Герметичный электронасос

Тема: Герметичный электронасос

Содержание Введение

I Определение основных размеров проточной части центробежного колеса

1.1 Определение коэффициента быстроходности насоса

1.2 Определение требуемых кавитационных качеств насоса

1.3 Определение наружного диаметра лопастного колеса

1.4 Определение ширины колеса на выходе

1.5 Определение диаметра горловины колеса

1.5.1 Определение приведенного диаметра входа в колесо

1.5.2 Определение мощности, передаваемой валом насоса

1.5.3 Определение крутящего момента, передаваемого валом насоса

1.5.4 Определение диаметра вала по условию прочности

1.5.5 Определение диаметра втулки колеса

1.6 Выбор угла выхода лопастей

1.7 Выбор числа и толщины лопастей

1.8 Уточнение диаметра колеса

II Расчет шнеко-центробежной ступени насоса

2.1 Определение входных размеров шнека

2.2 Определение напора шнека

2.3 Проверка выполнения условия безкавитационной работы колеса

2.4 Определение осевых размеров шнека

2.4.1Определение густоты лопастной решетки шнека на среднем диаметре и выбор числа лопаток

2.4.2 Определение осевой длины лопастей шнека на среднем диаметре:

2.4.3 Определение длины конусной части шнека

2.4.4 Определение осевой длины лопастей шнека на диаметре втулки

2.5 Оценка кавитационных качеств шнека

2.5.1 Определение кавитационного запаса шнека для критического режима

2.5.2 Определение кавитационного запаса шнека

2.6 Проверка условия отсутствия кавитационной эрозии рабочих органов ступени насоса

2.6.1 Определение среднего момента скорости жидкости на выходе из шнека

2.6.2 Определение максимальной относительной скорости жидкости на входе в шнек

2.6.3 Определение пороговой скорости жидкости для шнека

2.6.4 Определение максимальной относительной скорости жидкости на входе в центробежное колесо

2.6.5 Определение пороговой скорости жидкости для центробежного колеса

III. Профилирование меридианного сечения рабочего колеса

3.1 Построение меридианного сечения рабочего колеса

3.2 Подготовка меридианного сечения для профилирования лопастей

3.2.1 Построение нормалей

3.2.2 Распределение меридианной скорости жидкости вдоль нормалей

3.2.3 Построение линий тока

3.2.4 Построение графиков скоростей

3.3 Построение координатной сетки на развертке цилиндра и ее конформного отображения на поверхностях тока

3.3.1 Построение координатной сетки на развертке цилиндра

3.3.2 Построение конформного отображения координатной сетки на поверхностях тока

3.4 Профилирование средней поверхности лопасти на развертке цилиндра

3.4.1 Выбор расположения входной и выходной кромок

3.4.2 Оценка ожидаемых кавитационных качеств центробежного колеса

3.4.3 Профилирование средней поверхности лопасти на развертке цилиндра

3.4.3.1 Определение координаты точки

3.4.3.2 Разметка параллелей

3.4.3.3 Определение координаты точки

3.4.3.4 Построение каркаса профилируемой лопасти

3.4.3.5 Определение углов

3.4.3.6 Определение коэффициента стеснения для точек входной кромки лопасти

3.4.3.7 Определение направления относительной скорости жидкости на входе в колесо по каждой расчетной линии тока

3.4.3.8 Определение углов атаки

3.5 Построение меридианных сечений средней поверхности лопасти на меридианной поверхности колеса

3.6 Оценка качества профилирования лопасти рабочего колеса

3.7 Построение меридианных сечений лицевой и тыльной поверхностей лопасти и проекции лопасти в плане

3.8 Выполнение рабочего чертежа для изготовления лопастей колеса

IV Выбор типа подвода лопастного насоса

V Выбор типа отвода лопастного насоса и его проектирование

5.1 Определение радиуса окружности входа в отвод

5.2 Определение ширины спирального канала

5.3 Определение контура проточной части отвода

5.4 Определение выходного диаметра диффузора

5.5 Определение длины и типа диффузора

VI Расчет осевых и радиальных сил, действующих на ротор насоса

6.1 Определение радиальных сил, действующих на ротор насоса

6.1.1 Определение веса колеса

6.1.1.1 Определение объема втулки колеса

6.1.1.2 Определение объема втулки заднего уплотнения колеса

6.1.1.3 Определение объема втулки переднего уплотнения колеса

6.1.1.4 Определение объема заднего диска

6.1.1.5 Определение объема переднего (покрывного) диска

6.1.1.6 Определение объема лопастей колеса.

6.1.1.7 Определение полного объёма материала колеса.

6.1.1.8 Определение веса колеса

6.1.2 Определение веса шнека

6.1.2.1 Определяем объема втулки шнека, без проточки;

6.1.2.2 Определение объема проточки во втулке шнека;

6.1.2.3 Определение объема втулки шнека, с учетом проточки в нем;

6.1.2.4 Определение объема лопастей шнека

6.1.2.5 Определение полного объёма материала шнека

6.1.2.6 Определение веса колеса

6.1.3 Определение радиальной силы спирального отвода

6.1.3.1 Определение статической составляющей силы

6.1.3.2 Определение динамической составляющей силы

6.1.3.2 Определение максимальной величины силы

6.2 Определение осевых сил, действующих на ротор колеса

6.2.1 Осевая сила, возникающая от разности давлений по обе стороны лопастного колеса

6.2.2 Осевая сила, возникающая от динамических реакций потока в лопастном колесе

6.2.3 Определение суммарной осевой силы, действующей на лопастное колесо насоса

6.2.4 Разгрузка осевой силы лопастного насоса

6.3 Определение прогиба вала

VII Выбор и расчет подшипников качения

7.1 Расчет плавающего подшипника

7.2 Расчет жестко закрепленного подшипника

VIII Выбор и расчёт шпоночных соединений

8.1 Соединение центробежного колеса с валом насоса

8.1.1 Расчет шпоночного соединения на смятие

8.1.2 Расчет шпоночного соединения на срез

8.2 Соединение шнека с валом насоса

8.3 Размеры шпоночного соединения шнеко-центробежной ступени с валом насоса

IX Потери энергии в насосе

9.1 Расчет утечки в переднем уплотнении колеса

9.1.1 Определение размеров уплотнительной щели

9.1.2 Определение величины

9.1.3 Определение коэффициента расхода щели

9.1.4 Определение площади уплотнительной щели

9.1.5 Определение относительной утечки в переднем уплотнении колеса

9.2 Расчет утечки в заднем уплотнении колеса

9.3 Определение механических потерь. Потери мощности на трение дисков о жидкость.

