【正文】 BFRrB??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? 第一斷面： 182 23 3 1131 37284 27 27 4 372 125 1382 2 FFb b BFRrB??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? 19 5 離心泵徑向力、軸向力的平衡及平衡裝置的設(shè)計(jì) 離心泵徑向力的平衡及平衡裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算 泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)子上作用著軸向力，該力將拉動(dòng)轉(zhuǎn)子軸向移動(dòng)。 目前，可在泵結(jié)構(gòu)上依水力發(fā)平衡徑向力，把壓水室流道數(shù)目增加到兩個(gè)，讓每個(gè)流道包 圍葉輪出口 180 度 ，可使徑向力對(duì)稱。 徑向力的計(jì)算 當(dāng)葉輪和蝸室協(xié)調(diào)工作的條件 — 流量發(fā)生變化時(shí)，及泵在大流量或小流量下工作時(shí)，葉輪和蝸室協(xié)調(diào)一致就遭到破壞，在葉輪周圍流體和壓力分布變得不均勻便形成了作用在 葉輪上的徑向力。下圖為一般單吸葉輪兩側(cè)的壓力分布情況。作用在右側(cè)的仍是按拋物線分布的壓力，因此兩側(cè)壓差 abcd 乘相應(yīng)的面積就是作用在葉輪上的軸向力，軸向力大小可按下式計(jì)算： 221 ()i w hF K H r r???? 式中： 1F 作用在葉輪上的軸向力（公斤）； 21 iH 單級(jí)揚(yáng)程泵（米 .）； ? 液體重度（公斤 /米 3 ）； wr 葉輪密封環(huán)半徑（米）； hr 葉輪輪轂半徑（米）； K實(shí)驗(yàn)系數(shù)，與比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，當(dāng) 40 ~ 200sn ? 時(shí) ~ ? 。為了減小軸的軸向負(fù)載和摩擦，除了小型單級(jí)泵和滾珠軸承承受軸向力之外，一般都設(shè)法采用液壓或機(jī)械的平衡措施。 （ 2） 開(kāi)平衡孔或裝平衡管：在葉輪后蓋板和吸入口對(duì)應(yīng)的地方沿圓周開(kāi)幾個(gè)平衡孔，使該外流體能流進(jìn)葉輪入口，是葉輪 兩側(cè)液體達(dá)到平衡，同時(shí)在葉輪后蓋板和泵殼之間，添設(shè)口環(huán)，其直徑與前蓋板口環(huán)直徑相同，而且液體流經(jīng)平衡孔時(shí)存在壓力降，前后蓋板的壓力降不能完全消除，仍有 10%~15%的軸向力未能平衡，為了平衡軸向力靠軸承來(lái)平衡。 （ 3） 利用平衡葉片：在葉輪后蓋板的背面安 裝幾條徑向筋片，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，筋片強(qiáng)迫葉輪背面的液體加快旋轉(zhuǎn)，偏心力增大，使葉輪背面的液體的壓力顯著下降，從而葉輪兩側(cè)的壓力達(dá)到平衡。 由前知 min 35d mm d??（軸的結(jié)構(gòu)如圖 61） 圖 61 （ 2） 根據(jù)軸向定位的要求確定軸向各段的長(zhǎng)度和直徑 mmd 501 ? mml 1701 ? mmd 522 ? mml 232 ? mmd 553 ? mml 403 ? mmd 644 ? mml 2504 ? mmd 555 ? mml 205 ? mmd 536 ? mml 3806 ? mmd 487 ? mml 405 ? 其中 1d 處裝聯(lián)軸器， 2d 處裝軸承蓋和密封環(huán)， 3d 處裝軸承和圓螺母， 4d 處裝 甩油環(huán)， 5d 裝軸承和機(jī)械密封等零件， 6d 裝葉輪， 7d 裝葉輪端蓋螺母。 軸的校核 求軸上的載荷 先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。