Конструктивный расчет центробежного насоса

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАУСЬ БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет «Энергетический»

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту по дисциплине «Основы конструирования и САПР»

Тема: «Конструктивный расчет центробежного насоса»

Минск 2011

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ОПИСАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
• 2. МЕТОДИКА КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАСОСА
• 2.1 Расчет рабочего колеса
• 2.2 Методика расчёта профилирования цилиндрической лопасти
• 2.3 Методика расчёта спирального отвода с круговыми сечениями
• 3. МЕТОДИКА ПОСТРАЕНИЯ ХАРАКТНРИСТИК НАСОСА
• 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
• 4.1 Параметры рабочего колеса
• 4.2 Расчет спирального отвода с круговыми сечениями
• 4.3 Расчет профилирования цилиндрической лопасти
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
• ВВЕДЕНИЕ
• Насосами называют машины, предназначенные для перемещения жидкостей и сообщения им энергии. Работающий насос превращает механическую энергию, подводимую от двигателя, в потенциальную, кинетическую и тепловую энергию потока жидкости. В противоположность насосам машины, превращающие гидравлическую энергию потока жидкости в механическую энергию, называют гидравлическими двигателями. В настоящее время в промышленности находят применение так называемые гидропередачи Ї гидравлические устройства для передачи механической энергии с вала двигателя на вал приводимой им машины. Гидропередача состоит из насоса и гидравлического двигателя, совмещенных в одном конструктивном блоке. Гидравлические двигатели, насосы и гидропередачи составляют класс гидравлических машин. На рисунке В.1 представлена классификация насосов по свойствам перемещаемой среды и конструктивным признакам.

Рисунок В.1 — Классификация насосов по свойствам перемещаемой среды и конструктивным признакам

По энергетическому и конструктивному признакам насосы разделяют на:

1) Лопастные, работа которых основана на общем принципе — силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса с обтекающим их потоком перекачиваемой жидкости. Эти машины представлены в современной промышленности тремя основными группами Ї центробежными, осевыми и вихревыми насосами. По количеству рабочих колес различают одноступенчатые и многоступенчатые лопастные насосы. Одноступенчатые насосы имеют одно рабочее колесо, многоступенчатые насосы Ї несколько последовательно соединенных рабочих колес, закрепленных на одном валу. Большое распространение лопастных насосов объясняется достаточно высоким КПД, компактностью и удобством комбинирования их с приводными электродвигателями.

2) Объемные, работа которых основана на всасывании и вытеснении жидкости твердыми телами (поршнями, пластинами, зубцами), движущимися в рабочих полостях. Объемные насосы в зависимости от конструкции и назначения бывают поршневые и роторные.

3) Струйные, действие которых основано на увлечении нагнетаемого (откачиваемого) вещества струёй жидкости, пара или газа (соответственно различают жидкоструйные, пароструйные и газоструйные насосы). КПД струйных насосов низок, но простота их конструкции и отсутствие движущихся частей привели к их широкому применению.

4) Пневматические, предназначенные для подъема и перемещения жидкости. В промышленности применяется воздушный (газовый) подъемник для жидкостей, известный под названием эрлифт или газлифт. Подъемники этого типа применяют, например, для подачи воды и нефти из буровых скважин.

1. ОПИСАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Центробежные насосы состоят из следующих основных элементов: спирального корпуса, рабочего колеса, расположенного внутри корпуса и сидящего на валу. Рабочее колесо на вал насаживается с помощью шпонки. Вал вращается в подшипниках, в месте прохода вала через корпус для уплотнения устроены сальники. Вода в корпус центробежного насоса поступает через всасывающий патрубок и попадает в центральную часть вращающегося рабочего колеса. На рисунке 2.1 представлена схема центробежного насоса. Под действием лопаток рабочего колеса центробежного насоса жидкость начинает вращаться и центробежной силой отбрасывается от центра к периферии колеса в спиральную часть корпуса (в турбинных насосах в направляющий аппарат) и далее через нагнетательный патрубок в напорный трубопровод. В результате действия лопаток рабочего колеса на частицы воды кинетическая энергия двигателя преобразуется в давление и скоростной напор струи. Напор центробежного насоса измеряется в метрах столба перекачиваемой жидкости. Всасывание жидкости происходит вследствие разрежения перед лопатками рабочего колеса. Для создания большего напора и лучшего отекания жидкости лопатками придают выпуклую специальную форму, причем рабочее колесо должно вращаться выпуклой стороной лопаток в направлении нагнетания. Центробежные насосы классифицируют по:

1) Числу колес: одноступенчатые (одноколесные) и многоступенчатые (многоколесные); кроме того, одноколесные насосы выполняют с консольным расположением вала Ї консольные.

2) Напору: низкого напора (до 2 кгс/см² = 196 133 Па), среднего напора (от 2 кгс/см² = 196 133 Па до 6 кгс/см² = 588 399 Па), высокого напора больше 6 кгс/см² = =588 399 Па.

