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題目 離心泵的設(shè)計(jì)及其密封
摘要：在當(dāng)今社會(huì)離心泵的應(yīng)用是很廣泛的,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門要用到它。在供給系統(tǒng)中幾乎是不可缺少的一種設(shè)備。在泵的實(shí)際應(yīng)用中損耗嚴(yán)重，特別是化工用泵在實(shí)際應(yīng)用中損耗，主要是軸封部分，在輸送過(guò)程中由于密封不當(dāng)而出現(xiàn)泄漏造成重大損失和事故。軸封有填料密封和機(jī)械密封。填料密封使用周期短，損耗高，效率低。本設(shè)計(jì)使用機(jī)械密封。主要以自己設(shè)計(jì)的離心泵為基礎(chǔ)，對(duì)泵的密封進(jìn)行改進(jìn)，以減少損耗，提高離心泵壽命。本設(shè)計(jì)其主要工作內(nèi)容如下，自己設(shè)計(jì)一臺(tái)揚(yáng)程為40m，流量為100m/h的離心泵。電機(jī)功率為7.5kw，轉(zhuǎn)速為2900r/min，.在0—80C工作環(huán)境下輸送帶雜質(zhì)液體的離心泵的機(jī)械密封。
關(guān)鍵詞： 泵 填料密封 離心泵 機(jī)械密封
Centrifugal pump design and sealing
Abstract: In today's society, the centrifugal pump is applied widely in the national economy, many departments should use it. In the supply system is almost an indispensable equipment. The practical application in pump industry, especially with serious loss in actual application of pump shaft seals, mainly is loss in the process of conveying, due to improper seal leakage caused heavy losses and accidents. Shaft seals have packing seal and mechanical seal. Packing seal use short cycle, the loss is high. Efficiency is low. This design USES mechanical seal. Mainly in their design based on centrifugal pump, and the improved seal pump, in order to reduce loss, improve the centrifugal pump life. This design is the main content of work, design a head for 40 MB, flow 100m/h of centrifugal pump. Electric power is 7.5 kw, speed for 2900r/min, the 0-80 C work environment impurity liquid conveyer belt of centrifugal pump mechanical seal.
Keywords: pump packing seal centrifugal pump mechanical seal
二 離心泵的工作原理以及方案選擇
2.1 離心泵的工作原理
離心泵工作前，先將泵內(nèi)充滿液體，然后啟動(dòng)離心泵，葉輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪的葉片驅(qū)使液體轉(zhuǎn)動(dòng)，液體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)依靠慣性向葉輪外緣流去，同時(shí)葉輪從吸入室吸進(jìn)液體，在這一過(guò)程中，葉輪中的液體繞流葉片，在繞流運(yùn)動(dòng)中液體作用一升力于葉片，反過(guò)來(lái)葉片以一個(gè)與此升力大小相等、方向相反的力作用于液體，這個(gè)力對(duì)液體做功，使液體得到能量而流出葉輪，這時(shí)候液體的動(dòng)能與壓能均增大。就可以達(dá)到效果。
離心泵依靠旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)液體的作用把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能傳遞給液體。由于離心泵的作用液體從葉輪進(jìn)口流向出口的過(guò)程中，其速度能和壓力能都得到增加，被葉輪排出的液體經(jīng)過(guò)壓出室，大部分速度能轉(zhuǎn)換成壓力能，然后沿排出管路輸送出去，這時(shí)，葉輪進(jìn)口處因液體的排出而形成真空或低壓，吸水池中的液體在液面壓力（大氣壓）的作用下，被壓入葉輪的進(jìn)口，于是，旋轉(zhuǎn)著的葉輪就連續(xù)不斷地吸入和排出液體。
