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1、武汉大学动力与机械学院泵与风机课程设计离心泵水力设计说明书前言本次课程设计的内容是设计一台离心式泵。泵是应用非常广泛的通用机械。在当今世界机电产品中，泵的产量仅次于电机，据统计，泵的耗电量占到全国总发电量的21%，可见泵的应用非常广泛，在国民经济中占有十分重要的作用。离心泵是一种用量最大的水泵。在给水排水及农业工程，固体颗粒、液体输送工程，石油及化学工程，航空航天和航海工程，能源工程和车辆工程等国民经济各个部门都有广泛的应用。本次课程设计时能源动力系统及自动化专业流体机械及工程方向的专业必修课程，是完成泵与风机课程理论教学以后所进行的重要实践教学环节，目的在于综合利用泵与风机的理论知识进行泵的
2、设计实践，一方面以离心泵的设计过程为代表熟悉泵的设计方法为以后解决相关工程问题打下良好的基础，另一方面通过设计实践，使理论知识和生产实际知识紧密结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深和扩展。本设计主要进行的是离心泵的水力设计，包括泵的结构方案、叶轮主要参数的选择与计算、叶轮的水力设计绘图等。提交的成果为设计说明书一份和离心泵水利设计图一张（包括轴面投影图、流线分点图、流道面积变化图、流面展开方格网、叶片厚度变化规律图和木模截线图），使用CAD绘制。本设计说明书即为成果之一。由于我们对所学知识的领悟不够，又缺乏经验，设计中难免会存在疏漏和欠缺之处，恳请老师批评指正。目录前言一、课程设计的
3、总体要求11.1设计课题11.2设计目的11.3设计内容11.4设计要求11.5成果要求1二、泵主要设计参数和结构方案的确定12.1提供设计的数据和要求12.2确定泵的总体结构形式和泵进出口直径12.3泵转速的确定22.4计算比转速ns，确定泵的水利方案32.5估算泵的效率4三、叶轮主要参数的选择和计算43.1轴径和轮毂直径的确定43.2叶轮进口直径D1的初定53.2.1计算叶轮进口当量直径53.2.2叶片入口边直径D153.3叶轮出口直径D2的初步计算63.4叶轮出口宽度b2的计算和选择63.5叶片数Z63.6叶轮外径D2的精确计算73.7叶片进口安放角的确定9四、叶轮水力设计绘图104.1
4、绘制叶轮轴面投影图104.1.1初绘叶轮轴面投影图104.1.2检查轴面流道过水断面变化情况114.2绘制轴面流线124.3在轴面投影图上对各条流线进行分点144.4作流线方格网，并在方格网上进行叶片绘型154.5片的轴面截线174.6叶片加厚174.7绘制叶片裁剪图184.8、叶轮叶片的水力性能校验20总结与心得21致谢21参考书目：21附录23叶轮设计计算程序23一、课程设计的总体要求1.1设计课题离心泵叶轮的水力设计1.2设计目的通过课程设计，掌握离心式叶轮水力设计的基本原理和基本方法，加深对课堂知识的理解，培养学生进行产品设计、水泵改造及科学研究等方面的工作能力。1.3设计内容（1）离
5、心泵结构方案的确定；（2）离心泵叶轮主要几何参数选择和计算；（3） 叶轮轴面投影图的绘制级叶片绘型。1.4设计要求（1）用速度系数法进行离心泵叶轮水力设计；（2）用保角变换法绘制叶片叶型；（3）编写设计计算说明书。1.5成果要求（1）计算说明书应做到字迹工整、书面整洁、层次分明、文理通顺。文中所引用的重要公式、论点及结论均应交代依据；（2）设计说明书应包括计算、表格、和插图（图表统一编号），配以目录和参考文献目录等内容，统一装订成册；（3）设计图纸要用CAD绘制，图面布置要合理。二、泵主要设计参数和结构方案的确定2.1提供设计的数据和要求（1） 流量Q=144m/h；扬程H=50m；效率=80
