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1、流体机械选型设计及低比转速离心泵设计摘 要选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点流量是选泵的重要性能数据之一，它直接关系到整个装置的的生产能力和输送能力主水泵房一般设在井筒附近，要求通风良好，便于远搬设备。在一般情况下，主水泵房和井下中央变电所连接在一起，并设防爆门分隔，当矿井由于扩大开采和延深，使涌水量有所增加的可能时，应考虑泵房长度有增设水泵的余地，此时，在井筒断面的大小上，也要预备有相应增设管路的安装位置。煤矿主要通风设备是保证矿井安全生产极
2、为重要的设备，必须严格遵守煤矿安全规程，的有关规定进行设置，并保证经常不停的运转，主要通风机必须设置两部同等能力的通风机，其中一部分作为备用，备用的通风机必须在十分钟内开动，。低比转速离心泵是指比转速在30-80之间的离心泵。它具有扬程高、流量小的特点，广泛应用于化工、石油、矿山、农业和国防工业等领域。低比转速泵小流量高扬程的特点决定了其具有不同于一般离心泵的水力特性：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，在农业的灌溉和排涝；城市的给水和排水；石油工业中，化学工业中，交通运输业，以及采矿工业中，水泵都是不可缺少的设备。泵是一种能量转换机械，它将外施于的能量转换为液体，使
3、液体能量增加，从而将其提升或压送到所需之处关键词： 水泵选型 风机选型 水泵布置 风机布置 叶轮 轴 键AbstractChooses pumps pattern and performance technological parameter and so on equality circuit current capacity, lifting, pressure, temperature, suction stroke requests. The centrifugal pump has the rotational speed to be high, the volume is smal
4、l, the weight is light, the efficiency is high, the current capacity is big, the structure is simple, the infusion does not have the pulsation, the performance steady, easy to operate and characteristic current capacities and so on service convenience chooses one of pumps important performance data,
5、 its direct relation entire installment productivity and delivery capacity;plant is located in nearby generally the well chamber, the request ventilates good, is advantageous moves the equipment far. Generally, the principal horizontal pump house and the mine shaft central transformer substation con
6、nect in together, and supposes the explosive door separation, when mine pit, because expanded mining and extends the depth, when causes possibility which the welling up water volume increases, should consider that the pump house length has additionally builds water pumps leeway, this time, in well c
7、hamber cross section size, must prepare to have additionally builds pipelines installment position correspondingly。The coal mine main draft equipment is guaranteed that the mine safety production great importance the equipment, must observe the coal mine safety regulations strictly, the concerned re
