离心泵设计实习报告

30/30实习期技术报告天津市普友机电设备制造有限公司技质部水泵设计师李永超2013年1月目录公司简介，产品分类、运用、条件转速的确定和绘制叶轮设计程序导叶设计叶片的厚度和夹角叶片进出口安放角的选择叶片切割汽蚀问题轴向力平衡方法水锤进出流道的设计取证资料柴油机消防泵总结、基础知识水泵分类用途优点使用条件动力装置QHBC立式消防泵广泛适用于海上采油平台、船舶、电厂、工厂、民用具有可靠性高、寿命长、耐海水腐蚀、结构紧凑、低噪音、易于自动化控制立式使用，进口应浸入动海平面1.5m以下，进口到海底不少于0.5m电动机或者柴油机QWW卧式潜污水泵输送清水、轻度污水及少量含沙可以在高泥沙含量和有腐蚀性介质中使用卧式或斜式使用，进口应浸入动水位最低点0.5m以下，露天矿坑内，水位涨落变化大，恶略工况下YQN疏浚潜没电动机，内部充油，水位变化大时，按自动均压装置QSB水下吸砂泵单级离心泵，在江河、湖、海底采砂，时采砂、采矿理想、高效的设备有铰刀和压力平衡装置颗粒通过能力强，最大颗粒径120mm，最大深度150m，吸口应放置于海底，立式或倾斜使用QB潜水泵QBX潜水消防泵QHB潜海水泵QHBX潜海水消防泵在浅淡、海水下使用，水厂、水电站、火电站、钢铁厂、农业灌溉、消防、市政，用于提升或消防泵泵的入口在机组的最下端，电动机置于泵的上部；现在，电机在下面，安装进水节，调节配合距（海）底不少于0.5m，潜水不超过70m，PY（H）潜水（海水）电机，内部必须充满清水，也可以充满防冻液QHBC：Q≤2500立方米/时QWW：Q≤2500立方米/时QSB：Q≤15000立方米/时QHBX：H≤250m H≤500m H≤50m潜没深度≤70m

潜没深度≤70m潜没深度≤150m电机功率≤5600kw电机功率≤2000kw叶片泵：1.可靠性才是最重要的，评比时用效率2.设计叶片泵考虑：效率、性能曲线形状和空化3.性能曲线：扬程-流量（H-Q）轴功率-流量（Pa-Q效率-流量（η-Q）叶轮出口宽度比：b叶片出口安放角：β2=10°～50叶片数：Z=2～12叶轮轴面流道转弯半径：R叶轮进、出口面积比：A叶轮进口轮毂比：r=中间轴面流线相对水泵轴中心线的夹角：θ=0°～90°中间流线叶片进口边角位置：θx=0～叶片空化系数：σ（二）、转速的确定与绘制1.泵转速的确定考虑因素：1）.泵的转速越高，泵的体积越小，重量轻2）.转速和比转速有关，而比转速和效率有关，所以转速和比转速结合起来确定3）.考虑原动机的种类和传动装置工作转速小于第一临界转速（n＜nc）的轴，称为刚性轴，n≤0.8工作转速大于第一临界转速（n＞nc）的轴，称为柔性轴，1.3nc≤n≤0.7nc22.比转速ns=3.65nQH34，H确定比转速：ns=120～210的区域，水泵的效率最高，ns比转速和泵的级数有关，级数越多，ns越大。卧式泵一般不超过103.低比转速泵：高扬程小流量，零流量时轴功率小，应关阀启动；高比转速:低扬程大流量，零流量时轴功率大，应开阀启动。（三）、叶轮设计程序（四）、导叶设计1.空间导叶设计的原则1）.叶片间流道断面的湿周应尽量的小，因而最好是圆形或方形。2）.流道形状变化平滑。3）.各部位的角度应符合流动规律。4）.各种速度变化应均匀。5）.控制喉部流速为一定的值。6）.控制流道的扩散角为一定得值。2.