9.3 Уточнение к.п.д. насоса

9.3.1 Уточнение объемного к.п.д. насоса

9.3.2 Определение гидравлической мощности насоса

9.3.3 Уточнение механического к.п.д. насоса Список литературы

Для курсового проектирования было получено техническое задание:

герметичный лопастный электронасос Спроектировать герметичный лопастной электронасос на следующие параметры:

подача насоса;

напор;

частота вращения;

допустимый кавитационный запас;

подаваемая жидкостьмасло трансформаторное:

температура жидкости;

ресурс работы;

расположение валагоризонтальное.

Введение

При выполнении курсового проекта в качестве прототипа был использован насос типа ЭЦТЭ. Электронасос герметичный типа ЭЦТЭ предназначен для обеспечения циркуляции трансформаторного масла и других сходных по химико-физическим свойствам жидкостей. Электронасос центробежный, одноступенчатый, моноблочный с мокрым электродвигателем. Литой чугунный корпус с осевым входным и радиальным напорным патрубками фланцем крепится к электродвигателю. Лопастное колесо и шнек насоса с помощью гайки (являющейся одновременно обтекателем) закреплены на валу консольно. Осевое усилие уравновешивается с помощью разгрузочных отверстий. Внутренняя полость статора электродвигателя, а также его роторные элементы негерметичны по отношению к внешнему потоку масла. Трансформаторное масло обладает диэлектрическими и смазывающими свойствами, поэтому внутренняя зона электродвигателя легко охлаждается, и подшипники качения смазываются перекачиваемым маслом. Масло омывает опорные подшипники насоса, проходит через зазор между ротором и статором электродвигателя, снимая с них выделяющееся тепло, и через разгрузочные отверстия в лопастном колесе и осевое отверстие в вале насоса возвращается на всасывание рабочего колеса. Пример условного обозначения насоса ЭЦТЭ 108−50: Э — электронасос; Ц — центробежный; Т — трансформаторный; Э — тяговое исполнение; 108 — подача в; 50 — напор в м.

I Определение основных размеров проточной части центробежного колеса

1.1 Определение коэффициента быстроходности насоса Принимаем число ступеней .

1.2 Определение требуемых кавитационных качеств насоса По уравнению С. С. Руднева определяем требуемые кавитационные качества ступени насоса

1.3 Определение наружного диаметра лопастного колеса

где

.

1.4 Определение ширины колеса на выходе

1.5 Определение диаметра горловины колеса

.

1.5.1 Определение приведенного диаметр входа в колесо

где

— коэффициент приведенного диаметра входа в колесо, выбирается с учетом энергетических и кавитационный качеств насоса ().

1.5.2 Определение мощности, передаваемой валом насоса

где

:

.

1.5.3 Определение крутящего момента, передаваемого валом насоса

1.5.4 Определение диаметра вала по условию прочности

где

— допускаемое напряжение для материала вала при совместном изгибе и кручении. Принимаем = 30 МПа для одноступенчатых насосов. Принимаем .

1.5.5 Определение диаметра втулки колеса

1.6 Выбор угла выхода лопастей Для обеспечения постоянно падающей характеристики H (Q) принимаем

1.7 Выбор числа и толщины лопастей Для насоса быстроходностью из ряда 8−7-6 принимаем. В соответствии с принятым числом лопастей принимаем:

.

1.8 Уточнение диаметра колеса

где

— коэффициент, учитывающий влияние конечного числа лопастей;

— коэффициент стеснения на выходе из колеса;

— расход жидкости через лопастное колесо;

;

от. к. перед лопастным колесом расположен шнек, а перед шнеков осевой подвод.

Для дальнейших расчетов принимаем .

II Расчет шнеко-центробежной ступени насоса

2.1 Определение входных размеров шнека Принимаем коэффициент приведенного диаметра шнека

диаметр втулки шнека мм, как и у лопастного колеса;

приведенный диаметр шнека

;

наружный диаметр шнека

причем ;

втулочное отношение шнека ;

расчетный диаметр шнека, согласно рекомендациям С. С. Руднева и И. В. Матвеева.

2.2 Определение напора шнека Задаем ряд значений угла выхода относительного потока за шнеком на расчетном диаметре ;35.

Для каждой величины определяем — окружную составляющую скорости жидкости на расчетном диаметре, где — окружная скорость шнека на расчетном диаметре; — средняя меридианная скорость жидкости на выходе из шнека.

Определяем теоретический напор шнека на расчетном диаметре для каждой из величин

действительный напор шнека, где — гидравлический к.п.д. шнека.

Для углов и вычисляем суммарную величину напора на входе в центробежное колесо, где принимаем ;

.

Полученные результаты, представлены в Табл. 1 (см. Приложение 1).

2.3 Проверка выполнения условия безкавитационной работы колеса Определяем критический кавитационный запас центробежного колеса для принятых углов ,

где — абсолютная и относительная скорости жидкости в точке входной кромки лопасти колеса, лежащей на средней линии тока.

Из треугольника скоростей на входе в колесо имеем:

где — расход жидкости через колесо с учетом утечек;

— площадь нормального сечения меридианного потока, проведенного через точку (без учета стеснения);

— диаметр, на котором расположена точка входной кромки лопасти колеса.

Окружная составляющая абсолютной скорости жидкости на входе в колесо в точке :

Число кавитации лопастного колеса для критического режима определяем по эмпирической формуле В. Б. Шемеля:

Толщина лопасти колеса

Принимаем коэффициент запаса, и вычисляем величины для принятых углов .

