1、1螺旋离心式砂石泵的结构设计第 1 章 绪 论1.1 选题背景及意义 近几十年来，砂石泵在国民经济各部门生产中的应用范围日益扩大，如用于抽送污水、粪便、泥浆和各类纤维杂质浆料，杂质泵已成为泵应用中非常重要的领域。目前国内的杂质泵产品主要有污水泵、泥浆泵、纸浆泵和旋流泵，综观应用情况，现有各种杂质泵虽然具有抽送含颗粒、杂质混合液的较好性能，但由于受泵型结构所限，泵在工作中会时常发生绕缠与堵塞故障，而目.对物料破坏严重，更无法用于抽送长纤维、大粒径固体物和要求不损伤的物料，远不能满足多行业的需要。螺旋式离心泵(简称螺旋泵)是一种新型杂质泵，具有极好的无堵塞、无绕缠与损伤少的性能。该新产品的开发在国
2、外已有近 30 年历史，60 年代由秘鲁率先推出，尔后日本、西德等国亦相继研制成功。据报道，目前国外的螺旋泵技术产品发展很快，现已研制有单头、双头和带有盖板等不同结构的螺旋式叶轮，并且制成普通干式泵、浸没式泵、潜水泵多种系列产品，在许多生产部门得到广泛应用。 我国的螺旋泵新技术产品开发起步较晚，1988 年本项目 LLB 型螺旋式离心泵的研制成功尚属国内首次。新产品已通过专家鉴定，并在多行业进行了几年的生产应用推广，取得了显著的生产效果与经济效益。1.2 砂石泵的概述及发展1.2.1 砂石泵的工作原理泵是把原动机的机械能转换成抽送液体能的机器。原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体作功，使其能量整
3、加，从吸水池经泵的过流部件输送到要求的高处或要求的压力的地方。图 1.1 所示是简单的泵装置。原动机带动叶轮旋转，将水从 A 处吸入泵内，排送到 B 处。泵中起主导作用的是叶轮，叶轮中的叶片强迫液体旋转，液体在离心力的作用下向四周甩出。这种情况象转动的雨伞，雨伞上的水滴向四周甩出去的道理一样。泵内的液体甩出去后，新的液体在大气压力下进到泵内。如此连续不断地液体在大气压力下进到泵内。如此连续不断地从 A 处到 B 处供水。泵在开动前，应先灌满水。如不灌满水，叶轮只能带动空气旋转，因空气的单位体积的质量很小，产生的离心力2甚小，无力把泵内和排水管路中的空气排出，再泵内造成真空，水也就吸不上来。泵的
4、底阀是为灌水用的，泵出口侧的调节阀是用来调节阀是用来调节流量的。 12345A6BPa1- 调节阀 2 排出短管 3 压水室 4 叶轮 5 底阀 6 吸水室图 1.1 泵工作的装置简图需要强调指出的是，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中都会造成气缚，实际工作中要避免发生这种情况。1.2.2 砂石泵的主要零部件泵的主要过流部件有吸水室、叶轮和压水
5、室。泵吸水室位于叶轮前面，其作用是把液体引向叶轮。有直锥形、弯管形和螺旋形三种形式。压水室位于叶轮外围，其作用是收集从叶轮流出的液体，送入排出管。压水室主要有螺旋形压水室（涡壳） 、导叶和空间导叶三种形式。叶轮是泵最重要的工作元件，是过流部件的心脏。叶轮由盖板和中间的叶片组成。3根据液体从叶轮流出的方向不同，叶轮分为径流式、混流式和轴流式三种型式。径流式叶轮液体流出叶轮的方向垂直于轴线，即沿半径方向流出；混流式（包括斜流式）叶轮液体流出叶轮的方式倾斜于轴线；轴流式叶轮液体流出叶轮的方向平行于轴线，即沿轴线方向流出。泵的类型：泵可以分为叶片式泵（动力式泵） 、容积式泵和其它类型泵三大类。所谓叶片
6、式泵，是依靠叶轮在壳体中旋转，通过流体动力参数的变化把能量传给液体的机械。叶片式泵的简单分类如下：(1)离心式（装径流式叶轮）1)单吸（叶轮一面进水）2)双吸（叶轮两面进水）(2)混流式（装混流式叶轮）(3)轴流式（装轴流式叶轮）(4)单级（装一个叶轮）(5)多级（装多个叶轮）1.2.3 砂石泵的发展砂石泵具有输送各类杂质、浆料和固体物料无堵塞、不损伤等良好功能，故在一些生产部门拥有广泛的推广应用前景和显著的经济效益。由于砂石泵具有很多优点,因此,今后我国的需求量将持续增长,并有以下主要发展趋势。1.发展多功能多用途砂石泵我国砂石泵的形式和外国著名的砂石泵生产厂的产品相比还不够多,如带有切割装