因?yàn)? 52rd ?? 6 42 52dd ?? ? ? ??? 軸材料的敏感系數(shù)： ? ?? 應(yīng)力集中系數(shù)按式： 1 ( 1 ) 1 ( 1 ) 8bkq?? ?? ? ? ? ? ? ? 1 ( 1 ) 1 2( 1 ) 6kq? ? ??? ? ? ? ? ? ? 所以查表的尺寸系數(shù) ??? 扭轉(zhuǎn)系數(shù) ??? 表面質(zhì)量系數(shù) ? ????? 則有綜合系數(shù)值： 1 1 . 4 8 11 3 . 9 1 2 . 90 . 8 3 0 . 4 8kK ??? ???? ? ? ? ? ? ? ? 1 1 . 1 6 11 3 . 9 1 2 . 40 . 9 0 . 4 8kK??????? ? ? ? ? ? ? ? 26 由于碳鋼的特性系數(shù)為： ?? ?? ??? ?? ?? 取 ?? ? 于是計(jì)算安全系數(shù) caS 值有： 11430 0260 amamS KS K???????? ? ??? ? ???? ? ?? ? ? ?? ? ??? ? ? 2 2 2 2. 6 2 . 4 3 . 3 2 0 5 . 9 2 0 5 . 9 3 . 36 2 . 53 8 9 3 . 7 6 1 0 . 8 96 2 . 4 3 . 3ca SSSsSS?????? ? ? ? ? ???? 所以安全。泵發(fā)生震動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速有好幾個(gè)，這些臨界轉(zhuǎn)速由低到高依次稱為第一臨界轉(zhuǎn)速 nc1,第二臨界轉(zhuǎn)速 nc2 等等。通常將單吸泵的軸設(shè)計(jì)成剛性軸，即泵的工作轉(zhuǎn)速低于泵的臨界轉(zhuǎn)度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，改變軸的長(zhǎng)度和葉輪、聯(lián) 軸器的集中質(zhì)量是不合適的。在泵的結(jié)構(gòu)中，這部分是指葉輪密封和軸封， 由于單級(jí)單吸泵一般設(shè)計(jì)成剛性軸，因此工作的重點(diǎn)應(yīng)放在利用泵軸的工作簡(jiǎn)圖確定這兩個(gè)頻率上。? ，在第一次近似計(jì)算中，可以利用下面關(guān)系： 11dd ??? 式中： d ， 1d 相應(yīng)于初始和改變后的直徑。一般來(lái)說(shuō)，剛性軸的工作轉(zhuǎn)速必須滿足下列關(guān)系： ( 5 ) n?? 如果用角頻率表示則為： 1( 0 .7 5 0 .8 ) ( 2 ,p p p pnn? ? ? ?? ? ? ?旋轉(zhuǎn)軸的工作頻率r/s) 在這取余量可以避免發(fā)生明顯的振幅，同時(shí)也考慮到計(jì)算簡(jiǎn)圖的不精確性。計(jì)算泵臨界轉(zhuǎn)速的目的就是為了使泵的工作轉(zhuǎn)速避開(kāi)臨界轉(zhuǎn)速，以免泵在工作時(shí)發(fā)生震動(dòng)。當(dāng)泵軸的轉(zhuǎn)速逐漸增加并接近泵轉(zhuǎn)子的固有振動(dòng)頻率時(shí)，泵就會(huì)猛烈的震動(dòng)起來(lái)，轉(zhuǎn)速高于或低于這一轉(zhuǎn)速時(shí)，泵就能平穩(wěn) 的工作，但轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個(gè)較高的數(shù)值時(shí)，泵又會(huì)重新出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象。 軸的計(jì)算應(yīng)力： 2 2 2 22( ) 2 8 9 . 2 ( 0 . 6 1 9 6 . 8 2 ) 4 8 . 80 . 1 5 2c a aMT MPW ?? ? ? ?? ? ?? 由于 40riGN ，調(diào)質(zhì)處理后 ? ?1 75 aMP?? ? 所以安全 。 1l 處用銑刀銑 87? 