水泵水力设计.

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1、第二章 离心泵和混流泵叶轮的水力设计 王福军 (中国农业大学水利与土木工程学院) Tel: 62736972 Email: wangfj 本章主要内容 泵主设计参数和结构方案的确定 叶轮主要参数的选择和计算 相似换算法水力设计 叶片厚度、角度及其几何关系 叶轮轴面投影图的绘制 叶片设计理论和型线微分方程式 方格网保角变换方法叶片绘型 扭曲三角形法叶片绘型* 逐点积分法* 圆柱形叶片的绘型* 二元理论设计叶片* 2-1 泵的主要设计参数和结构方案的确定 一、提供设计的数据和要求 流量Q 扬程H 转速n 效率 汽蚀余量NPSHa，或NPSHr， 或 Hsz 介质的性质（温度、密度、杂质、腐蚀性等）

2、 对性能曲线的要求（平缓、陡降、无驼峰等） 运行环境对泵型式的要求（如潜水、井泵、立式泵等） 二、确定泵的总体结构型式和泵进出口直径 1、初定总体结构型式 依据设计要求初步选择，结合计算，然后校核 2、确定泵吸入口直径（泵进口直径， 进口法兰处直径） 过程：根据流速初定，然后按标准直径系列进行调整 一般可选Vs=3(m/s) 原则： 1) 大泵，Vs，降低制造成本 2) 汽蚀要求高，Vs，1.02.0m/s 标准直径：10，15，20，25，40， 50，65，80，100，125，150，200 3、确定泵排出口直径（出口法兰处直径） 过程：先参照进口直径选取，再按标准直径系列调整 原则：低

3、扬程泵：Dd=Ds 高扬程泵：Dd=(10.7)Ds Dd一般比Ds低12个档次 注意参照同类产品确定 三、确定转速 确定转速时，应考虑以下因素： 1、n，体积，重量， n 2、nsf(n), f(ns)，为了，应n 3、n，磨损，振动、噪声， n 4、n=f(原动机) 异步电机极对数 2 4 6 8 10 12 同步转速 3000 1500 1000 750 600 500 5、n=f(NPSHr) （对于给定C值，n，NPSHr） 若给定NPSHa，则可取NPSHr(1.11.3)NPSHa 四、计算ns，确定水力方案（单吸、双吸、单级、多级） 1、当ns120210时，max 当ns 6

4、0， 2、当单吸叶轮ns过大时，可考虑用双吸； 反之，当双吸ns过小时，可考虑用单吸。 3、当单级叶轮ns过小时，可考虑用多级； 反之，当多级ns过大时，可考虑减少级数。 卧式泵一般不多于16级，立式泵可达数百级。 4、ns与泵性能曲线形状有关 五、估算泵的效率 作用：预测泵的性能指标，看是否可达到设计要求 公式： 各单项效率，可通过查手册（图表）或按下式计算： 结论：若(估) (设)，继续； 否则，找原因。 六、轴功率、原动机功率计算 泵的轴功率： 原动机功率： 其中，K为余量系数，1.11.2 t为传动效率：直联100，皮带轮95，液力耦合器97 依据Pg选择原动机 2-2 叶轮主要参数的

5、选择和计算 一、叶轮主要参数 叶轮进口直径D0 叶片进口直径D1 轮毂直径dh 叶片进口宽度b1 叶片进口安放角1 叶片数Z 叶片厚度 盖板曲率半径R 叶轮出口直径D2 叶轮出口宽度b2 叶片出口角2 二、最小轴径dmin的确定 轴受多种载荷，轴径的确定方法是： 1、按扭矩确定最小轴径 其中，Mn为扭矩（Nm） P为计算功率，P=KP K为工况变化系数：1.11.2，杂质泵应加大 为轴材料的许用应力，单位：Pa（N/m2） 对于45钢，调质处理时，(440540)105(Pa) 2、考虑影响刚度和临界转速等因素，适当放大轴径，并圆整，得dmin 3、转子部件设计好后，对轴的强度、刚度、临界转速

6、进行校核 三、轮毂直径dh的确定 轮毂直径dh与轴的最小直径，均与泵的结构形式有关。过程： 1、画轴的草图。根据轴各段的结构工艺要求确定装叶轮处的轴径dB 注意：各轴段用标准直径 轴上螺纹一般用细牙螺纹，内径大于前段轴径 轴的凸肩一般为12mm 2、根据dB确定dh 对于不穿轴， dh 0 对于穿轴， dh （1.21.4） dB 在满足强度条件（键槽等）下， dh越小越好，利于提高流动性 四、叶轮进口直径D0的确定 （由此进入速度系数法水力设计，另一方法是相似设计法） D0对性能的影响： D0 ，抗汽蚀性能 D0 ，效率 若NPSHr要求不高，可选较小的D0 ，以提高v D0的确定原则： 为