8、quirements carry on the establishment, and guaranteed does not stop frequently the revolution, the main ventilator must establish two same level abilities the ventilators, a part takes spare, the spare ventilator must start in ten minutes。The pump is one kind of energy conversion machinery, it impre
9、ssed in the energy conversion for the liquid, makes the liquid energy to increase, thus delivers its promotion or the pressure needs the place. Lowers is refers to compared to the rotational speed centrifugal pump compares the rotational speed in 30-80 between centrifugal pump. It has lifts high, th
10、e current capacity small characteristic, widely applies in domains and so on chemical industry, petroleum, mine, agriculture and defense industry. Lowered had decided the rotational speed pump small current capacity high-lift characteristic it had is more different than with the common centrifugal p
11、umps hydraulic characteristic.Key word: Water pumps selection, air blowers selection, water pumps arrangement, air blowers arrangement, impeller, axis, key。目 录第一篇 流体机械选型设计1第一章 排水设备选型2第一节 水泵的选型2第二节 水房的水泵布置8第二章 通风设备选型11第一节 风机的选型11第二节 主通风机房13第二篇 低比转速离心泵设计15第一章 离心泵的工作原理16第一节 离心泵的基本结构16第二节 离心泵的工作原理16第二章
12、方案及主要参数确定18第一节 泵的直径计算18第二节 汽蚀余量的确定18第三节 计算比转速19第四节 计算泵的效率20第三章 叶轮设计22第四章 压水室的水力设计25第五章 吸水室的设计27第六章 轴的设计28第一节 轴的结构设计28第二节 轴的校核29第七章 叶轮的强度校核32第八章 径向力及其平衡33第九章 轴向力及其平衡34第十章 轴承部件的选择36第十一章 强度校核38第一节 键的强度计算38第二节 叶轮的强度校核39第三节 泵体强度计算39第四节 泵体联结螺栓的强度计算40第五节 泵出口法兰强度计算41第六节 泵的轴封42结束语43参考资料45外文资料及翻译46致 谢56iv太原理工
13、大学阳泉学院-毕业设计说明书第一篇 流体机械选型设计题目条件：矿井产量：120万吨; 服务年限：80年; 竖井井深：195米；气候条件：温和；最大涌水：368米3/时；最小涌水：205 米3/时;最大天数65天，最小天数300天；矿水性值PH=7；所需风量：43.5米3/秒；最大负压2700帕；最小负压1700帕；地面情况平坦；沼气等级为低沼气。第一章 排水设备选型第一节 水泵的选型一、泵选型原则1.使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀余量、吸程等工艺参数的要求2.机械方面要求可靠性高、噪声低、振动小3.经济上要求综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低4.离心
14、泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等优点。因此除以下情况外，应尽可能选用离心泵：有计量要求时，选用计量泵扬程要求很高，流量很小且无合适小流量高扬程离心泵可选用时，可选用往复泵，如汽蚀要求不高时也可选用旋涡泵。 扬程很低，流量很大时，可选用轴流泵和混流泵。介质粘度较大（大于6501000mm2/s）时，可考虑选用转子泵或往复泵、介质含气量75%，流量较小且粘度小于37.4mm2/s时，可选用旋涡泵对启动频繁或灌泵不便的场合，应选用具有自吸性能的泵，如自吸式离心泵、自吸式旋涡泵、气动（电动）隔膜泵。自吸式旋涡泵、气动（电动）隔膜泵。二、
