150AY150-2的离心式输油泵设计

I毕 业 设 计 （论文） 任 务 书题 目 150AY1502 输油泵设计学生姓名 学 号 专 业 班 级设计（论文）内容及基本要求原始数据流量 Q=180m3/h 扬程 H=300m 转速 n=2950rpm效率 =0.67 NPSHa=3.6m 介质温度：60-70介质相对密度 =0.95用途：输送原油（含水 75%） 。内容：1、确定泵型、比转数，计算功率，选择电动机。2、叶轮设计：确定叶轮进出口直径，宽度，进出口角度，及叶片厚度等参数。3、泵体设计：吸入室、压出室结构设计。4、轴向力、径向力的计算及平衡装置设计等。5、轴承设计：轴承选型、结构设计、校核计算、润滑与密封方式确定等。6、轴封设计：轴封型式的选择、设计计算、结构设计、冷却措施的确定等。7、轴的结构设计，强度、刚度校核、临界转速计算等。8、联轴器选择与校核。9、键的校核。10、其它相关计算。要求：完成毕业设计应交出下列文件：1、开题报告（调研报告）1 份。2、设计计算说明书 1 份。3、设计图纸：装配图 1 张(0#)，零件图合计 2 张 0#图(叶轮、轴、泵体等)。4、译文 1 份（15000 外文字符） 。设计（论文）起止时间 2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 5 日设计（论文）地点指 导 教 师 签 名 年 月 日系（教研室）主任签名 年 月 日学 生 签 名 年 月 日 II III摘 要输油泵的作用是对原油进行长距离的输送，它不仅在油田，而且在石油化工，炼油长，油库都有着广阔的应用，本文所设计的是一台 150AY150 2 的离心式输油泵，吸入直径是 80mm，流量是每小时 300m3 装置汽蚀余量 NPSHa 是 4.5m，效率 。是 75%，工作温度范围是 60到 70,。本离心泵的设计主要集中在水利设计，机械密封设计和轴承设计。这些方面的设计对离心式输油泵有着至关重要的作用：水利设计的好坏影响离心泵的性能，效率；机械密封设计的合理与否直接影响到人身，设备的安全以及对环境的污染；轴承的设计与泵的正常运行息息相关。并且离心泵的水利损失，防腐也是很重要的内容。关键词： 离心泵； 效率； 油； 密封； 轴承。 IVAbstract:The.action of the Oil transfer pump is transport crude oil from long distance.Itnot onlyused at oil field,but also in petrochemical industry,oil refinery,petroleum storage depot all have extensive application.The design is a pump which is a centrifugal and is to transporort oil.Its a kind of 150AY1502.The entrance diameter of the pump is 80mm.Its head of delivery is an hour 50 cubic metre.The systems NPSHa is 4.5 metre.The efficiency is 50%.The centigrade exeent is 6060 degree centigrade.This centrifugal pump design pay more attention to hydraulic power design,mechanical seal design and bearing design.These respect design are crucial importance to the performance of the oil pump:stand or fall of the