的裝聯(lián)軸器的鍵槽，6l 處用銑刀銑 108? 的裝葉輪的鍵槽。這是機(jī)械平衡法，對(duì)于小型泵，可用滾動(dòng)球軸承來(lái)承受軸向力。此法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但增加了內(nèi)部泄露。由于雙吸式葉輪兩側(cè)對(duì)稱所受壓力相等，故軸向力可以達(dá)到平衡，但由于鑄造上偏差和兩側(cè)口環(huán)磨損不同，仍有殘留不平衡軸向力存在，須由軸承來(lái)承受。離心泵啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子向后串，就是這個(gè)原因。 右側(cè)是在葉輪后蓋板上壓力分布情況，左側(cè)為在前蓋板上的壓力分布情況。 徑向力： ? ?223231( ) 0. 5200. 36 1 80 0. 03 0. 24 4 0. 95 101()200. 36 1 0. 25 80 0. 03 0. 24 4 0. 95 1015 0. 19 97p?? ???? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ?? 即 ： 1502p? （ N） （當(dāng) dQ =Q 時(shí)，徑向力等于零；當(dāng) Q =0 時(shí)，徑向力 maxp =2021（ N）） 離心泵中軸向力的平衡 及計(jì)算 軸向力的計(jì)算 離心泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在其轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個(gè)很大的作用力，由于此作用力的方向與離心泵轉(zhuǎn)軸的軸心線相平行，故稱軸向力。 采用雙蝸殼結(jié)構(gòu)，分隔筋把液流分為兩部分，這兩部分又重新在共同的擴(kuò)散管匯合，這種結(jié)構(gòu)不能保證完全消除徑向力，此外，雙蝸殼結(jié)構(gòu)是鑄造清砂比較困難，因此對(duì)于小尺寸的泵不宜使用。 雙吸葉輪由兩個(gè)軸向?qū)ΨQ的葉輪構(gòu)成，軸向力相互平衡，所以不存在軸向力，但是單吸葉輪不具備像 雙吸葉輪那樣的對(duì)稱性，由于作用在葉輪兩側(cè)的壓力不等，故有軸向力存在。根據(jù)設(shè)計(jì)取 3V =； H泵的 一級(jí)揚(yáng)程。紊流摩擦速度的分布趨向于平坦，因而近似計(jì)算對(duì)于低比轉(zhuǎn)速泵無(wú)顯著影響 。為此，需要確定螺旋壓水室入口寬度 3b ， 3 2 20 8360b b DFF? ?????與葉輪出口 2b 及葉輪出口直徑有關(guān)，加大入口寬度 3b 對(duì) 葉輪裝配有力，因?yàn)榧哟?3b ，可避免葉輪安裝時(shí)對(duì)壓水室軸線的過(guò)高精 15 度要求。擴(kuò)散角過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致邊界層內(nèi)液體脫離，增加水力損失。根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，選擇螺旋式壓水室，其有比較完善的過(guò)流行狀，其適應(yīng)性較廣，泵的高效區(qū)較寬。液體從葉輪中流出的速度是很大的，但液體 進(jìn)入下一級(jí)葉輪（或進(jìn)入壓水管道中）不要求其速度降到葉輪入口要求的速度，因此，在離心泵中壓水室要在水里損失最小的前提下完成以下任務(wù)：為在葉輪內(nèi)形成穩(wěn)定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件，必須保證液體在壓水室中的流動(dòng)是軸對(duì)稱的；把從葉輪流出的高速度的液體收集起來(lái)，并將液體的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成壓能，然后，輸送到壓水管路或輸送到下一級(jí)葉輪入口，而且能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中不能破壞液體在壓水室的軸對(duì)稱流動(dòng)；消除速度環(huán)流 。