Проектирование насоса для циркуляции масла

, и .

Указанные графики строим для каждой расчетной линии тока.

а) Графики изменения меридианной составляющей абсолютной скорости жидкости с учетом стеснения лопастями строим следующим образом.

Вычисляется коэффициент стеснения в меридианных сечениях лопасти I, II, III … по каждой расчетной линии тока:

,

где S - нормальная толщина лопасти в рассматриваемом меридианном сечении I, II, III,… определяемая по графикам , - расстояние от оси колеса до рассматриваемой точки меридианного сечения средней поверхности лопасти, определяемое по чертежу меридианной проекции колёса.

Угол определяется по формуле .

Углы определяются по конформной диаграмме, углы - по чертежу меридианной проекции колеса.

При профилировании лопастей колеса расчет основных величин удобно вести в табличной форме (см. таблицы 9, 10, 11).

В каждом меридианном сечении лопасти I, II, III … по расчетным линиям тока известна величина (из графиков ).

По формуле вычисляем величины для каждого меридианного сечения лопасти по расчетным линиям тока и строятся графики .

Проводим визуальный контроль: величина должна изменяться плавно вдоль лопасти без резких перегибов, пиков и впадин.

б) Графики изменения средней относительной скорости жидкости по длине лопасти строятся для расчетных линий тока с учетом стеснения лопастями.

Для упрощения предполагаем, что относительный поток жидкости в межлопаточных каналах колеса полностью направляется лопастями, что соответствует схеме .

Для любой рассматриваемой точки лопасти при из треугольника скоростей имеем

где - определяется из графиков .

По известным величинам для расчетных линий тока строятся графики , Они определяют степень диффузорности межлопаточных каналов колеса. Желательно иметь монотонное и плавное изменение скорости по длине лопасти.

в) Графики изменения момента скорости жидкости по длине лопасти строятся следующим образом.

Из треугольника скоростей для любой точки лопасти при имеем

где - окружная скорость рассматриваемой точки лопасти.

Момент скорости жидкости .

Для расчетных линий тока строятся графики .

Так как на входе в центробежное колесо есть начальный момент скорости жидкости

Перед центробежным колесом установлен шнек, в результате чего окружная составляющая абсолютной скорости жидкости на входе в лопастное колесо не равна нулю:

где:



- окружная составляющая абсолютной скорости жидкости на выходе со шнека;

- расчетный диаметр шнека;

, и - диаметры, на которых расположены точки a, b и с входной кромки лопастного колеса.

Начальные моменты скорости жидкости на входе в лопастное колесо:

Для насосных колес величина должна монотонно нарастать от входа к выходу. Если на каком-либо участке лопасти линия момента скорости становится горизонтальной или снижается, то это свидетельствует, что данный участок работает в турбинном режиме, что нежелательно, так как насосное колесо должно увеличивать момент скорости жидкости.

При входе потока жидкости на лопасти колеса с углом атаки вследствие отклонения потока лопастями теоретически возникает некоторый скачок момента скорости . Так как углы атаки положительны, то скачки направлены вверх (см. чертеж «Профилирование лопастей центробежного колеса»). Если бы углы атаки были отрицательными, то скачки были бы направлены вниз, при - скачка нет.

В действительности при входе жидкости в колесо лопасти не сразу изменяют направление потока. Это изменение происходит на некотором участке лопасти, и поэтому скачок момента скорости сглаживается. На выходе из колеса вследствие конечного числа лопастей z поток отклоняется от направления лопасти, и момент скорости уменьшается до величины . Моменты скорости на выходе из колеса равны на всех линиях тока, так как выходная кромка лопастного колеса находится в одной меридианной плоскости:

где: - радиус колеса на выходе;

- окружная составляющая абсолютной скорости жидкости, которую можно оценить по формуле:

где: - окружная скорость жидкости на выходе из колеса;

- меридианная составляющая абсолютной скорости жидкости на выходе из колеса;

у - поправка Майзеля на конечное число лопаток, которая равна:

Расчет относительной скоростей жидкости (действительных значений) на выходе и входе лопастного колеса:



где , , для каждой линии тока были посчитаны ранее (см. таблицу 8).

По указанным причинам действительные графики и на начальном и конечном участках будут несколько отличаться от расчетных, полученных для схемы

Полученные графики изменяются плавно, без пиков, впадин и резких перегибов, следовательно, лопасти колеса спрофилированы правильно.

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

1. Определяем толщину лопасти в меридианных сечениях колеса по формуле (см. таблицы 9, 10, 11).

