【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)之一。 （4—17）式中，——揚(yáng)程系數(shù)，目前從理論上還無(wú)法直接推導(dǎo)出計(jì)算公式，在總結(jié)國(guó)內(nèi)目前優(yōu)秀離心泵水力模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值分析方法，擬合得到揚(yáng)程系數(shù)計(jì)算公式： （4—18） 葉片出口安裝角葉片出口安裝角一般在16176?！?0176。范圍內(nèi)，通常選用20176?！?0176。范圍內(nèi)。對(duì)高比轉(zhuǎn)速的泵，可以取得小些，對(duì)低比轉(zhuǎn)速的泵，可取得大些。葉片出口安裝角對(duì)葉輪流道形狀和泵的效率影響很大。本設(shè)計(jì)中取28176。 葉輪出口寬度將泵相似理論推出的表達(dá)式中的線(xiàn)性尺寸和系數(shù)分別以葉輪出口寬度和流量系數(shù)代替，則出口寬度的計(jì)算式為： （4—19）式中，——流量系數(shù)，采用統(tǒng)計(jì)分析離心泵水力模型，數(shù)值擬合出計(jì)算公式： （4—20）葉輪外徑確定后，葉輪出口寬度是影響泵流量的最主要因素之一[5]。5 葉輪的選擇及繪型 葉輪選擇離心泵內(nèi)廣泛采用圓柱形葉輪()，其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)便，但效率和性能都比較差，在大流量、高壓頭、汽蝕性能要求高的情況下必須采用扭曲葉片的葉輪。本設(shè)計(jì)泵比轉(zhuǎn)速，采用圓柱形葉輪。葉輪進(jìn)出口結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，參考比轉(zhuǎn)速相等或相接近，且性能良好的模型作為繪制葉輪圖的依據(jù)。繪制葉輪時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足下列諸要求：1) 液體進(jìn)入葉片時(shí)無(wú)沖擊想象；2) 變化到時(shí)應(yīng)均勻變化不能有突變，亦即要求軸面投影面積變化均勻；3) 葉片上的負(fù)荷分配合理，亦即葉片長(zhǎng)短恰當(dāng)，因而葉片包角應(yīng)在75176?！?50176。范圍內(nèi)；4） 葉片骨線(xiàn)從過(guò)渡到，應(yīng)均與變化，不能有波動(dòng)；5） 在軸向尺寸許可的條件下，輪蓋進(jìn)口部分盡量采用大曲率半徑。本泵采用圓柱形葉輪繪法對(duì)葉輪軸面投影和平面投影的繪制。軸面投影圖能比較直觀地看到葉輪前后蓋板形狀和葉片進(jìn)出口的位置。平面投影圖能夠看到葉片的形狀和流道的變化規(guī)律[6]。 平面投影圖畫(huà)法葉片的繪法有單圓弧法、多圓弧法和逐點(diǎn)法三種。單圓弧法作圖比較簡(jiǎn)單，逐點(diǎn)法比較精確，能保證葉輪流道內(nèi)的流速平穩(wěn)變化，但作圖比較復(fù)雜。在實(shí)際使用中，一般采用單圓弧法或逐點(diǎn)法作圖。這里，我們用單圓弧法作圖。在直徑為的葉輪外周上任取一點(diǎn)（圖5—1），使之與圓心相連接。自點(diǎn)作角，交直徑為的葉輪內(nèi)圓與點(diǎn)。連接并延長(zhǎng)之，交內(nèi)圓于點(diǎn)。通過(guò)點(diǎn)在線(xiàn)左邊作∠,使之等于。再在上作垂直平分線(xiàn)并與交與點(diǎn)，以點(diǎn)位中心，為半徑作圓弧，即得所求葉片之曲率半徑。再以和分別為半徑，為圓心作圓弧，則得厚度為S的葉片。葉片形狀確定后再畫(huà)軸面投影圖，軸面投影畫(huà)好后再校核流道面積。在平面投影圖上，距軸心線(xiàn)作一系列相切于葉片流道的內(nèi)切圓，其葉片高度為，而相應(yīng)點(diǎn)的葉片寬度為。將圓心3等到i 用光滑曲線(xiàn)相連，即得流道中心線(xiàn)ll。由此可得相應(yīng)處流道面積。求出后再作L曲線(xiàn)，此曲線(xiàn)應(yīng)是一條光滑的曲線(xiàn)，若曲線(xiàn)呈S形上下波動(dòng)，則必須修改軸面投影輪廓線(xiàn)，重新校核，直至完全符合要求為止[6]。