2.2 密封方案選擇
離心泵的密封也叫軸封。它是旋轉(zhuǎn)軸和泵體之間的密封。分為機(jī)械密封和填料密封。
填料密封一般采用油浸石棉盤根或油浸棉紗盤根。他的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適用范圍廣。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)這樣的狀況：新修好的設(shè)備，開始運(yùn)行時(shí)軸封狀況良好，但用不了多久，泄漏量便不斷增加，調(diào)整壓蓋和更換填料的工作也逐漸頻繁，運(yùn)轉(zhuǎn)不到一個(gè)周期，軸套就已磨損成花瓶狀，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)軸套磨斷，并且水封環(huán)后面更換不到的盤根均已腐爛，無(wú)法起到密封作用。它的主要缺點(diǎn)是1、填料與軸直接接觸，且相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成軸與軸套的磨損，所以必須定期或不定期更換軸套。2、為了使填料與軸或軸套間產(chǎn)生的摩擦熱及時(shí)散掉，填料密封必須保持一定量的泄漏，而且不易控制。3、填料與軸或軸套間的摩擦，造成電機(jī)有效功率降低，消耗電能，有時(shí)甚至達(dá)到5％－10％的驚人比例。也就是說(shuō)：從填料密封的原理來(lái)看，流體在密封腔內(nèi)可泄漏的通道有三處：其一是流體穿透纖維材料造成泄漏；其二是從填料與填料箱體之間泄漏；其三是從填料與軸表面之間泄漏。
機(jī)械密封是靠一對(duì)或數(shù)對(duì)垂直于軸作相對(duì)滑動(dòng)的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力（或磁力）作用下保持貼合并配以輔助密封而達(dá)到阻漏的軸封裝置。
常用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)由靜止環(huán)（靜環(huán)）1、旋轉(zhuǎn)環(huán)（動(dòng)環(huán)）2、彈性元件3、彈簧座4、緊定螺釘5、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈6和靜止環(huán)輔助密封圈8等元件組成，防轉(zhuǎn)銷7固定在壓蓋9上以防止靜止環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)環(huán)和靜止環(huán)往往還可根據(jù)它們是否具有軸向補(bǔ)償能力而稱為補(bǔ)償環(huán)或非補(bǔ)償還。
相對(duì)于填料密封，機(jī)械密封的優(yōu)點(diǎn)是：
1密封可靠在長(zhǎng)周期的運(yùn)行中，密封狀態(tài)很穩(wěn)定，泄漏量很小，按粗略統(tǒng)計(jì)，其泄漏量一般僅為軟填料密封的1/100；
2使用壽命長(zhǎng)在油、水類介質(zhì)中一般可達(dá)1～2年或更長(zhǎng)時(shí)間，在化工介質(zhì)中通常也能達(dá)半年以上；
3摩擦功率消耗小機(jī)械密封的摩擦功率僅為軟填料密封的10%～50%；
4軸或軸套基本上不受摩損；
5維修周期長(zhǎng)端面磨損后可自動(dòng)補(bǔ)償，一般情況下，毋需經(jīng)常性的維修；
6抗振性好 對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)、偏擺以及軸對(duì)密封腔的偏斜不敏感；
7適用范圍廣機(jī)械密封能用于低溫、高溫、真空、高壓、不同轉(zhuǎn)速，以及各種腐蝕性介質(zhì)和含磨粒介質(zhì)等的密封。
8對(duì)現(xiàn)今許多工廠的“零泄漏”需要，填料無(wú)法達(dá)到此要求；根本適應(yīng)范圍廣，隨意性更大，但對(duì)于在工廠，經(jīng)常更換或維護(hù)將對(duì)工廠造成很大損失。
但是機(jī)械密封由于零件相對(duì)較多，所以結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)制造加工要求高，并且安裝與更換比較麻煩，并要求工人有一定的安裝技術(shù)水平。發(fā)生偶然性事故時(shí)，處理較困難。還有機(jī)械密封的一次性投資高，必須考慮成本問(wèn)題。
綜合二種密封方式，考慮本設(shè)計(jì)中輸送的化學(xué)液體，并可能帶有腐蝕性，一旦泄漏會(huì)出重大事故。必須選擇密封性能好的方式。故本設(shè)計(jì)采用機(jī)械密封。要求計(jì)算出機(jī)械密封的各種力和端面比壓。
三 離心泵的設(shè)計(jì)