2. На меридианной проекции колеса нанесены меридианные сечения средней поверхности лопасти. В точках, где эти меридианные сечения лопасти пересекаются с расчетными линиями тока, перпендикулярно сечению откладываются в обе стороны от него половины соответствующей толщины лопасти . Получим точки и , и , и . Соединяя соответствующие точки, получаем меридианные сечения лицевой и тыльной сторон лопасти.

Такие построения на меридианной проекции выполняются для каждого меридианного сечения. Обозначение сечений лицевой и тыльной поверхностей лопасти выносим по обе стороны чертежа, нумеруем (I, II, III …) и надписываем.

Для входной кромки лопасти, которая имеет малую толщину и обычно скругляется, меридианные сечения лицевой, средней и тыльной поверхностей практически совпадают и поэтому их можно изобразить одним сечением.

На выходе из колеса получается меридианное сечение только тыльной поверхности лопасти, так как сечение лицевой поверхности выходит за пределы наружного диаметра колеса .

На меридианной проекции колеса соседние меридианные сечения лицевой и тыльной поверхностей лопасти при густом их расположении могут на некоторых участках перекрывать друг друга.

3. Построение проекции лопасти в плане.

Рядом с чертежом меридианной проекции колеса вычерчиваем две окружности диаметрами и (план колеса), затем проводим в виде радиальных лучей меридианы I, II, III … с угловым шагом . Нумерация меридианов должна возрастать в сторону вращения колеса. Направление вращения колеса согласуется с приводом насоса.

На плане колеса строим проекция тыльной поверхности лопасти, соответствующую виду на колесо со стороны входа.

Проекция тыльной поверхности строится по точкам с координатами:

а) номер меридианного сечения лопасти (I, II, III …);

б) расстояние от оси колеса до точек пересечения данного меридианного сечения тыльной стороны лопасти (обозначено штриховой линией) с крайними линиями тока а и с , т.е. с дисками колеса.

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

В плане на каждом луче-меридиане получим по две точки. Соединяя их соответственно плавными линиями, получим проекцию тыльной поверхности лопасти.

Для наглядности на плане колеса строим также проекция лицевой поверхности лопасти, которая совмещается с проекцией тыльной поверхности.

Проекция лицевой поверхности лопасти строится по точкам с координатами:

а) номер меридианного сечения лопасти (I, II, III …);

б) расстояния от оси колеса до точек пересечения меридианных сечений лицевой стороны лопасти (обозначены сплошными линиями) с крайними линиями тока а и с, т.е. с дисками колеса.

На каждом луче-меридиане, таким образом, появляются еще две дополнительные точки. Соединяя их плавными линиями (сплошной в верхней части проекции лопасти и пунктирной в нижней части), получим в плане проекцию лицевой поверхности лопасти. Для наглядности, сечение лопасти передним диском колеса заштриховываем.

Таблица 9. Расчетная таблица профилирования лопастей рабочего колеса для линии тока а.

	Расчетные величины	Размеры	Меридианные сечения лопасти
			X	IX	VIII	VII	VI	V	IV	III	II	I
1		мм	40	44,5	50	56,5	63,5	71	78,5	86,5	95	104
2		град	35,7	34,3	34,3	34,3	33,8	32	28	28	28	28
3			0,583	0,563	0,563	0,563	0,556	0,529	0,478	0,469	0,469	0,469
4			0,718	0,681	0,681	0,681	0,67	0,624	0,544	0,531	0,531	0,531
5		град	87,8	83,3	76,4	70,1	77,8	83,8	86,4	86	85,6	85
6			0,999	0,993	0,972	0,94	0,977	0,994	0,998	0,997	0,997	0,996
7			0,718	0,676	0,662	0,64	0,654	0,62	0,543	0,529	0,529	0,529
8		град	35,7	34,1	33,5	32,7	33,2	31,8	28,5	27,9	27,9	27,9
9			0,583	0,56	0,552	0,539	0,548	0,527	0,48	0,468	0,468	0,467
10			0,812	0,828	0,834	0,842	0,837	0,85	0,879	0,884	0,884	0,884
11	S	мм	2,5	3,8	4,8	5,5	5,9	6	6	5,6	5	4
12		мм	4,29	6,78	8,7	10,2	10,78	11,38	12,58	11,97	10,7	8,56
13			0,881	0,83	0,806	0,799	0,811	0,821	0,821	0,846	0,875	0,908
14			2,93	2,9	2,88	2,93	3,09	3,27	3,36	3,39	3,4	3,52
15			3,33	3,49	3,57	3,68	3,81	3,98	4,09	4	3,89	3,88
16			5,7	6,21	6,35	6,52	6,85	7,52	8,56	8,55	8,29	8,27
17			16,75	18,63	20,93	23,65	26,59	29,73	32,87	36,21	39,77	43,54
18			4,63	5,13	5,24	5,38	5,69	6,38	7,52	7,55	7,32	7,3
19			12,12	13,5	15,69	18,27	20,89	23,35	25,34	28,66	32,45	36,24
20			0,485	0,601	0,784	1,032	1,327	1,658	1,989	2,479	3,083	3,77
21		мм	3,1	4,6	5,8	6,5	7,1	7,1	6,8	6,3	5,7	4,5

