所增加；但另一方面由于流道变窄，水流的流动状态得到更大的制约，也相应地限制了颗粒的运行轨迹，因而可以减缓颗粒对叶轮造成的磨损.综合这两方面的因素，至少对单个叶片来说磨损情况不会变坏。根据实验结果，采用多叶片数可减少单个叶片的磨损量，有利于叶轮寿命的提高。 (l)在一定的体积浓度范围内，磨损量与体积浓度成线)对柔韧性材料，如铝等，叶片的磨损量与叶轮的旋转速度的5次方成正比。 (3)大的叶片进口角能够大大减少磨损。所以，选择适当的叶片进口角是必要的，而叶片的出口角过大或过小都会产生严重的磨损，但是磨损的位置在这两种情况下是不相同的。 (4)实验中的大多数情况下，叶片的头部是最重的磨损区域。 (5)叶片数增加，一般可延长叶轮的常规使用的寿命。 4．叶片的保养与维护 由于叶片在使用的过程中的磨损，以及铸造缺陷等方面的原因，测绘中难免存在偏差，通过对20余种ISO型单级离心泵叶轮叶片的测绘，并把制造出的叶轮作性能测试检测，从新旧叶轮的性能对比来看，测绘制作的叶轮，有10余种达到了原有叶轮的性能指标，有3种甚至比原有性能指标稍有提高。剩余的几个品种，在经过调整叶片进口角、出口角及前、后盖板的曲率半径后也基本满足了使用上的要求。用测绘方法制作的叶轮，完全能代替从澳方进口的叶轮，可以为用户节约大量的开支。我们大家都认为此种测绘方法，在现存技术设备条件下，不需进行任何投资，就能较准确地测绘出叶轮叶片的形状。[1]查得 (3.35) 式中：—速度系数，当=127时，=0.362； H—泵的扬程，H=15m。 代入上式=6.21(m/s)，取=6(m/s)。 涡形体隔舌安放角ψ=20度共分6个断面，通过计算断面流量为 20（m3/s） (3.36) 断面面积按下式计算 (3.37) 式中：Ф—断面包角（度）。 3.4.2、舌角的计算 由文献[1]查得 舌角应与叶轮出口绝对速度的液流角一致，即 == (3.38) 式中：—中间流线出口处有限叶片数时液流的圆周分速度。 取 ==7.04(m/s) (3.39) 代入上式 ===38.7度 涡形体宽度 =（1.5—2）；=105—140(mm) (3.40) 实际绘型时=180(mm)。 3.4.3 基圆直径 由文献[1]查得 基圆直径为： ==350—367.2(mm) (3.41) 取=360(mm)。 3.5 叶片厚度的确定 综上，诱导轮与叶轮之间距离X进口直径（叶轮）—D1 又因为越小越好，所以取为20(mm) 叶片厚度 mm 为轴面流线 真实厚度 mm 流面厚度 (3.42) s==4mm 圆周厚度 mm (3.43) 轴面垂直厚度 5.2mm (3.44) 径向厚度 1.8 mm (3.45) 3.6 本章小结 叶轮安装在泵壳内，并紧固在泵轴上，泵轴由电机直接带动。泵壳中央有一液体吸入与管连接。液体经底阀和吸入管进入泵内。泵壳上的液体排出口与排出管连接。 第4章 轴向力及其平衡 泵运转时，在其转子上作用一个很大的与轴心线重合的力叫做轴向力。 4.1 产生轴向力的根本原因 1.液体流入叶轮吸入口及从叶轮出口流出，其速度大小及方向都不相同，液体动量的轴向矢量发生了变化，因此，由动量定理在轴上作用了一个冲力，这个作用在叶轮上的力也是轴向力的一部分。 2.泵叶轮前后盖板承受液体压力的面积大小不等，前后泵腔中的液体压强分布也不相同，因此，作用于叶轮上的压力在轴向上不能平衡，造成了一个轴向力，这个轴向力是轴向力的主要部分。 4.2 轴向力的计算 螺旋式叶轮可按半开式叶轮经验公式来近似计算轴向力，公式如下： 式中： ——圆心在叶片入口边上，并且与叶轮轮廓相切的圆的直径。 d1=（D1-dh）/2=40cm k——轴向力系数，查表得 k=1.63 ——d圆心处的半径，=（D1+D2）——液体重度，=2650kg/m3 故： F1=2×3.14×0.1×0.04×1.63×15×2650 =1628N 4.3 轴向力的平衡方法 1．利用对称性，平衡轴向力．从分析对称形状的双吸叶轮可知，它相当于两个单吸叶轮并联工作，这种叶轮轴向力是自动平衡的．这个办法广泛的应用于单吸两级悬臂泵，涡壳式多级泵以及立式多级泵上． 2．改造叶轮，以减少或平衡轴向力．