3.1 離心泵的基本原理
泵是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體能量的機(jī)器。泵用來(lái)增加液體的位能、壓能、動(dòng)能.原動(dòng)機(jī)通過(guò)泵軸帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),對(duì)液體做功,使其能量增加,從而使需要數(shù)量的液體,使液體經(jīng)泵的過(guò)流部件輸送到要求的高度或要求壓力的地方。
如下圖1-1所示,是簡(jiǎn)單的離心泵裝置。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),將水從A處吸入泵內(nèi),排送到B處。泵中起主導(dǎo)作用的是葉輪,葉輪中的葉片強(qiáng)迫液體旋轉(zhuǎn),液體在離心力作用下向四周甩出。這種情況和轉(zhuǎn)動(dòng)的雨傘上的水滴向四周甩出去的道理一樣。泵內(nèi)的液體甩出去后,新的液體在大氣壓力下進(jìn)入泵內(nèi),如此連續(xù)不斷地從A處向B處供水。泵在開動(dòng)前,應(yīng)先灌滿水。如不灌滿水,葉輪只能帶動(dòng)空氣旋轉(zhuǎn),因空氣的單位體積的質(zhì)量很小,產(chǎn)生的離心力甚小,無(wú)力把泵內(nèi)和排水管路中的空氣排出,不能在泵內(nèi)造成一定的真空,水也就吸不上來(lái)。泵的底閥是為灌水用的,泵出口側(cè)的調(diào)節(jié)閥是用來(lái)調(diào)節(jié)流量的。如圖3-1
圖3-1
3.2 泵汽蝕余量的計(jì)算方法
汽蝕余量對(duì)于泵的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和使用都是十分重要的汽蝕基本參數(shù)。設(shè)計(jì)泵時(shí)根據(jù)對(duì)汽蝕性能的要求設(shè)計(jì)泵,如果用戶給定了具體的使用條件,則設(shè)計(jì)泵的汽蝕余量必須小于按使用條件確定的裝置汽蝕余量。欲提高泵的汽蝕性能,應(yīng)盡量減小。泵試驗(yàn)時(shí),通過(guò)汽蝕試驗(yàn)驗(yàn)證,這是確定唯一可靠的方法。它一方面可以驗(yàn)證泵是否達(dá)到設(shè)計(jì)的值。另一方面,考慮一個(gè)安全余量,得到許用汽蝕余量[],作為用戶確定幾何安裝高度的依據(jù).可見,正確地理解和確定汽蝕余量是十分重要的。
為了深入理解汽蝕的概念,應(yīng)區(qū)分以下幾種汽蝕余量：
1.——裝置汽蝕余量又叫有效的汽蝕余量。是由吸入裝置提供的,越大泵越不容易發(fā)生汽蝕。
2.——泵汽蝕余量又叫必需的汽蝕余量,是規(guī)定泵要達(dá)到的汽蝕性能參數(shù), 越小,泵的抗汽蝕性能越好。
3.——試驗(yàn)汽蝕余量,是汽蝕試驗(yàn)時(shí)算出的值, 試驗(yàn)汽蝕余量有任意多個(gè),但對(duì)應(yīng)泵性能下降一定值的試驗(yàn)汽蝕余量只有一個(gè),稱為臨界汽蝕余量,用表示。
4.——許用汽蝕余量,這是確定泵使用條件(如安裝高度)用的汽蝕余量,它應(yīng)大于臨界汽蝕余量,以保證泵運(yùn)行時(shí)不發(fā)生汽蝕,通常取=或=+k, k是安全值。
這些汽蝕余量有如下關(guān)系:
泵汽蝕余量的計(jì)算:
式中: ——托馬汽蝕系數(shù)；
——泵最高效率點(diǎn)下的泵單級(jí)揚(yáng)程；
——最高效率點(diǎn)下的泵汽蝕余量。
根據(jù)【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)》關(guān)醒凡編著，宇航出版社?！?查圖4-7
取=0.075
所以=0.03540=3
3.3 泵的基本參數(shù)的確定
1 確定泵的進(jìn)口直徑
泵進(jìn)口直徑也叫泵吸入口徑,是指泵吸入法蘭處管的內(nèi)徑.吸入口徑由合理的進(jìn)口流速確定。泵的進(jìn)口流速一般為3m/s左右，從制造經(jīng)濟(jì)行考慮，大型泵的流速取大些，以減小泵體積，提高過(guò)流能力。從提高抗汽蝕性能考慮，應(yīng)取較大的進(jìn)口直徑，以減小流速。常用的泵吸入口徑，流量和流速的關(guān)系如圖所示。對(duì)抗汽蝕性能要求高的泵，在吸入口徑小于250mm時(shí)，可取吸入口徑流速，在吸入口徑大于250mm時(shí)，可取。選定吸入流速后，按下式確定,在該設(shè)計(jì)中，此泵為單吸離心泵。
吸入口徑（mm）
40
50
65
80
100
150
200
250
單
級(jí)
泵
流速（m/s）
1.375
1.77
2.1
2.76
3.53
2.83
2.65
2.83
流量（m3/h）
6.25
12.5
25
50
100
180
300
500
表3-1
注：此表取自【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)》關(guān)醒凡編著，宇航出版社?！?
