设计说明书
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四川理工学院毕业设计（论文）
XLY65-200液下长轴泵及变频系统设计
学 生：陈志强 学 号：08011030103
专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机设20081班 指导教师：李 良
四川理工学院机电系
二O一二年六月
四 川 理 工 学 院 毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目： XLY65-200液下长轴泵及变频系统设计
系： 机械 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 机设20081班 学号： 08011030103 学生： 陈志强 指导教师： 李 良 接受任务时间 2012-2-27
教研室主任 （签名） 系主任 （签名）
一．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求
基本设计参数：出口直径D=100mm，流量Q=27m3/h,扬程H=40m,介质密度ρ=1.1g/cm3,△h=3.75m
1. 完成XLY65-200液下长轴泵设计，画总装配图。 2. 完成叶轮设计，画零件图。 3. 设计泵体、泵盖，画零件图。 4. 设计变频控制系统。
5. 设计传动轴并进行强度校核。 6. 编写毕业设计说明书。
设计图纸7-9张，毕业设计计算、分析、方案设计、设计说明书一份。 二．指定查阅的主要参考文献及说明 《离心泵设计基础》、《流体力学》、《动密封》、《材料力学》、水泵安装国家标准、《叶片泵结构设计》、《机械设计手册》、《离心泵结构与设计》、《离心泵技术词典》，《自动控制工程》 三．进度安排 设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期 1 毕业实习、开题及资料准备、可行性报告 2 方案设计和计算 3 结构设计和绘图 4 毕业设计说明书编写、毕业设计资料提交 5 毕业设计资料审核、答辩、整改 2012.2.27～2012.3.20 2012.3.26～2012.4.20 2012.4.21～2012.5.20 2012.5.21～2012.6.5 2012.6.06～2012-6-24
II
四川理工学院毕业设计（论文）
摘 要
液下长轴泵的电机通过联轴器带动长泵轴，泵轴转动带动叶轮给液体做功,然后将液体传输出去。液下长轴泵是离心泵的一种。故此次设计主要分析了离心泵的工作原理，根据离心泵的工作原理和设计参数对泵的各个零件进行详细的分析和设计。叶轮是泵的核心部分，通过对叶轮的设计和优化将泵的性能发挥到最大，使用寿命达到最长。泵轴根据满足强度条件计算得到最小轴径，设定安装叶轮处轴径，结构为阶梯轴。当装配图整体结构尺寸确定后，再进行轴的强度，刚度及临界转速的校核。轴封采用填料密封，不仅能满足密封要求，而且结构简单便于维修。轴承根据泵轴的大小来选择，并配置润滑和密封措施。其他按标准件选用并校核。
关键词：液下长轴泵；离心泵；叶轮；泵轴；密封
I
ABSTRACT
ABSTRACT
The long axis pump’ motor drives the long shaft through a coupling under liquid, the rotation of the long shaft drives impeller to act to liquid. Then, it transports the liquid out. The long axis pump is a centrifugal pump. Therefore, the design is mainly analysis the working principle of centrifugal pump, conducting a detailed analysis to parts on pump according to working principle and design parameters of centrifugal pump. Impeller is a core component on pump. Pump’s performance can play to the best and service life can reach up to longer through optimal design to impeller. The long shaft able to calculate the minimum diameter according to strength conditions, we can set diameter at the installation impeller, its structure is ladder. When assembly drawing’s structure size can determine, we able to carry out check to strength stiffness and critical speed of shaft. Shaft seal use packing sealing. It is not only to meet the sealing, and simple structure, easy maintenance. Select bearings according to the size of the shaft and configuration lubrication and sealing measures. Other parts according to the standard parts select and check.
Keywords: Vertical submerged pump; centrifugal pump; impeller; shaft; seal
II
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目录
摘 要 ............................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................. II 第一章
1.1 1.2 1.3
绪论 .......................................................................................................... 1
泵的发展 ................................................................................................................... 1 泵的作用 ................................................................................................................... 2 泵的分类 ................................................................................................................... 2 1.3.1 按工作原理分类 ................................................................................................. 2 1.3.2
其他方式分类 ................................................................................................... 2
第二章 结构方案的设计 ...................................................................................... 4
2.1 确定泵比转速................................................................................................................... 4
2.1.1 确定转速n............................................................................................................ 4 2.1.2 比转速ns的确定 ................................................................................................. 4 2.2 泵的效率及电动机的选择............................................................................................... 5
2.2.1 容积效率............................................................................................................... 5 2.2.2 机械效率............................................................................................................... 5 2.2.3 水利效率............................................................................................................... 5 2.2.4 总效率................................................................................................................... 5 2.2.5 轴功率pa ............................................................................................................ 6 2.2.6 配套电机功率 ....................................................................................................... 6
