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1、第九章 离心泵主要零部件的强度计算第一节 引言在工作过程中，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对抗变形和破坏。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做强度。设计离心泵零件时，应使零件具有足够的强度和刚度，已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；但另一方面，又希望零件小、重量轻、本钱低，这是互相矛盾的要求，在设计计算时要正确处理这个矛盾，合理地确定离心泵零件尺寸和材料，以便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那么，用一般材料力学的公式难以解决这些
2、零件的强度和刚性的计算问题。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。对离心泵的零件，特别是对过流部件来说，耐汽蚀、冲刷、化学腐蚀和电腐蚀问题也是非常重要的，有些零件的刚度和强度都满足要求，就是因为汽蚀、冲刷、化学腐蚀和电腐蚀问题没有处理好而降低了产品的寿命。对于输送高温液体的泵来说，还必须考虑材料的热应力问题。第二节 叶轮强度计算叶轮强度计算可以分为计算叶轮盖板强度、叶片强度和轮毂强度三局部，现分别介绍如下：一、叶轮盖板强度计算：离心泵不断向高速化方向开展，泵转速提高后，叶轮因离心力而产生的应力也随之提高，当转速超过一定数值后，就会导致叶轮破坏，在计算时，可以把叶轮盖板简化为一
3、个旋转圆盘即将叶片对叶轮盖板的影响忽略不计。计算分析说明，对旋转圆盘来说，圆周方向的应力是主要的，叶轮的圆周速度与圆周方向的应力(MPa近似地有以下的关系: (9-1)式中 材料密度kg/m3；铸铁=7300 kg/m3；铸钢=7800 kg/m3；铜=7800 kg/m3 u2叶轮圆周速度m/s；公式(9-1)中的应力应小于叶轮材料的许用应力，叶轮材料的许用应力建议按表9-1选取。表9-1 叶轮材料的许用应力材料名称热处理状态许用应力MPaHT200退火处理25-35ZG230-450退火处理60-70ZG1Cr13退火处理90-100ZG2Cr13调质处理HB229-269100-110Z
4、G0Cr18Ni12Mo2Ti固溶化处理45-55ZG1Cr18Ni9固溶化处理40-50ZGCr28退火处理70-80经验说明，铸铁叶轮的圆周速度u2最高可达60 m/s左右。因此，单级扬程可到达200米左右；铬钢叶轮的圆周速度u2最高可用至110 m/s左右。因此，单级扬程可到达650米左右。如果叶轮的圆周速度没有超过上述范围，那么叶轮盖板厚度由结构与工艺上的要求决定，悬臂式泵和多级泵的叶轮盖板厚度一般可按表9-2选取，双吸泵的叶轮盖板厚度较表中推荐数值大1/3 到一倍。表9-2 叶轮盖板厚度叶轮直径毫米100180181250251520520盖板厚度毫米4567二、叶片厚度计算： 为扩
5、大叶轮流道有效过流面积，希望叶片越薄越好；但如果叶片选择得太薄，在铸造工艺上有一定的困难，而且从强度方面考虑，叶片也需要有一定的厚度。目前，铸铁叶轮的最小叶片厚度为34毫米，铸钢叶片最小厚度为56毫米。叶片也不能选择的太厚，叶片太厚要降低效率，恶化泵的汽蚀性能。大泵的叶片厚度要适当加厚一些，这样对延长叶轮寿命有好处。表9-3 叶片厚度的经验系数材料比转数4060708090130190280系数K铸铁3.23.53.84.04.56710铸钢33.23.33.43.5568叶片厚度S(毫米)可按以下经验公式计算： (9-2)式中K经验系数，与材料和比转数有关，对铸铁和铸钢叶轮，系数K推荐按表9
6、-3选取；D2叶轮直径米；Hi单级扬程米；Z叶片数。三、轮毂强度计算对一般离心泵，叶轮和轴是动配合。大型锅炉给水泵和热油泵等产品，叶轮和轴是静配合。为了使轮毂和轴的配合不松动，在运转时由离心力产生的变形应小于轴和叶轮配合的最小过盈量。在叶轮轮毂处由离心力所引起的应力可近似按公式9-1计算，由此应力所引起的变形为： (9-3)式中 E弹性模量MPa；铸铁E=1.2105；铸钢E=2105；铜E=1.1105 DC叶轮轮毂平均直径mm；D由离心力引起的叶轮轮毂直径的变形mm。D应小于叶轮和轴配合的最小过盈量min，即 Dmin例题：叶轮外径D2=360mm、转速n1480r/min、比转数ns=9
7、6、单级扬程Hi=40m、叶片数Z=7、叶轮材料为HT200。试计算叶轮盖板和叶片厚度。如果轴径为75mm，叶轮与轴的配合为H7/r6，轮毂平均直径DC=82.5mm，试求泵在工作时叶轮和轴是否松动？解：1.计算圆周方向应力，代入公式9-1)，得由表9-1知，故在n1480 r/min时，叶轮盖板是平安的，此时叶轮盖板厚度由结构和工艺要求确定。由表9-2知，可选叶轮盖板厚度为6mm。2计算叶片厚度：由表9-3，取经验系数K5，代入公式(9-2)，得取叶片厚度S=6mm。3. 代入公式(9-3)，可得离心力所引起的叶轮轮毂直径变形量D：mm由公差配合表可知，75H7/r6的最小过盈量min=0.