hydraulic design affected the performance and efficiency of the centrifugal pump;Justifiability or not of the mechanical seal design direct influence to security of person,equipment and pollute envirment;Bearing designing be closely bound up with normal running o the centrifugal pump.Andcentrifugal pumps hydraulic loss,corrosion control also are better import.Key words: centrifugal pump ; efficiency ; oile ; seal ; bearing. V目录1 绪 论 .11.1 设计背景 .11.2 总的技术发展 .11.3 关键技术及现状 .11.3.1 泵的密封 .11.3.2 材料技术 .11.4 注要研究方向 .21.5 研究意义 .22 确定泵型 .32.1 确定泵的总体结构设计 .32.2 泵吸入口和排出口的确定 .32.3 确定比转数 ns: .32.4 原动机的选择： .42.5 最小轴颈的初步计算 .43 泵叶轮的设计 .63.1 叶轮主要参数的确定 .63.2 确定叶轮各参数 .63.2.1 叶轮进口直径 D0 的计算 .73.2.2 叶轮出口直径 D2 的初步计算 .73.2.3 叶轮出口宽度 b2 的计算和选择 .73.2.4 确定叶轮入口宽度 b1 .83.2.5 叶片厚度 .83.2.6 叶片数的计算与选择 .93.2.7 水利分析 .93.2.8 叶轮外径 D2 的第一次精确计算 .93.3 叶轮绘型 .114 压出室及吸入室的设计 .134.1 吸水室的结构设计 .134.2 压出室的结构设计 .144.2.1 压水室的作用和要求 .144.2.2 任意断面的螺旋压水室的设计 .145 离心泵径向力、轴向力的平衡及平衡装置的设计 .195.1 离心泵径向力的平衡及平衡装置的设计计算 .195.1.1 径向力的平衡 .195.1.2 径向力的计算 .195.2 离心泵中轴向力的平衡及计算 .205.2.1 轴向力的计算 .205.2.2 轴向力的的平衡 .226 离心泵中主要零部件的设计 .236.1 轴的机构设计及校核 .236.1.1 轴的机构设计 .236.2 轴的校核 .24 VI6.2.1 求轴上的载荷 .246.2.2 按弯扭合成应力来校核轴的强度 .246.3 转子临界转速的计算 .266.4 联轴器的选择与校核 .286.4.1 联轴器的选择 .286.4.2 联轴器的校核 .286.5 键的选择和校核 .296.5.1 键的选择 .296.5.2 键的校核 .296.6 轴承的选择及校核 .306.6.1 轴承的选择 .306.6.2 轴承的校核 .317 轴及叶轮密封结构的选择 .337.1 叶轮密封环的选择 .337.1.1 确定叶轮入口宽度 b1 .337.1.2 叶片厚度 .347.2 轴端密封 .347.2.1 泵的轴封结构 .347.2.2 机械密封的结构、分类、工作原理及优点 .347.2.3 选择机械密封形式的依据 .357.2.4 机械密封的冷却及润滑 .367.2.5 抽空破坏及防抽空的方法 .36小结 .37参考文献 .38致谢 .40 11 绪 论1.1 设计背景离心泵的技术发展是在用户客观需求的推动下取得的。在今后很长的时间内，人类环境意识的增强，环境法规的日益严格将成为推动世界泵行业技术发展的强大动力。1.2 总的技术发展在现如今，由于新的先进材料的采用，CAD/CAM 的发展以及高技术元件的应用使泵的设计得到极大的改善，因此泵的设计将更加多样化，泵的技术发展将比以前显著加快。