用改变叶轮形状的办法，降低叶轮背面压力，达到平衡或者减少轴向力的目的． 3．采用专门的平衡装置，如平衡鼓装置，平衡盘装置． 4．对于单级小型轴向吸入泵轴向力不太大，一般都会采用径向止推轴承来平衡轴向力，但有时考虑受径向力作用，可采用圆锥滚子轴承来承担． 5．采用平衡孔，使后泵腔的下部与叶轮的吸入口相连，使两面压力相同，但不能完全平衡轴向力．这种平衡轴向力的方法存在以下两个缺点：（１）泵的泄露量大，因此降低了泵的效率．（２）液体流入叶轮时的速度不均匀，因而降低了叶轮的水力效率． 综上所述，该泵的轴向力较大，如果采用均压孔来平衡轴向力，不但水力效率降低，又会因固体颗粒渗入填料箱或串到背叶片内，从而加速了叶轮填料及轴的磨损，综合以上两种方式，采用单列圆锥滚子轴承平衡轴向力．因为这种轴承可以同时承受较大的轴向力和径向力． 第5章 砂石泵主要零件的强度计算 5.1 引言 在工作过程中砂石泵零件承受各种外界的力的作用，使零件发生变形和破坏，而零件依靠自身的尺寸和材料性能来反抗变形和破坏。一般，把零件抵抗变形的能力叫做刚度，把零件抵抗破坏的能力叫强度。设计砂石泵零件时，应使零件有充足的强度和刚度，以提高泵运行的可靠性和寿命，这样就要尽量使零件的尺寸做得大些，材料用得好些；单另一方面，又希望零件小、重量轻、成本低，这是相互矛盾的要求，在设计计算时要正确地处理这个矛盾，合理地确定砂石泵零件尺寸和材料，以便既满足零件的刚度和强度要求，又物尽其用，合理使用材料。 但是，由于泵的一些零件形状不规则，用一般材料力学的公式难以解决这些零件的强度和刚度计算问题。因此，推荐一些经验公式和许用应力，作为设计计算时的参考。 对砂石泵的零件，特别是对过流部件来说，耐汽蚀、冲刷、非物理性腐蚀和电腐蚀问题也是很重要的。有些零件的刚度和强度都满足规定的要求，主要是因为汽蚀、冲刷、非物理性腐蚀和电腐蚀问题没有处理好而降低了产品的寿命。 5.2 叶轮强度计算 5.2.1盖板强度计算 由文献[4]查得 盖板中的应力主要由离心力造成的，半径越小的地方，应力越大。 （4.1） （4.2） 式中：—材料的宽度（mm）； —许用应力， 对铜； —材料的屈服极限；（Pa） —拉伸强度；（Pa） e=2.71828； D2=0.248m； ρ=7800N·m Dx=0.2m； δ2=0.008m； u2=18.9m/s； w=18.9r/s。 材料：ZG1Cr13, KPa。 5.2.2叶片厚度计算 由文献[4]查得 （mm） （4.3） 式中：H—单级扬程（m）； Z—叶片数； D2—叶片外径(m)； A—系数，与比转速和材料有关，取A=5； D2=0.248m ns=127 Z=2 H=15m S=50.248=3.4mm 实际S=4mm。 最小壁厚： 如果在一般铸造条件下，各种灰铸铁的最小许可厚度。 HT250：mm。 筋的厚度：10mm。 5.2.3轮毂强度计算 由文献[6]查得 轴向力 （4.4） 由此应力所引起的变形为 （4.5） 式中：E—弹性模数（V/cm2），对铸铁E=，对铸铜E=，对铜E=； Dc—叶轮轮毂平均直径； —由离心力引起的叶轮轮毂直径的变形（mm）； 应小于叶轮和轴配合的最小公盈，即 。 MPa 因 故在时叶轮盖板是安全的。 mm 由公差配合可知，由离心力所引起的变形小于最小的配合公盈。 5.3泵轴的强度校核 5.3.1 泵轴的强度计算 由文献[9]查得 泵轴的当量弯矩（N·m）可按下式计算： （4.6） 式中：—计算断面的弯矩（N·m）； M—计算断面的扭矩（N·m）； a—考虑到弯曲应力和扭转应力情况差异的校正系数，对离心泵的轴一般可取a=0.57-0.61。取a=0.6。 N·m （4.7） mm （4.8） 查知轴是安全的。 5.3.2 泵轴的刚度校核 由文献[9]查得 由轴的细长比： 经计算，得 =1.35 故泵轴是能够使用的。 联轴器的选用： d=40mm L=112mm D=130mm D1=105mm 螺栓数量n=4个 直径M10 L0=229mm 重量m=7.29kg 转动惯量是0.043。 5.4 键的校核 5.4.1 键的选择 由文献[9]查得 M=47.88 N·m （4.9） d=40mm 键： 一般键联接 深度：轴 毂 平键l=50mm 5.4.2 键联接强度计算 由文献[9]查得 计算键的剪切应力： N·m （4.10） 可知键是安全的。 