Рисунок 2.1 — Схема центробежного насоса

3) Способу подвода воды к рабочему колесу: с односторонним входом воды на рабочее колесо и с двусторонним входом воды (двойного всасывания).

4) Расположению вала: горизонтальные центробежные насосы и вертикальные центробежные насосы.

5) Способу разъема корпуса: с горизонтальным разъемом корпуса и с вертикальным разъемом корпуса.

6) Способу отвода жидкости из рабочего колеса в спиральный канал корпуса: спиральные и турбинные центробежные насосы. В спиральных насосах жидкость отводится непосредственно в спиральный канал; в турбинных жидкость, прежде чем попасть в спиральный канал, проходит через специальное устройство Ї направляющий аппарат (неподвижное колесо с лопатками).

7) Степени быстроходности рабочего колеса: тихоходные, нормальные и быстроходные центробежные насосы.

8) Роду перекачиваемой жидкости: водопроводные, канализационные, кислотные и щелочные, нефтяные, землесосные и другие центробежные насосы.

9) Способу соединения с двигателем: приводные (с редуктором или со шкивом), непосредственного соединения с электродвигателем с помощью муфт. Насосы со шкивным приводом встречаются в настоящее время редко.

Центробежные насосы получили широкое распространение. Они применяются для подачи жидкостей и газов. В теплоэнергетических установках для питания котлов, подачи конденсата в систему регенеративного подогрева питательной воды, циркуляционной воды в конденсаторы турбин, сетевой воды в системы теплофикации применяются центробежные насосы. Техническое, хозяйственное и противопожарное водоснабжение электрических станций также основывается на применении центробежных насосов. В атомной энергетике применяются центробежные насосы специальных конструкций обычного и герметичного исполнений. Центробежные насосы применятся также для подачи грунтои золосмесей в системах гидрозолоудаления тепловых электростанций, при производстве земляных работ методом гидромеханизации и в торфяной промышленности при разработке залежей торфа гидравлическим способом.

2. МЕТОДИКА КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАСОСА

2.1 Расчет рабочего колеса

Конструкция колеса в значительной степени зависит от коэффициента быстроходности поэтому в первую очередь определяем его [3, стр.130]:

.(2.1)

1 — тихоходное колесо,; 2 — нормальное колесо,; 3 — быстроходное колесо,; 4 — диагональное колесо,; 5 — осевое или пропеллерное колесо, .

Рисунок 2.1 Конструктивные типы рабочих колес

Далее определим объемный КПД по формуле:

(2.2)

Где a — коэффициент зависит от соотношения между диаметрами входа и выхода и составляет около 0,68.

Рассчитываем приведенный диаметр на входе:

.(2.3)

Исходя из полученного диаметра определяем гидравлический КПД по формуле:

. (2.4)

Для современных центробежных насосов механический КПД достигает. Принимаем .

Полный КПД насоса рассчитываем по формуле:

насос лопасть центробежный механический

. (2.5)

Зная полный КПД определяем мощность насоса и крутящий момент на валу:

кВт; (2.6)

кВт. (2.7)

Крутящий момент определяется по формуле:

Н· см. (2.8)

Определив мощность насоса и крутящий момент на его валу, можно рассчитать из условия скручивания диаметр вала насоса.

Вал насоса работает в основном на скручивание моментом М, но частично нагружен поперечными силами собственного веса и центробежными силами, обусловленными небалансом ротора. Поэтому допускаемое напряжение кручения у_кр принимают пониженным: у_кр =120 — 200 кгс/см² (у_кр=150 кгс/см²).

м. (2.9)

м. (2.10)

Расчётная подача колеса больше подачи на величину объёмных потерь. Принимая предварительное значение объёмного КПД получим:

(2.11)

Для предварительного выбора скорости, используем формулу:

м/с. (2.12)

где — коэффициент, обычно находящийся в пределах 0,06−0,08.

Диаметр рабочего колеса:

м.

Окончательно скорость входа в рабочие колесо рассчитывают по формуле:

м/с. (2.13)

Далее находим радиус средней точки лопасти:

м. (2.14)

Принимаем:

м/с. (2.15)

Определяем ширину канала в меридианном сечении:

. (2.16)

Предварительно выбрав значение коэффициента стеснения сечения, который должен находиться в пределах 1,1−1,15, находим меридианную составляющую скорости при поступлении на лопасть:

м/с. (2.17)

Переносная скорость:

м/с. (2.18)

Для обеспечения безударного поступления потока на лопасти колеса входной угол лопасти в₁ выбирают равным в_1,0, причём:

(2.19)

.(2.20)

Определяем теоретический напор:

(2.21)

Полагая что коэффициент окружной составляющей абсолютной скорости при выходе потока из колеса равен:, находим приближённо переносную скорость:

м/с. (2.22)

Расчёт выходного (наружного) радиуса колеса:

м. (2.23)

Принимаем:

м/с.

Находим значение коэффициента стеснения сечения, который должен находиться в пределах (1,1−1,15):; .