Полученные результаты представлены в Табл. 2 (см. Приложение 1).

На основании расчетов, строим график согласования безкавитационной работы центробежного колеса и шнека. Полученные результаты представлены на Графике 1 (см. Приложение 1).

Определяем угол натекания потока на лопасти шнека, на расчетном диаметре

,

здесь

Из полученного графика согласования безкавитационной работы центробежного колеса и шнека выбираю угол .

Имеем, где — угол атаки шнека;

рекомендуется, чтобы , — рекомендация соблюдается, в связи с этим, принимаю шнек постоянного хода:

.

Определяем ход винтовой поверхности лопасти шнека:

.

Чтобы шнек постоянного хода можно было изготовить на токарно-винторезном станке без специальной наладки, необходимо ход округлить до ближайшей стандартной величины, принимаю .

Далее, необходимо пересчитать угол, для принятого хода, причем угол должен лежать в диапазоне углов, обеспечивающих режим безкавитационной работы центробежного колеса и шнека,

,

уточняем угол атаки, рекомендации соблюдаются.

По графикам для уточненного значения определяем величины:

.

Определяем напор шнека, для принятого хода :

Определяем критический кавитационный запас центробежного колеса:

.

Ожидаемый кавитационный коэффициент быстроходности центробежного колеса:

Проверяем выполнение условия бескавитационной работы центробежного колеса:

Условие бескавитационной работы колеса выполняется.

2.4 Определение осевых размеров шнека

2.4.1Определение густоты лопастной решетки шнека на среднем диаметре и выбор числа лопаток Принимаем: а) густоту лопастной решетки шнека на среднем диаметре ;

б) число лопастей шнека .

2.4.2 Определение осевой длины лопастей шнека на среднем диаметре:

.

2.4.3 Определение длины конусной части шнека Для улучшения кавитационных качеств шнека входные кромки лопастей обтачиваем по конической поверхности.

Принимаем длину конусной части лопастей шнека:

.

2.4.4 Определение осевой длины лопастей шнека на диаметре втулки

.

2.5 Оценка кавитационных качеств шнека

2.5.1 Определение кавитационного запаса шнека для критического режима

.

Из треугольника скоростей на входе в шнек на среднем диаметре (для) имеем:

.

Определяем критическое число кавитации лопастей решетки шнека по эмпирической формуле, предложенной В. Ф. Чебаевским и В. И. Петровым для высокооборотных шнеков:

.

Имеем. Принимаем относительную толщину входной кромки лопасти шнека, где. Толщина лопасти шнека на входе:

.

Определяем относительную длину межлопаточного канала шнека на среднем диаметре для принятых величин и :

.

Принимаем относительную длину заострения входных участков лопастей шнека, где .

Длина заострения входного участка лопастей шнека на среднем диаметре:

.

Критическое число кавитации лопастной решетки шнека:

.

Определяем критический кавитационный запас шнека:

2.5.2 Определение кавитационного запаса шнека По техническим условиям для проектируемой ступени требуется. Таким образом, шнеко-центробежная ступень обеспечивает требуемые кавитационные качества.

2.6 Проверка условия отсутствия кавитационной эрозии рабочих органов ступени насоса

2.6.1 Определение среднего момента скорости жидкости на выходе из шнека

где

.

2.6.2 Определение максимальной относительной скорости жидкости на входе в шнек

.

Чтобы обеспечить длительный ресурс работы шнека (T=10 000 часов), необходимо взять, где — пороговая скорость жидкости для шнека.

Для выполнения этого условия необходимо изготовить шнек из стали 12Х13.

2.6.3 Определение пороговой скорости жидкости для шнека Для лопастного насоса принимаем .

Для стали 12Х13 временное сопротивление .

Плотность трансформаторного масла .

Пороговая скорость жидкости для шнека:

.

Имеем Условие отсутствия кавитационной эррозии выполняется.

2.6.4 Определение максимальной относительной скорости жидкости на входе в центробежное колесо Для точки c входной кромки колеса, наиболее удаленной от оси вращения, имеем:

где — площадь нормального сечения, проведенного через точку c (с учетом стеснения).

Окружная скорость лопасти колеса в рассматриваемой точке:

где — диаметр, на котором расположена точка c.

Окружная составляющая абсолютной скорости жидкости в точке c:

.

Максимальная относительная скорость жидкости на входе в колесо:

.

Центробежное колесо выполняем из стали марки 12Х13.

2.6.5 Определение пороговой скорости жидкости для центробежного колеса

.

Имеем Условие отсутствия кавитационной эррозии выполняется.

Таким образом, спроектированная ступень насоса удовлетворяет условиям длительной работы.

III. Профилирование меридианного сечения рабочего колеса

3.1 Построение меридианного сечения рабочего колеса Форма меридианного сечения лопастного колеса зависит от положения втулки колеса. В данном проекте рабочее колесо имеет выдвинутую втулку.

Определив основные размеры проточной части лопастного колеса, приступаем к профилированию проточной части колеса.

Контуры рабочего колеса принимаем таким образом, чтобы избежать лекальных кривых.

На участке поворота меридианного сечения из осевого направления в радиальное площадь нормального сечения увеличивается на 20−30% по отношению к площади, соответствующей прямолинейному закону её изменения, что компенсирует стеснение сечения лопастями, которые начинаются в этой зоне, и уменьшает неравномерность распределения скорости жидкости.

Для начала, необходимо задаться углом наклона покрывного диска, радиусами .

От входа в рабочее колесо строим 8—10 окружностей, равномерно распределенных по всему меридианному сечению рабочего колеса, причем, центр первой окружности располагается на лини, проведенной перпендикулярно, оси колеса через точку, из которой описана дуга радиусом; а центр последней окружности располагается на линии, определяемой диаметром колеса.

Соединяя центра вписанных окружностей плавной линией, получим среднюю геометрическую линию меридианного сечения. Центры вписанных окружностей нумеруются цифрами 1, 2, 3,… от входа к выходу.