7、减小水力损失，让w1最小 设vu1=0，则： 三者关系中: D0, vm1, u1 因此，存在w1min 将D1 表示成： 又 式中，K2 是因速度分布不均匀引入的系数，k1为排挤系数 将上面得到的u1和vm1代入 w1的表达式，有： 令: D0当量直径(与有效过流面积等效的圆的直径) 则: K0系经验系数，取3.54.0。考虑效率时取小值，考虑汽蚀时取大值 五、叶轮出口直径D2的初步计算 由前面叙述知，H与D2 , b2相关。 (D2 , 2 , b2 , .) 所以，H一定， D2 , 2 , b2 ,相关。 D2的计算原则： 为使出口绝对速度v2最小为原则。 推导过程从略，结果如下： 或

8、： D2是否满足H，后面要精算。 六、叶轮出口宽度b2的计算 将前面推导的最佳D2 ，以及最佳的vm2 代入，b2 一定最佳 而vm2可由速度三角形及扬程表达式来得到。这里从略. b2结果如下： 或： 对低ns泵( ns 1 ，即： 11 2、冲角的选择 选择+，对汽蚀性能较有效，而对效率影响不大，理由是： 315 1）+， 1 ，过流面积，排挤， v1 和 w1 2）+，在设计工况下，将使背面脱流。而背面是低压侧，旋涡 不易向高压侧扩散，稳定、局部，对汽蚀影响不大。 相反，将使工作面脱流。因为工作面是高压区，因此易 向低压侧扩散，这样旋涡不稳定，对汽蚀影响大。 3）+，能改善大Q下的工作条件

9、。若泵常在大Q下运转，则应 3、确定1的过程 (1) 确定叶片进口边位置，原则如下： 1) 进口边一般由圆弧或直线构成 2) 进口边和前盖板大致成90（除非在同一轴面） 3) 前后盖板流线长度不要相差很悬殊 4) 叶片进口边适当向吸入口延伸，可D2，圆盘损失， 叶片重叠度。对抗汽蚀和消除驼峰有利， 但过大后进口堵塞严重，铸造困难 (2) 1的确定 vu1由吸水室结构定。 对于直锥形吸水室， vu10； 对于螺旋形吸水室，按vur=const来定，该常数为： vm1由下式决定： F1是计算点处的过水断面面积，k1是计算点处排挤系数 (3) 加冲角1 加冲角的方法有： 1) 各流线加相同冲角 2)

10、 冲角从前盖板至后盖板递减，或递增 3) 选择一条流线(如a)，确定1a后，其它流线按 tg1Rconst 的方法来处理 (4) 迭代 重复上述过程，直到1收敛 九、叶片出口安放角2的确定 1、对于离心泵，直接选择2 2：1840，考虑如下因素： 1）低ns泵，应适应2 ，以D2 2）2 ，在相同Q下，v2 ,压水室水力损失,性能可能有驼峰 3）2 ，w2 ，流道扩散（ w1/w2 ），损失 4）对于中低ns泵，叶轮出口边与轴线平行，各流线可选相同2 对于高ns泵，或空间导叶泵，出口边倾斜，为使各流线H一致，D2 小的一侧，2 取大值，且按vur=const计算 2、对于混流泵，要计算2，过程

11、是： 1）据基本方程，计算中间流线的vur 2）按vur=const，求出其它流线的vu 3）按下式求出2 计算时，先假定2， k2， vu2 2 ，迭代进行 十、叶轮外径D2的精算 对于D2的精算，过程如下： 注意：精算时，一般先选择2，然后确定D2。 计算Ht时，要用到滑移系数，而此时D2尚未知，故要迭代 由： 得： （速度三角形） 十一、速度系数曲线简介 叶轮尺寸D2 ，b2，D0等，除按上述过程确定外，还可查曲线得到。 前人在大量统计资料下（多台泵为模型）有如下公式： 由上式可推出 D0 ，D2 ，b2 为何有 ，原因如下： 可粗略地用速度系数法校核泵的设计，或估算或的性能 2-3 相

12、似换算法水力设计 一、计算ns 速度系数法优点：可进行创新性设计 缺点：设计质量没有把握 相似换算法优点：设计结果可靠 缺点：没有创新 相似换算法的工作过程如下： 二、选模型泵 对模型泵的要求： 1、模型泵的ns与设计泵的ns相等或接近 2、模型泵的性能指标要好（如高效区宽广、抗汽蚀性能好） 3、二泵的雷诺数相比为1.01.5 三、计算尺寸系数（缩放比） 一般取二者之大值，或取平均。 四、计算设计泵尺寸 线性尺寸均乘以系数，角度不变，适当调整厚度、间隙等 五、换算性能曲线 从模型泵性能曲线上取610个点，按下式换算成设计泵相应的参 数，即可绘制设计泵的性能曲线。 六、绘制设计泵图纸 按换算得到的尺寸、角度绘制 七、相似换算中需要注意的问题 1、效率修正问题 实际上，模型泵与实型泵效率并不完全相等。放大时，效率提 高。因此，应考虑尺寸效应。 2、汽蚀相似问题 因进口不完全相似，汽蚀性能有差异。当小泵（或n小的泵）换 算到大泵时，大泵的实际抗汽蚀性能比换算值要好。 3、修改模型问题 为了利用已有优秀模型，当设计泵ns与之有一定差距时，也可 做相似换算，只是需要对结果作适当修改。 2-4 叶片厚度、角度及其几何关系 一、叶片角度及厚度的定义 1、 叶片安放角（叶片