取吸入口流速V=3.2m/h，代入公式得：
取泵的吸入口徑為125mm。
2. 確定泵的出口直徑
泵出口直徑也叫泵排出口徑，是指泵排出法蘭處管的的內(nèi)徑。對(duì)于低揚(yáng)程泵，排出口徑可與吸入口徑相同；對(duì)于高揚(yáng)程泵，為減小泵的體積和排出管路直徑，可取排出口徑小于吸入口徑，一般取
式中：R——泵的排出口徑
R——泵的吸入口徑
根據(jù)該泵的特性，由于該泵的流量大，考慮排水管路的經(jīng)濟(jì)性
取
3. 泵轉(zhuǎn)速的確定
確定泵轉(zhuǎn)速應(yīng)考慮以下因素：
(1).泵的轉(zhuǎn)速越高，泵的體積越小，重量越輕，據(jù)此應(yīng)選擇盡量高的轉(zhuǎn)速；
(2).轉(zhuǎn)速和比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，而比轉(zhuǎn)數(shù)和效率有關(guān)，所以轉(zhuǎn)速應(yīng)該和比轉(zhuǎn)數(shù)結(jié)合起來(lái)確定；
(3).確定轉(zhuǎn)速應(yīng)考慮原動(dòng)機(jī)的種類（電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)等）和傳動(dòng)裝置（皮帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、液力偶合器傳動(dòng)等）；
(4).轉(zhuǎn)速增高，過(guò)流部件的磨損加快，機(jī)組的振動(dòng)、噪聲變大；
(5).提高泵的轉(zhuǎn)速受到汽蝕條件的限制，從汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)公式
式中： ——泵的轉(zhuǎn)速（r/min）
——泵流量（m3/s）
可知：轉(zhuǎn)速和汽蝕基本參數(shù)及有確定的關(guān)系，如得不到滿足，將發(fā)生汽蝕。對(duì)既定得泵汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)值為定值，轉(zhuǎn)速增加，流量增加，則增加，當(dāng)該值大于裝置汽蝕余量時(shí)，泵將發(fā)生汽蝕。
選 ,.=3，
則
根據(jù)汽蝕要求，泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)小于，而實(shí)際轉(zhuǎn)速為
4. 軸功率和原動(dòng)機(jī)功率的確定
泵的軸功率
原動(dòng)機(jī)功率
式中: ——余量系數(shù) 查【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)》關(guān)醒凡編著】 表7-10
取=1.1(原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī))
——傳動(dòng)效率 查【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)》關(guān)醒凡編著】 表7-11
取(直聯(lián))
所以選擇7.5Kw的電動(dòng)機(jī)可滿足要求,查【《機(jī)械零件手冊(cè)》吳宗澤主編】選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為Y132S2-2
3.4 壓出室和吸入室的設(shè)計(jì)
1. 壓出室的水力設(shè)計(jì)
壓出室的作用在于：
1將葉片中流出的液體收集起來(lái)并送往下一級(jí)葉輪或管路系統(tǒng)。
2.降低液體的流速，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能到壓能的轉(zhuǎn)化，并可減小液體流往下一級(jí)葉輪或管路系統(tǒng)的損失。
3.消除液體流出葉輪后的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以避免由于這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的水力損失。
本設(shè)計(jì)采用的壓出室是蝸形體，即螺旋形渦室。
2. 吸入室的水力設(shè)計(jì)
(1) 吸入室的作用
吸入室是指泵的吸入法蘭到葉輪入口前泵體的過(guò)流部分，吸入室的作用是將吸入管中的液體以最小的損失均勻地引向葉輪。
吸入室中的水力損失要比壓出室的水力損失小的多，因此，與壓出室相比，吸入室的重要性要小的多，盡管如此，吸入室仍是水泵不可缺少的部件，它直接影響著葉輪的效率和泵的汽蝕性能。
(2) 吸入室的分類
吸入室有以下四類：直錐形吸入室、環(huán)形吸入室、半螺旋形吸入室、單吸泵螺旋形吸入室
直錐形吸入室常用于單級(jí)懸臂式泵中，它能保證液流逐漸加速而均勻地進(jìn)入葉輪。
環(huán)形吸入室又叫同心吸入室，在接近入口處設(shè)有許多導(dǎo)向徑，以防止液體在其中打轉(zhuǎn)而產(chǎn)生預(yù)旋，常用于雜質(zhì)泵和多級(jí)泵。