15、泵的选型依据 泵选型依据，应根据工艺流程，给排水要求，从五个方面加以考虑, 既流体的输送流量、装置扬程、液体性质、管路布置形式以及操作运转条件等1.流量是选泵的重要性能数据之一，它直接关系到整个装置的的生产能力和输送能力。 如设计院工艺设计中能算出泵正常、最小、最大三种流量。选择泵时，以最大流量为依据，兼顾正常流量，在没有最大流量时，通常可取正常流量的1.1倍作为最大流量。2.装置系统所需的扬程是选泵的又一重要性能数据，一般要用放大5%10%的余量后的扬程来选型。3.液体性质，包括液体介质名称，物理性质，化学性质和其它性质。物理性质有温度，密度，粘度，介质中固体颗粒直径和气体的含量等，这涉及到
16、系统的扬程，有效气蚀余量的计算和合适泵的类型；化学性质，主要指液体介质的化学腐蚀性和毒性，是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据。4.装置系统的管路布置条件指的是送液高度，送液距离，送液走向，吸入侧最低液面，排出侧最高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数量等，以便进行系梳扬程计算和汽蚀余量的校核。5.操作条件的内容很多，如液体的操作T饱和蒸汽力P、吸入侧压力PS绝对）、排出侧容器压力PZ、海拔高度、环境温度操作是间隙的还是连续的、泵的位置是固定的还是可移的。三、排水系统的选择 在相同的使用条件，集中排水系统的水平数和泵房数量少，且系统简单可靠，基础建设投资和运转费用较低，维
17、护工作量要比分段排水系统减少一半，同时所要求的工作人员也比较少。因此，今年国内外均去想于采用直接排水系统。在此矿井的选型设计中本着节约成本的原则也选取集中排水系统。四、预选水泵的型号与台数根据煤矿安全规程的要求，水泵必须有工作、备用和检修水泵，其中工作泵应能在20h内排出矿井24h的正常涌水量；备用泵的总排水能力，应不小于工作泵的70%；工作和备用水泵的总排水能力，应能在20h内排出矿井24的最大涌水量；检修水泵的排水能力应不小于工作水泵排水能力的25%；水文地质条件复杂或有突水危险的矿井，可根据具体情况，在主要泵房内预备留安装一定数量水泵的位置，或另外增加排水能力。1. 正常涌水时期，水泵必
18、须的总排水能力2.最大涌水时期，水泵必须的总排水能力3.水泵所须的扬程的估算式中：HC:测地高度，即水仓最低水位与排水管出口间的高度差:管路效率，一般取（0.90.89）此处 取0.9井底车场与吸水面标高差4米排水管出口高出井口的高度1米预选水泵从矿山固定机械手册中选取200D436型号泵，其额定流量Q=288m/h,额定杨程H=244.8m，效率0.80，转数为1480r/min,电机为JR136-4,重量4185kg,长宽高=354811901285。4.水泵台数的确定： 根据煤矿安全规程的规定，当qz50m3/h 时，若工作的水泵台数为n1，则备用水泵的台数n2为n2=0.7n1和n2=
19、1.2qmax（Q为泵的旧管工况流量，求得工况点前可用额定流量预选）两个计算值中取较大值，然后再偏上取值，检修水泵的台数n3=0.25 n1偏上取值。五、选择管路系统1.管路趟数的确定排水管路的趟数在满足煤矿安全规程的前提下，在井筒内布置以不增加井筒直径为原则，则不易超过四趟，泵房管路布置主要取决于泵的台数和管路趟数，根据泵的总台数，选用典型的三泵两趟管路系统，一条管路工作，一条管路备用，正常涌水时，一台泵向任一趟管路供水，最大涌水时，只要两台泵同时分别向两趟管路排水就能达到20h内排出24h的最大涌水量。故从减小能耗的角度可采用三泵向两趟管路供水，从而可知每趟管内流量Qg等于泵的流量2.管路
20、材料的确定因为井深不超过200m.,故采用焊接钢管 3.排水管内径：从矿山固定机械手册中预选2737型号的焊接钢管，则排水管内径：dP=273-24=259mm4验算壁厚: 5选择吸水管径，根据选择的排水管径，吸水管径选用32510焊接钢管 六、计算管路特性1.管路布置：如图（1）2.管路特性方程的确定：根据管路特性方程H=Hc+RtQ2知，管道阻力系数Rt=H-Hc/Q2=222-200/2882=2.65*104则管路特性方程式如下：七、.绘制管路特新曲线确定工况点，根据新、旧管特新方程，取八个流量值得相应的损失，如下表:050100150200250300350200200.7202.7
21、205.9210.6216.6223.9232.5200201.1204.5210.1218.0228.2240.6254八、校核计算1.由旧管工况点验算排水时间，正常涌水时，若采用1台水泵排水，则:最大涌水量最大涌水时，采用2台泵2趟管排水工作即能完成在20h内排出24H的最大涌出量Tmax=24qmax/(n1+n2)Qm2=14.2h=602.允许吸上真空度HS=7m3.供吸送清水及物理，化学性质类似清水的液体4.液体温度t=60oC5.结构要求：体积小，重量轻，结构紧凑，制造维修方便，适于一般小型工业水泵厂制造。第一章 离心泵的工作原理第一节 离心泵的基本结构离心泵的基本部件是高速旋转
