PAGE I 摘 要 螺旋离心泵简称螺旋泵，是一种具有极好地无堵塞、无缠绕与损伤少的新型杂质泵。主要使用在于冶金、矿山、煤炭、电力、石化、食品、造纸等工业部门以及污水处理、港口河道疏浚等行业。 本文根据LX125-80-15螺旋离心泵的系统参数及要求。首先，通过对螺旋离心泵的现况及类型原理进行了分析并拟定设计的具体方案；接着，对主要零件包括，叶轮、泵壳、泵轴和通用件等进行了设计与选择计算；然后，对主要零部件的强度进行了校核；最后，绘制系统2D装配图和主要零件图并进行3D造型设计。 关键字：螺旋离心泵；叶轮；轴；设计 全套图纸加扣 3346389411或3012250582 Abstract Screw centrifugal pump is a kind of new type of pump with no blockage, no wound and less damage. Mainly used in metallurgy, mining, coal, electric power, petrochemical, food, paper and other industrial sectors, as well as sewage treatment, port river dredging and other industries. According to the system parameters and requirements of LX125-80-15 screw centrifugal pump. First of all, through the analysis of the current situation and type of the screw centrifugal pump, the design scheme is proposed. Then, the main parts include the design and selection of the main parts, such as impeller, pump casing, pump shaft and general parts, and then check the strength of the main parts. Finally, the 2D assembly drawings and the main parts of the system are designed. Key words: Screw centrifugal pump; Impeller; Shaft; Design 目 录 TOC \o 1-3 \h \z \u 摘 要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1.1研究背景及意义 1 1.2 螺旋离心泵概述 1 1.2.1结构特点及工作原理 1 1.2.2 砂石泵的主要零部件 2 1.2.3 砂石泵的发展 3 1.3螺旋离心泵的国内外研究形状 3 1.3.1国外研究现状 3 1.3.2国内研究现状 4 第二章 总体设计 5 2.1设计的基本要求 5 2.2 方案的确定 5 2.3原动机的选择 5 2.4水力设计 6 第三章主要零件的设计与选择计算 8 3.1叶轮设计 8 3.1.1叶轮主要参数的确定 8 3.1.2背叶片的设计 15 3.2泵轴的设计 16 3.3压水室设计 17 3.3.1涡形体各断面面积内的平均速度 17 3.3.2舌角的计算 17 3.3.3 基圆直径 18 3.3.4叶片厚度的确定 18 3.4主要通用零部件的选择 19 3.4.1轴封结构的选择 19 3.4.2轴承部件的选择 19 3.4.3联轴器的选择 20 第四章 主要零件的强度计算 21 4.1泵体的强度计算 21 4.2叶轮强度计算 21 4.2.1盖板强度计算 21 4.2.2叶片厚度计算 22 4.2.3轮毂强度计算 22 4.3泵轴的强度校核 23 4.3.1泵轴的强度计算 23 4.3.2泵轴的刚度校核 23 4.4键的校核 23 4.4.1键的选择 23 4.4.2键联接强度计算 23 4.5轴承的校核 24 总 结 26 参考文献 27 致 谢 28 第一章 绪论 1.1研究背景及意义 20 世纪60 年代，瑞士Martin Sthale 发明了装有螺旋型叶轮的螺旋式离心泵并用于港口输送活鱼。由于它将螺杆泵与离心泵的优点融合为一体，充分的发挥了两者的优势，到20 世纪80 年代初，已有两千多台螺旋离心泵在世界各大渔港的输送系统中投入到正常的使用中。 螺旋离心泵不仅仅可以安全可靠稳定地运行，而且其效率也是普通离心式杂质泵和旋流式杂质泵很难来做比较的。早期国内引进此泵后，主要使用在于造纸，海藻化工和捕捞行业。