半螺旋形吸入室主要用于單級(jí)泵中和水平式開式泵等,能保證在葉輪進(jìn)口得到均勻的速度場(chǎng)。
本次設(shè)計(jì)泵采用單吸泵螺旋形吸入室。這種結(jié)構(gòu)的吸入室性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，液體在單吸泵螺旋形吸入室內(nèi)流動(dòng)速度遞增，使液體在葉輪進(jìn)口能得到均勻的速度，液體在雙吸泵螺旋形吸入室水力損失很小，汽蝕性能也比較好。
3.5 軸的設(shè)計(jì)
離心泵軸的設(shè)計(jì)為空心軸和電機(jī)軸用聯(lián)軸器直接相聯(lián)。為了保證這根軸符合要求,我們最后按外伸梁方法分析計(jì)算。
1 扭矩的計(jì)算
式中: ——扭矩()
——計(jì)算功率 取
2 泵軸直徑的初步計(jì)算
式中: ——材料的許用切應(yīng)力() 查【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)》關(guān)醒凡編著】 表7-12取
值的大小決定軸的粗細(xì),軸細(xì)可以節(jié)省材料,提高葉輪水力和汽蝕性能;軸粗能增強(qiáng)泵的剛度,提高運(yùn)行可靠性.故泵軸的最小軸徑取,泵軸的最大尺寸取
3 軸的強(qiáng)度計(jì)算
（1）葉輪所受徑向力的計(jì)算
()
式中: ——泵揚(yáng)程
——葉輪外徑
——包括蓋板的葉輪出口寬度()
——試驗(yàn)系數(shù) 查【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)》關(guān)醒凡編著】
圖17-30取
則
（2）葉輪所受徑向不平衡離心力的計(jì)算
(N)
式中: ——最大半徑處的殘余不平衡質(zhì)量(g)取
——葉輪的最大半徑()
則
（3）水平總的受力:
垂直總的受力:
（4）計(jì)算水平面支承反力
（5）計(jì)算垂直面支承反力
（6）計(jì)算水平面C和D處的彎矩(考慮到C和D處可能是危險(xiǎn)截面)
（7）計(jì)算垂直面C處和D處的彎矩
（8）計(jì)算合成彎矩
C點(diǎn)合成彎矩：
D點(diǎn)合成彎矩：
（9）計(jì)算C和D處當(dāng)量彎矩
查【《機(jī)械設(shè)計(jì)》吳宗澤主編】表2-7 由插入法得
（10）校核軸的強(qiáng)度
根據(jù)彎矩大小及軸的直徑選定C和D兩截面進(jìn)行強(qiáng)度校核，由【《機(jī)械設(shè)計(jì)》吳宗澤主編】表2-5，當(dāng)45鋼，按表2-7用插值法得
C截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力：
（因C截面有鍵槽，考慮對(duì)軸強(qiáng)度削弱影響，故d乘以0.95）
D截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力：
因此：C和D兩截面均安全
（11）校核軸徑
在葉輪中心截面處：
在電動(dòng)機(jī)第一軸承處：
在電動(dòng)機(jī)中間截面處：
軸的受力分析如下
圖3-2
4 軸的強(qiáng)度校核
軸的校核
（1）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取==18.6Mpa；
查表《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-1查得[]=60Mpa;因此＜[]，故安全。（2）精確校核軸的疲勞強(qiáng)度
S=S*S/≥S
S=/K*+*≥S
截面Ⅲ
抗彎截面系數(shù) W=0.1d=0.1*55=16637mm
抗扭截面系數(shù) W=0.2 d=0.2*55=33250 mm
截面Ⅲ的左側(cè)的彎矩M為
M=166758*(71-36)/71=92534N.m?
截面Ⅲ上的扭矩T為
T=960000N.m
截面上的彎曲應(yīng)力
=M/W=92534/16637=5.6Mpa
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
=T/ W=960000/33250=28..2Mpa
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表15-1查=640Mpa；=275Mpa；=155Mpa；
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及按表查取，因r/d=2.0/55=0.036,D/d=60/55=1.09;經(jīng)插值得
， =1.31
軸按磨削加工，得表面質(zhì)量系數(shù)為
==0.92
軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即=1，得
K=2.80 K=1.62
計(jì)算安全系數(shù)S值，
S=S*S/=9.5＞＞S=1.5
故可知其安全。
3.6 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要尺寸計(jì)算
1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