计算键的挤压应力 N·m （4.11） 钢的许用挤压应力=1500-1600 N·m 所以 ，轮毂是安全的。 键的剪切应力可按下式计算： （4.12） 式中：M—键所传递的扭矩（N·m）； d—轴径（mm）； b—键的宽度（mm）； l—键的长度（mm）； —键的许用剪切应力一般键为45号钢可取=600 N·m。 挤压应力可按下式计算： （4.13） 式中：h—键高（mm）； —许用挤压应力（N·m）。 一般应按轮毂材料来校核。因为轮毂材料的许用挤压应力较键的要小，一般可取钢的许用挤压应力： =1500-1600 N·m。 5.5 本章小结 本章主要对砂石泵的壳体、轮毂及泵轴了详细的校核过程，以确保泵在实际在做的工作中能安全运转。轴在载荷作用下会产生弯曲变形或扭转变形，此外轴在非常快速地旋转下，轴的刚度必然的联系到轴的震动稳定性，因此对轴及其附属结构的计算校核过程就十分重要了。  第6章 砂石泵主要通用零部件的选择 6.1 正确选用砂石泵主要通用零件的重要性 正确地设计过流部件和选用材料是保证砂石泵性能和寿命的重要条件。但是，如果砂石泵其他零件异常工作，就是过流部件设计得再好，材料选用得再好，也不能够确保泵的性能和寿命。经验表明，砂石泵在运行中所产生的问题大部分是材料选用问题、主要零部件的选择问题和制造精度问题。对耐腐蚀泵运行中的事故做多元化的分析表明，纯属泵性能方面的问题仅占总事故的10.6%，其他都属于材料选用的问题、主要零部件的选用问题和制造精度问题。由此可见，正确地选用砂石泵主要零部件是保证泵正常运行的重要条件。 对砂石泵来说，过流部件占的数量毕竟是比较少的。而其他零件的数量是比较多的。随国民经济发展的发展，泵的品种慢慢的变多，如果不努力提高砂石泵零部件的标准化、通用化程度，就会使零部件种类慢慢的变多，批量相对地越来越小，这就造成了生产管理上的混乱，限制了劳动生产率的提高，而且给使用和维护也带来非常大的困难。因此，逐步的提升砂石泵的零部件的标准化、通用化程一直是水泵行业的一项重要工作。现在，托架、悬梁、支架、填料环、填料压盖、填料套、轴承架、联轴器、密封环、叶轮螺母等零部件均已有了行业标准或系列标准。产品的标准化、通用化程度逐步的提升。由于产品标准化、通用化程度的提高，改善了工厂的生产管理，提高了劳动生产率，有力地保证了水泵行业的持续跃进。因此，在设计砂石泵时，应尽可能按国家标准选用通用标准零部件。 在泵的所有零部件中，在运转中最容易发生问题的是轴封部件，轴承润滑部件和冷却部件，如果对这些部件选用不当，轻者砂石泵不能工作或使砂石泵烧毁，重者能引起严重的人身设备事故（如易燃、易爆、有毒液体由轴封部件中漏出，引起火灾、爆炸和中毒事故）。另一方面，随技术的发展，高温、高压、高速泵所占比重逐年增大。经验表明，泵的温度越高、压力越高，轴封、润滑和冷却问题也越显得重要。 6.2轴封结构的选择 砂石泵轴端密封的设计 由于泵轴转动而泵壳固定不动，在轴和泵壳的接触处必然有一定间隙。为避免泵内高压液体沿间隙漏出，或防止外界空气从相反方向进入泵内，必须设置轴封装置。离心泵的轴封装置有填料函和机械（端面）密封。填料函是将泵轴穿过泵壳的环隙作成密封圈，于其中装入软填料（如浸油或涂石墨的石棉绳等）。机械密封是由一个装在转轴上的动环和另一固定在泵壳上的静环所构成。两环的端面借弹簧力互相贴紧而作相对转动，起到了密封的作用。机械密封适用于密封较高的场合，如输送酸、碱、易燃、易爆及有毒的液体 图5.1填料的密封装置和机械密封装置 目前砂石泵的密封形式主要是如图5.1所示其密封区由泵体1叶轮2泵盖及衬板5、水封套4、进水口3、填料6和填料压盖7构成工作原理为通过调节压盖州头压紧填料巴使填料充满消除水封套右端和叶轮轴伸间间隙实现密封)通过从进水口引入轴封水以清洁和冷却内部通道。 5.2典型砂石泵密封结构 砂石泵的轴端密封是影响其使用性能和工作寿命的核心部件之一。目前国内离心砂石泵产品轴端密封一般都会采用传统的填料密封型式。填料密封装置结构相对比较简单，制作容易，长期以来成为离心式水泵轴端密封的主要型式。