确定轴面投影：空间导叶适应的比转速范围广，因而轴面投影形状的差别很大，最好选ns相近、性能良好的现有产品的图形作参考和叶轮出口及下级叶轮进口通顺衔接。叶轮进口部分应有把叶轮出口液流收集起来，导入轴向的趋势。3）.合理确定导叶进口变的形状。3.进口变离叶片出口边稍远些，导叶出口边一般是外流线向出口倾斜，可减小压力脉冲。1）.导叶内流线进口直径大致等于或稍大于叶轮后盖板出口直径。2）.导叶外流线进口直径稍大于叶轮出口轮毂直径。3）.导叶轴向长度L=（0.5～0.7）D24）.导叶叶片数一般不要和叶轮叶片数互成倍数关系。5）.导叶叶片包角φ=60°6）.导叶进口边离叶轮出口边的距离稍远些好，一般为（0.4～0.5）b24.检查轴面液流过水断面的变化情况。5.分流线：小泵不分中间流线，用两条流线设计；中等泵只分一条流线，按三条流线设计；大泵用五条流线设计。分流线与叶轮设计相同。6.确定导叶进出口安放角：1）.进口安放角α3：=1\*GB3①、进口液流角：tanα，3=υm3υu3；=2\*GB3②、导叶进口角α3:α3=α，3+Δα。（Δα=0°～8°）2）.导叶出口角α4.考虑有限叶片数影响应大于90°，以保证液流法向出口。一般取α4=90°，如果要求下降的特性曲线，可取α4=80°～3）.旋转方向的判定=1\*GB3①从导叶进口（后侧）看，看到的是叶片凹面（工作面），工作面hi迎水面；从导叶进口看。看到的是叶片凸面（背面）。=2\*GB3②水流从进口流向出口。=3\*GB3③水流的方向和叶轮旋转方向相同。出口方向看水流是顺时针方向旋转，即从进口看叶轮是叶轮是逆时针方向旋转；如果把凹面置于平面图左侧，叶轮旋转方向则变为相反。（五）、叶片厚度和夹角1.角度之间的关系：tanφ=tanβ*sinλφ：垂直叶片的面积与叶片的交线和圆周方向的夹角tanβ平=tanβλ：叶片的流面（盖板表面）间的真实夹角，也就是垂直叶片和流面的面与两者交线间的夹角β平δ：在轴面投影图中的流线切线和垂直于叶轮线的平面间的夹角。如果前、后盖板流线与轴线倾斜，尽管在平面图上β平变化很好，因δ变化的影响、β的变化并非很好。叶片进口部分δ角大，然后逐渐变小，所以进口部分β2.求叶片表面和流面的真实夹角一般希望叶片表面与盖板（流面）的夹角接近90°，以满足大壁角的原则。2.叶片厚度叶片工作面和背面间距离AC为流面厚度-s；流面上叶片在圆周方向长度AB为圆周厚度-su；流面上叶片沿轴面流线方向的长度AD为轴面厚度-ssuss流面厚度直接反应对流动的影响。在考虑最小铸造允许厚度、强度时，采用真实厚度—δsu=δsinφ为了得到真实厚度和流面厚度的关系，用一与叶片和盖板交线相垂直的面去截叶片，并将其局部展开。叶片厚度＞2mm叶片厚度＞2mm（六）、叶片进出口安放角的选择1.叶片进口角和进口速度三角形叶片进口角一般大于液流角：β1＞β'1,1）.采用正冲角，能增大叶片进口角，减小叶片的弯曲，从而增加叶片进口过流面积，减小叶片的排挤，结果减小叶片进口的v1和w2）.采用正冲角，在设计流量下，液体在叶片进口背面产生脱硫。3）.采用正冲角，能改善在大流量下的工作条件。2.叶片进口角的计算在计算叶片进口角之前，应先画出叶片进口边，画进口边的原则：1）.进口边和前后盖板流线大致成90°（叶片进口边不放在同一轴面上除外）2）.前后盖板流线长度不要相差很大3）.