葉輪是離心泵傳遞能量的主要部件，通過(guò)它把電能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能和動(dòng)能，因此，要求葉輪具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和完好的葉片形狀，在材料上，除了考慮介質(zhì)腐蝕，磨損外，由于它是旋轉(zhuǎn)部件，故還應(yīng)考慮離心力作用下的強(qiáng)度。
通常，用于葉輪的材料有鑄鐵，青銅鑄件，不銹鋼，鉻鋼等。當(dāng)葉輪圓周速度超過(guò)30m/s，考慮鑄鐵強(qiáng)度不能承受這樣大的離心力的作用，則需改用青銅作材料，由于本設(shè)計(jì)泵屬于中小型泵，其圓周速度遠(yuǎn)小于30m/s，在考慮到材料來(lái)源的難易，鑄造上的方便與否，同時(shí)考慮到泵的效率和抗汽蝕性能的要求，故選灰口鑄鐵，雖然它的強(qiáng)度不高，但它的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，易于熔化，澆鑄性能好，冷凝的收縮性小，而且，其切削性能好，便于加工，減振性好，可以減輕由于水力沖擊造成的振動(dòng)，而HT200又是在灰口鑄鐵中這些性能更為突出的，所以，本設(shè)計(jì)中葉輪的材料選用HT200作為原材料，熱處理采用退火，許用應(yīng)力為[&]25-35MP
2 葉輪結(jié)構(gòu)型式的確定
本設(shè)計(jì)選用半閉式葉輪。閉式葉輪由前蓋板，后蓋板，葉片和輪轂組成，半閉式葉輪多用于雜質(zhì)泵。
葉輪主要尺寸的確定有三種方法：相似換算法、速度系數(shù)法、葉輪外徑或葉片出口角的理論計(jì)算。
葉輪采用速度系數(shù)法設(shè)計(jì)，速度系數(shù)法是建立在一系列相似泵基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)，利用統(tǒng)計(jì)系數(shù)計(jì)算過(guò)流部件的個(gè)部分尺寸。
圖3-3
3 葉輪輪轂直徑的計(jì)算
葉輪輪轂直徑必須保證軸孔在開鍵槽之后有一定的厚度，使輪轂具有足夠的強(qiáng)度，通常，在滿足輪轂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下，盡量減小，則有利于改善流動(dòng)條件。
取
軸直徑
根據(jù)葉輪輪轂直徑應(yīng)取1.2～1.4倍的軸直徑，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，取葉輪所在的軸的直徑為35，所以。取
4 葉輪進(jìn)口直徑的計(jì)算
因?yàn)橛械娜~輪有輪轂（穿軸葉輪），有的葉輪沒(méi)有輪轂（懸臂式葉輪），為從研究問(wèn)題中排除輪轂的影響，即考慮一般情況，引入葉輪進(jìn)口當(dāng)量直徑的概念。以為直徑的圓面積等于葉輪進(jìn)口去掉輪轂的有效面積，即。按下式確定
式中：——泵流量（m3/s）對(duì)雙吸泵?。?
——泵轉(zhuǎn)速（）
——系數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料選取
主要考慮效率
兼顧效率和汽蝕
主要考慮汽蝕
取
5 葉輪外徑的計(jì)算
取
6 葉輪出口寬度的計(jì)算
因?yàn)閮蓚€(gè)葉輪設(shè)計(jì)在一起，所以葉輪出口寬度
7 葉片數(shù)的計(jì)算和選擇
葉片數(shù)對(duì)泵的揚(yáng)程、效率、汽蝕性能都有一定的影響。選擇葉片數(shù)，一方面考慮盡量減小葉片的排擠和表面的摩擦；另一方面又要使葉道有足夠的長(zhǎng)度，以保證液流的穩(wěn)定性和葉片對(duì)液體的充分作用。
葉輪葉片數(shù)：
對(duì)于低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵葉輪，，
則
式中： ——葉輪進(jìn)口直徑
——葉片進(jìn)口直徑
——葉輪外徑
——葉片進(jìn)口角 取
——葉片出口角 取
低比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪取大值
通常采用葉片數(shù)，取該葉輪葉片數(shù)為6
8 精算葉輪外徑
（1）.葉片出口排擠系數(shù)
（2）.出口軸面速度
（3）.出口圓周速度
（4）.葉輪外徑
與假定值接近，不再進(jìn)行計(jì)算
9 葉輪出口速度
（1）.出口軸面速度（由上述計(jì)算得）
（2）. 出口圓周速度
（3）. 出口圓周分速度
（4）. 無(wú)窮葉片數(shù)出口圓周分速度
10 葉輪進(jìn)口速度
（1）.葉輪進(jìn)口圓周速度
進(jìn)口分點(diǎn)半徑為
式中: ——所分的流道數(shù)
——從軸線側(cè)算起欲求的流線序號(hào)如圖所示,中間的流線序號(hào)為,所分的流道
圖3-4
則:
（2）.葉片進(jìn)口軸面液流過(guò)水?dāng)嗝婷娣e
（3）.C流線處葉片進(jìn)口角(假定)
（4）.校核
由軸面投影圖假設(shè),與假設(shè)相近.