7、置的泵、多级泵、抽送腐蚀性介质的砂石泵等生产的还很少,然而其市场的需求量又很大,因此,具有很好的发展前途。2.开发高可靠性机械密封机械密封是砂石泵的关键部分,采用两道单端面机械密封,这样介质的压力可以作用到端面,泄漏方向为内流型,这些都是有利的,但结构稍复杂。在油室内装双端面机械密封,两侧的端面应采用不同的结构型式,使介质的压力能作用到下侧的端面上,否则只靠弹簧力,密封端面的反推力易使端面打开。因此,还应进一步在结构和材料方面4进行研究,提高其可靠性和寿命。3.新材料新技术新工艺等将逐步应用普通泵已使用不锈钢、氟塑料(F46)、衬塑、衬胶、喷涂陶瓷等,所有这些材料应当尽快应用到砂石泵上,扩大砂
8、石泵的应用领域。而计算机辅助设计、辅助制造和辅助测试等新技术、新工艺的应用也势在必行。事实证明,新技术、新材料、新工艺的应用,不但解放劳动生产力,而且还可以保证产品质量稳定可靠。4.注意砂石泵的外观质量并逐步打入国际市场我国的砂石泵在国际市场上有着明显的价格竞争优势,但是必须要注意提高砂石泵的可靠性和寿命,尤其要改善砂石泵的外观质量,要给用户一种美的感觉,以使国产的砂石泵早日更多地打入国际市场。1.3 研究设想砂石泵是一种通用机械，应用范围广泛。因此在本次结构设计中最多考虑到的因素就是经济实用性和性能稳定性。只有投入低，效益高的产品才能被市场认同。在设计过程中尽可能采用低成本原材料，同时优化结
9、构设计并保证其性能能够满足工作需求。设计就要有创新、有可行性。本次螺旋式砂石泵的结构是设计就是为了使砂石泵广泛应用于实际生产中，并在保证低成本的同时有更多的效益。本章对砂石泵的经济效益，社会效益，使用寿命以及泵本身的节能底噪性进行试验性分析，表明该泵有实际应用性。本次泵体在设计上更多的考虑的实际生产，使该泵在高效节能，经济效益，社会效益等感方面有更多优势。5第 2 章 砂石泵的总体结构设计2.1 砂石泵结构设计的总体方案分析2.2.1 螺旋离心泵叶轮结构特征螺旋离心泵叶轮的叶片包角大，叶轮流道由单(双)叶片形成，流道较大，加上进口导向和螺旋推进作用，使得这种泵的通过性能很好，可以输送含大颗粒及
10、纤维物质的液体，输送的浓度比其它型式无堵塞泵高。固液两相流体在这种泵中逐渐向前推进，流动方向无突然变化，因而流动平稳，对输送物料的破坏性小。螺旋离心泵叶轮的叶片伸到泵壳吸入口中，大大提高了泵的抗汽蚀性能，泵的吸入性能好，因而能输送教高粘性的液体。为便于研究和表达，结合螺旋离心泵叶轮的结构特点，在此定义叶轮的几个主要结构参数(见图 2.1)。(1)叶轮进口直径 Dl叶片工作面进口边缘处到叶轮轴心线的最大垂直距离称为叶轮进口半径。其值 2倍即为 Dl。(2)叶轮轮毅直径 Dh叶片工作面进口边缘处到汗卜轮轴心线的最小垂直距离称为叶轮轮毅半径。此值2 倍即为 Dh。(3)叶轮出口直径 DZ叶片出口边缘
11、处到叶轮轴心线的最大垂直距离称为叶轮出口半径。此值 2 倍即为DZ。(4)叶轮出口宽度 b叶一片工作面出口边缘处，前后盖板的轴向距离称为叶轮出口宽度。(5)叶片长度 L叶片工作面最大进口边缘到叶片底面的轴向距离称为叶片长度。(6)叶片包角 叶片工作面从进口边缘到出口边缘绕轴所转过的角度称为叶片包角。6(7)出口边倾斜角 Z叶片出口边与叶轮轴心线的夹角称为出口边倾斜角。 dhD 1 3 2 1DLb 2图 2.1 螺旋离心泵几何结构参数2.2.2 砂石泵的主要性能参数参数要求：出口：200mm； 入口：200mm；流量：120m/h； 扬程： H=15m；转速：1450r/min； 轴转速：9.