Имеем

. (2.24)

;

Оптимальное число лопастей для центробежного колеса находим:

. (2.25)

2.2 Методика расчёта профилирования цилиндрической лопасти

Толщина лопасти выбирается или равномерной, или тоньше по концам. При переменной толщине ее значение в средней части рекомендуется согласовать с толщиной диска колеса, выбираемой по соображениям технологии производства и прочности. В крупных насосах с широкими каналами толщина лопасти должна проверяться на прочность при изгибе центробежными силами.

В колесах с почти радиальным направлением средней линии меридианного сечения канала пренебрегают отличием длины элемента средней линии ds от приращения радиуса dr.

Рисунок 3.2 - Построение цилиндрической лопасти по точкам.

Дифференциальное уравнение средней линии контура лопасти имеет вид [1, стр.87]:

(2.26)

откуда следует

^о (2.27)

Угол является функцией следовательно:

^о (2.28)

В связи с тем, что значения в и д — функции r и задаются в виде таблицы, интегрирование приходится проводить в численной форме.

Обозначим подынтегральную функцию .

Тогда ,^о (2.29)

где,^о — приращение центрального угла,

м — приращение радиуса,

и — значения подынтегральной функции в начале и в конце рассматриваемого участка.

Суммируя, получим:

^о (2.30)

Получив как функцию, наносят соответствующие точки в плане и строят среднюю линию лопасти по точкам. Откладывая в каждой точке средней линии толщину лопасти, строят контур лопасти как огибающую.

2.3 Методика расчёта спирального отвода с круговыми сечениями

Форма меридианного сечения спирального отвода играет существенную роль и должна выполняться по подобию с конструкциями насосов, показавших высокое значение КПД. При этом быстроходность проектируемого насоса не должна значительно отличаться от используемого образца.

Рисунок 3.4 - Спиральный отвод с круговым сечением

Неудачная форма сечения ведет к отрыву потока от стенок спирального отвода и нарушает характер движения жидкости, предполагаемый расчетом. Однако для определения в первом приближении размеров спирального отвода удобно запроектировать его с круговыми сечениями.

Уравнение для пропускной способности сечения, расположенного под неколорым углом [1, стр.102]:

. (2.31)

так как .

С другой стороны пропускная способность определяется из следующей формулы:

(2.32)

Тогда из системы уравнений (2.31), (2.32) определяем данный угол:

(2.33)

где коэффициент К определяется по следующей формуле:

. (2.34)

Заменяя в последнем равенстве и решая его относительно, получим

м. (2.35)

Эта формула позволяет аналитическим путём определить радиус кругового сечения спиральной камеры, расположенного под углом .

3. МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАСОСА

В зависимости от угла выхода и от конструктивных особенностей и проточной части существует две основные формы действительных характеристик насоса.

Рисунок 3.1 — Зависимость напора от подачи

Особенностью такой характеристики является наличие максимума и как следствие неоднозначной зависимости напора от Н до Н_мах. Машины с такой характеристикой работают неустойчиво, самопроизвольно изменяя расход.

Рисунок 4.2 — Зависимость напора от подачи

Такая характеристика свойственна центробежным насосам при рациональной форме проточной части. Работа машин устойчива при любом режиме .

Действительный напор отличается от теоретического на величину потерь в проточной полости машины. При изменении расхода машины патери напора изменяются из-за смены сопротивления проточной части, а так же из-за изменения направления скорости на входе в межлопаточные канала. Изменение направления обуславливает удар жидкости о входные кромки лопасти и образование в потоке вихревых зон. Поэтому характеристика действительного напора располагается ниже теоретической характеристики.

Рисунок 4.3 — Зависимость характеристик насоса от его подачи Зависимости N, P, з от подачи называют полной характеристикой нагнетателя. Действительная мощность пи нулевой подачи т. е. при закрытой задвижке равно мощности холостого хода.

Потери мощности на холостом ходе обусловлены циркуляционными потоками в проточной части машины, а так же дисковым трением о жидкость и механические трения в сальниках и подшипников машины.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

4.1 Параметры рабочего колеса

Таблица 4.1 — Параметры рабочего колеса

4.2 Расчет спирального отвода с круговыми сечениями

Таблица 4.2 — Расчет спирального отвода с круговыми сечениями

4.3 Расчет профилирования цилиндрической лопасти

Таблица 4.3 — Расчет профилирования цилиндрической лопасти

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По заданным параметрам подачи Q=95 м³/ч, напору воды H=45 м и при частоте вращения вала насоса n=1500 об/мин был произведен расчет центробежного насоса. В результате расчета мы определили основные параметры рабочего колеса, в частности число лопаток z = 9 штук, а также рассчитали рабочее колесо и спиральную камеру. Исходя из рассчитанных данных, построили теоретические характеристики исходного насоса.

1. Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы. М., «Машиностроение», 1966 г.

2. Степанов А. Н. Центробежные и осевые насосы. М., «Машгиз», 1960 г.

3. Черкасский В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М., «Энергия», 1977 г.

4. Шерстюк А. Н. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М., «Машиностроение», 1976 г.