毕业设计--离心式水泵叶轮结构设计

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1、 1前言劳动人民在与自然界的斗争中创造了最原始的提水工具，如水车、辘轳等，这些就是水泵的雏形。随着生产的发展和对自然规律的认识和掌握，这些原始的提水工具就发展成为现代的泵。现在，水泵作为一种通用机械，在国民经济各个领域中都得到了广泛的应用。农业的灌溉和排涝，城市的给水和排水都需要泵。在工业的各个部门中，泵更是不可缺少的设备。如在动力工业中需要锅炉给水泵、强制循环泵、循环水泵、冷凝泵、灰渣泵、疏水泵、燃油泵；在采矿工业中需要矿山排水泵、水砂冲填泵、水采泵、煤水泵；在石油工业中需要泥浆泵、注水泵、深井采油泵、输油泵、石油炼制用泵等；在化学工业中需要耐腐蚀泵、比例泵、计量泵等；在交通运输工业中需要燃

2、油泵、喷油泵、润滑油泵、液压泵等。由此可见泵在工业中起到举足轻重的作用。以前，泵只用来输送常温清水，所以常把泵称为水泵。但是，现在这个概念已经不十分确切了。据国家有关部门统计，离心泵每年的耗电量占总发电量的10 。叶轮机械主要的能量转换是在叶轮中完成的，因此设计高效率的叶轮对离心泵的节能降耗有重要意义。随着计算机技术和数值计算方法的飞速发展，CFD(计算流体力学)对离心泵流场分析结果的可信度逐增强，其分析结果运用于工程实践是可靠的。本文在总结传统设计理论的优缺点后，引出现代运用计算机技术和数值计算理论的离心式水泵的叶轮结构设计方法，即速度系数设计法。在目前世界能源日趋紧张的形势下，降低泵的能量

3、损失，提高它的效率是一个更加有意义的事情。叶轮是离心泵最重要的部件，在某种意义上来说离心泵的优化问题就是对叶轮的优化。所以把对离心泵叶轮的优化作为本文研究内容。本文主要对离心式水泵的叶轮结构进行设计，首先弄清离心泵工作性能的主要参数，需要设计叶轮结构的各部分尺寸，在叶轮设计过程中对泵的性能影响较大的参数主要有：叶轮进、出口直径 和 ，叶片的进、出口宽度 、 ，叶片的进、出口安装角 、0D2 1b2 1等 6 个参数。所以合理设计这些参数非常重要。同时在设计过程中对叶轮的强度进行2计算，在工作过程中，离心泵零件承受各种外力的作用，使零件产生变形和破坏，而零件依靠自身的尺寸和材料性能来反抗变形。一

4、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。所以，在设计离心泵叶轮时，应使零件具有足够的强度和刚度，以提高泵运行的可靠性和寿命。叶轮的强度计算主要分为叶轮盖板强度、叶片强 离心式水泵叶轮结构设计2度和轮毂强度三部分。叶轮的绘型和叶轮的技术要求也是相当重要的，这是保证叶轮正确叶片形状的必要前提。最后，通过建立数字模型对叶轮结构进行优化设计。 31 离心泵叶轮结构叶轮机械主要的能量转换是在叶轮中完成的，因此设计高效率的叶轮对离心泵的节能降耗有重要意义。叶轮是离心泵的最重要的零部件，在某种意义上来说离心泵的优化问题就是对叶轮的优化。所以设计经济合理的离心泵叶轮结构至关重要。1.1

5、叶轮叶轮是离心泵最主要的零部件，叶轮是将来自原动机的能量传递给液体的零件，液体流经叶轮后能量增加。叶轮一般由前盖板、后盖板、叶片和轮毂组成。图 1-1 a 所示的这种叶轮叫闭式叶轮；如果叶轮没有前盖板，就叫半开式叶轮，如图 1-1 b 所示。没有前盖板、也没有后盖板的叶轮叫开式叶轮，开式叶轮在一般情况下很少采用。后 盖 板 轮 毂后 盖 板叶 片叶 片 轮 毂前 盖 板a ) b )图 1-1 离心泵的叶轮a） 闭式叶轮 b） 半开式叶轮Fig.1-1 Leave leafs round of heart pumpa) Shut type leaf round b) The half open