11 葉輪強(qiáng)度計(jì)算
(1） 蓋板強(qiáng)度計(jì)算
蓋板中的應(yīng)力主要由離心力造成的，半徑越小的地方應(yīng)力越大，葉輪簡(jiǎn)圖如下：
圖3-5
葉輪外徑：
材料密度：
葉輪簡(jiǎn)圖：
葉輪出口圓周速度的值按下式計(jì)算：
式中：——出口圓周速度系數(shù) 根據(jù)比轉(zhuǎn)數(shù)查《葉片泵設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖5-3得
按等強(qiáng)度設(shè)計(jì)蓋板，蓋板任意直徑處的厚度按下式計(jì)算
式中：——材料密度（）
——許用應(yīng)力 對(duì)鋼，對(duì)鑄鐵
——材料的屈服強(qiáng)度
——材料的抗拉強(qiáng)度
該蓋板符合要求
(2) 葉片厚度計(jì)算
根據(jù)葉片工作面和背面的壓力差，可近似得出下面計(jì)算葉片厚度的公式：
式中：——泵的揚(yáng)程
——葉片數(shù)
——葉輪外徑
A——系數(shù)，與比轉(zhuǎn)數(shù)和材料有關(guān)，查【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)》關(guān)醒凡編著，宇航出版社?！勘?9-9取A=3.1
根據(jù)實(shí)際情況和鑄造工藝要求取為合適。
（3) 輪轂強(qiáng)度計(jì)算
熱裝葉輪輪轂和軸配合的選擇
對(duì)一般離心泵，葉輪和軸是間隙配合，但鍋爐給水水泵等有時(shí)采用過(guò)盈配合，為了使輪轂和軸的配合不松動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)離心力產(chǎn)生的變形應(yīng)小于軸與輪轂配合的最小公盈。離心力在輪轂中產(chǎn)生的應(yīng)力亦可用下式計(jì)算，即
軸與輪轂的配合：孔 軸
最大間隙：
最小間隙：
式中：——輪轂平均直徑
——材料的彈性模量
輪轂強(qiáng)度計(jì)算
輪轂中的應(yīng)力為裝配應(yīng)力（有過(guò)盈時(shí)）和停泵后輪轂和軸心溫差應(yīng)力之和
溫差應(yīng)力：
安全系數(shù)：
3.7 泵體和鍵的強(qiáng)度計(jì)算
1 泵體強(qiáng)度計(jì)算
(1)殼體壁厚
因渦殼幾何形狀復(fù)雜,且受力不均,故難以精確計(jì)算,下面可以用來(lái)估計(jì)壁厚
式中: ——泵揚(yáng)程(m)
——泵流量()
——許用應(yīng)力(Pa) (鑄鐵)
——當(dāng)量壁厚,按下式計(jì)算
則
(2)強(qiáng)度校核
用魯吉斯方法進(jìn)行校核,本方法假定最大應(yīng)力發(fā)生在尺寸最大的軸面上,角度為處
圖3-6
軸面應(yīng)力
圓周應(yīng)力
徑向應(yīng)力
（符合條件）
軸向變形
2 鍵的強(qiáng)度校核
（1）葉輪與軸相連處的鍵
圖3-7
葉輪鍵尺寸：
軸徑：
扭矩：
工作面的擠壓應(yīng)力：
a—a斷面的剪切應(yīng)力：
則該鍵符合要求。
（2）電動(dòng)機(jī)軸與葉輪軸相連處的鍵
圖3-8
鍵尺寸：
軸徑：
扭矩：
工作面的擠壓應(yīng)力：
a—a斷面的剪切應(yīng)力：
則該鍵符合要求。
四 離心泵的密封設(shè)計(jì)及其計(jì)算
4.1 密封的介紹
旋轉(zhuǎn)的泵軸和固定的泵體間的密封簡(jiǎn)稱軸封，我在本設(shè)計(jì)中用的是機(jī)械密封。在次泵的設(shè)計(jì)中，機(jī)械密封的作用主要是防止高壓液體從泵中漏出和防止空氣進(jìn)入泵內(nèi)。盡管機(jī)械密封在離心泵中所占的位置不大，但泵是否能正常運(yùn)行，卻和機(jī)械密封密切相關(guān)。
機(jī)械密封是靠一對(duì)或數(shù)對(duì)垂直于軸作相對(duì)滑動(dòng)的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力（或磁力）作用下保持貼合并配以輔助密封而達(dá)到阻漏的軸封裝置。
常用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)由靜止環(huán)（靜環(huán)）1、旋轉(zhuǎn)環(huán)（動(dòng)環(huán)）2、彈性元件3、彈簧座4、緊定螺釘5、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈6和靜止環(huán)輔助密封圈8等元件組成，防轉(zhuǎn)銷7固定在壓蓋9上以防止靜止環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)環(huán)和靜止環(huán)往往還可根據(jù)它們是否具有軸向補(bǔ)償能力而稱為補(bǔ)償環(huán)或非補(bǔ)償還。