圖5—1 平面投影圖的繪制 軸面投影圖畫(huà)法距軸心和作兩根平行于軸心O—O的直線(xiàn)AB和CD（圖5—2）。作O—O的垂線(xiàn)EF,它與CD和O—O線(xiàn)相交于E、F兩點(diǎn)，通過(guò)E點(diǎn)作176?！?176。的直線(xiàn)EG。大小與比轉(zhuǎn)速和葉輪的結(jié)構(gòu)型式有關(guān)。小取176。，大或雙進(jìn)口泵的值一般取3176?！?176。以適當(dāng)?shù)膔2作圓弧并與AB和EG線(xiàn)相切，即可作出葉輪后蓋板的輪廓線(xiàn)。液體從軸向進(jìn)入葉輪而從徑向流出，為了減少轉(zhuǎn)彎的水力損失，在軸向尺寸許可的條件下盡量加大前后蓋板的圓弧半徑，但前后蓋板兩者間的圓弧半徑關(guān)系為（～）在CD線(xiàn)上截取，距軸心和作兩根平行于oo的直線(xiàn)IJ和KL。在KL線(xiàn)上以M為圓心，為直徑作一個(gè)與葉輪后蓋板相切的圓。以合適的圓弧(以為半徑)和直線(xiàn)作葉輪前蓋板的輪廓線(xiàn)，此輪廓線(xiàn)一定要與IJ和的圓相切，并且還應(yīng)通過(guò)H點(diǎn)。葉片進(jìn)口邊的位置對(duì)汽蝕、效率和特性曲線(xiàn)的形狀都有一定的影響。小比轉(zhuǎn)速葉輪進(jìn)口邊做成與軸線(xiàn)平行，而大比轉(zhuǎn)速和性能要求高的泵都做成進(jìn)口邊伸入葉輪的喉部。進(jìn)口邊伸入葉輪喉部，不但增加了葉片面積減少了葉片負(fù)荷，并且又能使葉輪進(jìn)口的圓周速度和相對(duì)速度都能降低，這樣改善了汽蝕性能。進(jìn)口邊伸入葉輪喉部，泵的HQ曲線(xiàn)變陡，最高效率點(diǎn)向小流量方向移動(dòng)，并且效率也有所提高。當(dāng)葉片進(jìn)口邊伸入葉輪喉部太多時(shí)，葉片扭曲的厲害，容易造成液體的堵塞，另外對(duì)鑄造也帶來(lái)一定的困難。為了避免上述的缺點(diǎn)，我們常常把葉片進(jìn)口邊布置與軸線(xiàn)成30176。～45176。的傾角。通過(guò)N、M、P各點(diǎn)作一根光滑的曲線(xiàn)，此曲線(xiàn)就是葉片的進(jìn)口邊，將來(lái)做平面投影圖時(shí)還要進(jìn)一步修正。葉片進(jìn)口邊與葉輪前后蓋板相交的角盡可能成90186。，若太小，葉片堵塞嚴(yán)重，并且也會(huì)帶來(lái)鑄造和清砂的困難[6]。圖5—2 軸面投影圖的繪制6 離心泵的過(guò)流部件設(shè)計(jì)出于使泵能達(dá)到較高效率，必須使葉輪、能量轉(zhuǎn)換裝置和吸入室三者之間有良好的匹配，如果匹配不當(dāng)，不能保證流體在吸入室和能量轉(zhuǎn)換裝置中有良好的流動(dòng)，那么即使葉輪設(shè)計(jì)得再完善，仍會(huì)導(dǎo)致泵的效率下降，達(dá)不到預(yù)期的性能要求，因此三者應(yīng)作為一個(gè)整體考慮。 吸入室 概述離心泵吸入管路接頭與葉輪進(jìn)口前的空間稱(chēng)為吸入室。它是液體進(jìn)入離心泵經(jīng)過(guò)的第一個(gè)構(gòu)件。液體流過(guò)吸入室后，才進(jìn)入葉輪。在液體由吸入管進(jìn)入葉輪的流動(dòng)過(guò)程中，流速要發(fā)生變化，特別是流速分布要進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)液體在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。因此，在葉輪之前設(shè)置吸入室以調(diào)整液流是重要的。其作用是以最小的流動(dòng)損失，引導(dǎo)液體平穩(wěn)地進(jìn)入葉輪，并且要求液流在葉輪進(jìn)口處具有較為均勻的速度分布。根據(jù)離心泵類(lèi)型，容量的大小，使用場(chǎng)合的不同，吸入室主要類(lèi)型有直錐形、彎管形、螺旋形。本設(shè)計(jì)采用直錐形吸入室。 直錐形吸入室設(shè)計(jì)直錐形吸入室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，液流的流速分布均勻，流動(dòng)阻力損失亦小，所以多用在單級(jí)單吸離心泵上。