Площадь нормального сечения междискового пространства колеса на входе и выходе вычисляются по формулам:

а площадь промежуточных сечений приближенно определяется по формуле:

где

r — расстояние от оси колеса до центра вписанной окружности,

b — диаметр вписанной окружности.

Результаты вычислений показаны в Табл. 3 (см. Приложение 2).

По данным Табл. 3 строится График 2 (см. Приложение 2). Расстояние вдоль средней линии меридианного сечения от первой точки до каждой следующей определяется по чертежу.

Было установлено, что для получения желаемого перерасширения проточной части рабочего колеса на величину 25%, необходимо выполнить угол наклона покрывного диска равным .

Меридианное сечение колеса показано на Рис. 1 (см. Приложение 2).

3.2 Подготовка меридианного сечения для профилирования лопастей Подготовка меридианного сечения колеса заключается в построении расчетных линий тока и графиков изменения скоростей жидкости вдоль линий тока. Для построения расчетных линий тока (струек), необходимо на меридианном сечении колеса построить сначала нормали и принять распределение меридианной скорости жидкости по сечениям колеса вдоль нормалей.

3.2.1 Построение нормалей Нормалями являются линии, перпендикулярные линиям тока После того, как окружности были вписаны в меридианную проекцию центробежного колеса, необходимо провести отрезки прямых, соединяющие центр данной окружности и точки касания на несущем и покрывном дисках. Далее, из этих точек касания необходимо провести перпендикуляры к радиусам окружности, соединяющим данные точки; после пересечения перпендикуляров, получаем точку, из которой, раствором циркуля до радиуса рассматриваемой окружности проводим дугу, которая и является нормалью, для данной окружности. Подобным способом строятся и другие нормали.

3.2.2 Распределение меридианной скорости жидкости вдоль нормалей По ширине меридианного сечения колеса меридианная скорость распределяется неравномерно, причем неравномерность тем больше, чем шире канал и меньше радиус .

С учетом этого получила широкое распространение практика, которая делает допущение, считая, что распределение меридианной скорости жидкости вдоль нормалей принимается постоянной.

3.2.3 Построение линий тока Линии тока образуются пересечением поверхностей тока меридианной плоскостью. Расчетные линии тока удобно проводить таким образом, чтобы они делили меридианное сечение колеса на участки, по которым протекал одинаковый расход жидкости.

Две крайние линии контура меридианного сечения являются уже линиями тока, для насоса быстроходностью рекомендуется построить третью линию тока, она проходит через точки, делящие нормали на участки с равными расходами жидкости.

Для построения средней линии тока, необходимо получить две равновеликие площади проточной части лопастного колеса, где

— расстояния от оси колеса до центров тяжести отрезков нормали, т. о., получаем равенство, или .

Для входа в лопастное колесо, имеем:

Расчеты представлены в Табл. 4 (см. Приложение 2).

Соединяя плавной линией полученные точки, на соответствующих им нормалях — получим среднюю линию тока.

3.2.4 Построение графиков скоростей Вдоль каждой расчетной линии тока в точках пересечения ее с нормалями, по известным величинам скорости сроятся графики скоростей, для каждой линии тока. Длина линий тока определяется по чертежу. Графики представлены на Рис. 2 (см. Приложение 2)

3.3 Построение координатной сетки на развертке цилиндра и ее конформного отображения на поверхностях тока

3.3.1 Построение координатной сетки на развертке цилиндра Сетка на развертке отображаемого цилиндра образуется системой вертикальных и горизонтальных линий (меридианов и параллелей), проведенных с расстояниями между ними, соответственно. Чаще используется прямоугольная сетка.

Для построения координатной сетки, на развертке цилиндра задаем величины, где расчетный угол между меридианными сечениями отображающего цилиндра.

Принимаю

Из соотношения определяется радиус отображающего цилиндра:

причем желательно, чтобы величина находилась в диапазоне. Данная рекомендация удовлетворяется.

3.3.2 Построение конформного отображения координатной сетки на поверхностях тока Это построение заключается в разбивке всех расчетных линий тока на отрезки по условию конформности:

где — расстояние от оси колеса до середины отрезка .

Для цилиндрической поверхности, а для поверхности тока, следовательно,. Величины отрезков на линиях тока будут постепенно уменьшаться от выхода к входу соответственно уменьшению расстояния .

При расчете отрезков можно применять метод последовательного приближения. Для этого задаем длину отрезка, вычисляем длину отрезка в первом приближении. Откладываем отрезок от точки на линии тока вниз, определяем его середину, и по чертежу уточняем расстояние. Вычисляем уточненное значение ,

.

Если величина отличается от величины более чем на 5%, то необходимо аналогичным способом провести второе приближение. За уточненной величиной, откладывается уточненная величина, и так до тех пор, пока зона разбиения не охватит область расположения входной кромки лопастей.

После разбиения каждой линии тока на отрезки, следует произвести «линейный контроль»:

.

Вычисления удобно производить в табличной форме.

Результат разбивки расчетных линий тока на отрезки — в Табл. 5 (см. Приложение 2).

После разбивки линий тока на отрезки на графиках скоростей по горизонтальной оси удобно, наряду с параметрами нормалей, нанести отрезки, при этом графики скоростей не изменяются, Рис. 2 (см. Приложение 2).

3.4 Профилирование средней поверхности лопасти на развертке цилиндра Лопасти рабочего колеса имеют лицевую и тыльную поверхности. За расчетную могут быть приняты лицевая, тыльная и средняя поверхности лопасти. Расчетной выбираем среднюю поверхность лопасти.

3.4.1 Выбор расположения входной и выходной кромок На меридианной поверхности колеса намечается положение входной и выходной кромок лопасти.

Положение входной кромки выбирается таким образом, чтобы соблюдались условия безкавитационной работы и падающей напорной характеристики, а также более простой и удобной для изготовления формы.

3.4.2 Оценка ожидаемых кавитационных качеств центробежного колеса Поскольку, для обеспечения требуемых кавитационных качеств насоса, заданных в задании, для проектирования, выбрана предвключенная шнеко-центробежная ступень, то в расчете на согласование работы центробежного колеса и шнека, описанные выше, было установлено, что ожидаемый критический кавитационный запас шнека для II критического режима кавитации равен:

ожидаемый кавитационный коэффициент быстроходности насоса, рассчитанный для второго критического режима кавитации:

причем,, условие выполняется.