6、 type leafs round1.2 离心泵的主要性能参数离心泵上都有标牌，标牌上标明了泵的型号、主要参数和指标。表示泵工作性能的参数叫泵的性能参数，如流量 Q、扬程 H、转速 n、功率 N、效率 、汽蚀余量 （或吸h上真空度 ）等。sH 离心式水泵叶轮结构设计41.2.1 叶轮的主要设计参数在叶轮设计过程中对泵的性能影响较大的参数主要有：叶轮进、出口直径 和 ，0D2叶片的进、出口宽度 、 ，叶片的进、出口安装角 、 等 6 个参数。所以合理设计1b2 12这些参数非常重要。1.2.2 液体在离心泵叶轮里的流动离心泵工作时，液体一方面随着叶轮一起旋转，同时转动着的叶轮里向外流。液体随着叶

7、轮的旋转运动称为圆周运动，其速度称为圆周速度，用 表示。液体从旋转着的叶u轮里向外的流动称为相对运动，其速度称为相对速度，用 表示。液体相对于泵体的运动称为绝对运动，其速度称为绝对速度，用 表示。绝对速度 的向量等于圆周速度 和u相对速度 的向量和，即（2-1）ur 52 离心泵叶轮的设计计算根据前面的介绍及结合实际情况离心式水泵的叶轮的设计方法有两种即相似设计法和速度系数设计法。用相似设计法虽然很方便，但是，它只能保持原有水力模型的水平。因此，在采用相似设计法时，必须结合模型实验，不断分析和改进原有模型不足之处，才能逐步提高产品水平。所以，综合考虑采用速度系数设计法是比较合理的。2.1 速度

8、系数设计法2.1.1 速度系数设计法的导出由公式 可知，相似泵在相似工况下，相应速度比相等。能1212pppmmmu不能由此找出一种设计离心泵的方法呢？两台相似的泵在相似的工况下，由公式 可知：2()ppmHDn2()pp如果取 D 为各自的叶轮外径 ，则上式可写为：2D22mmppHnu上式可改写为： 2222mmppPpmuHgg式中 和 模型泵的扬程和叶轮出口圆周速度， 和 是已知的。mH2u mH2u令 22muKgH则 离心式水泵叶轮结构设计62pupKgH式中 速度系数。2uK相似泵（即比转数相等的泵）的速度系数是相等的。不同的 就有不同的 ，这样sn2uK我们就可以得到 随 而变

9、的函数关系。附录 C 中图 2-1 就是以现有性能较好的产品2usn为基础统计出来的离心泵叶轮各种流速的速度系数图。设计时按 选取速度系数，作为s计算叶轮尺寸的依据，这样的设计方法就叫速度系数设计法。用速度系数法进行产品设计时，虽然设计计算比较方便，但是产品只能保持原有的水平。因此，在采用速度系数设计法设计产品时，应结合模型试验，不断创造新的优秀的模型，并将这些模型的速度系数充实图 2-1，才能不断提高产品水平。2.1.2 速度系数设计法的计算步骤1）确定叶轮入口直径 0D确定 前，先用下式确定叶轮入口速度 （米/秒） 。0 0（2-2）02KgH式中 叶轮入口速度系数，可以从图 2-1 中选

10、取，0KH单级扬程（米） 。对于悬臂式离心泵的叶轮，入口直径 （米）可以由水力学公式求得：0D24Q即：（2-3）00D上式中的 为通过叶轮的流量， 大于设计流量 ，因为通过叶轮的流量 中有一部分QQQ经密封间隙返回叶轮入口处。 可按下式计算： 式中 泵的容积效率，可按附录 C 图中 2-3 选取。 7在轮毂或轴穿过叶轮时，叶轮入口直径 （米）为：0D（2-4）2004hQd式中 轮毂直径，可按公式 （K 是经验系数，一般取 K=1.2 1.4，大泵取hd2hd :小值，小泵取大值。 ）计算。对分段式多级泵第一级叶轮，一般略为加大叶轮入口直径，以减低液体进入叶轮的流速，提高泵的抗汽蚀性能。而其