由于砂石泵的工作介质内含有大量的泥砂，工作中泥砂将逐渐侵入填料与轴之间的摩擦面，造成轴套和填料快速磨损和介质渗漏，使泵的工作所承受的压力迅速下降，而不得不停泵检修，严重影响了工作效率。 综上，本次设计的填料密封的结构尺寸为： (1)填料宽度S（mm） =1.6=10mm （5.1） d—轴式轴套直径（mm） (2)填料高度H(mm) 当液体压力MPa时 H=(5-7)S=60mm （5.2） (3)填料压盖高度h(mm) h=(2-3)S=25mm （5.3） (4)压入填料函体内的填料压盖长度b (mm) b=(0.5-1)S=8 mm （5.4） (5)填料压盖螺栓长度L 应该保证在填料函体内装满填料时，不需要加压就能拧上螺母。 (6)填料压盖螺栓直径d (mm) 取M6 (7)填料压盖厚度(mm) =9 (mm) （5.5） 取=7 (mm) —填料压盖螺栓直径。 6.3 轴承部件的选择 根据主轴的直径选择标准件轴承，本设计中选用两种标准轴承。 首先，选择61309/P6型号的深沟球轴承（GB276-64）d = 45mm D =100mm B = 25mm 安装尺寸：D1 =54 mm D3=90mm 重量：0.83（kg） 其次，选择11109/P6型号的双列向心球面球轴承（GB281-64）d = 45mm D =100mm B = 36mm 安装尺寸：D1=55mm D3=90mm 重量：1.25（kg） 6.4 联轴器的选择 根据设计的基本要求，因为直径为40mm，所以最终选择弹性套柱销联轴器（GB4323-84）,Tl6型号。L=112mm；D=160mm；A=45mm 10.36（kg） 0.026kg·m2 6.5 电动机的选择 根据泵轴的最小直径的尺寸，以及算得电动机的功率，查手册选择电动机选择Y系列（IP）Y132M-4；7.5kW；15.4A； 标称电压：380V； 转速：1440r/min； 效率：87%； 功率因数：0.85。 6.6 本章小结 正确地选用砂石泵主要零部件是保证泵正常运行的重要条件。首先是蜜蜂装置。本次泵体采用机械密封机械密封是由一个装在转轴上的动环和另一固定在泵壳上的静环所构成。两环的端面借弹簧力互相贴紧而作相对转动，起到了密封的作用。机械密封适用于密封较高的场合，如输送酸、碱、易燃、易爆及有毒的液体。 结 论 目前，砂石泵的研制和生产经历了很长的一段时间。该泵的良好性能和广泛用途将为许多行业所共认，并且在生产应用中已取得明显的经济效益与社会效益。 设计就要有创新、有可行性。本次螺旋式砂石泵的结构是设计就为了使砂石泵大范围的应用于实际生产中，并在保证低成本的同时有更多的效益。此次设计，在充分复习大学四年的知识的基础上。应用优化设计来完成本次毕业设计。所以，在泵的技术理论研究方面还是初步探索。泵的性能是泵的几何和运动参数的外部表现形式，而其间相应关系又极为复杂，如叶轮、蜗壳、吸液室的几何形状，各个设计参数间的关系以及三者之间的液流运动相互关系，都会直接影响到泵的性能和水力效率。另外，各行业对泵的输送要求不完全一样，如因用途不同而对泵的无堵、无缠、无损性能各有所需，因工艺不同对扬程、流量等技术参数的选用亦不一致。因此，还有待于深入开展螺旋泵的基础理论研究和多种结构、多种功能、多种系列产品的开发研究，以提高我国的螺旋泵技术产品水平，为国民经济发展起到更大作用。  参考文献 [1]关醒凡.泵的理论与设计[M].机械工业出版社,2007. [2]社样水泵研究所，合肥通用机械研究所.泵、喷射设备产品样本（上、下册）[M].机械工业出版社，2002. [3]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社，2005. [4]离心泵设计基础编写组.离心泵设计基础[M].机械工业出版社，2007. [5]钟正邦.两相流理论在泥浆泵设计中的应用[M].流体工程出版社，2008 . [6]卜炎.中国机械设计大典 第3卷[M].江西科学技术出版社，2005. [7]徐灏.机械设计手册 第4卷[M].机械工业出版社，2001. [8]成大先．机械设计手册 第1卷[M].化学工业出版社，2002. [9]王三民，诸文俊．