6、%；汽蚀比转速c=1000；同步转速n=3000r/min（2） 工作条件：抽送常温清水。（3） 配用动力：用电动机做工作动力。（4） 采用卧式单级悬臂结构。2.2确定泵的总体结构形式和泵进出口直径首先大致选择泵的结构形式和原动机的类型，进而结合下面的计算，经分析比较作最后确定。泵吸入直径。泵的吸入口径由合理的进口流速确定，泵吸入口的流速一般为3米/秒左右。从制造方便考虑，大型泵的流速取大些，以减小泵的体积，提高过流能力。而提高泵的抗汽蚀性能，应减小吸入流速。本泵采用入口流速vs=3m/s。排出口径。对于低扬程泵，可取与吸入口径相同。高扬程泵，为减小泵的体积和排出管直径，可使排出口径小于吸入口
7、径，一般取 式中 泵排出口径； 泵吸入口径。泵吸入口径按下式确定=0.13m=13cm式中 泵吸入口的平均流速。本泵设计扬程仅为50m，属于低扬程水泵，故出口直径=13cm查阅资料确定泵的吸入口和排出口直径符合标准直径。2.3泵转速的确定确定泵转速应考虑下面因素：（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）转速和比转速有关，而比转速和效率有关，所以转速应和比转速结合起来确定。（3）确定转速应考虑原动机的种类（电动机、内燃机、汽轮机）和传动装置。（4）通常优先选用电动机直接联接传动。电动机带负荷后的转速小于同步转速，通常按2%左右的转差率确定电动机的额定转速。（5
8、）提高转速，过流部分磨损和振动都将变大；提高泵的转速受到汽蚀条件的限制，从汽蚀比转速公式可知，转速n和汽蚀基本参数hr和C的关系，如得不到满足，将产生汽蚀。对于一定的C值，假设提高转速，则hr增大，当该值大于装置提供的装置汽蚀余量ha时或几何安装高度Hsz，计算其实条件允许的转速，所采用的转速应小于汽蚀条件允许的转速。即式中（K考虑汽蚀的安全余量）。通常优先选择电动机直接联结传动，同步转速列于表2-1，电动机带负荷后的转速小于同步转速，通常按2%左右的滑差率确定转速式中：s滑差率表1 电动机的同步转速极对数24681012同步转速300015001000750600500本泵采用同步转速为30
9、00r/min的电机，采用滑差率s=2%,则n=2940r/min。取泵的安装高度Hsz=4m，常温清水则泵的汽蚀余量5.59m， 5.29m汽蚀允许转速为3103r/min，泵的转速泵汽蚀允许转速，不会发生汽蚀。2.4计算比转速ns，确定泵的水利方案在确定泵的比转速时应注意：（1） 比转速与水泵的效率密切相关。在确定时，必须同时考虑泵的效率是否能达到给定的指标。（2） 在确定比转速时，还应考虑到是否有合适的水力模型。如果有合适的水力模型，应该选取与模型泵相同或想接近的比转速。（3） 在泵流量和扬程不变的情况下，提高转速或增加泵的级数可增大泵的比转速，反之将减小泵的比转速。（4） 泵的性能曲线
10、的形状也和有关。比转速越小，叶轮流道相对的越细长，性能曲线比较平坦，随着比转速逐渐增大，叶轮流道相对的越来越宽，性能曲线也就越来越陡。按照比转速公式=114由汽蚀比转速看，本泵属于效率较好的范围。按照设计要求，本泵采用单机单吸的水力方案。2.5估算泵的效率泵尚未选出时，总效率、水力效率、容积效率和机械效率只能参考同类产品和结合经验公式、统计曲线根据具体情况确定。水力效率容积效率机械效率根据上述计算结果，总效率三、叶轮主要参数的选择和计算叶轮主要几何参数有叶轮进口直径D0、叶片进口直径D1、叶轮轮毂直径dh，叶轮进口角1，叶轮出口直径D2、叶轮出口宽度b2、叶片出口角2和叶片数Z。叶轮进口几何参