11、他各级叶轮由于已有一定的吸入压力，故应尽量减小叶轮入口直径，以提高泵的效率。设计时应按图 2-1 中相应的曲线选择系数 。0K2）确定叶片入口边直径 1D在叶轮流道入口边上取圆心，作流道的内切圆，内切圆的圆心到轴心线距离的两倍即为叶片入口边直径 ，如附录 C 中图 2-2 所示。叶片入口边直径 一般可按比转数1 1D确定：sn=40 100 则 （一般入口边平行于轴心线；对流量较小的泵，可取 ；s:10D 10D对流量较大的泵，也可将入口边伸向吸入口，但是应注意铸造造型的工艺性） 。则102sn:10(.8):则3s 6则5s:10(.75)D:则 （轴流泵）0sn023）确定叶片入口处绝对速

12、度 1一般取 或略大于 ，对抗汽蚀性能要求较高的泵，可取 。100 10(.483):4）确定叶片入口宽度 1b可按下式确定：1b（2-5）11QbD 离心式水泵叶轮结构设计8离心泵叶轮入口尺寸 ， 和 除影响泵的性能和效率外，对泵的抗汽蚀性能影响0D1b很大。5）确定叶片入口处圆周速度 1u可按下式确定：1u（2-6）160Dn6）确定叶片数 Z现在尚无确定叶片数的准确方法，对 的泵，一般取 6 片；对低比转数的25s:泵可以取 9 片，但应注意勿使入口流道堵塞；对高比转数的泵可以取 片。此外，还45:可以用下列经验公式进行估计：（2-7）2(1.5)ZD:式中 叶轮外径，单位为厘米。2D在

13、一般情况下，增加叶片数可以改善液体流动的情况，适当提高泵的扬程，但叶片数增加后将增加叶片摩擦损失，减少流道过流面积，所以过多的增加叶片数，不但要降低效率，并使叶轮的汽蚀性能恶化，还能导致泵性能曲线出现驼峰。在叶片包角不变的情况下，叶片数减少时，每个叶片的负荷增加，对液体导流作用降低，泵扬程也要下降。有些比转数较低的泵，采取长短叶片间隔安放的形式，如图 2-4 所示。这样既保证了足够的叶片数，又防止了叶轮流道入口的堵塞。 9图 2-4 堵塞流道长短叶片的叶轮Fig.2-4 Stop leafs round of flow a length leafs slice7）确定叶片入口轴面速度 1m可按

14、下式确定：1m（2-8）1m式中 叶片入口排挤系数1在设计离心泵时先选取排挤系数 进行试算，待叶片厚度和叶片入口安放角确定后，1再来校核 值。1在估算时，一般取 ，低比转数的小泵去大值。1.3:8）确定叶片入口安放角 叶片入口安放角就是在叶片的入口处，叶片工作面的切线（严格地说，应该是在流面上叶片骨线的切线）与圆周切线间的夹角，如图 2-5 所示。假定液体是无旋流入叶轮内，则由速度三角形可知：（2-9）1mtgu式中 液体进入叶轮相对速度的液流角，如图 2-6 所示。11 11Sl 叶 片 骨 线液 流 方 向 离心式水泵叶轮结构设计10图 2-5 叶片入口安放角 图 2-6 叶片的冲角Fig

15、.2-5 Leaf slice the entrance put cape Fig.2-6 The blunt cape of leafs slice叶轮入口处的叶片安放角比相对速度液流角增大了一个角度，这个角度叫做冲角，以 表示，叶片入口安放角 为：1（2-10）1一般冲角取 ，叶片入口安放角 。35o: 04o:在确定叶片入口安放角 时，选取一个冲角 的原因是：1（1）液体在进入叶轮前，已受吸入室、轴或叶轮的影响而产生旋转运动（即预旋） ，增加冲角就是考虑了预旋的影响，以减少液体的冲击损失。（2）取正冲角后，叶片入口处排挤系数 减小了，即增大了叶片入口面积，改善了1液体流动情况，可以略为提高泵的汽蚀性能。对锥形管吸入室的泵来说，液体进入叶轮前，预旋较小，但对半螺旋形吸入室来说，预旋就比较大，所以选取冲角时还要考虑吸入室结构形式的影响。冲角对泵的抗汽蚀性能有一定影响。试验表明，在正冲角范围内，冲角变化对泵抗汽蚀性能影响不大，加大冲角可以延缓泵在大流量工况工作时抗汽蚀性能的急剧恶化。但如果正冲角 超过 ，将引起效率的下降。如果取负冲角，则泵的抗汽蚀性能要明20o显地恶化。9）确定叶片厚度确定叶片厚度时应注意：对较小的泵，要考虑到铸