机械原理与设计[M].机械工业出版社，2001. [10]煤炭工业部.液压传动设计手册[M].上海科学技术出版，2003. [11]梁冰，朱玉才.固液两相流泵的边界层理论及其应用[M].科学出版社，2003. [12]A.A.洛马金.离心泵与轴流泵[M].梁荣厚，译.机械工业出版社，2008. [13]孙明.机械工程基础（上、中、下册）[M].黑龙江人民出版，2000. [14]陈乃祥，吴玉林.离心泵[M].机械工业出版，2003. [15]机械零件设计手册[M].冶金工业出版社，hanisms and Machine Theory[M]Higher Education Press,2007.  致 谢 首先，感谢母校黑龙江工程学院四年来对我的教导。在大学期间，通过老师们的谆谆教导，我已具备了一名本科学生应具有的基本素质。特别是创新和实践能力。我会把黑龙江工程学院的精神带到我工作的地方。让人们了解我院的优良品德。 其次，在这次的毕业设计中，我要感谢我的指导老师张春福副教授。本次毕业设计是在张老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，张老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在他的教导下我，我把四年的专业相关知识与生产实际联系在了一起。用在了螺旋离心式砂石泵的结构设计上。并且，在本次毕业设计中，我知道了自己的不足在哪里，了解到理论与实际的差异。在以后工作中要逐步完善知识，将理论与实际有机的结合在一起。 此外，我还要感谢我身边的同学，是他们不记前嫌，而且不断的我给我鼓励，给我帮助，我才能在规定时间内完成设计。 毕业设计已确定进入审核阶段，从选题课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我诚挚的鼓励与帮助，在这里请接受我真诚的谢意！ 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 绪 论 1 1.1 选题背景及意义 1 1.2 砂石泵的概述及发展 1 1.2.1砂石泵的工作原理 1 1.2.2砂石泵的主要零部件 2 5 2.1砂石泵结构设计的总体方案分析 5 2.2.1螺旋离心泵叶轮结构特征 5 2.2.2砂石泵的主要性能参数 6 2.2确定泵的总体结构及形式 6 2.3泵的进出口直径的确定 8 2.3.1进口直径 8 2.3.2泵的出口直径Dd 9 2.4 泵转速的确定 9 2.5确定泵的水利方案 9 2.6 本章小结 11 第3章 砂石泵的水利设计计算 12 3.1轴功率和原动机功率 12 3.2 泵轴径和叶轮轮毂直径的初步计算 12 3.3叶轮主要尺寸的确定方法 13 3.3.1基本公式 14 3.3.2用速度系数法计算叶轮主要尺寸的公式 14 3.3.3 叶轮磨损分析 19 3.4 压水室设计 21 3.4.1涡形体各断面面积内的平均速度 21 3.4.2、舌角的计算 22 3.4.3 基圆直径 22 3.5 叶片厚度的确定 23 3.6 本章小结 24 第4章 轴向力及其平衡 25 4.1 产生轴向力的根本原因 25 4.2 轴向力的计算 25 4.3 轴向力的平衡方法 25 第5章 砂石泵主要零件的强度计算 27 5.1 引言 27 5.2 叶轮强度计算 27 5.2.1盖板强度计算 27 5.2.2叶片厚度计算 28 5.3泵轴的强度校核 29 5.3.1 泵轴的强度计算 29 5.3.2 泵轴的刚度校核 30 5.4 键的校核 30 5.4.1 键的选择 30 5.4.2 键联接强度计算 30 5.5 本章小结 31 第6章 砂石泵主要通用零部件的选择 32 6.1 正确选用砂石泵主要通用零件的重要性 32 6.2轴封结构的选择 32 6.3 轴承部件的选择 35 6.4 联轴器的选择 35 6.5 电动机的选择 35 6.6 本章小结 36 结 论 37 参考文献 38 致 谢 39 42

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