第三章 叶轮设计 .................................................................................................. 8
3.1 确定泵的进、出口直径及流速 ....................................................................................... 8
3.1.1 泵的进、出口直径 ............................................................................................... 8 3.1.2 泵的进、出口流速 ............................................................................................... 8 3.2 确定叶轮的进口直径D0 ................................................................................................. 9 3.3 叶轮出口直径D2及叶片厚度S ................................................................................... 10
3.3.1 叶轮出口D2 ...................................................................................................... 10 3.3.2 叶片厚度S.......................................................................................................... 10 3.4 确定叶轮的叶片数Z、包角ψ和叶片进、出口安放角 .............................................. 11
III
目录
3.4.1 叶片数Z.............................................................................................................. 11 3.4.2 包角ψ................................................................................................................. 11 3.4.3 叶片出口安放角 ................................................................................................. 11 3.4.4 叶片进口安放角 ................................................................................................. 12 3.5 叶轮出口宽度b2和进口宽度b1 ................................................................................. 12
3.5.1 叶轮出口宽度b2 .............................................................................................. 12 3.5.2 叶轮进口宽度b1 ............................................................................................... 13 3.6 精算叶轮出口直径D2 .................................................................................................. 14
3.6.1 叶片出口排挤系数 ............................................................................................. 14 3.6.2 理论扬程............................................................................................................. 15 3.6.3 有限叶片数修正系数 ......................................................................................... 15 3.6.4 无穷叶片数理论扬程 ......................................................................................... 15 3.6.5 出口轴面速度 ..................................................................................................... 15 3.6.6 出口圆周速度 ..................................................................................................... 15 3.6.7 叶轮直径............................................................................................................. 16
第四章 叶轮绘形 ................................................................................................ 17
4.1 叶轮轴面投影图............................................................................................................. 17
4.1.1 轴面投影图......................................................................................................... 17 4.1.2 轴面液流过水断面面积变化检查 ..................................................................... 18 4.1.3 分流线................................................................................................................. 18 4.1.4 确定进口边位置 ................................................................................................. 19 4.2 流线分段 ........................................................................................................................ 19
4.2.1 包角变换............................................................................................................. 19 4.2.2 在方格网上绘流线 ............................................................................................. 20 4.2.3 绘制轴面截线 ..................................................................................................... 22 4.3 叶片加厚 ........................................................................................................................ 22
第五章 泵体设计 ................................................................................................ 24