12、61kW。介质要求：适用于城市排污、污水处理、矿山作业、造纸、食品等行业。可输送含大颗粒及纤维物质的液体，输送浓度高达 12%（体积浓度） 。特别适用于输送污水、污浆、纸浆、废液及其他固液、气液两相液体。螺旋离心泵，以其独特的叶轮设计，使泵具有强制进科、宽流道、无堵塞性能好、效率高、体积小、结构简单、操作容易、流量均匀、故障少、寿命长、购置费和操作费均较低等突出优点，使离心泵在化工生产中应用最为广泛，为使本次设计的泵体能应用在更多的工作场合，该泵的结构采用螺旋离心式。 2.2 确定泵的总体结构形式离心泵的基本部件是高速旋转的叶轮和固定的蜗形泵壳。具有若干个（通常为 4-12 个）后弯叶片的叶轮
13、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，是离心泵的供能装置。泵壳中央的吸入口与吸入管路相连7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。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
14、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。(离心泵结构示意图如图2.2 所示)图 2.2 螺旋式离心泵结构示意图选定泵的总体结构形式和原动机的类型。进而结合下面的计算，经分析比较后做最终确定。在设计泵时要用泵的效率，但泵尚未设计出来，故只能参考同类产品，或借助经验公式和曲线近似地确定泵的总效率和各种效率值，并设法再设计中达到确定的效率。水力效率、容积效率和机械效率的估算由文献1查得 1、水力效率8(2.1)30851.nQgnh式中：Q泵流量（m 3/s） （双
15、吸泵取 Q/2） ；n泵转速（r/min） ；g9.8m/s2。2、容积效率 (2.2)3/268.01svn该容积效率为只考虑叶轮前密封环的泄露的值于有平衡孔、级间泄露和平衡盘泄露的情况，容积效率还要相应降低。3、机械效率(2.3)6/7)10(.smn(2.4)mvh4、理论扬程和理论流量(2.5)hH=(2.6)vtQ2.3 泵的进出口直径的确定2.3.1 进口直径泵进口直径也叫泵吸入口径，是指泵吸入法兰处管的内径。吸入口径由合理的进口流速确定。泵的进口流速一般为 3m/s 左右。从制造经济性考虑，大型泵的转速取大些，以减少泵的体积，提高过流量能力。从提高抗汽蚀性能考虑，应取较大的进口直
16、径，以减小流速。常用的泵吸入口径、流量和流速的关系列表。对抗汽蚀性能要求高的泵，再洗入口径小于 250mm 时，可取洗入口流速 Vs=11.8m/s，在洗入口径大于 250mm 时，可取 Vs=1.42.2 m/s。选定进入流速后，按下式确定由文献1查得9(2.7)4ssQDvp=取 v5=1.1m/s。把参数代入= mm (2.8)s 196.36014.2圆整 Ds=200mm。2.3.2 泵的出口直径 Dd泵出口直径也叫做泵的排口径，是指泵排出法兰处管的内径。对于低扬程的，排出口径可与吸入口径相同。对于高扬程泵，为减少泵的体积和排出管路直径，可排出口径小于吸入口径一般取由文献1查得=（1
17、0.7） (2.9)dDs因为设计的是低扬程泵，所以取 Dd=0.9 D5。2.4 泵转速的确定(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)转速和转比数有关，而比转数和效率有关。所以，转速应和比转数结合起来确定；(3)确定转速应考虑原动机的种类和传动装置；通常优先选择电动机直接连接传动，异步电动机的同步转速由表查出。电动机带负载后的转速小于同步转速；通常按 2%左右的滑差率确定电动机的额定转速。由文献1查得N=N （1-S） (2.10)N=1450r/minS滑差率 ，S 取 0.967，N 取 1500 r/min。(4)转速越高，过流部件的磨损加快，机组的震
18、动，噪声变大；(5)提高泵的转速受到汽蚀条件的限制。10由文献1查得汽蚀比转速公式：(2.11)4/362.5rUPSHQNC2.5 确定泵的水利方案泵的相似定律建立了泵的几何相似的共性，就是说在相似工作情况下，泵体性能参数之间存在相似的关系。也就是说，如果泵性能参数之间存在着上述关系，泵与泵是几何相似的。但是用相似定律来判别泵是否几何相似和运动相似、即不方便，也不直观。在相似定律的基础上，可以推出对一系列几何相似的泵，性能之间的综合数据。如果这些泵的数据相等，则这些泵是几何相似和运动相似的，可以用相似定律换算泵体性能之间的关系。这个综合数据就是比转数，也称比转速或简称比速。由文献1查得(2.