3.4.3 Профилирование средней поверхности лопасти на развертке цилиндра На развертке цилиндра средняя поверхность лопасти профилируется до некоторой степени произвольно с учетом входных и выходных углов на расчетных линиях тока.

При профилировании лопасти на развертке цилиндра руководствуюсь следующими рекомендациями:

Первая рекомендация: угол наклона для каждой расчетной линии тока должен плавно увеличиваться или уменьшаться от угла на входе до угла на выходе из лопастного колеса.

Выбираю лопасть, имеющую пространственную поверхность на входе и цилиндрическую на выходе.

Вторая рекомендация: входную кромку лопасти рабочего колеса желательно расположить в одной меридианной плоскости, при этом упрощается технология изготовления и контроля правильности выполнения входных кромок колеса.

Третья рекомендация: участок поверхности лопасти вблизи выхода колеса должен иметь постоянный угол наклона по каждой расчетной линии тока на длине, определяемой на развертке цилиндра величиной, где линейный шаг лопастей на развертке цилиндра:

.

Постоянный угол наклона лопастей на выходе из колеса на указанном участке облегчает расчет теоретического напора колеса и контроль величины угла .

Четвертая рекомендация: угол охвата лопасти в плане должен удовлетворять условию:

где

— угловой шаг лопастей.

Для большинства центробежных колес .

На развертке цилиндра углу охвата соответствует отрезок длины, где

.

Исходя из указанных основных рекомендаций, профилируем среднюю поверхность лопасти на развертке цилиндра. Получаем конформную диаграмму.

3.4.3.1Определение координаты точки

На координатной сетке развертки цилиндра намечается точка выхода лопасти, а на расстоянии по горизонтали, отмечается вторая точка, соответствующая выходу второй лопасти.

На расстоянии от первой точки проводится меридиан, а на расстоянии проводится меридиан .

3.4.3.2 Разметка параллелей На координатной сетке отмечаются параллели, соответствующие точкам входной кромки лопасти по каждой линии тока. Пересечение этих параллелей с меридианом обозначаются точками .

3.4.3.3 Определение координаты точки

Из первой точки под углом проводится луч. Он пересекает меридиан в точке, ниже которой намечается точка таким образом, чтобы получить отрезок. Причем точка должна обязательно лежать выше точки .

3.4.3.4 Построение каркаса профилируемой лопасти Точка соединяется с точками прямыми линиями. Линии образуют первоначальный каркас средней поверхности лопасти, который должен удовлетворять основным рекомендациям.

3.4.3.5Определение углов

По чертежу конформной диаграммы определяются входные углы лопасти по каждой расчетной линии тока.

3.4.3.6 Вычисляем коэффициент стеснения для точек входной кромки лопасти

где

— расстояний от оси колеса до рассматриваемой точки входной кромки лопасти,

— принятая нормальная толщина лопасти на выходе,

— наименьший угол в пространстве между окружностью радиусом и средней поверхностью лопасти в рассматриваемой точке. Из геометрических соотношений в общем случае получено:

где

— угол между линией тока и меридианным сечением лопасти в рассматриваемой точке.

3.4.3.7 Определение направления относительной скорости жидкости на входе в колесо по каждой расчетной линии тока

где

— определяется по графику, для рассматриваемой линии тока в данной точке входной кромки лопасти,

 — расстояние от оси колеса до рассматриваемой точки.

3.4.3.8 Определение углов атаки

.

Для центробежных колес с пространственной поверхностью лопастей на входе рекомендуются углы атаки:

по внешней линии тока ,

по средней линии тока ,

по втулочной линии тока .

Результаты расчетов представлены в Табл. 6 (см. Приложение 2). По результатам выполнения всех пунктов по профилированию средней поверхности лопасти на развертке цилиндра было установлено, что все предложенные рекомендации и условия выполняются.

3.5 Построение меридианных сечений средней поверхности лопасти на меридианной поверхности колеса Для построения меридианных сечений средней поверхности лопасти на меридианной проекции колеса, выполняемых на основе конформной диаграммы, построим совмещённые вспомогательные графики для расчётных линий тока. Построение графиков выполняется следующим образом: по горизонтальной оси откладывается развёрнутая длина линий тока, и с разметкой на отрезки, пронумерованные цифрами … На вертикальной оси откладываются одинаковые отрезки с теми же номерами …. Графики строятся по точкам пересечения прямых линий, проведённых перпендикулярно осям и через точки …. На конформной диаграмме линии, соответствующие линиям тока, и, определяющие среднюю поверхность лопасти, пересекаются с меридианами в определённых точках. Эти точки с помощью графиков переносятся на ось. Они переносятся на меридианную проекцию колеса. Соединяя их, получаем меридианные сечения средней поверхности лопасти. Также полученные отрезки откладываем на графиках скоростей .

3.6 Оценка качества профилирования лопасти рабочего колеса Качество профилирования оцениваем с помощью контрольных графиков, и, характеризующих поток в лопастном колесе. Графики строим для каждой расчётной линии тока по данным Табл. 7 (см. Приложение 2). Так как на входе в колесо есть начальный момент скорости, то графики откладываем от ординаты .

Для спрофилированной средней поверхности лопасти также строим график изменения нормальной толщины лопасти .

Полученные графики изменяются плавно, следовательно, лопасти колеса спрофилированы правильно.

3.7 Построение меридианных сечений лицевой и тыльной поверхностей лопасти и проекции лопасти в плане Для построения меридианных сечений лицевой и тыльной поверхностей лопасти и проекции лопасти в плане определим толщину лопасти в меридианных сечениях колеса для каждой расчётной линии тока по формуле (см. Табл. 4). Затем от меридианных сечений средней поверхности лопасти откладываем в обе стороны перпендикулярно сечению половины соответствующих толщин лопасти. Соединяя соответствующие точки, получаем меридианные сечения лицевой и тыльной сторон лопасти.