5.1 泵体的选择..................................................................................................................... 24 5.2 蜗壳的设计计算............................................................................................................. 26
5.2.1 基圆D3的计算 ................................................................................................... 26 5.2.2 蜗室入口宽度b3 ............................................................................................... 26
IV
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5.2.3 舌角?3 ............................................................................................................... 26 5.2.4 泵舌安放角θ ..................................................................................................... 26 5.2.4 蜗室断面面积的确定 ......................................................................................... 27 5.2.5 扩散管................................................................................................................. 28 5.3 泵体的绘形..................................................................................................................... 29
5.3.1 绘制泵体时考虑的因素 ..................................................................................... 29 5.3.2 蜗形体Ⅰ-Ⅷ断面的绘制 ................................................................................... 29
第六章 泵零件设计 ................................................................................................... 32
6.1 轴的确定 ........................................................................................................................ 32
6.1.1 轴结构的确定 ..................................................................................................... 32 6.1.2轴的强度.............................................................................................................. 33 6.2 键的校核 ........................................................................................................................ 34
第七章 轴向力的平衡 ........................................................................................ 36
7.1 轴向力的产生................................................................................................................. 36 7.2 轴向力的平衡................................................................................................................. 36 7.3 轴封结构 ........................................................................................................................ 38
7.3.1 填料密封的种类 ................................................................................................. 38 7.3.2 填料密封的减压和冷却装置 ............................................................................. 38 7.3.3 填料箱尺寸......................................................................................................... 40 7.3.4 填料的种类和应用 ............................................................................................. 41 7.3.5 填料密封的通用件 ............................................................................................. 42
总结 ............................................................................................................................. 44 参考文献 ..................................................................................................................... 45 致谢 ............................................................................................................................. 46
V
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第一章 绪论
1.1 泵的发展
在人类发展历史过程中，劳动人民在长期与大自热的斗争中创造了最原始的
提水工具，如埃及的链泵（公元前17世纪）、中国的桔槔（公元前17世纪）、轱辘（公元前11世纪）和水车（公元1世纪）。比较著名的还有公元前3世纪，阿基米德发明的螺旋杆，可以平稳连续的将水提升至几米高处，其原理任然为现代螺杆泵所利用。
公元前200年左右，古希腊工匠克特西比乌斯发明的灭火泵是一种最原始的活塞泵，已具备典型活塞泵的主要元件，但是活塞泵只是在出现了蒸汽机之后才得到迅速发展。
1840~1850年，美国沃辛顿发明泵缸和蒸汽缸对置的，蒸汽直接作用的活塞泵，标志着现代活塞泵的形成。19世纪是活塞泵发展的高潮时期，当时以用与水压机等多种机械当中。然而随着需水量的剧增，从20世纪20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞泵逐渐被高速的离心泵和回转泵所代替。但是在高压小流量领域往复泵仍占有主要地位，尤其是隔膜泵、柱塞泵独具优点，应用日益增多。
利用离心力输水的想法最早出现在列奥纳多??达芬奇所做的草图中。1689年，法国物理学家帕潘发明了四叶片叶轮的蜗壳离心泵。但更接近于现代离心泵，则是1818年在美国出现的具有径向直叶片、半开式双吸叶轮和蜗壳的所谓马萨诸塞泵。1851~1857年，带有导叶的多级离心泵相继被发明，使得发展高扬程离心泵成为可能。
尽管早在1754年，瑞士数学家欧拉就提出了叶轮式水利机械的基本方程式，奠定了离心泵设计的理论基础，但直到19世纪末，高速电动机的发明使得离心泵获得理想的动力源之后，它的优越性才得以充分发挥。在英国的雷诺和德国的普夫莱德雷尔等许多学者的理论研究和实践的基础上，离心泵的效率大大提高，它的性能范围和使用领域也日益扩大，以成为现在应用最广和、产量最大得泵。
1
回转泵的出现与工业上对输送液体的要求日益多样化有关。早在1588年就有了关于四叶片滑叶泵的记载，以后陆续出现了其他各种回转泵，但直到19世纪回转泵任然存在泄漏大、磨损大和效率低等缺点。20世纪初人们解决了转子润滑和密封等问题。并采用高速电动机驱动，适合较高压力、中小流量和各种粘性液体的回转泵才得到迅速发展。
以上所说的各种泵，以及一些其他的各种各样的泵等就形成了现代意义上的泵系统。
1.2 泵的作用
泵是把原动机的机械能转换成抽送液体等的能量的机器，泵用来增加液体的
位能、压能、动能。原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体做功，使其能量增加，从而使需要数量的液体，由吸水口经泵的过流元件输送到要求的高处或要求压力的地方。