19、12)3322MQnD=3I常 数(2.13)22()()MHn=2()ID常 数QI 称为折引流量，H I 称为折引扬程。因为 QI、H I 是从定律中推导的，所以对一系列几何相似的泵，在相似工况下运转时，Q I、H I 分别等于相同的值。另外，值得说明的是，Q I、H I 不是没有因次的（其中 HI 就有因次） 。虽然有因次但不影响它们作为相似判断的依据，因为对于几何相似的泵，在相似工作情况下，用同一规定的单位算得的 QI、H I 都等于常数。折引流量和折引扬程，虽然可以作为相似判断依据使用，但其中包括叶轮尺寸在内，用起来还不方便。为此，将上边两式分别 1/2，3/4 次方，并相除，则消掉
20、两式中的尺寸参数。所得的综合数据只包括性能参数，而且仍然是从相似定律推得的，所以，也是泵的相似准则，叫做比转数。在我国为使之与水机的比转数一致，将上面数据乘以常数 3.65，并用 ns 表示。由文献1查得11(2.14)4/365.HQns式中：Q-m 3/s(对双吸泵取 Q/2)；H-m（对多级泵取单级扬程） ；n-r/mm。有些国家标准中 n5 的表达式中无系数 3.65，且流量，扬程的单位也各不相同。这样，对同一相似泵 n5 的计算结果也不同。因此，应换算为使用相同单位下的数值。其换算关系如下所示：=s中 65.312.89.16.4德日英美 ssss nn应用在本次设计中，配合相应的参
21、数得：=126.84/35.HQns取圆整 。127s=在确定比转速时应考虑下列因素：(1)ns=120210 的区间，泵的效率最高，n s60 泵效率显著下降；(1)采用单吸叶轮 ns 过大时考虑采用双吸式；取 ns=27；(1)泵特性曲线的形状也和 ns 大小有关；(1)比转速和泵的级数有关，级数越多，n s 越大。2.6 本章小结离心泵的基本部件是高速旋转的叶轮和固定的蜗牛形泵壳。具有若干个（通常为4-12 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
22、旁的排出口与装有调节阀门的排出管路相连接。通过计算确定了此螺旋离心泵的效率。进出口直径，以及转速等参数。最终确定了此泵的水利方案。并且在本章节中，通过对泵的水利的计算对该泵的总体结构有初步的了解，为以后的结构设计提供有力条件。 1213第 3 章 砂石泵的水利设计计算3.1 轴功率和原动机功率由文献6查得泵的轴功率：(3.1)1028.9QHgN原动机效率：(3.2)Ktg式中：K 余量系数；传动效率。t3.2 泵轴径和叶轮轮毂直径的初步计算叶轮主要几何参数有叶轮进口直径 Dj、叶片进口直径 Dl、叶轮轮毂直径 dh、叶片进口直径 b、叶片进口角 1、叶轮出口直径 D2、叶轮出口宽度 b2、叶
23、片出口角2、叶片数 Z、叶片包角 等、叶轮进口几何参数对汽蚀性能有重要影响，叶轮出口几何参数对性能（H ， Q）具有重要影响，两者对泵的效率均有影响。轴径和轮毂直径的计算轴径的计算泵轴的直径应按其承受的外载荷和刚度及临界转速条件确定。因为扭矩是泵轴最主要的载荷，所以在开始设计时，可按扭矩确定泵的最小直径。由文献6查得按扭矩计算泵轴直径的公式为：（m） (3.3)32.0nMd式中： 扭矩（Nm） 。nM(3.4)nNCCN950702414式中： 计算功率，可取 =1.2N；CNCN材料的许用应力（ Pa） ，取 490 ； 510d=0.04（m） ； =47.88（ Nm） ；nM=7.2
24、7（kW） 。CN3.3 叶轮主要尺寸的确定方法性能试验表明，叶轮参数的设计对泵的性能至关重要。如叶轮进口半增大，泵的流量会相应增加；叶轮出口半径增大，会增大液体在叶轮出口处的圆周速度和牵连速度而提高泵的理论扬程；叶片间距增大，叶片朝出口推动液体的速度相应增加，有利于增大泵的流量；叶片厚度对泵性能亦有较大影响，叶轮厚度减小会增大泵的流量，叶轮进口处薄叶片还有利于将液体导入叶轮流道，较厚的叶片则利于提高泵的容积效率;叶轮包角对泵的性能影响比较复杂，叶厂包角增大叶轮长度也随其增加，有利于叶片向液流平滑传递能量和减少泵的容积损失，但亦同时增大液流阻力损失，影响提高泵的效率；另外，叶片倾角、轮心锥体的
