排水離心泵的設(shè)計(jì)

楊 立

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第一研究所，山西 太原 030024)

1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)和方案

給定小型礦井年產(chǎn)量10萬t煤，由1 t煤產(chǎn)生2～7 t礦水，取3.65 t，所以全年總涌水量36.5萬t。每天涌水量為1 000 t。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定[1]，礦井主排水設(shè)備應(yīng)能在20 h內(nèi)排完礦井24 h涌水，所以體積流量為50 m3/h。設(shè)計(jì)揚(yáng)程為50 m。

1.1 泵吸入口和排出口直徑的確定

1) 泵吸入口徑Ds

泵吸入口徑的確定取決于進(jìn)口處的流速。

(1)

式中，Ds為泵吸入口徑，mm；vs為泵吸入口流速，vs=3 m/s。取Ds=80 mm。

2) 泵排出口徑Di

低揚(yáng)程泵，取與吸入口徑相同。取為80 mm。

1.2 電動(dòng)機(jī)選擇

電動(dòng)機(jī)分為同步和異步兩種?？紤]用途及成本，初步選定異步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)三相交流電在連續(xù)對稱變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的空間中就可以產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)均勻的旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)p=1時(shí)，三相交流電變化一個(gè)周期，其所形成的磁場在空間也旋轉(zhuǎn)了一圈，磁場旋轉(zhuǎn)的速度與電流的變化同步。當(dāng)p=2時(shí)，交流電變化一個(gè)周期，旋轉(zhuǎn)磁場相對原來的位置只旋轉(zhuǎn)了半圈。相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：

(2)

式中，n0為三相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度；f1為三相交流電的頻率；p為三相電動(dòng)機(jī)的定子磁極對數(shù)[2]。

對于磁極對數(shù)確定的電動(dòng)機(jī)，由于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與三相定子繞組的通電頻率之間符合嚴(yán)格的同步關(guān)系,所以旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速又稱為同步轉(zhuǎn)速。

表1 工頻50 Hz供電系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)速n0與磁極對數(shù)p的關(guān)系

旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與線框的旋轉(zhuǎn)速度之間必須存在一個(gè)速度差，將轉(zhuǎn)速降(n0-n)與同步轉(zhuǎn)速n0的比值，稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示：

(3)

轉(zhuǎn)差率s是三相異步電動(dòng)機(jī)的重要參數(shù)。故轉(zhuǎn)速：

n=(1-s)n0.

(4)

1) 泵有效功率

(5)

式中，g為重力加速度， m/s2；ρ流體密度，kg/m3；qv為設(shè)計(jì)流量，m3/s；H為揚(yáng)程，m；Ne有效功率，kW；計(jì)算為6.8 kW。

2) 泵軸功率

(6)

式中：N為設(shè)計(jì)工況下的軸功率，kW；η為：泵效率。因?yàn)橐话惚玫男蕿?0%～80%，所以取72%。N計(jì)算為9.45 kW。

3) 泵配套功率

Nd=KbN.

(7)

式中 ，Nd配套功率，kW；當(dāng)Q=20～80 m3/h時(shí)，kb=1.2～1.3，取1.2。

Nd=1.2×9.45=11.34 kW

4) 選擇電動(dòng)機(jī)

綜上，選擇三相異步電動(dòng)機(jī)，參數(shù)見表2。

表2 三相異步電動(dòng)機(jī)具體參數(shù)

1.3 泵轉(zhuǎn)速

采用汽蝕條件確定泵轉(zhuǎn)速的方法，設(shè)計(jì)體積流量qV=50 m3/h，C一般為800～950，取860[3]。

按汽蝕要求確定比轉(zhuǎn)速時(shí)：

(8)

式中，C為汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)，C=860；Δhr為泵必需的汽蝕余量，Δhr=3.0 m。n=2 930 r/min<2 960 r/min，故所選用原動(dòng)機(jī)合理。

1.4 比轉(zhuǎn)速

(9)

式中：ns為比轉(zhuǎn)速；n為泵軸轉(zhuǎn)速，r/min；計(jì)算為67。

在離心泵的水力設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)比轉(zhuǎn)速相同或相近來選擇水力模型，故所選取的離心泵比轉(zhuǎn)速為60～70。又根據(jù)IS型泵系列型譜[3]，選取IS80-50-200為模型泵，ns=66.34。

λ取二者中的較大值或平均值，取λ=1.01。

以模型泵所有尺寸乘以修正后的放大系數(shù)1.01，即得所設(shè)計(jì)實(shí)型泵的尺寸[4]。

圖1 IS型泵系列型譜

2 軸和葉輪設(shè)計(jì)

2.1 泵軸

(10)