泵主要用来输送液体水、油、酸碱液、乳化液、悬浮液、和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。泵是一种通用机器，种类甚多，应用极广，可以说在国民经济各部门中，凡是有液体流动的地方，就有泵在工作。其主要应用范围是：农田排灌、石油化工、动力工业、城市给排水、采矿和造船工业等。另外泵在火箭燃料供给、船舶推进方面也得到应用。
1.3 泵的分类 1.3.1 按工作原理分类
泵的用各部相同，根据作用原理可以将泵分为三大类，即容积泵、叶片泵和
其他类型的泵。
容积泵是利用工作室容积周期性变化来输送液体，如活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、齿轮泵、滑板泵、螺杆泵等。
叶片泵是利用叶片和液体相互作用来输送液体，如离心泵、混流泵、轴流泵、漩涡泵等。
其他类型的泵包括之改变液体位能的泵，如水车;利用流体能量来输送液体的泵，如射流泵、水锤泵、酸蛋等。
1.3.2 其他方式分类
2
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按泵轴的位置可以分为卧式泵和立式泵；按用途可以分为增压泵、计量泵、
比例泵、流程泵、汇流泵、循环泵、成品泵、补给泵、化学反应泵和助剂注射泵；按照泵体位置可以分为液下泵、深井泵、潜水泵和管道泵。
3
第二章 结构方案的设计
第二章 结构方案的设计
2.1 确定泵比转速 2.1.1 确定转速n
转速确定时，需要考虑气蚀比转数的影响。利用气蚀余量计算泵的转速的公式为
n=
cΔh345.62Q （2-1）
对于一般用途的泵：当n≦1480时，c的值按照图3-4（叶片泵设计手册）中的曲线1取；当n≧2900时，c的值按照图3-4中的曲线2选取。
按照曲线2选取c的值：
c=570
由公式2-1可以计算出：
nmax=
570×3.755.62×34273600=3156rmin
由于nmax=3156rmin≧2900rmin，故按照曲线2选取c的值是满足要求的。故可以取n的值：
n=2900rmin
2.1.2 比转速ns的确定
计算比转速的公式如下：
ns=
ns=
3.65nQH34 (2-2)
3.65×2900×27÷36004034
ns≈60
4
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2.2 泵的效率及电动机的选择 2.2.1 容积效率
估算容积效率的公式为：
η
v=
1 （2-3）
?21?0.68ns3 η
v=
1-2
1?0.68×603 η
v=0.9575
2.2.2 机械效率
估算机械效率的公式为：
η
1m=
1?15.05 7ns6 η
1m=
115.05 ?7606 η
m=0.8875
2.2.3 水利效率
估算水利效率的公式为：
η
3Qh=1+0.0835㏒
n η27h=1+0.0835×㏒
32900×3600 η
h=0.8441
2.2.4 总效率
总效率的公式为：
η=η
hη
mη
v （2-4） （2-5） 2-6）
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（第二章 结构方案的设计
η=0.8441×0.8875×0.9575 η=0.7173
根据《泵的基础知识》上关于泵的使用范围和特性：离心泵的效率为0.5
~0.8、流量为1.6~30000、扬程为10~2600、比转速30~280；单级单吸泵的流量为5.5~300、扬程为8~1500且要求比转速较低。由此可根据本设计的设计参数可知，该泵的方案为：单级单吸离心泵。
2.2.5 轴功率pa
轴功率的公式为：
pa=
pa=
ρɡQH (2-7) 1000η1100?9.8?27?40
1000?3600?0.7173 pa=4.5kw
2.2.6 配套电机功率 求配套电机功率的公式为：
pc=k1k2pa (2-8)
其中k1为水泵扬程允差系数（1.05 ~1.1）；k2为水泵流量的增大系数（1.1）。故电动机的功率p:
pc=1.1×1.1×4.5 pc=5.445kw
根据《机械设计课程设计手册》上第12章的电动的机的选用以及上面算出的电动机功率可以选定电动的型号为Y132S1-2.其额定功率为5.5kw，满载转速为2900rmin，同步转速为3000rmin，质量为64kg。
2.3 联轴器出轴径的确定
泵轴的直径应按其承受的外载荷（拉、压、弯、扭）和刚度及临界转速条件确定。因为扭矩是轴的主要外载荷，所以在开始设计时，可以按扭矩确定泵轴的最小直径（通常是指连接联轴器处）。
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确定扭矩Mn的公式为：
Mn= 9550? Mn= 9550?pc （2-9） n5.445 2900 Mn=17.93N m
泵轴选用45号调质刚，取许用切应力[τ]=540×105Nm2，则最小轴径为：
dmin=3Mn (2-10) 0.2[?]17.93
0.2?540?105 dmin=3dmin=0.0118m=11.8mm
因此选取dmin=12mm，取联轴器出的轴径为d1=38mm,安装叶轮处轴径取d7=30mm。
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第三章 叶轮设计
第三章 叶轮设计
叶轮式泵的核心部分，泵的性能、效率、抗气蚀性能、特性曲线的形状，均
与叶轮的水利设计有重要关系。
图3-1 叶轮主要尺寸参数示意图 左边为穿轴叶轮，右边为悬臂叶轮
叶轮进口直径D0，叶片进口直径D1，叶轮轮毂直径dh，叶轮出口直径D2，叶轮出口宽度b2
3.1 确定泵的进、出口直径及流速 3.1.1 泵的进、出口直径
由设计参数可知泵的出口直径为D=100mm，故泵的进口直径Dj按照经验公式D=（0.7 ~1.0）Dj 来判断。
通常对于低压小流量泵，取泵的进出口直径相等，所以D= Dj=100mm。
3.1.2 泵的进、出口流速
泵进口流速的公式为：
Vj=
Vj=
4Q (3-1) ?D2j4?27 23.14?3600?0.18
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Vj=0.9554ms
由于进出口直径相同，故进出口速度也相同，即V= Vj=0.9554ms 3.2 确定叶轮的进口直径D0
叶轮进口流速v0为：
v0=Kv02gH （3-2）
其中Kv0为叶轮进口速度系数，根据比转速不同及泵的类型按照《叶片泵设计手册》上图5-3可以查出其值为Kv0=0.11。故V1的值为：
v0=0.11×2?9.8?40
v0=3.08ms 通过叶轮的流量公式为：
Q’=
Q?v (3-3)
Q’=
27 0.9575 Q’=28.2 m3/h 叶轮进口的有效直径的公式为：
4Q'D’= （3-4）
?v0 D’=
4?28.2
3.14?3.08?3600 D’=57mm 。
叶轮轮毂直径dh必须保证轴孔在铠键槽后有一定的厚度使轮毂具有足够的强度，通常取dh=（1.2 ~1.8）d6，其中d7为安装叶轮处的轴径，其值为30mm在这里，取dh=1.45 d6=1.45×30=43.5mm。取44mm
因为有的叶轮有轮毂，有的叶轮没有轮毂，而本设计为悬臂泵。
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第三章 叶轮设计
所以D0=D’ （3-5）
故取D0=60mm
3.3 叶轮出口直径D2及叶片厚度S 3.3.1 叶轮出口D2
求叶轮出口圆周速度u2的公式为：
u2=Ku22gH (3-6)
式中，Ku2是出口圆周速度系数，根据比转速可以从《叶片泵设计手册》图5-3中查出Ku2=0.97.故：
u2=0.97×2?9.8?40 u2=27.16ms
求叶轮出口直径的公式为：
D2=
D2=
60u2 （3-7） ?n60?27.16
3.14?2900 D2=0.1789m
取D2=180mm
3.3.2 叶片厚度S
叶轮工作时，叶片上承受着液体的反作用力和叶片质量的离心力，受力情况比较复杂，很难精确计算，通常可以用如下的经验公式计算叶片的厚度，其公式为：
S=K D2H （3-8） ZK为系数，它与叶片泵的比转数和材料有关，根据图3-3可以得到K的值，其值为：K=3.5
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S=3.5×0.1789×S=1.5mm
40 7 叶片厚度铸铁最薄为4mm，铸钢最薄为5mm，由此可以的到叶片的厚度S=4mm
图 3-3 系数K与比转数和材料的关系
3.4 确定叶轮的叶片数Z、包角ψ和叶片进、出口安放角 3.4.1 叶片数Z
叶轮叶片数的多少会影响泵扬程的高低，用速度系数设计叶轮时，因为速
度系数是从现有的参数上统计来的，而现有泵的叶片数Z与比转速ns之间存在着一定的关系。因此，泵叶轮叶片数z也可以根据比转数ns按照这一关系确定下来。
图3-2 叶片数Z与比转数ns的关系
本设计中的比转数ns=60，根据上表可以选取叶片数Z=7
3.4.2 包角ψ
叶片由进口边道出口边的包角ψ，当叶片数按照图3-2选取时，一般取850
~110。包角太大使俩叶片之间的流道太长，增加水力摩擦损失；包角太小会减小两叶片之间的重叠度，减短了叶片间流道的有效部分，也是不利的。故根据以上所说，不妨选取包角的值：ψ=95。
003.4.3 叶片出口安放角
离心泵上的叶片出口安放角?2可以再150~400的范围内选取，高ns时取小值，
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第三章 叶轮设计
低ns时取大值。比较常用的是200~300。在这里，取叶片出口安放角?2的值为300。
3.4.4 叶片进口安放角
叶片入口处的绝对速度v1:
v1= Kv v0 （3-9）
取Kv=0.8，故
v1=0.8×3.08
v1=2.464ms
叶片入口轴面速度vm1,其与叶片入口处的绝对速度v1的关系为vm1=?1 v1，取?1=1.3，则：
vm1=1.3×2.464=3.2ms
设定进口无旋，则：
tan?1=
vm1u1 （3-10）
u1为叶片入口处圆周速度，其公式为：
u1=
?D1n60 （3-11）
u1=
3.14?0.052?2900
60u1=7.89ms tan?1=
故?1=22?