Такие построения на меридианной проекции выполняются для каждого меридианного сечения. Входную кромку, вследствие её скругления и малой толщины изображаем одним сечением.

Для построения проекции лопасти в плане: вычерчиваем две окружности диаметров и, проводим в виде радиальных лучей меридианы с угловым шагом. Проекции поверхностей лопасти строим по точкам с координатами:

1) номер меридианного сечения;

2) расстояние от оси колеса до точек пересечения этого меридианного сечения соответствующей стороны лопасти с крайними линиями тока и .

Расстояния берутся из чертежа меридианной проекции колеса и откладываются в плане вдоль соответствующего меридиана.

Для наглядности на плане колеса строятся также проекция лицевой поверхности лопасти, которая совмещается с проекцией тыльной поверхности. Также, для наглядности, сечение лопасти передним диском колеса заштриховывается.

3.8 Выполнение рабочего чертежа для изготовления лопастей колеса Окончательным результатом профилирования является рабочий чертеж.

Для его выполнения необходимо:

1) На отдельном листе вычертить меридианное сечение колеса с указанием размеров, на него переносятся ранее полученные меридианные сечения лицевой поверхности лопасти, эти сечения необходимо образмерить и скоординировать. На каждом меридианном сечении указывается соответствующая нормальная толщина лопасти из Табл. 4.

2) Рядом с меридианным сечением колеса вычерчиваются план колеса, на котором меридианы …, с угловым шагом. На план переносятся ранее построенная проекция лопасти, соответствующая виду на колесо со стороны входа. На чертеже наношу размера на построенные модельные сечения и модельные срезы лопасти. Проставляю размеры, соответствующие толщинам лопасти на входе и на выходе.

В результате профилирования меридианного сечения рабочего колеса была получена модель лопастного колеса, рассчитанная на заданные параметры и в соответствии со всеми рекомендациями и требованиями.

IV Выбор типа подвода лопастного насоса По назначению целесообразно выбрать осевой подвод (прямоосный конфузор), т. к. это самый простой и совершенный тип подвода, обычно применяющийся в насосах консольного типа. Этот выбор подтверждается и тем, что корпус насоса: подвод, отвод, и фундаментная плита — будут выполнены в виде отливки, с последующей механической обработкой.

Конструктивно выбираются размеры подвода:

Диаметр входного патрубка. Принимаем диаметр входного патрубка .

Длина подвода ;

Радиус скругления .

V Выбор типа отвода лопастного насоса и его проектирование По назначению, конструктивно выбираю спиральный тип отвода.

Для расчёта спирального отвода используем полученные ранее величины: — диаметр лопастного колеса насоса, — ширина колеса на выходе, — момент скорости жидкости на выходе из лопастного колеса.

5.1 Определение радиуса окружности входа в отвод

.

5.2 Определение ширины спирального канала Ширина спирального канала на радиусе :

.

Конструктивно принимаем угол наклона боковых стенок (угол раскрытия диффузора), толщину языка, расчётный угол, и радиус сопряжения .

Задаем 8 сечений спирального канала (они плавно увеличиваются), и рассчитываем высоты сечений до тех пор, пока угол не достигнет значения .

данные расчета представлены в Табл. 8 (см. Приложение 3).

По данным Табл. 8 построим график — Рис. 3 (см. Приложение 3.).

5.3 Определение контура проточной части отвода Строим контур проточной части, откладывая высоту на расчётных углах от окружности радиуса входа в отвод .

Спиральный канал отвода заканчивается диффузором. Начальное сечение диффузора есть последнее сечение спирального канала.

Вычислим коэффициент выходного диаметра диффузора:

.

5.4 Определение выходного диаметра диффузора

.

Примем выходной диаметр диффузора, равный стандартному значению трубопровода. Проверим скорость жидкости на выходе из диффузора: — скорость приемлемая.

5.5 Определение длины и типа диффузора Длина диффузора, из условия, чтобы круглый эквивалентный диффузор имел угол расширения .

Конструктивно принимаю.

5.6 Корректировка промежуточных сечений отвода Промежуточные сечения диффузора «» и «» (см. графические работы, лист 4) строятся так, чтобы обеспечивался плавный переход от начального к выходному сечению диффузора. Форму промежуточных сечений намечаем графически (разделяя на три части расстояния между начальным и конечным сечениями диффузора, наложенными друг на друга) и корректируем так, чтобы их контур очерчивался отрезками дуг и прямых линий.

VI Расчет осевых и радиальных сил, действующих на ротор насоса

6.1 Определение радиальных сил, действующих на ротор насоса

6.1.1 Определение веса колеса Для этого, разобьем его на 6 частей и найдём объём материала:

6.1.1.1 Определение объема втулки колеса

;

6.1.1.2 Определение объема втулки заднего уплотнения колеса

;

6.1.1.3 Определение объема втулки переднего уплотнения колеса

;

6.1.1.4 Определение объема заднего диска

;

6.1.1.5 Определение объема переднего (покрывного) диска

;

6.1.1.6 Определение объема лопастей колеса

6.1.1.7 Определение полного объёма материала колеса

.

6.1.1.8 Определение веса колеса

где

— плотность материала колеса (сталь 12Х13).

6.1.2 Определение веса шнека

6.1.2.1 Определение объема втулки шнека, без проточки

;

6.1.2.2 Определение объема проточки во втулке шнека

;

6.1.2.3 Определение объема втулки шнека, с учетом проточки в нем

;

6.12.4 Определение объема лопастей шнека

6.1.2.5 Определение полного объёма материала шнека

6.1.2.6 Определение веса шнека

где

— плотность материала вала (сталь 12Х13).

6.1.3 Определение радиальной силы спирального отвода

Спиральный канал отвода рассчитан на пропуск расхода, при этом, по длине спирального канала .

В данном случае имеем:

;

Следовательно, спиральный канал отвода становится узким, для пропуска увеличенной подачи и начинает работать как конфузор: скорость потока жидкости возрастает, а давление потока падает. Вокруг колеса возникает неравномерная эпюра давлений.