随着无堵塞泵理论研究的进展与应用领域的不断拓展，螺旋离心泵已大范围的使用在输送蔬菜、水果、低中浓纸浆、绒状物、含泥沙水、及其它含高浓度杂质的浆液等，并且突破了杂质泵的应用限制范围，在航空航天领域也发挥了一定作用。 随着科学技术的发展，泵输送固态物质的应用领域日益扩大，高品质的泵就应该被推广应用，而螺旋离心泵就是一种具有极好地无堵塞、无缠绕与损伤少的新型杂质泵。主要使用在于冶金、矿山、煤炭、电力、石化、食品、造纸等工业部门以及污水处理、港口河道疏浚等行业，该泵有两个主要要求：一是无堵塞，二是耐磨损。耐磨损主要与材料有关，无堵塞主要根据叶轮的结构及形式。它的叶轮结构为螺旋离心式的。 由于目前用泵输送的固液两相流，对固体物质的输送要求慢慢的升高，比如，对固体物料要求无损性好，物料的通过率高，泵的效率高，无过载现象等等。而螺旋离心泵的螺旋式叶轮，正是集中了这些优点于一身，目前螺旋离心泵已经在很多工业公司中得到应用，并在很多的系统工程中起着举足轻重的作用。因此，螺旋离心泵的结构设计是一个应用前景和未来市场发展的潜力都非常好的研究项目。 1.2 螺旋离心泵概述 1.2.1结构特点及工作原理 螺旋式离心泵的基本结构如图1 所示。其最主要的部件是螺旋离心式叶轮，最常用的螺旋离心叶轮有单叶片和双叶片两种形式。在运行过程中，螺旋部分起到了容积泵的作用，将吸入壳体中的物料沿轴向推进至离心部分，再通过离心部分排出。因此，这种泵是容积泵和离心泵的组合。 图1-1 螺旋离心泵结构简示意 它的工作原理：流体在非常快速地旋转的叶轮作用下被吸入泵腔，叶轮由螺旋段和离心段两部分所组成，螺旋部分提供一个正向的位移推力，此力在轴向的延伸处形成一种弯转的分力，使入口处的水流沿着叶轮的切线方向而不是与叶轮成直角作用下被吸入泵腔，叶轮由螺旋段和离心段两部分所组成，螺旋部分提供一个正向的位向而不是与叶轮成直角或某一角度进入泵体。螺旋部分的轴向推力使水流平稳前进，直至离心部分，再由离心部分推送水流从出口排出。 与一般的普通杂质泵和旋流泵相比，螺旋离心泵具有以下优点： 无堵塞性能好；无损性能好；效率高，且高效区宽广；功率曲线平坦；良好的调节性能；泵的吸入性能好；具有优良的抗汽蚀性能；腐蚀小，过流部件寿命长；理想的噪声特性。 1.2.2 砂石泵的主要零部件 泵的主要过流部件有吸水室、叶轮和压水室。 泵吸水室位于叶轮前面，其作用是把液体引向叶轮。有直锥形、弯管形和螺旋形三种形式。 压水室位于叶轮外围，其作用是收集从叶轮流出的液体，送入排出管。压水室主要有螺旋形压水室（涡壳）、导叶和空间导叶三种形式。 叶轮是泵最重要的工作元件，是 过流部件的心脏。叶 轮由盖板和中间的叶片组成。根据液体从叶轮流出的方向不同，叶轮分为径流式、混流式和轴流式三种型式。 径流式叶轮—液体流出叶轮的方向垂直于轴线，即沿半径方向流出；混流式（包括斜流式）叶轮—液体流出叶轮的方式倾斜于轴线；轴流式叶轮—液体流出叶轮的方向平行于轴线，即沿轴线方向流出。 泵的类型： 泵可大致分为叶片式泵（动力式泵）、容积式泵和别的类型泵三大类。所谓叶片式泵，是依靠叶轮在壳体中旋转，通过流体动力参数的变化把能量传给液体的机械。叶片式泵的简单分类如下： (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。 由于砂石泵具有很多优点，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。 （1）发展多功能多用途砂石泵 我国砂石泵的形式和外国著名的砂石泵生产厂的产品相比还不够多，如带有切割装置的泵、多级泵、抽送腐蚀性介质的砂石泵等生产的还很少，然而其市场的需求量又很大，因此，具有非常好的发展前途。 （2）开发高可靠性机械密封 机械密封是砂石泵的关键部分，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。 （3）新材料新技术新工艺等将逐步应用 普通泵已使用不锈钢、氟塑料(F46)、衬塑、衬胶、喷涂陶瓷等，所有这些材料应当尽快应用到砂石泵上，扩大砂石泵的应用领域。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。 1.3螺旋离心泵的国内外研究形状 1.3.1国外研究现状 20世纪60年代初，未解决秘鲁沿岸鱼类加工厂活鱼保鲜输送问题，瑞士工程师M artin Sthale 发明了带有螺旋型叶轮的泵，由于该泵融合了螺旋泵和离心泵两者的优点，所以被称为螺旋离心泵。此泵先后获得秘鲁、美国和西德等国的专利，随之马丁先生又建立了瑞士海斯特股份有限公司并任集团总裁。此后，马丁先生便致力于螺旋离心泵的进一步开发研究，在泵送活鱼的应用基础上，将其由原来的鱼泵发展为多品种、多系列螺旋离心泵，并逐步扩大其应用领域，目前，该系列新产品已成为复杂介质泵送领域的重要输送设备。