1.3 关键技术及现状输油泵的关键技术体现在以下几个方面。1.3.1 泵的密封油泵一般是离心式泵，在输送液体时，会发生泄露，这不仅污染环境，浪费资源，而且会造成危险。所以必须加强泵的密封减少漏油。填料密封是泵的传统密封结构，具有结构简单，费用低廉，使用方便等优点，但由于有一定量的泄露和在高速下效果差等问题，使用领域日益缩小。目前，机械密封不断在泵用密封市场取得了相当大的份额，各种新设计的机械密封在市场份额的增长中占了很大的比重。机械密封具有液体泄露量小，工作安全可靠，寿命长的优点（相对填料密封） 。但其结构复杂，安装难度和成本较高的缺点，有待于进一步提高。今后的发展很可能集中在采用上游式泵送和磁性流体密封或是类似的技术来提高密封系统功能的完整性。1.3.2 材料技术长期以来各种新型材料的开发和应用是推动泵技术发展的一个重要因素，目前 2泵的零部件采用了各种各样的材料，范围从铸铁诸如钛和镐合金等稀有金属，从天然橡胶到氟橡胶等，各种新型材料来来的好处是延长了泵在腐蚀性和耐磨性介质中的使用寿命和可靠性，并扩展了泵的使用寿命范围。泵用材料体现在以下几个方面；（1） 铸铁作为一般场合中的首选泵用材料真在被不锈钢取代；（2） 塑料近年来在泵用材料中国显示了突出的作用；（3） 陶瓷材料在泵零件中使用正在日益增大；（4） 涂覆技术和材料的表面处理技术对于改善泵的流动特性，耐腐蚀，耐磨性方面变得日益重要。1.4 注要研究方向泵的设计与产品开发，性能研究是泵技术中永无止境的研究方向。这两方面研究即属于应用研究范围，有能丰富泵的基础理论和技术，更容易出技术，更容易出成果。特别要注意复杂流体，特殊类型和标准泵的研究设计。泵的反问题设计是泵优化设计的核心。应该加大研究力度。1.5 研究意义泵是世界上最早的机械发明之一。现如今泵产量仅次于电机，所消耗的电量大约是世界上总发电量的四分之一。泵的种类繁多，应用极为广泛，除了农田灌溉，城市和供应给排水，热电厂，石油炼化，石油矿场，输油管线，化工厂，钢铁厂，采矿，造船等部门外，目前泵在原子能发电，舰艇的喷水推进，火箭燃料补给等方面起到重要作用，此外还可以用泵来对固体如煤等进行长距离输送。泵输送的介质除水外，还有油，酸，碱浆料等，包括液体气态和高温熔融金属。可以说，凡是要让液体流动的地方，就有泵在工作。泵在国民经济中起着十分重要的作用。 32 确定泵型2.1 确定泵的总体结构设计首先大致选择泵的结构类型和原动机类型，进而结合下面的计算，经比较分析做最后确定。2.2 泵吸入口和排出口的确定泵的吸入口直径是由合理的进口流速确定。泵蹦吸入口的流速一般为 3m/s 左右，从制造方面考虑，大型泵的流速取大些，以减小泵的体积，提高过流面积，而提高泵的抗汽蚀性能，应减小吸入口流速。由于泵的体积较小，所以取 vs=3m/s，所以有： 1420.33.1.QDsVs圆整为 Ds=212mm（其中取 Q 单位为 m3/s） 。对于低扬程泵可取排出口直径与吸入口直径相同所以此处取Ds=Dt=212mm式中：Dt-泵的排出口径；Ds-泵的吸入口径。2.3 确定比转数 ns:比转速：他是某一标准泵叶轮的转速，该标准泵和同一类型的泵几何相似、水利效率和容积效率相同；它在最优工况下具有压头 H=1m 水柱，有效率N=0.735kw，即流量 Q=0.075m3/s 时的转速 ns.一种类型的离心泵只有一种比转速而不同的离心泵具有不同的比转速由于本次设计的泵的流量 Q=180 m3/h、扬程H=300m、转速 n=2950r/min 所以有： 2.61)20(3/18956.3)(5. 44 iHQns 42.4 原动机的选择：由于本次设计的泵的流量 Q=180 m3/h、扬程 H=300m、转速 n=2950r/min、效率=0.75、介质温度:60-70、介质相对密度 v=0.95、用途：输送原油（含水 75） ，所以有：轴功率 )(957.011295.010 3KWgQHN计算配套功 N、 =KN=1.2X95=114(kw)扭矩 )(369250149950, NmnMn 2.5 最小轴颈的初步计算泵轴的直径应按强度（拉、压、弯，扭）和刚度及临界转速条件下确定，因为扭矩是泵最主要的载荷。