进口边适当向吸入口延伸，是液体提早受到叶片作用，减小叶轮外径，减小圆盘摩擦损失；增加叶片的重叠程度，减少流道的扩散；减小叶片进口的相对速度，减小进口的撞击损失，提高抗汽蚀性能减小特性曲线的驼峰。加稍大的冲角为好，冲角的加法：1）.各流线加相同的冲角；2）.冲角从前盖板流线到后盖板流线递减或递增；3）.选择一条流线的冲角，确定β角之后，其他流线按tanβR=2.叶片出口角的选择和计算叶片出口角β2，对泵的性能参数、水利效率和特性曲线的形状有重要影响，β2=18°～401）.低比转速泵，选择大的β2角，增加扬程，减小D2）.增大β2角，在相同流量下叶轮出口速度v2增加，压水管的水力损失增加，并且在小流量下冲击损失增加，容易使特性曲线驼峰。为获得下降的曲线，不宜选过大的3）.β4）.为获得平坦的功率曲线，时泵在全扬程范围运行，β2可小于10°叶轮出口边平行轴线的叶轮，叶轮出口各流线选用相同的出口角，叶轮出口边倾斜时，为使叶轮出口的扬程相同，β2（七）、叶轮、叶片切割1.叶轮的切割1）.切割定律：相似定律—低比转速离心泵：2）.混流式叶轮：混流泵ns大，DjD2变大，切割后的比值DjD2更大。因切割后Q3）.混流泵一般只许少量切割（小于5%），切割方式一般与出口平行或倾斜（外缘切割多，轮毂侧少切或不切），公式中的直径应该为平均直径。叶轮应分为2次或几次逐渐切割，每次切割必须进行实验。切割后，一般的效率下降，但有的低比转速泵切割后比转速增加，所以效率有可能提高，切割不大时，可以认为效率相等，随着切割量增加，效率将下降，尤其是高比转速更为严重。要想有最高的效率，不一定同时满足要求的H＇4）.切割公式：2.修削叶片的进、出口对碰性能的影响1）.修削叶片出口部分工作面、叶片出口部分背面=1\*GB3①最高效率少有提高；=2\*GB3②在相同流量下υm2减小，υu2增加，因而泵的扬程提高（约2%～5%）；=3\*GB3③在相同的扬程υu2下，泵的流量增加（约5%）；=4\*GB3④修锉叶片进口背面，只改善叶片进口局部的形状，对性能影响不大。2）.性能改善的原因：=1\*GB3①曾大了叶片出口角和相邻叶片间出口的开口面积；=2\*GB3②由于叶片出口部分背面角度增加，改善了因有限叶片数造成的流动偏离和速度分布不均匀性。

3）.叶片泵H-Q性能曲线的调整=1\*GB3①降低H-Q性能曲线平行于原来出口边的切割，一般会引起H-Q性能曲线平行下移，BEP朝小于名义流量方向移动；效率也可能略有降低，降低程度决定于切割量和比转速。效率降低过多将限制这种方法的采用。ns=60～120Dxns=ns==2\*GB3②提高H-Q性能曲线A.锉削叶片出口背面，扩大出口面积，也改A变叶片出口背面的角度，增高了输出扬程。AB.过渡锉削，叶片出口形成尖削，沿叶片的压力分布改变将引起其他水力损失，增大液流进入蜗壳或导叶的撞击混合损失，限制扬程升高。最大扬程增值4%～10%（决定于比转速）C.将叶片尾部插销成正方形，性能将产生：a.在所有流量下的扬程都升高，大流量处扬程升高更多，扬程可增加4%～10%，扬程提高量决定于比转速的叶片数。b.相应的轴功率消耗也增大，大流量处轴功率增大较多。c.BEP的位置朝大流量方向移动，移动大小决定于原来叶片出口的厚度、叶片数、叶片出口角和比转速，一般约8%～10%。效率维持不变，获奖降低0.5%～1.0%。d.NPSHr曲线也略微朝大流量方向移动，效应原因：叶片尾部改成方形后，改变了液体出口流动角，产生了横向流动。尽管叶片出口角面积保持不变，但液体流动产生便宜，尾流的影响明显减小。性能变化：扬程最大可上升到8%～12%，由于改变养成系数，在小流量区容易加剧流动的不稳定性和NPSHrBDC