25、角度、半径和长度等参数亦对泵的性能有一定影响。故在设计叶轮时，需要综合分析考虑各个参数，以期得到较佳泵的性能。选用方法：速度系数法。 （叶轮结构简图如 3.1 所示）图 3.1 叶轮结构简图速度系数法实际上也是一种相似设计法。它和模型算法再实质上是相同的，其差15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原理。利用统计系数计算过流不见的各部分尺寸。3.3.1 基本公式速度系数公式的一般形式。利用速度系数确定尺寸表达式的一般形式。由文献1查得 3QnD=常 数则 (3.5)1K因 nD，则 D=-v32Qnk由 32HHDn=常 数 ， 得D= ngh
26、K24因 nD,则 。vghK25系数 K 称为速度（尺寸）系数，对相似泵来说这些系数相等，故这些系数分别为比转速 ns 的函数。即 K=f(ns)利用 ns 和速度系数的关系（公式、曲线、数据） ，求得系数 K，根据上面公式可以计算出各部分尺寸。3.3.2 用速度系数法计算叶轮主要尺寸的公式由文献1查得1. 叶轮进出口计算(3.6)30QDKn=(3.7)2hjd+式中：Q泵的流量（m 3/s）对双向流 Q/2；n泵转速（r/min） ；K0系数，根据统计资料选取。主要考虑效率时取： =3.54.0016兼顾效率和汽蚀时取： =4.04.50K主要考虑汽蚀时取： =4.55.5 小 的 取
27、大 值 ）ssDnnQ()105.(, 2232 小 的 取 大 值 ）ssbbK()7.64.0(, 6232 212)0(.935(sDn实取 200mm；jD0200mm；2=180mm。b2.轮外径 或出口角 的理论计算2D2设计泵时，在保证相同性能情况下，可以选用不同的参考组合，这样就增加了速度系数的近似性。因为 D2 是最主要尺寸，按速度系数法算得 D2 之后，最好以按此算得的 D2 为基础进行理论计算，理论计算是以基本方程式为基础，从理论上讲是比较严格的。但是计算得的 D2 为基础进行理论计算。理论计算是以基本方程式为基础，从理论上讲是比较严格的。但计算过程中用到水力效率，有限叶
28、片数修正系数等，也只能用经验公式估算。所以理论计算法，实际上也是近似的。实践证明，理论计算结果，基本上是可靠的。下面介绍叶轮外径 D2 和 2 角的精确计算方法。由基本方程式：(3.8)21utvHg-=由速度三角形得(3.9)22tbvum则 (3.10)gutgHt 12217经整理得 0122 TumgHvtgbu解 u2 的一元三次方程得 1222 utmvgtbvtgu由 u2 求得 D2 2260uDnp=用上式求 时，必须知道 ，计算 要用到 （ = 2） ，故必22mv2m2mv2bDQV须先假定的 D2 是建立在不正确的基础上。这种情况下，需要用求得的 D2 或假定一个D2（
29、此 D2 值为求得 D2 和前次假定 D2 之间） ，按上述步骤、重新进行计算，直到求得的 D2 与假定的 D2 相同或相近为止。这种方法称为逐次逼近法。如果计算 2，也应该先假定 2 进行这次逼近计算。有关参数的计算如下：(1)计算 得mv(3.11)22QbDvVm(3.12)221ZSu式中： 叶片出口圆周厚度。再计算时可假定 =0.8-0.92uS 2u= (3.13)2uS2sin/1ctg式中： 叶轮出口轴面截线与流线的夹角，通常取 =7090 度；2 2叶片出口真实厚度 通常取 =24mm。2= (3.14)tHh(2) 和吸水室结构形式有，直锥形吸水室，水沿周壁流入，无旋转，
30、=0。1uv 1uv半螺旋吸水室18(3.15)1RKvu(3.16)32nQm式中：R 1相应进口半径；m系数，m=0.055 0.08 ，n 5 大者取大值；Q流量（m 3/s） ；n转速（r/min） 。装反导叶时，反导叶出口的圆周分速度 66cosavu式中： 6反导叶出口安放角，一般 6=6090 度；v6反导叶出口绝对速度，一般 v6=(0.851.0)vj；v6叶轮进口速度。离心泵一般是选择 2 角，精确 D2。混流泵因为叶片出口边是倾斜的，各流线的外径不同，为了得到相同的扬程，D 2 小的流线应选用大的出口角 2。在这种情况下，可根据速度系数法算得尺寸，画出出口边，然后按下式计