式中：Me為泵軸傳遞扭矩；計(jì)算得37 Nm。

1) 泵軸材料選擇

本設(shè)計(jì)泵軸選用45#鋼，HB=241～286， [τ]為49 MPa～58.8 MPa。

2) 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度條件：

(11)

式中：τmax為最大切應(yīng)力，MPa；Wt為抗扭截面系數(shù)； [τ]許用應(yīng)力，MPa。

對于實(shí)心軸：

(12)

式中：d：軸徑，mm。

由上得：d≥15.7 mm。

考慮鍵削弱作用，聯(lián)軸器軸孔直徑為標(biāo)準(zhǔn)化，d取24 mm。

軸的支撐形式為懸臂式結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 軸的結(jié)構(gòu)

2.2 葉輪的設(shè)計(jì)

1) 葉輪進(jìn)口直徑D0

2) 葉片入口邊直徑D1

ns=40～100，則D1≥D0，本設(shè)計(jì)中葉片入口邊直徑D1取0.085 m。

3)葉片入口寬度b1

(13)

4) 葉片數(shù)Z

本設(shè)計(jì)葉片數(shù)Z取為7。

5) 葉片厚度

較小泵，考慮鑄造工藝性，對鑄鐵葉輪，葉片最小厚度為3 mm～4 mm。本設(shè)計(jì)中，葉片厚度S取4 mm。

2.3 葉輪選擇

本設(shè)計(jì)泵比轉(zhuǎn)速，采用圓柱形葉輪。

2.4 葉輪的繪型

作葉輪平面投影圖及流道檢查

本設(shè)計(jì)葉輪的平面投影圖用兩個(gè)圓弧畫葉片。如圖3。

圖3 葉輪平面投影圖流道的檢查

對葉輪平面投影圖的流道也應(yīng)該進(jìn)行檢查。在投影圖流道內(nèi)作內(nèi)切圓，連接內(nèi)切圓圓心，即得流道中線。對應(yīng)于軸面投影圖中的內(nèi)切圓(內(nèi)切圓圓心距葉輪中心線距離)作平面投影圖中的內(nèi)切圓。相應(yīng)的兩個(gè)內(nèi)切圓直徑的乘積，即為對應(yīng)于該半徑處的過流斷面面積。根據(jù)數(shù)據(jù)，作過流斷面面積F隨流道中線長度l的變化曲線。該曲線和軸面投影圖一樣，為一條接近于直線的光滑的曲線，表明流道設(shè)計(jì)合理。

3 過流部件、軸承、聯(lián)軸器、鍵的選擇

3.1 吸入室

考慮本設(shè)計(jì)的要求及結(jié)構(gòu)形狀，選用直錐式吸入室。確定直錐式吸水室的軸向長度為L=60 mm。

3.2 壓出室

螺旋形壓出室以最小的損失將液體收集，引向出口。選取ns=66.34的模型，其相似放大系數(shù)也為1.01。

3.3 軸向力平衡

用平衡孔平衡軸向力。剩余的軸向力需由止推軸承來平衡。

3.4 徑向力平衡

采用雙層壓出室平衡徑向力。

3.5 軸承

1) 選擇：選擇深溝球軸承。標(biāo)記：滾動(dòng)軸承6207 GB/T 276—1994。

2) 軸承的校核：參考文獻(xiàn)，軸承的壽命校核：Cr=16.21 kN<25.5 kN。

3) 軸承潤滑：本泵采用油霧潤滑。

4) 軸承密封：本軸承采用氈圈密封[5]。

3.6 鍵

本泵選用圓頭平鍵。長度可取L≈(1.5～2)d，d為軸徑。選定的鍵長應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長度系列[6]。葉輪與軸處：(A型)b=8 mm，h=7 mm，L=50 mm。經(jīng)強(qiáng)度校核合格。聯(lián)軸器與軸處：(A型)b=8 mm，h=7 mm，L=32 mm。經(jīng)強(qiáng)度校核合格。

3.7 聯(lián)軸器

選用YLD4型聯(lián)軸器[5]。標(biāo)記：從動(dòng)端：J型軸孔，A型鍵槽，d=24 mm，L=52 mm。

4 泵軸的校核

4.1 強(qiáng)度校核

泵軸是在彎曲與扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下工作的，通常應(yīng)以彎曲和扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用來校核軸的強(qiáng)度。經(jīng)校核，合格。

4.2 剛度校核4.3 臨界轉(zhuǎn)速校核

本設(shè)計(jì)泵軸滿足強(qiáng)度，剛度，臨界轉(zhuǎn)速要求，符合工作狀況[7]。

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的離心泵結(jié)構(gòu)合理，電動(dòng)機(jī)選型優(yōu)化，設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度均符合要求。