=3\*GB3③改变H-Q性能曲线BDC有事希望有较平坦的H-Q性能曲线，或大流量区扬程不要降低很大；有事希望扬程变化时，流量变化较小。使H-Q性能曲线平坦的方法：加大蜗壳喉部面积；b.增大叶轮进口面积；c.同时加大蜗壳喉部面积和增大叶轮进口面积。--都可减小泵内水力损失。对于低比转速离心泵，将增高比转速，提高效率。低比转速叶片泵，采用切割叶片进口边，或者锉削进口边背面，以减小叶片厚度，增大叶轮进口面积，而负荷较大时：使H-Q性能曲线变陡，常采用缩窄流道牺牲效率的方法。措施：在出口法兰处插入一个喷嘴或者在吸口处增加一个阻塞环，都使损失增大效率降低，后者还将引起NPSHr减小消除H-Q性能曲线的不稳定部分：当不稳定性很强（超过5%）或伸展在较宽的流量范围时，设计者必须设法区消除它；一般不是很强（不超过4%），对叶轮或蜗壳作简单修改，可能消除这种不稳定性。措施;a.每隔一个叶片进行切割，在叶片数较多且为偶数时采用，切割后的性能曲线也有略变陡将。b.切割蜗壳隔舌，最适合切割径向导叶，将增大无叶扩散室的环流，增大损失。c.倾斜切割后盖板和叶片出口，消除叶轮出口的回流区，减小水动力损失。靠近小流量区扬程升高，由于切割后叶轮平均直径减小，扬程降低，因此切割角不应超过12°。d.沿叶轮后盖板在叶片出口开缝，等同于斜切叶轮出口，这种方法可能不会影响效率。e.在蜗壳隔舌或径向导叶上开槽，在大流量时很小或没有扬程降低，而关死点扬程适当提高。f.在叶轮前冠附近切割叶片进口，在符合较高时，不宜采用。g.在叶轮轮毂附近延伸叶片进口，能消除H-Q性能曲线不稳定部分。但是已加工的叶轮，若采用焊接延伸叶片将难以保证轴对称，厚度不均匀对进口产生阻塞，降低效率，增大NPSHr。计算叶片延伸长度，根据关死点需要扬程的增大量计算叶片负荷。4）.移动BEP在H-Q性能曲线上的位置，改善叶片泵的效率将叶轮尾部插销成正方形，BEP朝大流量移动；整体叶轮切割外径，BEP朝小流量方向移动。尽可能达到既改善性能又提高效率。对于低比转速，泄露损失和轮盘损失占总损失的40%～60%，因此对于低比转速泵，改变密封环密封间隙、减小叶轮直径和提高叶轮前冠及后盖板外表的光洁度，提高效率。（八）、泵的汽蚀1.泵发生汽蚀的条件是由泵本身和吸入装置据定的。泵汽蚀的发生过程：泵在运行中，若过流部分的局部区域，液体的绝对压力下降到所抽送液体当时温度下的气化压力时，液体便在该处开始汽化，形成气泡。这些气泡随液流向前运动至高压区时，气泡周围的高压液体使气泡急剧地缩小以致凝结，在气泡消失的同时，液体质点以高速填充空穴，发生互相撞击而形成强烈的水击，同时在气泡凝结时还产生点解、化学反应，故使过流部件收到剥蚀而损坏。现象：1）.产生噪声和振动2）.泵的性能下降3）.过流部件的汽蚀损坏Pk=PrPk<PPk>PNPSHa有效汽蚀NPSHr对抗汽蚀性能高的泵C=1000～1600，k0=4.5～对兼顾效率和抗汽蚀性能C=800～1000，k0=4.0～对抗汽蚀性能不作需求主要考虑提高效率C=600～800，k0=3.5～2.泵的汽蚀余量的物理意义表示液体在泵进口部分压力下降的程度。汽蚀余量与装备无关，只与泵进口部分的运动参数（ν0，ω0，ωk）有关。