31、算叶片各流线的出口角。(3.17)122utmvgHutg叶片出口角 取 40 度2叶片数 取 Z=2精算叶轮外径（第一次）理论扬程 （3.18)(5.1897.02mHrht 修正系数= (3.19)1.)604(.)601(2ooa取 =0.66a静矩19(3.20)nRiRniRhhi220220 )1()( )(57.2mSi精算叶轮外径有限叶片数休整数 (3.21) P348.2057.21.2ZSR无穷叶片数理论扬程=（1+P） =62.1（m） tHt(3.22)叶片出口排挤系数2=1- =0.98 (3.23)22)sin(1ctgDZ出口轴面速度= =1.28(m/s) (3
32、.24)2mvVQb2出口圆周速度=25.8(m/s) (3.25)tmmgHtvtgu222)(出口直径=0.34（m） (3.26)nD260精算第二次叶片出口排挤系数2=1- =0.981 (3.27)22)sin(1ctgZ出口轴面速度= =1.31(m/s) (3.28)2mvVQbD2出口圆周速度=25.6(m/s) (3.29)tmmgHttgu222)(20叶轮外径=350m (3.30)nuD260叶片出口排挤系数2=1- =0.981 (3.31)22)sin(1ctgZ出口轴面速度= =1.31(m/s)2mvVQbD2出口圆周速度=25.8(m/s) (3.32)602
33、nu出口速度=7.05(m/s) (3.33)2ugHvt无穷叶片数出口圆周分速度=23.59(m/s) (3.34)2vtu3.3.3 叶轮磨损分析广泛应用于矿山、冶金、煤炭、电力等部门的渣浆泵在输送固液混合物时砂石泵的过流部件存在不同程度的磨损。严重时会影响生产的正常进行。因此研究砂石泵磨损规律，探讨减轻磨损破坏的途径具有重要意义之由于砂石泵内磨损的因素有很多，研究有一定的难度。目前，对砂石泵的研究主要侧重于外部特性和内部流动。而对泵内磨损问题的研究则较少。磨损机理和规律尚不清楚，尤其对高速旋转的泵轮磨损系统的研究尚未见报道。本文在实验室条件下对离心式砂石泵叶轮的磨损进行了分析，并对固体颗
34、粒在泵轮内的运动进行了数值模拟，对渣浆泵叶轮磨损问题较为系统地进行了研究。叶轮几何参数决定泵水力性能的优劣，无疑也对泵内叶轮的磨损有重要影响。一设计合理的叶轮不仅使泵在性能上能达到较高的指标，而且使泵的运行寿命也大大延长，因而研究叶轮的几何参数对磨损的影响是合理设计渣浆泵的一大关键。在较低浓度范围内，泵轮叶片的磨损强度与所输送固体颗粒的浓度成正比浓度愈高单位磨损量愈小时运送浆体更经济。21大粒径磨粒所造成的主要磨损区靠近叶片头部，而小粒径磨粒所造成的主要磨损区靠近叶片压力面出口段。叶片进口角对磨损强度影响明显大，出口角对磨损强度影响小。出口角过小时，磨损易在叶片的出口段集中，而出口角过大时，沿
35、叶片压力面易发生严重损。因此合理选择叶片参数不仅有利于提高渣浆泵的水力性能，而且可提高其抗磨损性能之泵轮叶片的磨损强度与泵转速呈 n 次方关系，在渣浆泵的设计中应尽可能优先选较低的转速，在输送高浓度的固体物料时更为如此。1. 转速与磨损的关系叶轮转速不仅是决定泵内流动的重要因素，对泵内的磨损也具有很大的影响。随着转速的增大，流场内如果流速增大，粒子获得的动能一也越大，对泵内叶轮造成的磨损越大。根据理沦分析，磨损量与速度成立方关系，但在实际中，由于受实验方法以及其它因素的影响.谏度的乘方指数又是不同的。一般而言，对于坚硬和脆性材料如铸铁、合金钢等，值为 2.5-3.3；而对于铝来说，由于是一种软
36、而韧的材料，其又值则大约为 5。图 3.1 磨损与转速的关系（磨损时间 120 分钟）2、磨粒浓度与磨损的关系磨损随浓度的增加而增加，并遵循磨损与浓度的一次方成正比的关系. 输送单位体积浓度固粒产生的磨损称作单位磨损量。单位磨损量越小，泵在它的运转期间传送的固体量越多。一般，单位磨损量随着中、低浓度的增加而减小，当 Cv=19%时，磨损量达到最小；此后即使浓度增加，单位磨损量仍然为常数。低浓度实验结果与其规律是相适应的。22损失率（%） 浓度 Cv（%）图 3.2 磨损与浓度之间的关系图3、叶片数与磨损的关系当叶片数增加后，单个叶片的损失减少，说明叶轮的使用寿命将会延长。 从理论上分析，叶片数