機(jī)械密封中流體可能泄漏的途徑有A、B、C、D四個(gè)通道。C、D泄漏通道分別是靜止環(huán)與壓蓋、壓蓋與殼體之間的密封，二者均屬靜密封。B通道是旋轉(zhuǎn)環(huán)與軸之間的密封，當(dāng)端面摩擦磨損后，它僅僅能追隨補(bǔ)償環(huán)沿軸向作微量的移動(dòng)，實(shí)際上仍然是一個(gè)相對(duì)靜密封。因此，這些泄漏通道相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易封堵。靜密封元件最常用的有橡膠O形圈或聚四氟乙烯V形圈，而作為補(bǔ)償環(huán)的旋轉(zhuǎn)環(huán)或靜止環(huán)輔助密封，有時(shí)采用兼?zhèn)鋸椥栽δ艿南鹉z、聚四氟乙烯或金屬波紋管的結(jié)構(gòu)。A通道則是旋轉(zhuǎn)環(huán)與靜止環(huán)的端面彼此貼合作相對(duì)滑動(dòng)的動(dòng)密封，它是機(jī)械密封裝置中的主密封，也是決定機(jī)械密封性能和壽命的關(guān)鍵。因此，對(duì)密封端面的加工要求很高，同時(shí)為了使密封端面間保持必要的潤(rùn)滑液膜，必須嚴(yán)格腔制端面上的單位面積壓力，壓力過(guò)大，不易形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑液膜，會(huì)加速端面的磨損；壓力過(guò)小，泄漏量增加。所以，要獲得良好的密封性能又有足夠壽命，在設(shè)計(jì)和安裝機(jī)械密封時(shí)，一定要保證端面單位面積壓力值在最適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)。
由于是單機(jī)單吸離心泵，可采用單端面外裝式平衡型密封?；緢D4-1如下；
1-密封墊 2-靜止環(huán) 3-旋轉(zhuǎn)環(huán) 4-密封圈 5-推環(huán) 6-彈簧
7-彈簧座 8-緊定螺釘
圖4-1
一些基本數(shù)據(jù)
d——軸徑，mm；
D——密封環(huán)接觸端面內(nèi)徑，mm；
D——密封環(huán)接觸端面外徑，mm；
P——密封腔介質(zhì)壓力，Mpa；
P——彈簧比壓，Mpa；
4.2 端面比壓的計(jì)算
1， 密封環(huán)接觸端面平均壓力p/Mpa
P=
P=2.8Mpa =0.5
p=0.52.8=1.4Mpa
2密封環(huán)接觸端面液膜推開力R/N
R=(D-D)P
D=69mm D=58mm
R=（69-58）=1535.3N
3 總的彈簧力F/N
F=(D-D)P
P=0.3Mpa
F=（69-58）0.3=329N
4 密封腔內(nèi)介質(zhì)作用力F/N
F= ( D- d) P
d=35mm
F= (69-35)2=5551.5N
5 動(dòng)環(huán)所受的合力F/N
F= F+ F-R
=329+5551.5-1535.3=4345.2N
6端面比壓p/Mpa
=4F/() =P+P(K-)
K=0.6
P=0.3+2.8(0.6-0.5)=0.58Mpa
7 校核Pv值
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 潤(rùn)滑與密封》表10-3-27可知；
Pv（Pv）
故符合要求。
結(jié)論
離心泵的機(jī)械密封設(shè)計(jì)完成了，通過(guò)為時(shí)兩個(gè)月的設(shè)計(jì)，將我四年所學(xué)的知識(shí)做了一次大的串聯(lián)，使我逐漸把一些分散的知識(shí)點(diǎn)結(jié)合成了一個(gè)整體。
通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)離心泵的基本工作原理、設(shè)計(jì)步驟的關(guān)鍵環(huán)節(jié)以及機(jī)械密封的各種知識(shí)等有了一個(gè)詳細(xì)的認(rèn)識(shí)，了解了它的設(shè)計(jì)過(guò)程，學(xué)會(huì)了查閱相關(guān)資料和各種設(shè)計(jì)手冊(cè)，翻閱理論課程書。
機(jī)械設(shè)計(jì)是需要細(xì)心和耐心的一項(xiàng)工作，要求設(shè)計(jì)人員能夠在設(shè)計(jì)的過(guò)程中有條理，一絲不茍，并且要有一定的耐心來(lái)培養(yǎng)自己做設(shè)計(jì)的信心，這樣才能有利于設(shè)計(jì)，切不可在設(shè)計(jì)過(guò)程中有半點(diǎn)的煩躁心理，否則便會(huì)事倍功半。
通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我明白了我們無(wú)論做什么事情都要使自己有濃厚的興趣，以嚴(yán)謹(jǐn)持之以恒的態(tài)度來(lái)面對(duì)，這樣才能把一件事情做好。
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