NPSH3.汽蚀比转速：C=泵流量和汽蚀比转速关系4.提高泵抗汽蚀性能1）.叶轮进口直径D：增大D，则u0增大、ν0减小，必然存在一个D，使二者平方和最小，求的D2）.叶轮叶片进口宽度：增大叶片进口宽度b1，能增加进口过流面积，减小ν0和ω03）.叶轮盖板进口部分曲率半径：适当增大盖板的曲率半径，有利于减小盖板处的ν0和改善流苏的均匀性，减小泵进口部分的压力降，从而减小NPSH4）.叶片进口边的位置和叶片进口部分的形状叶片进口轮毂侧向吸入口方向延伸或叶片进口边前伸并倾斜。5）.叶片进口冲角叶片进口角，通常都大于进口相对液流角，即β1>β，1，正冲角△β=β1-β，。正冲角通常△β=3°～=1\*GB3①增大叶片进口角β1，从而减小叶片的弯曲，增大叶片进口过流面积，减小叶片的排挤，都将会减小ν0和ω0，提高泵的抗汽蚀性能。=2\*GB3②采用正冲角，液体在叶片口背面产生脱流，该脱流引起的漩涡不易向高压侧扩散。在正冲角时，压降系数λ在很大正冲角范围内变化不大；在负冲角，λ急剧上升。=3\*GB3③泵的流量增加时，β，增大，采用正冲角可以避免泵在大流量运转时出现负冲角。6）.叶片进口厚度：叶片进口厚度越薄，越接近流线型，叶片最大厚度离进口越远，叶片进口的压降越小，泵的抗汽蚀性能越好。叶片进口形状对压降影响是十分敏感的。7）.平衡孔：泄流对进入叶轮的主流起破坏作用，平衡孔的面积不小于密封间隙面积的5倍，以减小泄露流速，从而减小对主流的影响，提高泵抗汽蚀性能8）.光滑度：叶轮进口部分越光滑，水力损失减小，会明显提高泵的抗汽蚀性能。9）.吸入室的形状和速度：泵吸入六道至叶轮进口面积应当逐渐减小，使流速逐渐增加，提高流动的稳定性，可以降低汽蚀的形成。5.防止发生汽蚀的措施：欲防止发生汽蚀必须提高NPSHa，使NPSHa6.泵的运行工况点：QG为规定工况点的流量值，一般情况0.7QG～1.2（九）、轴向力平衡方法平衡泵的轴向力方法：1.推力轴承：对于轴向力不大的小型泵，采用推力轴承承受轴向力。2.平衡孔或平衡管：由于液体流经密封环间隙的阻力损失，时密封下部的液体的压力下降，从而减小作用在后盖板的轴向力。减小轴向力的程度决定密封环所在直径、密封环间隙、平衡孔的数量和孔径的大小。平衡孔的面积=5～8倍密封环间隙面积，平衡孔的泄露一般为设计流量的2%～5%。缺点：容积损失增加，效率下降，电流增加，功率增加，还会使抗汽蚀性能下降。口环与叶轮间隙：小泵：单面0.2mm；大泵：单面外径的0.5mm；污水、杂质水：2mm。小流量下，由于预旋的影响，叶轮进口中心部分的压力低于外周的压力，平衡孔的泄露增加，尽管扬程增加，泵密封环下腔的压力还是很低，轴向力进一步减小。大流量时扬程下降，轴向力也变小。平衡孔泄漏量和平衡程度计算：平衡轴向力的数值大致等于影线部分ABCD压力体的体积重量（十）、水锤：在有压力管道中流动的液体，由于某种原因流苏发生突然变化，由于液体的惯性，引起压力急剧增高或降低的交替变化，即压力波。这种现象称为水锤。水锤的发生过程：发生水锤的过渡过程：1、管道上的逆止阀、闸阀、蝶阀等突然关闭2、泵的电动机电源急速切断，3、能量急速消耗，时转速n急速下降，相应的流量Q急速减小防止水锤发生的措施即水锤有压力上升和压力下降。水锤防止装置的构成：飞轮增加水泵转子体的转动惯量GD2压力波动消除器。串联逆止阀4、压力罐5、单项压力罐6、压力吸收装置7、蓄能罐8、普通调压水箱9、通气管或空气阀（十一）、进、出流道的设计1.