37、增加，叶片总的表面积增加，受到颗粒碰撞的机会增多，叶轮总的磨损将有所增加；但另一方面由于流道变窄，水流的流动状态得到更大的制约，也相应地限制了颗粒的运行轨迹，因而可以减缓颗粒对叶轮造成的磨损.综合这两方面的因素，至少对单个叶片来说磨损情况不会变坏。根据实验结果，采用多叶片数可减少单个叶片的磨损量，有利于叶轮寿命的提高。(l)在一定的体积浓度范围内，磨损量与体积浓度成线性关系。(2)对柔韧性材料，如铝等，叶片的磨损量与叶轮的旋转速度的 5 次方成正比。(3)大的叶片进口角可以减少磨损。所以，选择适当的叶片进口角是必要的，而叶片的出口角过大或过小都会产生严重的磨损，但是磨损的位置在这两种情况下是不
38、相同的。(4)实验中的大多数情况下，叶片的头部是最重的磨损区域。(5)叶片数增加，一般可延长叶轮的使用寿命。4叶片的保养与维护由于叶片在使用过程中的磨损，以及铸造缺陷等方面的原因，测绘中难免存在偏差，通过对 20 余种 ISO 型单级离心泵叶轮叶片的测绘，并把制造出的叶轮作性能试验检测，从新旧叶轮的性能对比来看，测绘制作的叶轮，有 10 余种达到了原有叶轮的性能指标，有 3 种甚至比原有性能指标稍有提高。剩余的几个品种，在经过调整叶片进口角、出口角及前、后盖板的曲率半径后也基本满足了使用要求。用测绘方法制作的叶轮，完全能够代替从澳方进口的叶轮，可以为用户节约大量的开支。我们认为此种测绘方法，在
39、现有技术设备条件下，不需进行任何投资，就能较准确地测绘出叶轮叶片的形状。233.4 压水室设计压水室的功能类似于普通离心泵，主要有收集从叶轮中流出的液体并输送到排出口，消除液流的旋转运动、转换旋转能量为液体的压能，降低液流速度以减少压力管路中的水力损失。由于螺旋泵的叶轮出口边是倾斜状且叶片结构是非轴对称，叶轮出口处的流动十分复杂，目前尚缺乏泵的蜗壳性能分析方法，一般增大蜗壳容积能相应提高泵的通过性能。3.4.1 涡形体各断面面积内的平均速度由文献1查得(3.35)ghkv23式中： 速度系数，当 =127 时， =0.362；3ksnH泵的扬程，H=15m。代入上式 =6.21(m/s)，取
40、=6(m/s)。3v3v涡形体隔舌安放角 =20 度共分 6 个断面，通过计算断面流量为20（m 3/s） (3.36)Qq0断面面积按下式计算(3.37)1F式中： 断面包角（度） 。3.4.2 舌角的计算由文献1查得舌角 应与叶轮出口绝对速度的液流角 一致，即3a2a= = (3.38)3a2231umvtg式中： 中间流线出口处有限叶片数时液流的圆周分速度。2uv取 = =7.04(m/s) (3.39)2uvgHt代入上式 = = =38.7 度3a2231umt24涡形体宽度 3b=（1.5 2） ； =105140(mm) (3.40)3b实际绘型时 =180(mm)。33.4.3
41、 基圆直径由文献1查得基圆直径为：= =350367.2(mm) (3.41)3D2)08.1(取 =360(mm)。3D3.5 叶片厚度的确定综上，诱导轮与叶轮之间距离 X 进口直径（叶轮） D1804.2.1xDx又因为 越小越好，所以取 为 20(mm) 1Dx叶片厚度 2049omm为轴面流线与水平的夹角=20704真实厚度mm4流面厚度(3.42)2cos1tgss= =4mm圆周厚度25mm (3.43)2.540cosuS轴面垂直厚度5.2mm (3.44)2 sin1cstgm径向厚度1.8 mm (3.45)imrS3.6 本章小结叶轮安装在泵壳内，并紧固在泵轴上，泵轴由电机
42、直接带动。泵壳中央有一液体吸入与排出管连接。液体经底阀和吸入管进入泵内。泵壳上的液体排出口与排出管连接。本章对泵的主要结构泵轴，叶轮进行全面的计算分析。叶轮几何参数决定泵水力性能的优劣，无疑也对泵内叶轮的磨损有重要影响。叶轮参数的设计对泵的性能至关重要。如叶轮进口半径增大，泵的流量会相应增加，叶轮出口半径增大，会增大液体在叶轮出口处的圆周速度和牵连速度而提高泵的理论扬程，叶片间距增大，叶片朝出口推动液体的速度相应增加，有利于增大泵的流量。一设计合理的叶轮不仅使泵在性能上能达到较高的指标，而且使泵的运行寿命也大大延长，因而研究叶轮的几何参数对磨损的影响是合理设计泵的一大关键。由于砂石泵的工作时承