直錐形吸入室出口直徑與葉輪進(jìn)口直徑相同，所以㎜，通常進(jìn)口直徑比出口直徑大7%～12%，故取其值為90㎜，在允許的錐度（約在718范圍內(nèi)）取，確定直錐式吸水室的軸向長(zhǎng)度為㎜。 螺旋形壓出室螺旋形壓出室由一個(gè)截面逐漸擴(kuò)大的螺旋形流道和一個(gè)擴(kuò)壓管組成，位于葉輪出口之后，作用是收集從葉輪中高速流出的液體，使其速度降低，轉(zhuǎn)變速度動(dòng)能為壓能，并且把液體按一定要求送入下級(jí)葉輪進(jìn)口或送入排出管路。螺旋形壓出室主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造比較方便，泵性能曲線(xiàn)高效率區(qū)域比較寬廣，車(chē)削葉輪后泵效率變化比較??；缺點(diǎn)是單蝸室泵在非設(shè)計(jì)工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生不平衡的徑向力，此外，蝸室內(nèi)部表面不易加工。在設(shè)計(jì)螺旋形壓出室時(shí)通常認(rèn)為液體從葉輪中均勻流出，并在蝸室中作等速運(yùn)動(dòng)[5]。 基圓螺旋形壓出室螺旋線(xiàn)開(kāi)始的位置稱(chēng)為隔舌。隔舌所在直徑稱(chēng)為基圓直徑。隔舌與葉輪外徑之間應(yīng)有一適當(dāng)?shù)拈g隙，間隙過(guò)小，則可能使泵在大流量下壓水室內(nèi)產(chǎn)生汽蝕，并伴隨著噪音和振動(dòng)，若間隙過(guò)大，則由于液體在間隙內(nèi)循環(huán)而損失功率，使泵的最佳效率下降?！? （6—1）基圓大小在上式范圍內(nèi)選擇時(shí)，對(duì)泵性能沒(méi)有明顯影響。低比轉(zhuǎn)數(shù)泵選取小的系數(shù)值，高比轉(zhuǎn)數(shù)泵選取大的系數(shù)值。 m 蝸室入口寬度用葉輪出口寬度加葉輪前后蓋板厚度，再按結(jié)構(gòu)需要加必要的間隙即可。蝸室入口寬度對(duì)泵性能沒(méi)有明顯影響，但取得略微寬些可改善葉輪和蝸室的對(duì)中性。 （6—2）式中：S——葉輪蓋板厚度，mm；C——常數(shù)，一般取C=5～20。C值的大小與比轉(zhuǎn)速，葉輪大小，液體黏度及是否含有固體顆粒有關(guān)。比轉(zhuǎn)速小，葉輪小，液體黏度低時(shí)，取小值；否則，取大值。本設(shè)計(jì)取mm。 舌角舌角是在蝸室第Ⅷ斷面的0點(diǎn)（即蝸室螺旋線(xiàn)的起始點(diǎn)）處，螺旋線(xiàn)的切線(xiàn)與基圓切線(xiàn)間的夾角。為了使液體無(wú)沖擊地從葉輪進(jìn)入蝸室，一般等于葉輪出口絕對(duì)速度的液流角。 泵舌安裝角：理論上泵舌應(yīng)該在第Ⅷ斷面的基圓上，但這樣做會(huì)使泵舌與葉輪間的間隙過(guò)小，易產(chǎn)生振動(dòng)，并且泵舌也太薄。所以一般都將泵舌沿蝸室螺旋線(xiàn)移動(dòng)角，此角即為泵舌安裝角。泵舌安裝角由表6—1選取。表6—1 泵舌安裝角選擇比轉(zhuǎn)速406080130180220280360安裝角10176。15176。20176。25176。30176。38176。45176。45176。選取泵舌安裝角時(shí)，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)安排的可能性，一般應(yīng)使泵舌A處的圓角半徑～，如果泵比較小，可適當(dāng)加大角。本設(shè)計(jì)泵舌安裝角15176。 蝸室斷面面積蝸室斷面面積對(duì)泵的性能影響很大，泵比轉(zhuǎn)速越小，影響越大，比轉(zhuǎn)速越大，影響越小。蝸室斷面面積的大小，由所選取的蝸室流速?zèng)Q定。蝸室中的液流速度可按下式計(jì)算： （6—3）式中：——蝸室0點(diǎn)處第Ⅷ斷面液流速度，m/s；——蝸室中的速度系數(shù)。根據(jù)比轉(zhuǎn)速由文獻(xiàn)[5，8—6]選取螺旋形蝸室和導(dǎo)葉中的速度系數(shù)。