直錐式吸水室出口直徑與葉輪出口直徑相同，進(jìn)口流速則按經(jīng)濟(jì)流速?zèng)Q定 （ 3m/s 左右），并圓整取標(biāo)準(zhǔn)直徑，通常入口直徑比出口直徑大 7%~10%，有了進(jìn)口直徑，根據(jù)允許錐度（約 7~10 度范圍內(nèi)）可確定直錐形吸水室的軸向長(zhǎng)度。 按機(jī)構(gòu)分，吸 水室可分為：直錐形吸水室、變管形吸水室、環(huán)形吸水室、半螺旋吸水室。 （ 6） 連接半徑線 OD，作直線 OE，使 ∠ ODE= i? ，并與 AB 線交于 E 點(diǎn)； （ 7） 以 E 為圓心，以 EA 為半徑作弧，此弧必通過(guò) D 點(diǎn)； （ 8） 作半徑線 OF，使 ∠ DOF= i? + 1? ，并與 1D 圓交于點(diǎn) F； （ 9） 過(guò) D,F 作直線，并與 1D 圓交于另一點(diǎn) G。 葉輪外徑 D2的第一次精確計(jì)算 （ 1） 葉片出口 排擠系數(shù) 22222 7 3 2 51 1 ( ) 1 1 ( ) 0 . 9s in 2 5 3 s in 9 0 ooc tg c tgK t?? ?? ?? ? ? ? ? ? ?? 其中（ t 葉片節(jié)距）選 2 3mm? ? ，假定 2 90o?? （ 2） 理論揚(yáng)程 80 9 4 .1 1 80 .8 5t kHH n? ? ?m選 ? ? （ 3） 葉片修正系數(shù) 2 25( 0 .6 5 0 .8 5 ) ( 1 ) 0 .8 5 ( 1 ) 1 .28 0 8 0?? ? ? ? ? ? 2 2 2 2 2 221211 1 1( ) ( ) ( ) ( 1 2 6 . 5 5 0 ) 6 . 7 52 2 2 2 2DDS R R m m??? ? ? ? ? ? ????? (預(yù)先設(shè) 1 100D mm? ) 2 22 1 .2 0 .1 2 6 5 0 .4 0 6 47 0 .0 0 6 7 5DP ZS? ?? ? ?? 10 2R —— 葉輪葉片的出口半徑； Z—— 葉輪軸向投影中間流線的長(zhǎng)度對(duì)軸心的靜力矩。 葉片數(shù)的計(jì)算與選擇 葉片數(shù)對(duì)泵的揚(yáng)程、效率、汽蝕性能都有一定的影響。 322 253D QK nD ?? 式中： 1 22 9 .3 5 ( ) 9 .8 6100sD nK ??? 葉輪出口寬度 b2 的計(jì)算和選擇 322 15Db nbK?? 式中： 562 0 .6 4 ( ) 0 .5 8 6100sb nK ?? 8 確定葉輪入口寬度 b1 （ 1） 先確定葉輪入口速度 v0（ m/s） 00 2vv K gh? 式中：0vK—— 葉輪入口速度系數(shù)，一般取0vK= H—— 單級(jí)揚(yáng)程 0 0. 1 2 10 80 4 /v m s? ? ? ? （ 2） 確定葉片入口邊直徑 D1 在葉輪流道入口邊上取圓心，做流道的內(nèi)切圓，內(nèi)切圓圓心到軸心線距離的兩倍即為葉片邊直徑 D1。 7 葉輪進(jìn)口直徑 D0的計(jì)算 葉輪進(jìn) 口直徑又叫葉輪吸入眼直徑或叫葉輪徑部直徑。 NmnNMn ????? ? ? mmMnd 3 53 ?????? 圓整為 d=44mm 對(duì)于直徑 d≤100mm 的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大 5%7%，有兩個(gè)鍵槽時(shí)應(yīng)增大10%15%，所以軸 d=43 (110% 115% )? ? ? 在此為了安全期間取 d=50 6 3 泵葉輪的設(shè)計(jì) 葉輪主要參數(shù)的確定 葉輪主要幾何參數(shù)有：葉輪進(jìn)口直徑 D0、葉片進(jìn)口直徑 D葉輪輪轂直徑 Dh、葉輪進(jìn)口角 β葉輪出口 直徑 D葉輪出口寬度