3.2=22? 7.893.5 叶轮出口宽度b2和进口宽度b1 3.5.1 叶轮出口宽度b2
求叶轮出口轴面速度vm2的公式为：
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vm2=Km22gH (3-12)
式中，Km2是叶轮出口轴面速度系数，根据《叶片泵设计手册》上图5-3可以查出其值：Km2=0.1
vm2=0.1×2?9.8?40 vm2=2.8ms
出口叶片排挤系数ψ2，一般等于0.85~0.95，小泵取小值，大泵取大值，在叶片
数Z，叶片厚度S，出口安放角?2和叶轮出口直径D2确定以后，一般情况下出口处
轴面液流流线与轴面截线相垂直，则出口叶片排挤系数可以按如下公式进行计算出来。
ψ2=1-ZS （3-13）
?D2sin?27?4
3.14?178.9?sin300 ψ2=1-
ψ2=0.9 叶轮出口宽度b2的计算公式为：
b2=
b2=
Q'?D2?2vm （3-14）
228.2
3.14?0.1789?0.9?2.8?3600 b2=0.00553m 考虑到铸造工艺,故取b2=7mm
3.5.2 叶轮进口宽度b1
叶片入口边直径D1，本设计的比转数ns=60,在40~100这个范围内，故可以取
D1=0.85D0=51mm 取D1=52mm.
有下面的公式：
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第三章 叶轮设计
4Q'v0= (3-15) 2?D0Q'b1= (3-16)
?D1v1v1=Kv v0 (3-17)
其中Kv为系数，不妨取Kv=0.8。
由以上三个公式以及Kv的取值，可以得到b1的新公式：
D'b1= (3-18)
4KvD1572 b1=
4?0.8?552 b1=18.46mm
为了提高气蚀性能，可以适当增大b1的值，取b1=25mm，同时经验表明，叶片入口过流断面积和叶轮入口面积相比，在下列范围比较好，即：
1.1＜
?D1b1＜2.5 2?D04带入各个数据：
3.14?0.055?0.025=1.3 23.14?0.0654满足上述所说的范围，故b1=25mm合适。
3.6 精算叶轮出口直径D2 3.6.1 叶片出口排挤系数
其公式为：
k2=1-
?2t21?(cot?22) (3-19) sin?214
四川理工学院毕业设计（论文）
1Z=，选?2=3mm,假定?2=90?，又已知Z=7，?2=30?，D2=180mm 其中，
t2?D2k3?7cot30?22=1-3.14?1801?(sin90?)
k2=0.9257
3.6.2 理论扬程 理论扬程公式为：
HHT=
? h H40T=
0.8441 HT=47.38775m
3.6.3 有限叶片数修正系数
根据经验有限叶片数修正系数p=0.3 ~0.45，此处取p=0.375. 3.6.4 无穷叶片数理论扬程 其公式为：
HT?= HT（1+p） (3-21)
HT?=47.38775×（1+0.375） HT?=65.158m
3.6.5 出口轴面速度
'v=Qm2D? 2b2k2 v28.2m2=
0.18?0.007?0.9257?3.14?3600
vm2=2.13883ms
3.6.6 出口圆周速度
（3-20）
（3-22） 15
第三章 叶轮设计
vm22tan?2vm22tan?2 u2=
??gHT? (3-23)
u2=
2.138832.13883??9.8?65.158
2?tan30?2?tan30? u2=27.15842ms
3.6.7 叶轮直径
由公式D2=
60u2可知，初算和精算时的u2的值相差不大，可以认为初、?n精两次计算的出口圆周速度相等，故也可以认为初、精两次的计算的叶轮直径相等，所以它们两者之间的误差不会超过2％，故可以认为叶轮直径为D2=180mm。
16
四川理工学院毕业设计（论文）
第四章 叶轮绘形
4.1 叶轮轴面投影图
由于叶轮时绕定轴旋转的，用“轴面投影图”描述叶片形状比较形象、方便。轴面投影图的方法：将每一点绕轴线旋转到同一轴面而成。所谓的轴面（也称子午面）是指通过叶轮轴线的平面。
图4-1 叶轮轴面投影过程图
4.1.1 轴面投影图
通过第三章的计算，得到了叶轮轴面投影图的主要尺寸，通过这些主要尺寸就能够画出叶轮轴面投影图。画图时需要考虑的问题：（1）出口前后盖板保持一段平行或对称变化；（2）流道弯曲不应过急，在轴向结构允许的条件下，以采用较大的曲率半径为宜。
离心泵的叶轮轴面投影图与其比转数有着重要的关系，比转数的不同将会影响到叶轮轴面投影图的形状，具体情况如下图：
图4-2 离心泵叶轮轴面投影图与比转速的关系
17
第四章 叶轮绘形
4.1.2 轴面液流过水断面面积变化检查
画好叶轮轴面投影图以后，检查流道各处的过水断面变化情况。在流道上均
匀取5 ~10个过水断面，依次计算各个过水断面面积，然后拟合出其沿流道中线变化的曲
线，过水断面面积变化曲线如图4-3.