德国H idrostalGmbh和KSB公司也已经开发出该泵的系列新产品。英国Sigmund、日本荏原、久保田、太平洋机工、石川岛播磨重工业等公司都相继开发出这种泵的系列新产品。由于螺旋离心泵用途与结构的特殊，直到20世纪80 年代才见到国外公开发表的研究成果，目前国外已有成熟的产品，德国、美国、日本和英国的公司已相继开发出这种泵的系列新产品。但其中关于他们的文章大多都是产品介绍，而有关泵的研究和设计方面的文章很少见。 1.3.2国内研究现状 国内对螺旋离心泵的设计研究起始于20世纪90年代，朱荣生、关醒凡根据多年的研究成果提出了一套确定螺旋离心泵叶轮几何参数的经验公式，并且用运包角变换法对叶轮进行了绘形，以此用于产品研究开发；陈红勋、朱荣生认为与普通离心泵一样，螺旋离心泵的设计关键主要在叶轮，而叶轮设计的关键则是要找出叶轮结构参数与螺旋离心泵性能参数之间的定量关系，这种定量关系的建立需要从理论与实践两方面入手，他们以两种不同方法对叶轮的结构参数进行了定义，并在此基础上提出这些结构参数的确定方法；厉浦江介绍了螺旋不堵塞泵的叶轮、泵体的设计方法，并通过实例对设计办法来进行了验证；刘自贵等介绍了国外螺旋离心泵的科研概况以及他们所作的变速运行结果，提出了较为实用的设计方法；赵天成等介绍了在两相流泵设计中两相流动的最低极限速度的选择与确定原则，讨论了固体颗粒对叶轮泵壳内流动特性的影响，提出了两相流泵最经济输送范围下所具有的最佳重量浓度；何希杰、劳学苏提出了螺旋离心泵叶轮叶片工作面和负压面空间曲面方程和具体的水力设计方法，对于螺旋离心泵的研究和设计具有实际意义。李仁年等人从理论上分析了螺旋离心泵各种各样的性能之间的关系，提出在设计螺旋离心泵时应考虑各种各样的因素，以满足多种应用的要求。 我国的螺旋泵新技术产品开发起步较晚，1988年LLB 螺旋离心泵的研制成功尚属国内首次，新产品通过专家鉴定，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。1989年为湖南、广西两个造纸厂提供LLB150??150型泵3台，用于粗、细纸浆的输送。1992 年为广东普宁海藻工业公司和青岛黄海海藻工业公司分别提供LLB150??100型泵17台和13 台，用于浸泡海带、麒麟菜及其消化胶液的输送。在连续几年的生产应用中，两种泵均稳定性很高，工作可靠，未曾发生缠绕与堵塞故障，并且与原用泵相比，输送效率高、耗能低，在节电( 30% ~ 50% )、减轻劳动强度、减少相关成本和提高生产功效等方面取得了良好的生产效果。 第二章 总体设计 2.1设计的基本要求 螺旋离心泵简称螺旋泵，是一种具有极好地无堵塞、无缠绕与损伤少的新型杂质泵。主要使用在于冶金、矿山、煤炭、电力、石化、食品、造纸等工业部门以及污水处理、港口河道疏浚等行业。LX125-80-15螺旋离心泵的主要参数如下： （1）出口：80mm； （2）入口：125mm； （3）流量：90m3/h； （4）扬程：H=15m； （5）转速：1450r/min； （6）轴功率：6.33kW。 2.2 方案的确定 此次设计的螺旋离心泵，在设计结构上采用单级单吸悬臂卧式结构，其主要结构是装有背叶片的具有特殊的三维螺旋叶片的叶轮，叶片型线为空间对数螺旋线，采用液固两相流理论进行水力设计。 该螺旋离心泵在结构上主要有三大部分所组成，分别为泵头部分，轴封部分以及传动部分，分别叙述其结构特点。 （1）泵头部分 泵头部分由泵体和泵盖组成。前，后盖板的直径大于叶轮直径，叶轮可由前或后拆卸，叶轮为螺旋离心叶轮，叶轮的后盖板带有背叶片以减少泄露，提高泵的寿命及效率。 （2）轴封部分 本次设计的轴封采用填料轴封，填料轴封结构相对比较简单，维修方便，但需使用轴封水，还需配备供应轴封水的泵。 （3）传动部分 传动部分包括托架和轴承组件，轴承根据传动的功率不同选择单列向心圆锥滚子轴承，可承受泵的最大轴向及径向载荷，轴承采用干油润滑，轴承体两端有密封端盖，并且有两道密封圈，能有效的防止污物进入轴承，保证轴承安全运作，具有较高的常规使用的寿命。 2.3原动机的选择 根据泵实际在做的工作要求，该泵与钻机配套使用时，常需要野外作业，电源使用不方便，故选用柴油机作为原动机，柴油机转速选择，用V型带传动，因给定泵的转速n=1450r/min，故传动比i=。 柴油机功率计算： 泵输出功率： = =7.5KW 式中：——介质密度 kg/m Q——流量（） H——扬程（m） 泵输入功率：N= = =11.54KW 式中：——泵效率 柴油机功率： = =12.02KW 式中：——V带传动效率，取=0.96 因此，原动机选择转速为，功率为12KW的柴油机。 