22、的叶轮和固定的蜗牛形泵壳。具有若干个（通常为412个）后弯叶片的叶轮紧固于泵轴上，并随泵轴由电机驱动作高速旋转。叶轮是直接对泵内液体做功的部件，为离心泵的供能装置。泵壳中央的吸入口与吸入管路相连接，吸入管路的底部装有单向底阀。泵壳侧旁的排出口与装有调节阀门的排出管路相连接。 第二节 离心泵的工作原理当离心泵启动后，泵轴带动叶轮一起作高速旋转运动，迫使预先充灌在叶片间液体旋转，在惯性离心力的作用下，液体自叶轮中心向外周作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程获得了能量，静压能增高，流速增大。当液体离开叶轮进入泵壳后，由于壳内流道逐渐扩大而减速，部分动能转化为静压能，最后沿切向流入排出管路。所以蜗形泵
23、壳不仅是汇集由叶轮流出液体的部件，而且又是一个转能装置。当液体自叶轮中心甩向外周的同时，叶轮中心形成低压区，在贮槽液面与叶轮中心总势能差的作用下，致使液体被吸进叶轮中心。依靠叶轮的不断运转，液体便连续地被吸入和排出。液体在离心泵中获得的机械能量最终表现为静压能的提高。离心泵的基本结构和工作原理 需要强调指出的是，若在离心泵启动前没向泵壳内灌满被输送的液体，由于空气密度低，叶轮旋转后产生的离心力小，叶轮中心区不足以形成吸入贮槽内液体的低压，因而虽启动离心泵也不能输送液体。这表明离心泵无自吸能力，此现象称为气缚。吸入管路安装单向底阀是为了防止启动前灌入泵壳内的液体从壳内流出。空气从吸入管道进到泵壳
24、中都会造成气缚。 第二章 方案及主要参数确定第一节 泵的直径计算一、 泵的吸入口直径计算：在吸入口径小于250 mm时，建议取吸入流速VS=1.01.8m/s;在吸入口径小于200 mm 时，大都设计成单吸泵，因为单吸泵结构简单，重量轻，零件少，加工制造比较容易；选择原电动机时，应综合考虑动力来源，价格，投资，维护和管理等费用，一般有电的地区首先采用电动机驱动；吸入口径小于200 mm 时，可设计成悬臂式结构，这种结构形式具有结构轻，小，易于加工制造，液体流动情况也比较好的优点；一般情况下，单级泵均采用螺旋形压出室，称之为满壳式泵，这种泵体结构简单，维护方便，泵性能曲线高效率区比较宽广，车削叶
25、轮后，泵效率变化亦较小。故泵的吸入口直径 取离心泵系列中的标准口径DS=4.9 10-2=50m； 由文献1表7-1取标准吸入口径DS=50mm二、.泵出口直径Dd; 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,可小于吸入口直径,一般取Dd=（10.7）DS 所以DS=0.8DS=500.8=40mm第二节 汽蚀余量的确定汽蚀余量对于泵的设计，试验 和使用都是十分重要的汽蚀基本参数。设计泵时根据对汽蚀性能的要求设计泵，如果用户给定了具体使用条件，则设计泵的汽蚀余量NPSHr必须小于按使用条件的装置汽蚀余量NPSHa欲提高泵的汽蚀性能，应尽量减小NPSHr另一方面，考虑
26、一个安全余量得到许用汽蚀余量NPSH为了深入理解汽蚀概念，应区分以下几种汽蚀余量1.NPSHa-装置汽蚀余量又叫有效的汽蚀余量。是由吸入装置提供的，越大泵越不容易发生汽蚀2.NPSHr-泵汽蚀余量又叫必须的汽蚀余量，是规定泵要达到的汽蚀性能参数，NOPSH越小，泵的抗汽蚀性能越好3.NPSHt-试验汽蚀余量，是汽蚀试验是算出的值，试验汽蚀余量有任意多个，但对应泵性能下降一定值的试验汽蚀余量只有一个，称为临界汽蚀余量. NPSH-许用汽蚀余量，这是确定泵使用条件的汽蚀余量，它应大于汽蚀余量，以保证运行时不发生汽蚀 这些汽蚀余量如下关系：NPSHt NPSHr NPSH NPSHa可知：转速n和汽
27、蚀基本参数NpsHr及C有确定的关系，如得不到满足将发生汽蚀，对既定的泵汽蚀比转数C值为定值，转速增加，流量增加，则NpsHr增加，当该值大于装置汽蚀余量NpsH是，泵发生汽蚀。4.汽蚀会引起的严重后果: (1)产生振动和噪音。 (2)对泵的工作性能有影响:当汽蚀发展到一定程度时,汽泡大量产生,会堵塞流道,使泵的流量、扬程、效率等均明显下降。 (3)对流道的材质会有破坏:主要是在叶片入口附近金属的疲劳剥蚀5.提高离心泵抗汽蚀性能的方法有: （1）改进机泵结构,降低hr,属机泵设计问题。 （2）提高装置内的有效汽蚀余量.最主要最常用的方法是采用灌注头吸入装置. 此外，尽量减少吸入管路阻力损失，降
28、低液体的饱和蒸汽压，即在设计吸入管路时尽可能选用管径大些，长度短些，弯头和阀门少些，输送液体的温度尽可能低些等措施，都可提高装置的有效气蚀余量第三节 计算比转速比转数是讨论叶轮的相似性，确定泵的特性及形式时所采用的准则，它是从相似理论引出的一个综合性参数。比转数说明了相似泵的Q,H,和n间的关系，泵的总扬程，流量；转数决定叶轮形状尺寸的三个基本参数。 NPSHr=H=90.044=0.39mm水力机械特有的一种现象。当流道中局部液流压力降低到接近某极限值(目前多以液体在该温度下的汽化压力作为极限值)时，液流中就开始发生空(汽)泡，这些充满着气体或蒸汽的空泡很快膨胀、扩大并随液流至压力较高的地方