蝸室最大斷面（即第Ⅷ斷面）處的面積FⅧ：Ⅷ （6—4）Ⅷ㎡由于液體是從葉輪中均勻流出的，故蝸室各斷面面積也均勻第變化，可按下式計(jì)算各斷面面積：第一斷面面積：ⅠⅧ ，Ⅰ；第二斷面面積：ⅡⅧ ，Ⅱ；第三斷面面積：ⅢⅧ ，Ⅲ；第四斷面面積：ⅣⅧ ，Ⅳ；第五斷面面積：ⅤⅧ ，Ⅴ；第六斷面面積：ⅥⅧ ，Ⅵ；第七斷面面積：ⅦⅧ ，Ⅶ。 （6—5） （6—6） （6—7） （6—8） 式中：——斷面?zhèn)缺趦A斜角，；b3——壓水室入口寬度，mm；r3——壓水室基圓半徑，mm；i=Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ；——過(guò)渡圓弧半徑，mm。本設(shè)計(jì)中，取＝300第一斷面尺寸：mm ，mm；第二斷面尺寸：mm ，mm；第三斷面尺寸：mm ，mm；第四斷面尺寸：mm ，mm；第五斷面尺寸：mm ，mm；第六斷面尺寸：mm ，mm；第七斷面尺寸：mm， mm；第八斷面尺寸：mm ，mm。 擴(kuò)散管為減少壓力管路中的水力損失，須進(jìn)一步降低壓水室中的流動(dòng)速度，這一任務(wù)通常由在第Ⅷ斷面后設(shè)置的擴(kuò)散管來(lái)實(shí)現(xiàn)。液體離開(kāi)蝸室后進(jìn)入擴(kuò)散管，在擴(kuò)散管中，80％～85％的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。擴(kuò)散管末端為泵的吐出口，與吐出管路相連接，所以吐出直徑應(yīng)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管徑選取，其流速符合經(jīng)濟(jì)流速。擴(kuò)散管的擴(kuò)散角一般取8176?！?2176。，擴(kuò)散角過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致邊界層內(nèi)液體脫流，增加水力損失?！?，否則，由于邊界層厚度增加，液流會(huì)脫流，惡化擴(kuò)散管的工作性能。本泵擴(kuò)散角選取12176。，吐出口直徑為76 mm。7 軸向力徑向力平衡計(jì)算 軸向力及其平衡 軸向力計(jì)算離心泵運(yùn)行時(shí)，因葉輪兩側(cè)的壓強(qiáng)不等而產(chǎn)生了一個(gè)方向指向泵吸入口、并與泵軸平行的作用力，稱(chēng)為軸向力。這個(gè)力往往可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)牛頓，使整個(gè)轉(zhuǎn)子壓向吸入口，不僅可能引起動(dòng)靜部件碰撞和磨損，而且還會(huì)增加軸承負(fù)荷，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)，對(duì)泵的正常運(yùn)行很不利。圖7—1所示為單級(jí)單吸臥式離心泵葉輪兩側(cè)壓強(qiáng)分布圖[5]。圖7—1 單級(jí)單吸臥式離心泵葉輪兩側(cè)壓強(qiáng)分布圖（7—1）式中，——軸向力，N； ——葉輪密封環(huán)半徑，m；——葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。在離心泵中，液體自軸向流入葉輪，而由徑向流出，故液體軸向動(dòng)量變化導(dǎo)致液體對(duì)葉輪產(chǎn)生一個(gè)軸向動(dòng)反力，其方向與方向相反。 （7—2）式中：——流過(guò)葉輪的理論體積流量；——葉輪進(jìn)口前的流速。故作用在單級(jí)單吸臥室離心泵葉輪上的軸向力的合力為， （7—3）對(duì)低比轉(zhuǎn)速的離心泵而言，軸向力其主要作用，故計(jì)算時(shí)往往不計(jì)的影響。本設(shè)計(jì)由于比轉(zhuǎn)速小，故不考慮的作用。另外，上述式子的推導(dǎo)中，由于不計(jì)密封口環(huán)泄露量對(duì)軸向力的影響，以及其他未能認(rèn)識(shí)的原因，按照計(jì)算公式求得的軸向力的計(jì)算值往往比實(shí)測(cè)值小得多，因此，在具體使用時(shí)計(jì)算公式時(shí)應(yīng)作充分考慮。計(jì)算得： 軸向力的平衡采用平衡孔平衡軸向力。在葉輪的后蓋板上