图4-3 过水断面面积变化拟合曲线
计算各个断水面积的方法如图4-4所示
图4-4 过水断面面积计算示意图
4.1.3 分流线
所谓分流线就是讲过水断面分成几个相等的小过水断面。对于低比转数和中
比转数叶轮，一般只要做三条线，即中间流线和前后盖板出的流线；对于高比转数叶轮则可做五条流线，即出粮盖板出两条意外，在做三条线。
首先我们要先分清中间流线和流道中线的区别，两者是不同的。流道中线为内切圆圆心的连线，是流道的几何中线；而任意三条相邻流线所组成的两流道中
18
四川理工学院毕业设计（论文）
的流量相等，，由于整个流道各处的流速是不均匀的，所以中间流线和流道中线是不重合的。如图4-4所示，虚线为流道中线，实流线为中间流线。
图4-4 过水断面面积变化拟合曲线
中间流线的具体绘制方法是：在轴面液流过流断面形成线上去一点，而后计算此点两边的面积，面积相等则此点即中间流线上的一点；如面积不相等，则将此点向面积大得一年移动，在检查两边面积是否相等，进行修改，直到两面积相等为止，即得到流线所经过的点。
4.1.4 确定进口边位置
叶片进口边通常是倾斜的，可能不在同一过水断面上，进口边一般不希望放在流道的急剧拐弯处，同时与三条流线的夹角有乳腺要求：与上流线夹角为90度，与中间流线的夹角大于60度，与下流线的夹角大于70度。进口边与前后盖板交点连线与叶轮轴新鲜的夹角大约在30度至45度，且有
D1/D0=0.77~1.0 (4-1)
其中D1表示叶片进口直径，D0表示叶轮进口直径。
4.2 流线分段 4.2.1 包角变换
包角变换法绘形原理六面是空间曲面，直接在流面上画流线，不容易表示流线形状和角度的变化规律。因此，要设法把流面展开成平面，在展开的平面上画
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第四章 叶轮绘形
流线，然后在展开图上画流线。
所谓保角变换，顾名思义，就是保证空间六面上流线与圆周方向的角度不变的变换。在平面上的展开流线只要求其与圆周方向的夹角和空间流线的角度对应相等。展开流的长度和形状可能不相同。因为旨在相似，而不追求相等，可设想把流面展成圆柱面，然后把圆柱面沿母线切开，展成平面。
图4-5 网格绘型
为了展开空间流线到平面上（图3所示流线），需要对流线分段，得到空间流线的?s和?u。在根据?s和?u就可以绘出整个流面的方格网。流线分段的实质就是在流面上画特征线，组成扇形格网。因为流面可以用周面图和平面图表示，因此，分店在轴面上沿一条流线（相当于一个流面）进行。流面是轴对称的一个流面上的全部轴面流线均相同，所以只要分相应德尔一条周面流线，就等于在整个流面上绘出了方格网。
4.2.2 在方格网上绘流线
一般入口边a'、b'、c'都取在同一轴面上，即在方格网的同一条纵线上（纵线0）。出口边a、b、c亦区在同一轴面上，即使a、b、c汇交于一点。按叶片包角确定出口边在横坐标上的位置，同过a'、b'、c'和a、b、c（此三点重合）作叶片入口安放角和出口安放角。
首先做出中间流线的叶片入口角度和出口角度线，两线相交于一点b''，使
20
四川理工学院毕业设计（论文）
A=B，若满足不了此要求，可修改叶片包角，直至满足A=B为止。
这三条型线的绘制，最好用弹性较好的薄刚尺或刚锯条，弯摺其两端使与型线的如、出口安放叫相等，按钢尺自然形成的曲线绘出。在上述A=B的条件下，可以保证中间流线是一条角度均匀变化的曲线，若绘出的前、后流线角度变化很不平缓是，应修改叶片入口边在轴面投影图上的位置，在绘制叶片型线，直到符合要求为止。
作出中间流线的叶片入口角度和出口角度线，反复修改叶片包角，直至满足A≈B，这样就定好出口边的位置（三点重合），可以保证中间流线是一条角度均匀变化的曲线。
图4-6 入口角线和出口角线
绘制三条叶片型线，最好用薄刚尺保证进出口安放角，自然弯曲而成
图4-7 入口角线和出口角线
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第四章 叶轮绘形
4.2.3 绘制轴面截线
在方格网中画出的三条流线，就是叶片表面的三条性腺。用轴面（相当于方格网的竖线）去截这三条流线，所截三点的连线时一条轴面截线。把方格网中每隔一定角度的竖线和三条流线的交点，对应编号1、2、3??的位置，用插入法分别点到周面投影图相应的三条流线上，把所得点连成光滑的曲线，就的到叶片的周面截线。轴面截线和流线的夹角λ最好接近90?，λ角太小，盖板和叶片的真实夹角γ过熊，会带来铸造困难、排挤严重和过水断面形状不良等缺点。
对于轴面O、找到三点投影，在用鳏寡曲线连接起来；对于轴面I,找到三点投影，在用光滑曲线连接起来；在一次做出其他轴面截线。
4.3 叶片加厚
方格网报角变换绘型，一般在周面投影图上按周面截线进行加厚。加厚时，可以认为前面所得的轴面截线为骨线向两边加厚，或认为是工作面向背面加厚。沿轴面流线防向的轴面厚度δ
m按下面的公式计算：
δ
m=
S （4-2） cos?根据叶片工作面和背面的压力差，壳按线面的公司计算叶片厚度
S=KD2K—经验系数，与比转数有关； D2—叶轮外径(m)
为了作图方便，通常给定真实后度δ或流面厚度S沿周面的变化规律（如图4-8），一般去等厚的部分为全长的23~25。
H+1 (4-3) Z
图4-8 叶片厚度变化规律
β角从方格网流道中量得，叶片厚度进出口一般按工艺要求给定，最大厚度
22
四川理工学院毕业设计（论文）
距进出口在全长的40％左右。厚度可按流线型变化，或悬着翼型厚度的变化规律。把算的厚度，按流线和周面截线的，点到轴面图中，光滑连接。
23
第五章 泵体设计
第五章 泵体设计
5.1 泵体的选择
泵体是泵结构的中心，也叫蜗壳或泵壳，其型式比较多。 一、按剖分方式可分为：
1. 水平剖分型
这种型式的泵壳是在同过轴心的水平剖分面上分开，拆卸泵壳时与吸入、排出管道无关，维修也方便。