43、受的外在压力比较大。因此对泵轴和叶轮的技术要求非常高。26第 4 章 轴向力及其平衡泵运转时，在其转子上作用一个很大的与轴心线重合的力叫做轴向力。4.1 产生轴向力的主要原因1.液体流入叶轮吸入口及从叶轮出口流出，其速度大小及方向都不相同，液体动量的轴向矢量发生了变化，因此，由动量定理在轴上作用了一个冲力，这个作用在叶轮上的力也是轴向力的一部分。2.泵叶轮前后盖板承受液体压力的面积大小不等，前后泵腔中的液体压强分布也不相同，因此，作用于叶轮上的压力在轴向上不能平衡，造成了一个轴向力，这个轴向力是轴向力的主要部分。4.2 轴向力的计算螺旋式叶轮可按半开式叶轮经验公式来近似计算轴向力，公式如下：H
44、kdrF112式中： 圆心在叶片入口边上，并且与叶轮轮廓相切的圆的直径。d1=（ D1-dh）/2=40cmk轴向力系数，查表得 k=1.63d 圆心处的半径， =（ D1+D2）/4=100mm1rr液体重度， =2650kg/m3故： F1=23.140.10.041.63152650=1628N4.3 轴向力的平衡方法1利用对称性，平衡轴向力从分析对称形状的双吸叶轮可知，它相当于两个单吸叶轮并联工作，这种叶轮轴向力是自动平衡的这个办法广泛的应用于单吸两级悬臂泵，涡壳式多级泵以及立式多级泵上2改造叶轮，以减少或平衡轴向力用改变叶轮形状的办法，降低叶轮背面压力，达到平衡或者减少轴向力的目的3
45、采用专门的平衡装置，如平衡鼓装置，平衡盘装置4对于单级小型轴向吸入泵轴向力不太大，一般采用径向止推轴承来平衡轴向27力，但有时考虑受径向力作用，可采用圆锥滚子轴承来承担5采用平衡孔，使后泵腔的下部与叶轮的吸入口相连，使两面压力相同，但不能完全平衡轴向力这种平衡轴向力的方法存在以下两个缺点：（）泵的泄露量大，因此降低了泵的效率 （）液体流入叶轮时的速度不均匀，因而降低了叶轮的水力效率综上所述，该泵的轴向力较大，如果采用均压孔来平衡轴向力，不但水力效率降低，又会因固体颗粒渗入填料箱或串到背叶片内，从而加速了叶轮填料及轴的磨损，综合以上两种方式，采用单列圆锥滚子轴承平衡轴向力因为这种轴承可以同时承受
46、较大的轴向力和径向力28第 5 章 砂石泵主要零件的强度计算5.1 引言在工作过程中砂石泵零件承受各种外力作用，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强度。设计砂石泵零件时，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，这样就要尽量使零件的尺寸做得大些，材料用得好些；单另一方面，又希望零件小、重量轻、成本低，这是相互矛盾的要求，在设计计算时要正确处理这个矛盾，合理地确定砂石泵零件尺寸和材料，以便既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则，用一般材料力
47、学的公式难以解决这些零件的强度和刚度计算问题。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。对砂石泵的零件，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。5.2 叶轮强度计算5.2.1 盖板强度计算由文献4查得盖板中的应力主要由离心力造成的，半径越小的地方，应力越大。285.0pud（4.1）422112Dex（4.2）式中： 材料的宽度（mm） ；许用应力， 对铜 ；43s29材料的屈服极限；（Pa）s拉伸强度；（ Pa）be=2.71828；D2=0.248m； =7800NmDx=0.2m； 2=0.008m；u2=18.9m/s；w=18.9r/s。材料：ZG1Cr13, KPa。3926sakp)98061375(9.187085. 49806227.2x5.2.2 叶片厚度计算由文献4查得（mm）