开始设计时首先按钮矩确定泵轴的最小直径，通常是联轴器的直径；同时应根据所设计的泵的具体情况考虑影响刚度和临界转速的大概因素，可对粗算的直径进行一定的修正，圆整到标准直径，待泵转子设计完以后，在对泵的强度和临界转速进行详细校核。30.2Mnd式中： Mn-(N/M) 95NnK-工况系数（一般为 1.1-1.2）NK-泵煮材料的许用应力（N/）对于普通优质碳钢可取 =（343441 ）510对与合金钢 =（441538 ）5轴功率 )(957.01129.010 3KWgQHN 5计算配套功率 计算配套功 N、 =KN=1.2X95=114(kw)扭矩 )(369250149950, mnMn 圆整为 d=44mmd.2.353对于直径 d100mm 的轴，有一个键槽时，轴径增大 5%-7%，有两个键槽时应增大10%-15%，所以轴 d=43 48.4-49.85 在此为了安全期间取 d=50(10%) 63 泵叶轮的设计3.1 叶轮主要参数的确定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、叶片数 Z。3.2 确定叶轮各参数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、叶片数 Z。叶轮尺寸的确定主要有速度系数法和相似换算法，在本泵设计中采用速度系数法。它和相似换算法在实质上是相通的，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，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。 73.2.1 叶轮进口直径 D0 的计算叶轮进口直径又叫叶轮吸入眼直径或叫叶轮径部直径。叶轮进口速度和叶轮进口直径有关，进口速度一般不超过 3-4 米/秒，认为进一步提高叶轮进口流速会降低泵的抗汽蚀性能和水利效率。实践证明，泵在相应增加进口速度很广的范围内运转，才能保证水利效率不变，所以如果所设计的泵对抗汽蚀性能要求不高，可选小的 V0即进口流速，以减小叶轮密封环的泄漏量，提高容积效率，所以有：33120044()95QDKomn式中： Q泵的流量，对于双吸泵取K0 根据统计资料，对大多泵为 3.54.（进一步增加 K0 会改善大流量下的工作条件，提高泵的抗汽蚀性能，考虑效率和汽蚀，K0 的适用值是：主要考虑效率：K0=3.54;兼顾效率和汽蚀：K0=4.05.0 ）此处取 K0=4.0取装叶轮处的直径为 Db=33mmDh=1.25x33=41.25mm圆整为 Dh=42mm3.2.2 叶轮出口直径 D2 的初步计算叶轮出口直径 D2 和叶片出口角 2 等出口几何参数是影响泵扬程的最大因素。325DQKn式中： 1229.()9.860s3.2.3 叶轮出口宽度 b2 的计算和选择 3215DbnK式中： 60.4()0.8s 83.2.4 确定叶轮入口宽度 b1（1） 先确定叶轮入口速度 v0（m/s）02vKgh式中： 叶轮入口速度系数，一般取 =0.10vK0vKH单级扬程0.12804/ms（2） 确定叶片入口边直径 D1在叶轮流道入口边上取圆心，做流道的内切圆，内切圆圆心到轴心线距离的两倍即为叶片边直径 D1。叶片入口边直径一般可按 ns 确定。对 ns=40100 的泵；则 D1D0，此处 D = D0=104mm101.8723.634vQbmV取整为 =3413.2.5 叶片厚度由经验公式有： 21iHSKDZ式中：K经验系数，其与材料和比转速有关，对铸铁和铸钢叶轮，系数 K 推荐（当比转数为 83 时，铸铁为 4.0，铸钢为 3.4） ；D2叶轮外径（米）H1单级扬程（米） 804.59157Sm对于铸钢叶轮，叶片最小厚度可取为 56mm，此处取为 6mm。