11、数对汽蚀具有重要影响，叶轮出口几何参数对性能（H、Q）具有重要影响，而两者对效率均有影响。叶轮主要尺寸的确定主要相似换算法和速度系数法。本泵采用速度系数法进行设计。速度系数法实际上也是一种相似设计法。它和模型换算法在实质上是相同的，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设计。也就是说，速度系数法是按相似的原理，利用统计系数计算过流部件的各部分尺寸。3.1轴径和轮毂直径的确定泵轴的直径应该强度（拉压弯扭）和刚度（挠度）及临界转速条件确定。因为扭矩是泵主要的载荷，开始设计时首先按扭矩确定泵轴的最小直径，通常是联轴器处的轴径。同时应根据所设计的泵的
12、具体情况，考虑影响刚度和临界转速的大概因素可对粗算的轴径作适当的修改，并圆整到标准直径。待泵转子设计完成后，再对轴的强度、刚度和临界转速进行详细的校验。轴功率余量系数参照表1，采用电动机，K取1.2，则计算功率表2 原动机余量系数原动机的种类K电动机1.11.2汽油机1.151.25柴油机（小容量）1.151.25柴油机（大容量）1.151.2扭矩参照表2，泵轴材料的许用切应力取440105N/m2按扭矩计算轴径的公式，轴径表3泵轴材料的许用切应力轴的材料Q235,20354540Cr，355SiMn/MPa12202030304040523.2叶轮进口直径D1的初定叶轮进口直径又叫做叶轮吸入
13、眼直径或叶轮颈部直径。叶轮进口速度和叶轮进口直径有关。从而限制v0一般不超过34m/s。3.2.1计算叶轮进口当量直径兼顾效率和汽蚀=4.05.0（取=4.4）进口直径选择悬臂式，故=03.2.2叶片入口边直径D1在叶轮流道入口边上取圆心，作流道的内切圆，内切圆圆心到轴心线距离的两倍即为叶片入口边直径。叶片入口边直径一般可按比转速确定。根据比转速=114可取mm3.3叶轮出口直径D2的初步计算叶轮出口直径是影响水泵扬程的最重要参数之一，可根据速度系数法确定式中 系数，=8.76取=210mm3.4叶轮出口宽度b2的计算和选择叶轮出口宽度可按下面两式计算确定：=0.7143.5叶片数Z叶轮叶片数
14、的多少会影响泵扬程的高低。一般情况下，增加叶片数可以改善液流情况，适当提高扬程，但叶片数增加后将减少过流面积，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Q-H曲线出现驼峰。用速度系数法设计叶轮时，因为速度系数法是从现有泵的参数上同级得来的，而现有泵的叶片数与比转速之间存在着一定关系。因此，泵叶轮叶片数也可根据比转速按照这一关系确定之。离心泵叶轮的叶片数与比转速之间的关系如下表表4 离心泵的叶片数Z3060601801802805片长叶片加5片短叶片或896856也可采用富来得尔经验公式计算：综合以上两种方法，取=6是合适的。其中：预先取=20； 叶片出口角3.6叶轮外径D2的精确计算前述初算的，速度系数是按一般情况得出的。在保证性能相同的情况下，可以选用不同参数的组合，这种情况增加了速度系数的近似性。因为是最主要的尺寸，按速度系数法确定后，以此为基础进行精确计算。精确计算是以基本方程为基础的，从理论上讲是比较严格的，但是其中所用到的水力效率、有限叶片修正系数，也只能用经验公式估算。实践证明，精确计算在数值上是可靠的。离心泵一般是选择，精算。在计算前，先假定一个，此最好用按速度系数法确定的值。如果算得的值与假定的相