29、后又迅速凝缩、溃灭。液流中空泡的发生、扩大、渍灭过程涉及许多物理、化学现象，会有噪音，振动甚至对流道材料产生侵蚀作用(汽蚀)。以上这些现象统称为汽蚀现象。气蚀比转速 取970一般清水泵C值大致在80001000左右，此处取C=970取n=1450，符合汽蚀条件第四节 计算泵的效率一、泵内能量损失泵从原动机获得的机械能，只有一部分转换为液体的能量，而另一部分则由于泵内消耗而损失。泵内所有损失可分为以下几项：1.水力损失 由液体在泵内的冲击、涡流和表面摩擦造成的。冲击和涡流损失是由于液流改变方向所产生的。液体流经所接触的流道总会出现表面摩擦，由此而产生的能量损失主要取决于流道的长短、大小、形状、表
30、面粗糙度，以及液体的流速和特性。2.容积损失 容积损失是已经得到能量的液体有一部分在泵内窜流和向外漏失的结果。泵的容积效率h容一般为093098。改善密封环及密封结构，可降低漏失量，提高容积效率。3.机械损失 机械损失指叶轮盖板侧面与泵壳内液体间的摩擦损失，即圆盘损失，以及泵轴在盘根、轴承及平衡装置等机械部件运动时的摩擦损失，一般以前者为主。二、由文献1（17 表 7-4）得：1.水效率（）=80% 2.容积效率（）=由图7-2得：（）=86%3.机械效率 （功率大的泵取小值，功率小的泵取大值）所以泵的总效率三、确定轴功率泵轴的直径应按照强度（拉、压、弯、扭）和刚度（挠度）及临界转速条件确定。
31、因为扭矩是泵最主要的载荷，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，泵轴的直径应按照强度和刚度及临界转速条件确定。1.轴功率2 配套功率：K是工况变化系数：取k=1.11.23 泵传递时扭矩M：有书中可知，可按下式计算泵轴所传递的拉力矩M()4.按扭矩初步计算的最小轴径d（m）选用45#钢 是泵轴材料的许用应力（单位：），对于普通优质碳钢可取=（343441）对于合金钢=（441588）第三章 叶轮设计离心泵的叶轮 此设计采用图2-2中（a），闭式叶轮 。叶轮是离心泵的关键部件;按其机械结构可分为闭式、半闭式和开式三种。闭式叶轮适用于输送清洁液体；半闭式和开式叶轮适用于输送
32、含有固体颗粒的悬浮液，这类泵的效率低。 闭式和半闭式叶轮在运转时，离开叶轮的一部分高压液体可漏入叶轮与泵壳之间的空腔中，因叶轮前侧液体吸入口处压强低，故液体作用于叶轮前、后侧的压力不等，便产生了指向叶轮吸入口侧的轴向推力。该力推动叶轮向吸入口侧移动，引起叶轮和泵壳接触处的摩损，严重时造成泵的振动，破坏泵的正常操作。在叶轮后盖板上钻若干个小孔，可减少叶轮两侧的压力差，从而减轻了轴向推力的不利影响，但同时也降低了泵的效率。这些小孔称为平衡孔。一、 叶轮主要尺寸的确定方法：速度系数法叶轮主要尺寸参数示意图叶轮进口直径叶片进口直径叶轮穀直径dn叶轮出口直径叶轮出口宽度和叶片数Z二、叶轮其它参数的确定1
33、.叶轮叶片数及安装角由于本设计用的是相似法，故其叶片数于安装角均与模型泵相同，由模型泵的叶片数可知，实型泵的叶片数也为6，安装角由绘图即可决定，本设计的比转数n为60 应设计为梯形扭曲叶片，选取的模型泵恰于此一样。2. 叶片厚度及盖板厚度根据2,参考同类产品，去盖板厚度So=4mm铸铁叶轮的最小叶片厚度为3-4mm,铸铁叶片最小厚度为5-6mm,为了扩大叶轮流道有效过有有效面积，叶片越薄越好，但不能太薄，在铸造工艺上有一定困难，从强度方面考虑叶片叶片需一定的强度，但叶片太厚要降低效率，恶化泵的汽蚀性能三、 叶轮进口直径：叶轮进口当量直径1.按以为半径的圆管断面积少于叶轮进口去掉轮毂的有效面积
34、取60mm的选择主要考虑效率 3.5-4.0兼顾效率和汽蚀 4.0-5.0主要考虑汽蚀 5.0-5.5再计算叶轮进口直径 取60mm2.叶轮出口宽度： （k=0.640.7）由文献1（7-19c）公式：即5.6mm3.叶轮的出口直径：由文献（7-19b）公式 此处去9.4所以 =确定叶片出口它的角： 取叶片数：按照比转数选择叶片数 3045 4560 60120 1203002 810 78 67 46所以 ：本设计选取Z=64. 精算叶轮外径：（1）理论扬程（2）修正系数（3）有限叶片数修正系数（根据经验有限叶片修正系数P=0.30.45，此处P取0.436）（4）无穷叶片数理论扬程 （5）叶片出口排挤系数 （6）出口轴面积速度（7）出口圆周速度（8）出口直径 与假定值接近，不再重新计算第四章 压水室的水力设计一、压水室的作用1.收集从叶轮中流出的液体，并输送到排出口或下一级叶轮吸入口2.保证流出叶轮的流动是轴对称的，从而使叶轮内具有稳定的相对运动，以减少叶轮内的水力损失。3.降低液流速度，使速度能转化成压能4.消除液体从叶轮流出的旋转运动，以避免由此造成的水力损失，有三种基本形式：（1）螺旋形压水室（2）叶片式压水室 （3）压水室 从水力方面看，螺旋形压水室中的流动比较理想，1.适应性强，高效率范围宽，但流到不能机械加工 2.尺寸形状表面光洁直