取口环的厚度为5mm，口环间缝隙为 0.5口环直径 0103214wDHh式中： 前盖板入口厚度，1 9口环厚度，H间隙厚度。h3.2.6 叶片数的计算与选择叶片数对泵的扬程、效率、汽蚀性能都有一定的影响。选择叶片数，一方面考虑减少叶片的推挤和表面摩擦，另一方面又要使叶道有足够的长度，以保证液流的稳定性和叶片对液流的充分利用。要满足上述要求，叶片的长度 L 和叶道的宽度am 应当符合比例 am。叶片数也可以由比转数选择如表 2-1/CL表 3-1ns 3045 4560 60120 120300Z 8010 78 87 46由于本次设计的离心泵的比转数为 83 所以选叶片数 Z=73.2.7 水利分析在分析保证最高水利效率值的叶轮尺寸的基础上，可推荐叶片的进口角为2025 度，又考虑到叶片对液流的推挤和正常的冲角 度，所以选 度，35120叶轮出口角取 度。253.2.8 叶轮外径 D2 的第一次精确计算 （1） 叶片出口排挤系数 2 222 7351()1()0.9sin5sinoctgctgKt其中（t 叶片节距）选 ，假定23m290o（2） 理论扬程 m 选84.1.5tkHn.85h（3） 叶片修正系数 2(06)(0.(1).2222211()6.5.75DSR(预先设 )10m221.065.407PZS 10叶轮叶片的出口半径；2RZ叶轮轴向投影中间流线的长度对轴心的静力矩。（4） 无穷叶片数的理论扬程 (1)70.58(1.406)9.27HTPm（5） 出口轴面速度 22 6.7.3.0.15mvQVDbK（ ） （容积率 ）230.8716vsnv（6） 入口圆周速度 226.7.() 9.271038.5/25mTooVUHg mstgtttg（7） 出口直径 226038.56049.83091Dmn第二次精确计算：（1） 叶片出口排挤系数（取 268mm）2D22227351()1()0.81sin50sin9octgctgKt（2） 出口轴面 22 6./.873.14820.15mvQV msDb（3） 出口圆周速度 222().mmTVUHgtgt（4） 出口直径 226038.5604891Dn第三次精确计算：（1） 2 222 7351()1()0.94si48sinoctgctgKt（2） 出口轴面速度22 5.23/0.723.1094.mvQV msDb 11（3） 出口圆周速度 22()37.mTVUHgtgt（4） 出口直径 226037.6024951Dmn3.3 叶轮绘型圆柱形叶片可以用一个或几个圆弧画成。用一个圆弧画的较短，流到扩散也不如用几个圆弧画成的叶片好。现以两个圆弧画叶片的方法绘本次设计的叶片，作图步骤如下：（1） 作叶轮 和 （如图） ；2D0（2） 作中间圆 （一般 ） ，按下列计算时应取 的i 20iDiDi；121()ii（3） 作半径线 OA，由 A 作直线 AB，使BAO= ；2（4） 作半径线 OC，使AOC= + 并与 圆交与 C 点；2i1D（5） 过 A、C 作直线 ，并与 交于另一点 D;i（6） 连接半径线 OD，作直线 OE，使ODE= ，并与 AB 线交于 E 点；i（7） 以 E 为圆心，以 EA 为半径作弧，此弧必通过 D 点；（8） 作半径线 OF，使 DOF= + ，并与 圆交于点 F；i11（9） 过 D,F 作直线，并与 1D 圆交于另一点 G; 12（10） 作半径线 OG，作直线 GH，使OGH= ，并与 DE 线交于 H;1（11） 以点 H 为圆心，以 HD 为半径做圆弧，此圆弧必通过 G 点；（12） 以 E 和 H 点为圆心，分别以 AE+S 和 DE+S 为半径做圆弧，并适当修尖修圆叶片变，即得叶片形状；（13） 以叶片数等分叶轮外径，并用上述方法依次做出其他叶片。