2．垂直剖分式
这种型式的泵壳时在垂直轴心的垂直面上剖分，不易泄漏，但在维修时必需拆卸进口管道，所以维修不如水平剖分式泵壳方便。
3．倾斜剖分式
这种型式的泵壳是从前端吸入，上面排出，泵壳在通过轴心的倾斜面上剖分，不拆卸吸入和排除管道，只拆开上班不泵壳即可检修内部。
4．筒体式
这种型式的泵是把泵壳制作成筒体式的，对于压力非常高的泵，用单层泵体难以承受起压力，所以采用双层泵体。
二、 按泵壳的支承型式可分为标准支承式、中心支承式、悬臂式、管道式、悬
挂式。 1. 标准支承式
这种型式的泵，一般是卧式，在泵体两侧有支脚，支脚用螺栓固定在底座上。 2．中心支承式
这种型式的泵，泵壳下侧的支脚安装在底座上，可适应输送高温流体而造成热膨胀应力的影响。
3．悬臂式
这种型式的泵，泵壳是一整体，并将泵体与吸入盖的组合件安装在轴承托架上。结构紧凑，拆卸方便
4．管道式
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四川理工学院毕业设计（论文）
这种型式的泵是作为管道的一部分和管道连接在一起的，并有管道支承。检修时，不需要拆卸下与管道连接的泵体，就可以检修泵的转子和点动机。
5．悬挂式
这种型式的泵是泵壳装在排除管道上，泵壳在排出管以下部分悬挂在吸入容器上，泵壳是垂直剖分式的。
泵体（蜗壳）在工作时是固定不动的。组成蜗壳的各个零部件的内腔形成了叶轮工作时-吸入室和压出室。叶轮工作室是装有叶轮的空间，它的形状和大小由叶轮的结构型式和尺寸决定，在进行蜗壳设计前，吸入室和压出室的形状尺寸也都已经有水利设计确定。虽然蜗壳不是产生扬程的零部件，但因为它的内腔直接影响到了泵的工作性能，所以设计和制造蜗壳时，必须准确地保证由水利设计和叶轮结构设计所提出的对内腔形状和尺寸的要求。
蜗壳内腔既然为泵的过流流道，蜗壳的结构就必然与泵的级数和叶轮、吸入室及压出室的型式及布置有关。另外，蜗壳还用于装设泵的支承及密封等辅助工作，机构合理紧凑，制造工艺好，有足够的强度和刚度，是用和维修方便并能满足泵的特殊使用要求。虽然蜗壳的结构型式多种多样，但所有的蜗壳都有一个共同的特点，就是他们都要被剖分成部分，否则叶轮距无法装入。
虽然现在大多数的离心泵都是单级蜗体式泵，它们的蜗壳多数端盖式蜗壳，通常将仅在位于远离动力输入端的那一册带有梢头盖的端盖式蜗壳称为前门端盖式蜗壳；在位于靠近动力输入端的一册有泵盖的蜗壳称为后开门端盖式蜗壳；两侧皆有泵盖着称为双开门端盖式蜗壳。
确定方案：在上面的几种蜗壳形状的比较中，结合具体设计，本设计采用单级蜗体式结构，其结构如图5-1
图5-1 蜗壳结构
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第五章 泵体设计
5.2 蜗壳的设计计算
蜗壳的计算比较复杂，必须要按照一定的顺序进行计算，才能避免在计算
过程中前后衔接不上，导致计算出错和缓慢。故蜗壳的设计计算需要按照一定的流程进行。其计算流程如下：
图5-2 蜗壳计算流程
5.2.1 基圆D3的计算
D3=（1.03~1.05）D2 （5-1）
一般大泵取小值，小泵取大值。如果基圆取得太小，在大流量是泵舌处容
易产生气蚀，引起振动。在这里取1.05. D3=1.05×180=189mm 取D3=190mm
5.2.2 蜗室入口宽度b3
用叶轮出口宽度b2加叶轮前后盖板厚度，再按照结构需要加必要多的间隙
即可。蜗室入口宽度对泵性能没有明显的影响，但取的略宽些可以改善叶轮和蜗室的对中性。
b3= b2+0.05 D2 （5-2） b3=7+0.05×180=16mm
5.2.3 舌角?3
舌角是在蜗室第Ⅷ面的o点（及我蜗室螺旋线的起始点）处，螺旋线的切线与基圆切线间的夹角。为了使液体无冲击的从叶轮进入蜗室，一般取?3等于叶轮出口绝对速度的流液角
5.2.4 泵舌安放角θ
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四川理工学院毕业设计（论文）
在理论上泵舌应该在第Ⅷ断面的基圆D3上，但这样做会使泵舌与叶轮间的间
隙过小，易产生振动，并且泵舌也太薄。所以将泵舌沿蜗室螺旋线移动θ ，此角即为泵舌安放角。下面就是比转数与泵舌安放角的关系：
图5-3 泵舌安放角与比转数
在取泵舌安放角时，还应考虑结构安排的可能性，一般应使泵舌处的圆角半径r为2 ~2.5毫米左右。
5.2.4 蜗室断面面积的确定
蜗室断面面积对泵性能影响很大，对同一个叶轮，如果蜗室断面面积过小，流量、扬程曲线扁豆，最高效率点向小流量方向移动，效率降低；如果蜗室断面过大，则流量、扬程比较平坦，最高效率点向大流量方向移动，效率也较低，但在数值上要比蜗室面积过小时降低值要少。
蜗室中的流速v3的公式为：
v3=Kv32gH (5-3)
Kv3是速度系数，可以有图5-4查出。
图5-4 蜗形体和导叶的速度系数
由图5-4可以查出Kv3=0.52则：
27
第五章 泵体设计
v3=0.52×2?9.8?40 v3=14.56ms
蜗室最大断面（即第Ⅷ断面）处的面积：
S8=
Q8 （5-4） v3 其中，Q8为通过Ⅷ断面的流量，其计算公式为：
360???Q (5-5) Q8=?360 其中θ按照图5-3可以查出θ=15?故：
360??15??27 Q8=
360?Q8=25.875 m3/h
所以Ⅷ断面得面积为：
S8=
25.875=493.647㎜2
14.56?3600iSi= S8 （5-6）
8由此可以计算其他各断面的面积：
5.2.5 扩散管
液体离开蜗室后进入扩散管，在扩散管中，一部分动能变为压能。扩散管末端为泵的突出口，与吐出管路相接。所以吐出口直径应该按国家标准规定的管径选取。为了尽量减少在扩散时的水力损失，扩散角一般取6?~10?，在这里取8?.