2.4水力设计 设计比转数： 式中： n——泵轴的转速（r/min） Q——流量（） H——扬程（m） 故： 沉降层速度： = =2.48（m/s） 入口速度： =2.83（m/s） 出口速度： ∴满足设计的基本要求。 泵的进口直径：（标准法兰盘直径） 泵的出口直径：（标准法兰盘直径） 第三章主要零件的设计与选择计算 3.1叶轮设计 目前渣浆泵叶轮叶片型线设计中，较为广泛地采用对数螺旋线。本次的叶轮设计是以劳学苏以及何希杰提出的螺旋离心泵叶轮叶片工作面和负压面空间曲线方程为依据进行的设计，叶轮叶片型线叶轮主要参数的确定 图3-1 叶轮轴面投影图 （1）叶轮最大外径：= （m） 式中： k=10～12.5 故： ==0.238～0.298（m） 取： =260mm （1）叶轮出口宽度： ===80.86（mm） 取： =80（mm） （3）叶轮出口直径： = 其中： ==0.736～0.161（m） 取 =80（mm） （主要考虑效率兼顾泵的抗汽蚀性能） （4）轮毂直径： =19.96+0.07×=19.96+0.07×115.244=28（mm） （5）叶轮轴向长度L： L===195.66（mm） 圆整后得： L=195（mm） （6）轮缘侧圆弧半径： =52.28+0.91 =52.28+0.91×115.244=157.15 圆整后等：=160（mm） （7）轮毂侧圆弧半径： =73.4+1.29=73.4+1.29115.244=222.06 圆整后等：=220（mm） （8）轮毂侧圆弧半径： =60～90（mm） 取=70（mm） （9）轮缘侧叶片倾角： =60.51-0.13 =60.51-0.13115.244=45.528 取=45 （10）轮毂侧叶片倾角： =57.1-0.1=57.1-0.1115.244=45.58 取=45 （11）叶轮出口倾角： =7.79=7.79=12.95 取=13 （12）叶轮出口最小直径： ==260-2=189.45 取=190（mm） （13）轮缘和轮毂各段轴向长度： L=（0.45～0.68）L=（0.45～0.68）=87.75～132.6 （作图在范围内） 取=140（mm） L3 =（0.2～0.4）L=39～78 取L3=60（mm） L=（0.05～0.08）L=9.75～15.6 （作图在范围内） （14）轮缘侧叶片出口安放角： = 其中： 其中： =19.7297 所以： =11.6 （15）轮毂侧叶片出口安放角： = 其中：==14.42 =0.789 所以：=14.5 （16）叶片进口安放角： （17）叶轮出口叶片包角： =156.95（=147.67 取 =150 （18）轮缘螺线（mm） （19）轮毂侧叶片包角： =821.17-1.42=821.17-1.42115.244=657.524 取 =658 （20）轮缘侧叶片包角： =652-1.02=652-1.02=534.451 取 =535 （21）计算叶轮曲面螺线 首先计算叶轮轮缘侧曲面螺线。包括和各曲面上的螺线，其次计算叶轮出口边曲面螺线，最后，计算轮毂侧曲面螺线，包括，和各曲面上的螺线。 （a）曲面螺线方程： 由何希杰所推导的公式： 式中 根据边界条件，以空间曲线θ] θ= (θ= z=86.34) (b) 空间曲线螺线方程: 设端点对应的螺线转角分别为和在上取一点p(z，r)转角为，可建立z，r，三者之间的关系如下: 根据边界条件，以空间曲线方程为： （c）曲面螺线方程： （d）曲面螺线方程： （e）曲面螺线方程： （f）曲面螺线 67.5 90 112.5 135 157.5 180 r 130 125.2 120.5 115.7 110.5 106.6 101.4 96.3 91.3 Z 115 110.7 106.6 102.4 97.8 94.3 89.7 81.5 76.6 N 9 10 11 12 13 14 15 16 17 202.5 225 247.5 270 292.5 315 337.5 360 382.5 r 86.4 81.6 76.9 72.2 67.6 63.1 58.7 54.4 50.4 Z 71.8 66.9 62 57.2 52.3 47.5 42.5 37.7 32.9 N 18 19 20 21 22 23 24 405 427.5 450 472.5 495 517.5 535 r 48.6 47.9 47.2 46.8 46.3 46.1 46 Z 28 23.2 18.3 13.4 8.6 3.7 0 表3-2出口段螺线 -45 -67.5 -90 -112.5 -135 -150 r 130 127.5 125.1 122.6 120.1 117.6 115.2 113.5 Z 115 126.9 138.9 150.8 162.7 174.6 186.6 194.5 表3-3轮毂侧曲面螺线 -112.5 -90 -67.5 -45 -22.5 0 22.5 45 67.5 r 110.5 103.5 97.9 93.2 88.6 84 79.3 74.7 70 65.5 Z 192.5 188.6 287.1 261.9 236.7 211.6 186.4 161.2 136.1 110 N 4 5 6 7 8 9 10 11 12 90 112.5 135 157.5 180 202.5 225 247.5 270 r 1 56.6 52.2 48 44 40.5 37 33.7 30.5 Z 34.3 130.2 126.1 121.9 111.8 113.6 109.5 105.4 101.2 N 13 14 15 16 17 18 19 20 21 67.6 63.1 58.7 54.4 50.4 405 427.5 450 472.5 r 8.4 26.3 24.3 22.4 21.1 20.3 16.3 14.1 13 Z 97.1 92.9 88.8 84.7 80.5 76.4 72.2 68.1 64 N 22 23 24 495 517.5 520 r 12.5 12.2 12 Z 59.8 55.7 55.2 （22）叶片螺线平面图 根据上述叶轮叶片曲面螺线计算结果，绘制叶片螺线个轴面，每两个轴面夹角为22.5，当Z=0时，空间螺线在平面上投影，如图所示: 图3-2 空间螺线）叶片厚度计算 确定叶片厚度时，应注意到铸造的可能性，对铸铁叶轮，叶片最小厚度为3～4毫米，本次设计的叶轮材料选用MT-4，叶片厚度（S）由经验公式求出： 式中： K——经验系数，与材料和比转数有关，查表得K=5 ——叶轮外径 H——扬程 Z——叶片数，Z=1 所以： S==5.687（mm） 取： S=6（mm） 3.1.2背叶片的设计 背叶片的最大的作用是减压，其减压程度决定了背叶片的几何参数。背叶片对于一般的泵而言，还有另一个作用，就能及时地把固体颗粒甩至涡室内，以防止固体颗粒进入填料箱，破坏其密封性能。背叶片减压后剩余的压头可由下列经验公式求出： = 式中：——泵腔压头（包括灌注压头）m，其中灌注压头 n——泵的转速 n=1450r/min ——叶轮外径 cm =27cm ——背叶片外径 cm ==19cm ——背叶片宽度 取=5mm t——背叶片与涡室间隙 取t=1mm ——背叶片内径 cm 取 =8cm 故：=（1+0.15） =9.65（m） 由计算结果可知，经背叶片减压后，剩余压头为9.65m，如果近似把1bar=10m水柱，则剩余压头为0.965bar。 3.2泵轴的设计 （1）泵轴上的功率P2，转速n2和转矩T2 ，， （2）初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料45钢，调质处理。根据机械设计表11.3，取，于是得： 该处开有键槽故轴径加大5％～10％，且Ⅲ轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径。为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩，取。 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查机械设计手册选用HL3型弹性套柱销联轴器，其公称转矩为630N.m。半联轴器的孔径为32mm，故取，半联轴器长度为，半联轴器与轴配合的长度。 （3）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 （a）为满足半联轴器的轴向定位的要求2轴段左端需制出轴肩，轴肩高度轴肩高度，取故取2段的直径，长度。 (b) 初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用深沟球轴承。根据，查机械设计手册选取0基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承6308，其尺寸为，故，考虑到还需安装档油环取，轴承采用轴肩进行轴向定位，轴肩高度，取，因此，取。 (c)取安装叶轮处的轴的直径；叶轮左端与左轴承之间采用套筒定位。已知叶轮轮毂的宽度为100mm，为了使套筒端面可靠地压紧叶轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取。叶轮的右端采用轴肩定位，轴肩高度，取，则。因三根轴在箱体内的长度大致相等，取， 。 （4）轴上零件的周向定位 查机械设计表，联接联轴器的平键截面；联接圆柱叶轮的平键截面 3.3压水室设计

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