相关数据：120o25o4Dm102173i121()(25)17302)0.534oii D 134 压出室及吸入室的设计4.1 吸水室的结构设计吸水室是指泵进口法兰到叶轮入口前泵的过流部分吸水室设计的好坏，直接影响到泵的汽蚀（空穴）性能，因此，设计吸水室时，要在水里损失最小的条件下保证：一，为了创造在设计工况，叶轮内稳定的相对运动，沿吸水室所有断面的流速必须尽可能分布均匀；二，将吸水管路内的速度变为叶轮入口所需的速度。按机构分，吸水室可分为：直锥形吸水室、变管形吸水室、环形吸水室、半螺旋吸水室。根据本次设计需要选用直锥形吸水室。 （如图 4-1）这种形式的吸水泵水利性能好，结构简单，制造方便。液体在直锥形吸水室中流动，速度是逐渐增加的，因因此速度分布更趋向于均匀，故直锥形吸水室能很好的满足要求。直锥式吸水室出口直径与叶轮出口直径相同，进口流速则按经济流速决定 （3m/s 左右） ，并圆整取标准直径，通常入口直径比出口直径大 7%10%，有了进口直径，根据允许锥度（约 710 度范围内）可确定直锥形吸水室的轴向长度。吸水室的进口直径应按标准管路直径选择，并应其实比此叶轮进口面积大（15%20%） ，这样，可使液体进入吸水室后还有一个加速过程，以便是液体的速度更均匀的引入叶轮。图 4-1 144.2 压出室的结构设计4.2.1 压水室的作用和要求压水室是指叶轮出口到泵出口法兰（对节段式多级泵是到次级叶轮进口前，对水平中开泵则是到过流道之前）的过流部分。压出室是泵的重要组成部分并且和叶轮一样是任何一个叶片式泵都不可缺少的构件。液体从叶轮中流出的速度是很大的，但液体进入下一级叶轮（或进入压水管道中）不要求其速度降到叶轮入口要求的速度，因此，在离心泵中压水室要在水里损失最小的前提下完成以下任务：为在叶轮内形成稳定的相对运动的条件，必须保证液体在压水室中的流动是轴对称的；把从叶轮流出的高速度的液体收集起来，并将液体的大部分动能转化成压能，然后，输送到压水管路或输送到下一级叶轮入口，而且能量转换过程中不能破坏液体在压水室的轴对称流动；消除速度环流 。实践证明，压水室中的水力损失是离心泵内水力损失的重要组成部分，非设计工况更为突出。因此，压水室设计的优劣将在很大程度上决定泵的完善程度。压水室按其结构可分为：螺旋式压水室、环形压水室和叶片式压水室。根据本次设计要求，选择螺旋式压水室，其有比较完善的过流行状，其适应性较广，泵的高效区较宽。为了使能量充分转换，通常都在螺旋级末端加一扩散管，使之充分转换，为了减少压水管路中的水力损失，必须进一步降低压水室中的流动速度，这一任务通常由螺旋管最后所设置的扩散管来实现，在扩散管内使 80%85%的动能转化为压能。扩散管的进口即为第八断面，扩散管出口即为圆形，出口圆的选择，应使其中流速符合经济流速，并符合管道标准直径。扩散角推荐值 8 度12 度。扩散角过大，会导致边界层内液体脱离，增加水力损失。扩散管长度与进口截面直径之比不得大于2.53，否则，由于边界层厚度增加，液体会脱流，恶化扩散管的工作性能。当出口断面面积必须增大时，可利用具有突然扩大的台阶的扩散管，其工作性能优于加长扩散管。4.2.2 任意断面的螺旋压水室的设计参考已有的高性能泵的螺旋压水室的断面状况，画出所设计螺旋压水室的形状。为此，需要确定螺旋压水室入口宽度 ， 与叶轮出口 及叶轮出口直径3b2208.56DF2b 15有关，加大入口宽度 对 叶轮装配有力，因为加大 ，可避免叶轮安装时对压水室轴线的过高3b3b精度要求。从水利性能看，加大 b3 可以部分回收圆盘摩擦损失的功率，提高水泵效率。基于上述考虑 b3=b2+0.05D2 对于低比转数 的离心泵，螺旋式压水室其它各断面的形状和第八10sn断面相似，中间断面有时采用近似计算 即： 0836F这说明沿压水室各断面的平均速度相同，并且都等于第八断面的平均速度。实验证明，由于紊流摩擦的作用，在径向上液流流速的分布图形与自由流动的分布有出入。紊流摩擦速度的分布趋向于平坦，因而近似计算对于低比转速泵无显著影响 。简化设计：采用速度系数设计法设计压水室。速度系数法是建立在相似理论的基础之上的，并已对现有的性能良