Исследования показали, что в насосе со спиральным отводом на лопастное колесо действуют статическая и динамическая составляющая силы .

6.1.3.1 Определение статической составляющей силы

где

— коэффициент, зависящий, от отношения, ;

— ширина лопастного колеса на выходе, с учетом толщин дисков,

.

6.1.3.2 Определение динамической составляющей силы

.

6.1.3.3 Определение максимальной величины силы

Сила приложена по середине выхода колеса, включая размеры толщин несущего и покрывного дисков.

6.2 Определение осевых сил, действующих на ротор колеса

6.2.1 Осевая сила, возникающая от разности давлений по обе стороны лопастного колеса

— потенциальный напор,

;

— радиус уплотнений колеса (переднего и заднего).

Осевая сила направлена на встречу потоку, поступающему в лопастное колесо.

6.2.2 Осевая сила, возникающая от динамических реакций потока в лопастном колесе

где

— скорость жидкости на входе в лопастное колесо, направление выхода потока — радиальное.

Осевая сила направлена по потоку, поступающему в лопастное колесо.

6.2.3 Суммарная осевая сила действующая на лопастное колесо насоса

.

Суммарная осевая сила, действующая на лопастное колесо насоса, направлена на встречу потоку, поступающему в лопастное колесо.

Так как значение осевой силы достаточно велико, целесообразно разгрузить эту силу.

6.2.4 Разгрузка осевой силы лопастного насоса Разгрузку осевой силы выполняю за счет конструирования заднего уплотнения колеса, точно такого же, как и переднее уплотнение. Благодаря этому, эпюра давлений на задний диск становится почти раной эпюре давления на передний диск, при этом осевая сила уменьшается.

Чтобы это условие выполнялось, необходимо чтобы:

где

— площади разгрузочных отверстий, просверленных между лопатками в несущем диске лопастного колеса, их число равно числу лопаток рабочего колеса;

— площадь щели заднего уплотнения лопастного колеса;

исходя из этого соотношения, диаметр разгрузочного отверстия будет равен:

где

— радиальный зазор щели;

— диаметр уплотнения;

— число разгрузочных отверстий.

Конструктивно принимаю .

С учетом данного способа разгрузки имеем;

6.3 Определение прогиба вала Из радиальных сил — на вал насоса действует силы веса лопастного колеса и шнека, сила, действующая со стороны отвода; из осевых сил — сила давления потока жидкости.

Так как ротор двигателя расположен на одном валу со шнеко-центробежной ступенью насоса, конструкция имеет довольно высокую степень жесткости. Значение силы не очень велико, потому прогиб вала в радиальном направлении очень мал. Следовательно, разгрузка радиальных сил отвода не требуется, а конструктивно выбранный тип спирального отвода себя оправдывает.

Осевая сила, действующая на ротор насоса разгружается за счет конструирования заднего уплотнения колеса, точно такого же, как и переднее уплотнение.

VII Выбор и расчет подшипников качения В связи с тем, что консоль вала, где расположено лопастное колесо и действует сила со стороны отвода сильно подвержена нагружению в радиальном направлении, и к тому же вал насоса подвержен осевому нагружению со стороны лопастного колеса, — целесообразно подшипник, расположенный ближе к лопастному колесу, установить плавающим, чтобы он воспринимал практически всю радиальную нагрузку, а подшипник, расположенный дальше от лопастного колеса, закрепить от осевого и радиального перемещений, т. о. он будет воспринимать практически всю осевую нагрузку.

7.1 Расчет плавающего подшипника Выбираю шарикоподшипник радиальный сферический однорядный, средней серии, по ГОСТ 8338–75, тип 307. Для него имеем:

внутренний диаметр ;

наружный диаметр ;

ширина ;

динамическая грузоподъёмность ;

статическая грузоподъёмность ;

Требуемый ресурс работы — .

Действующие нагрузки: — радиальная, — осевая. Тогда .

По таблицам Справочника конструктора-машиностроителя В. И. Анурьев, находим коэффициенты: — коэффициент безопасности, — температурный коэффициент, — коэффициент вращения, — коэффициент радиальной нагрузки, — коэффициент осевой нагрузки, — коэффициент осевого нагружения.

Рассмотрим условие:

тогда принимаем, .

Вычислим эквивалентную динамическую радиальную нагрузку:

.

Определим требуемую динамическую грузоподъёмность:

где — коэффициент для шарикоподшипников, — скорость вращения внутреннего кольца подшипника.

Из условия видно, что подшипник удовлетворяет требованиям по долговечности работы.

7.2 Расчет жестко закрепленного подшипника Выбираю шарикоподшипник радиальный сферический однорядный, средней серии, по ГОСТ 8338–75, тип 307. Для него имеем:

внутренний диаметр ;

наружный диаметр ;

ширина ;

динамическая грузоподъёмность ;

статическая грузоподъёмность ;

Требуемый ресурс работы — .

Подшипник, закреплён в осевом направлении. Действующие нагрузки: — радиальная, — осевая. Тогда. По таблицам справочника конструктора-машиностроителя В. И. Анурьев, находим коэффициенты: — коэффициент безопасности, — температурный коэффициент, — коэффициент вращения, — коэффициент радиальной нагрузка, — коэффициент осевой нагрузки, — коэффициент осевого нагружения.

Рассмотрим условие:

тогда окончательно принимаем, .

Вычислим эквивалентную динамическую радиальную нагрузку:

.

Определим требуемую динамическую грузоподъёмность:

где — коэффициент для шарикоподшипников, — скорость вращения внутреннего кольца подшипника.

Из условия видно, что подшипник удовлетворяет требованиям по долговечности работы.

VIII Выбор и расчёт шпоночных соединений Расчёт шпоночных соединений заключается в проверке условия прочности материала шпонки на смятие, а также на срез.

8.1 Соединение центробежного колеса с валом насоса

8.1.1 Расчет шпоночного соединения на смятие

где

— коэффициент запаса шпоночного соединения на смятие,, для ответственных конструкций;

— диаметр вала;

— выступ шпонки от шпоночного паза, ;

— длина рабочей части шпонки, ,

— допускаемое напряжение смятия шпонки, ,

условие проверки шпоночного соединения на смятие соблюдается.