8、013mm,即Dmin所以，叶轮和轴不会松动。第三节 泵体强度计算常用的离心泵泵体有涡室和中段包括前、后段两种，现分别介绍近似的计算方法。一、涡室壁厚的计算涡室是离心泵中较大的零件，并承受高压液体作用。所以，涡室除了应有足够的强度和良好的工艺性外，为了保证运转的可靠性，还必须有足够的刚度。在生产实验中，有个别涡室虽然强度够了，但由于刚度不够，在加工、试验、存放和运行过程中产生了变形，影响了离心泵的装配和运行。目前，一般低压和中压泵的涡室均以铸铁制造，实践说明，如果泵体壁厚超过40毫米，在铸造时容易产生疏松现象。所以，对吐出压力超过5MPa的泵，很少采用普通铸铁泵体，一般均采用高强度铸铁(如球磨
9、铸铁)、铸钢或合金钢制造。由于涡室形状很不规那么，很难准确地计算涡室中的应力，现推荐以下建立在统计根底上的方法： (9-4)图9-1 离心泵涡室式中S涡室壁厚mm，如图9-1所示：许用应力MPa。在应用公式(9-4)时，铸铁的许用应力按=9.80714.71 MPa；铸刚的许用应力按=19.61324.517MPa计算；比转数小时取较大的许用应力；Scq涡室的当量壁厚，可按下式计算： 9-5对大型泵，采用公式9-5计算时还必须注意使泵体有足够的刚度，对输送腐蚀性液体的泵，还应添加必要的腐蚀余量。二、分段式多级泵中段计算可以把分段式多级泵中段认为是受压圆筒，如图9-2。对外经D2和内径Di的比值
10、1.1的中段，可认为是厚壁圆筒，对脆性材料的厚壁圆筒可按下式计算厚壁S(mm)9-6图9-2 分段式多级泵的泵体对塑性材料如钢可按下式计算壁厚S(mm)： 9-7式中 P泵体承受的工作压力MPa；Di中段内径(mm)； 许用应力MPa，按表9-4选取。对外经D和内径Di的比值1.1的中段，可认为是薄壁圆筒，薄壁圆筒可按下式计算壁厚S(mm)； (9-8)表9-4 泵体的许用应力材料名称热处理状态许用应力MPaHT200退火处理25-40HT250退火处理32-50ZGCr17Mo2CuR退火处理80-90QT600-3铸态或调质处理75-91QT450-10铸态或退火60-85ZG230-45
11、0退火处理80-95ZG270-500退火处理93-110对于输送腐蚀性液体的泵，应选用耐腐蚀材料，并添加适当的腐蚀余量C。对弱腐蚀性液体，一般C=2mm；对中等腐蚀性液体，一般C=4mm；对强腐蚀性液体，一般C=6mm；对于输送高温液体的泵，除考虑热应力外，还应考虑材料的蠕变性质。除了计算中段的强度外，还应注意刚度，在生产实验中曾有个别泵体因刚度不够，在加工过程中发生变形，影响装配和运行。例题：，有一台单吸单级悬臂式离心泵，Q=90米3时、H=66米、n=2950转分、叶轮外径D2=232毫米、以HT200铸铁制造泵体，求泵体厚度？解：首先计算泵的比转数:计算涡室的当量厚度Scq，代入公式(
12、9-5)得：取HT200的许用应力=11MPa,代入式9-4，得涡室厚度：取涡室壁厚为10mm。例题：有一台分段式多级泵，单级扬程为40米，最多级数为9级，中段外径Dou=560毫米，内径Di516毫米，泵体材料为HT200，试校核强度。解：对9级的分段式多级泵来说，中段最多只承受8级压力见图9-2)，故中段所承受压力P=gH=10009.80732010-6=3.138MPa。首先计算外径Dou和内径Di的比值：由此可知应按薄壁圆筒计算，代入公式9-8)得：由表9-4可知，中段是比拟平安的。第四节泵体密封面连接螺栓计算多级泵穿杠前、后段螺栓和水平中开式上下泵体的螺栓是离心泵的主要零件之一，泵
13、体完全靠螺栓的拉紧力来保证其密封性，如图9-2和图9-3所示。这类螺栓在离心泵工作时，除了承受泵腔内液体静压力作用在泵体上的拉力Pw外，还有使泵体密封面压紧，保证密封面密封性的拉力Pm，所以每个螺栓上总的载荷P为： 9-9平衡液体静压力的拉力Pw牛顿可按下式计算： 9-10为了保证泵体接合面密封性的拉力 P牛顿可按下式计算： 9-11上两式中 D泵体密封面垫片平均直径mm，如图9-3；pi泵腔内液体最大静压力MPa； n螺钉数；m一密封面系数，与密封面所用的垫片材料性质和结构有关。根据实践经验：对工作温度为200以下的泵，在泵体密封面间加纸垫，可取m2；当工作温度超过200时，密封面不加垫片，靠泵体金属面直接密封，此时m665；b泵体密封面垫片有效计算宽度mm；当垫片实际宽度b06mm时，取b=b0；当b06mm时，取。因此，连接螺栓的最小直径dmm为：9-12式中螺栓的许用应力。 对碳素钢：d=616毫米时，可取0.20.25s； d=1630毫米时，可取0.250.4s； d=3060毫米时，可取0.40.6s； 对合金钢： =0.310.4s。s为材料的屈服强度。对于压