扩散管的进口可看做事蜗形体的Ⅷ断面，见图5-5，其出口时泵的压出口。
设计计算扩散管的长度L和压出口直径Dy时，原则上长度L应尽可能小，并应照顾到泵压出口法兰尺寸符合法兰标准，法兰位置适当，便于加工和装拆法兰螺栓。
由于Ⅷ断面是梯形（或矩形），而泵的压出口时圆形，所以只能求出蜗形体扩散管的当量扩散角，其计算式如下：
28
四川理工学院毕业设计（论文）
?Dy?D8tan= (5-7)
22Lθ为扩散管当量扩散角；D8为Ⅷ断面当量直径。 D8壳按下式来计算：
D8=
4S8? (5-8)
在计算时先根据结构选定扩散管长度L，有公式（5-8）算出D8，在根据有利的θ值，最后用公式（5-7）计算出Dy标准直径。
图5-5 蜗形体
5.3 泵体的绘形
5.3.1 绘制泵体时考虑的因素
1. 在蜗壳设计中，最重要多的设计变量时喉部面积，该面积和叶轮出口面积决定泵的最优工况点。当考虑用一个泵体昂装不同叶轮式，应该先按照标准叶轮初不确定喉部面积，然后再将喉部面积增大10％，以便保证大流量工况泵的效率。
2. 因为在扩散管中发生动能向压力能的转化，所以特别注意扩散管的设计。
3. 设计的蜗壳应保证所有的断面内速度相等。 4. 最多用三条圆弧光滑连接有隔舌到喉部的螺旋线。
5. 蜗壳泵体，特别是双蜗壳泵体，铸造比较困难。在中小型泵中，蜗壳面积小，流道长，要求的悬空砂心。
5.3.2 蜗形体Ⅰ-Ⅷ断面的绘制
29
第五章 泵体设计
用作图法绘制梯形断面：
先确定基圆直径D3和蜗形体进口宽度b3，以b3为底边，作等腰梯形，此梯形的二斜边的斜度应符合
h=(0.3~0.5)或15?~25?，并令其面积略大于Ⅷ断H面面积S8，然后将梯形圆角的γ取大一些，使圆角后的梯形面积等于Ⅷ断面的计算面积S8，Ⅷ断面即算作成。如图5-6
其他断面的绘制过程与上述Ⅷ断面的绘制过程完全一样，见图5-7.绘图时要注意下述事项：为了便于绘制断面、比较个断面的形状和使徒仿版期间，八个断面壳绘制在一起；而为了图面清晰，各个断面壳只会出一般。蜗形体外壁如系弧线，则其圆弧半径R8、R7?应随断面包角的减小而又规律的增大，且应使O断面处为直线。否则如图5-8虚线所示，绘增大隔舌和叶轮之间的间隙，影响泵的性能。断面高度H8、H7??，圆角半径r8、r7??，侧壁斜度等，均应如前所述，随着包角的减小而又规律的减小。一般h8、h7??h1的数值是等差的，h1不小于b8/2,如图中断面面积与计算值不符，则以调整断面发高度H8、H7??较为方便。
图5-6 蜗形体梯形断面Ⅷ断面的绘制
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四川理工学院毕业设计（论文）
图5-7 泵体平面图的绘制
蜗形体绘制的综合图如下：
图5-8 综合图
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第六章 泵零件设计
第六章 泵零件设计
6.1 轴的确定 6.1.1 轴结构的确定
泵轴上的载荷有以下几种：
径向力 泵转子的径向力、叶轮外元压力分布不均匀引起的水力径向力和由叶轮、联轴器等转动部件残余不平衡重量引起的离心力。
轴向力 叶轮上轮盘的力和轮盖收的力的差值。平衡方法见下一章。
扭矩 M
在前面的计算中，已经初步计算出轴的最小直径d=12mm，为了轴有足够的强度以及能够满足轴上零件的安装和固定要求如键的因素等，要将初步计算出的结果加以适当的放大，电动机的轴径为38mm,故取1=38mm，按照此轴径选取的联轴器的轴孔为L=82mm，可以知道该段轴的长度为L1=80mm。
接下来的轴径d2=44mm，取其长度L2=20mm。
下面的轴段是用于装轴承用的。取其轴径d3=50mm,按照其轴径选出轴承代号为6010的深沟球轴承。取其长度L3=60mm。
中间轴承的轴径d4=56mm，取其长度L4=300mm.
第五段轴段也是用于安装轴承用，因此轴径和第三段轴相同，长度L5=300mm
第六段轴是用于安装密封用的，此设计用填料密封，轴径d6=44mm，取其长度L6=97mm。
最后一段轴是安装叶轮的，其轴径为d7=30mm，长度L7=35mm。在叶轮入口处的轴颈加工为M27螺纹连接叶轮螺母，用于轴向紧固叶轮。
叶轮轮毂在叶轮轮毂的挤压作用下与轴套紧密结合，轴套的主要作用是个例液体介质与泵轴、安放机械密封。轴向定位叶轮，其本身需要有足够的强度，其
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