泵进、出水流道的作用是把水流引向泵进口，把泵出口水流引到泵站出口。对流道的要求：1）.六道的尺寸应和泵及泵站的尺寸相协调2）.流道内的流速应均匀有序地变化3）.尽量减小流道的水利损失2.减小水利损失的措施（泵进、出水流道都适应）1）.减小流道的扩散，尤其要避免大角度扩散，一般扩散角0°～8°.因为水流在扩散流道内流动，速度逐渐减小、压力逐渐增加，容易发生附面层分离。2）.大壁角流道，流道断面尽量作成圆形，受条件限制断面不能作成圆形时，边界交界处应采用大圆角过渡3）.当水流流过弯管时，在弯管后半部分内壁形成脱流区，并形成一对内旋的漩涡，水力损失比较大。曲率半径变小，水头损失越大，因此应尽量用大曲率半径弯曲流道，必要时在弯曲部分加导向叶片。4）.弯曲六道的断面不要扩散，最好是收缩断面变曲率半径。补充：叶片泵损失介质粘度对泵性能曲线的影响是很大的。容积损失：1）.叶轮密封环处的泄露；2）.级间泄露损失3）.轴向力平衡机构处的损失水头损失ηh：1）.水利摩擦损失；2）.摩擦损失ηD机械损失ηm填料箱或轴封和轴承机械摩擦损失：10%总功率总效率：η影响轴流泵性能曲线的因素1）.叶片的安放角的改变，将直接影响流量、扬程、泵输入功率及泵的效率，并非常明显。2）.叶片外缘与泵体之间的间隙对流量、扬程和效率的影响很敏感。（叶轮外径与导壳内径间隙）3.叶片出口安放角β2：液体相对速度偏离叶片方向滑移：4叶片进口安放角β1：叶轮内损失的优化：通常用叶轮出口直径D2，转速n，绝对表面粗糙度△5.叶片入口边倒圆角的半径等于叶片泵厚度一半1）.叶轮出口流动排挤系数：ε2=sinβ2）.叶片出口液流周向速度：v6.叶片泵的依据理想设计工况进行的设计1）.叶轮进、出口流动和压力分布都是均匀的2）.泵内流动时轴对称的3）.液体垂直和无撞击进入转动叶片4）.流动速度的大小和方向沿泵内流道缓慢逐渐变化7.回流破坏回流引起的的破坏是从叶片进口边的工作面向背面发展1）.它不发生在叶片的低压面，而是发生在叶片进口边工作面上中间流面附近2）.在叶片出口的压力面上或者叶轮后盖板上可能产生严重破坏3）.在蜗壳隔舌或导叶上也可能发生破坏现象NPSHa8.泵流量控制方法比较9.全扬程泵的设计要点1）.稍大的叶轮出口外径：因叶片出口角小，外径和普通泵相比应适当增加，通常D2）.叶片出口宽度b2：和普通泵基本相同或稍大点，不要刻意增加b3）.较小的叶片出口角，较大的包角，较少叶片数，较大冲角a.叶片出口角，通常β2=8°～15°tanβ2=2vm2叶片包角：φ=135°～220°，根据叶片间流道变化情况调整。冲角：△β=10°～20°，按型线变化情况调整叶片数：z=3～5枚，可用长短叶片4）.叶片绘型：因为全扬程主要用于低比转速，所以大多数采用圆柱叶片，也可以采用进口部分扭曲的扭曲叶片，能采用方格网保角变换方法或扭曲三角形法等进行叶片绘型。如果进出口变化规律，用逐点计算法，对于圆柱形叶片，可以用变角对数螺旋线：r=r1在选定叶片出口角β2和叶片包角φ之后，用上式。给定不同的轴面角θ求出相应的半径r5）.压水室和导叶的设计与普通泵相同，全扬程泵叶片出口角小，叶轮出口速度v2较小，压水室的第8断面和导叶喉部面积比普通泵适当增加（约1.36）.验算功率最大时流量：Q'7）.验算最大轴功率：P10.柴油机消防泵总结1）柴油机基本参数对照表型号功