8.1.2 Расчет шпоночного соединения на срез

где

— допускаемое напряжение среза шпонки, ,

условие проверки шпоночного соединения на срез соблюдается.

8.2 Соединение шнека с валом насоса Используя данные шпоночного соединения центробежного колеса с валом на смятие и на срез, добавляю к уже рассчитанной длине шпонки конструктивно, для передачи крутящего момента. Шнек обладает гораздо меньшей, по сравнению с лопастным колесом массой, поэтому, расчет шпоночного соединения на смятии и срез не требуется.

8.3 Размеры шпоночного соединения шнеко-центробежной ступени с валом насоса Призматическая шпонка ГОСТ 8788–68:

— длина шпонки;

— её ширина;

— высота шпонки;

— глубина паза вала;

— глубина паза ступицы.

IX Потери энергии в насосе

9.1 Расчет утечки в переднем уплотнении колеса Согласно механике жидкости, расход жидкости через щель определяется формулой:

где

— коэффициент расхода кольцевой уплотнительной щели;

— площадь щели;

— разность напора жидкости перед уплотнением и за уплотнением.

9.1.1 Определение размеров уплотнительной щели

радиальный зазор щели ;

принимаем ;

длина уплотнительной щели ;

принимаем длины щели .

9.1.2 Определение величины

9.1.3 Определение коэффициента расхода щели

где

— сумма коэффициентов местных сопротивлений на пути утечки;

— длина уплотнительной щели;

— коэффициент сопротивления трения по длине уплотнительной щели;

— гидравлический диаметр кольцевой уплотнительной щели.

Коэффициент трения по длине уплотнительной щели определяем методом последовательных приближений. Предварительно принимаем .

Осевая скорость в уплотнительной щели:

где

— коэффициент кинематической вязкости жидкости. Относительная гладкость стенок уплотнительной щели:

По известным и с помощью графика Мичурина уточняем величину :

Во втором приближении получаем, тогда коэффициент расхода щели:

Осевая скорость в уплотнительной щели:

где

— коэффициент кинематической вязкости жидкости. Относительная гладкость стенок уплотнительной щели:

По известным и с помощью графика Мичурина уточняем величину :

Во третьем приближении получаем, тогда коэффициент расхода щели:

Осевая скорость в уплотнительной щели:

где

— коэффициент кинематической вязкости жидкости. Относительная гладкость стенок уплотнительной щели:

По известным и с помощью графика Мичурина уточняем величину :

Различие и < 5%, дальнейшие приближения не выполняются.

По известным, и можно уточнить по формулам механики жидкости. Т. к. Re<2320, то течение жидкости в уплотнительной щели ламинарное, поэтому:

По уточненной величине определяем :

9.1.4 Определение площади уплотнительной щели

.

По известным данным определяем утечку в уплотнительной щели:

9.1.5 Определение относительную утечку в переднем уплотнении колеса

Для спроектированного переднего уплотнения лопастного колеса должно выполняться условие:

;

условие выполняется.

9.2 Расчет утечки в заднем уплотнении колеса Поскольку, заднее уплотнение колеса спроектировано так, что оно полностью совпадает с передним уплотнением лопастного колеса, то принимаем утечку в заднем уплотнении колеса равной утечке в переднем уплотнении лопастного колеса.

9.3 Механические потери. Потери мощности на трение дисков о жидкость.

В боковом зазоре между вращающимся колесом и корпусом жидкость закручивается колесом, а с другой стороны тормозится стенкой неподвижного корпуса, в результате чего возникает сложное вращательное движение жидкости. Потери мощности на трение дисков о жидкость можно определить как

.

При этом относительная величина дискового трения

.

Относительная величина дискового трения для насосов той же быстроходности

.

Для спроектированного лопастного колеса должно выполняться условие:

условие выполняется.

9.4 Уточнение к.п.д. насоса

9.4.1 Уточнение объемного к.п.д. насоса Для этого определим объемные потери энергии в насосе. В общем случае имеем:

где

— утечка в переднем уплотнении вала;

— утечка в гидравлической системе разгрузки сил, действующих на вал;

— утечка в концевых уплотнениях вала;

— утечка жидкости на питание подшипников;

— прочие утечки.

Подшипники питаются рабочей жидкостью насоса, принимаем .

.

9.4.2 Определение гидравлической мощности насоса Гидравлическая мощность насоса

.

9.4.3 Уточнение механического к.п.д. насоса

где

— потери мощности на трение подшипников;

— потери мощности на трение в уплотнениях вала;

— потери мощности на трение дисков колеса о жидкость;

Предварительно примем, т.к. потери на трение подшипников малы, а уплотнений вала нет.

— мощность насоса без учета потерь на трение в подшипниках и уплотнениях вала.

С учетом опытных данных по одноступенчатым насосам, принимаем .

Уточненное значение механического к.п.д.:

.

Таким образом, уточненное значение общего к.п.д. насоса:

.

Уточненное значение больше значения к.п.д., полученного при предварительном расчете (0,794>0,786).

1. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя в 3-х томах — М.: Машиностроение, 1978.

2. Орлов П. И. Основы конструирования в 3-х книгах — М.: Машиностроение, 1988.

3. Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы — М.: Машиностроение, 1966.

4. Малюшенко В. В. Динамические насосы. Атлас — М.: Машиностроение, 1984.

5. Руднев С. С., Байбаков О. В., Матвеев И. В., Мелащенко В. И. Методическое пособие по расчету шнеко-центробежной ступени насоса — М: МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1974.

6. Мелащенко В. И., Зуев А. В. Методическое пособие по профилированию лопастей рабочих колес центробежных насосов в 2-ч частях — М.: МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1980.

7. Михайлов А. К., В. В. Малюшенко. Лопастные насосы — М.: Машиностроение, 1977.

8. Конспект лекций по курсу «Теория и расчет лопастных гидромашин».