Таблица 10. Расчетная таблица профилирования лопастей рабочего колеса для линии тока b.

	Расчетные величины	Размеры	Меридианные сечения лопасти
			X	IX	VIII	VII	VI	V	IV	III	II	I
1		Мм	52	54,5	57,5	61,5	65,5	71,5	78,5	86,5	94,5	104
2		град	21,5	21,5	21,5	21,5	21,6	28	28	28	28	28
3			0,366	0,398	0,405	0,415	0,429	0,446	0,469	0,469	0,469	0,469
4			0,394	0,433	0,443	0,456	0,474	0,498	0,531	0,531	0,531	0,531
5		град	86,2	88	89,9	94	90,5	86,5	87,5	89	88,5	88,5
6			0,998	0,999	1	0,998	1	0,998	0,999	1	1	1
7			0,393	0,433	0,443	0,455	0,474	0,497	0,53	0,53	0,53	0,53
8		град	21,5	23,4	23,9	24,5	25,4	26,4	27,9	28	28	28
9			0,366	0,397	0,405	0,414	0,429	0,445	0,468	0,469	0,469	0,469
10			0,931	0,918	0,914	0,91	0,903	0,896	0,883	0,883	0,883	0,883
11	S	мм	2,5	4,6	5,4	5,9	6	6	6	5,8	4,9	4
12		мм	6,84	11,57	13,33	14,24	14	13,48	12,81	12,37	10,45	8,53
13			0,853	0,763	0,742	0,742	0,762	0,79	0,818	0,841	0,877	0,909
14			3,09	2,98	2,92	2,9	2,94	3,12	3,29	3,39	3,39	3,52
15			3,62	3,9	3,94	3,91	3,86	3,95	4,02	4,03	3,87	3,87
16			9,89	9,82	9,72	9,42	9	8,86	8,58	8,6	8,25	8,26
17			21,77	22,82	24,07	25,75	27,42	29,93	32,87	36,21	39,56	43,54
18			9,2	9,01	8,89	8,57	8,13	7,93	7,58	7,6	7,28	7,3
19			12,57	13,81	15,18	17,18	19,29	22	25,29	28,62	32,28	36,24
20			0,654	0,753	0,873	1,057	1,263	1,573	1,985	2,475	3,05	3,769
21		мм	2,7	5	5,9	6,5	6,6	6,7	6,8	6,6	5,5	4,5

Таблица 11. Расчетная таблица профилирования лопастей рабочего колеса для линии тока c.

	Расчетные величины	Размеры	Меридианные сечения лопасти
			X	IX	VIII	VII	VI	V	IV	III	II	I
1		Мм	63	64	65,5	67	69,5	73	79	86,5	95	104
2		град	9,2	10,4	10,4	11,8	16,8	21,8	28	28	28	28
3			0,159	0,18	0,222	0,259	0,309	0,371	0,469	0,469	0,469	0,469
4			0,161	0,183	0,228	0,268	0,325	0,399	0,531	0,531	0,531	0,531
5		град	95	79,4	103,8	72,8	106,1	73,9	100,5	96,3	97	98
6			0,996	0,983	0,971	0,955	0,961	0,961	0,983	0,994	0,993	0,99
7			0,161	0,18	0,221	0,256	0,312	0,384	0,522	0,528	0,527	0,526
8		град	9,1	10,2	12,5	14,4	17,3	21	27,6	27,8	27,8	27,7
9			0,159	0,177	0,216	0,248	0,298	0,358	0,463	0,467	0,466	0,465
10			0,987	0,984	0,976	0,969	0,955	0,934	0,886	0,884	0,885	0,885
11	S	мм	2,5	3,2	4,4	5,3	5,8	6	6	5,6	5	4
12		мм	15,75	18,08	20,37	21,36	19,47	16,75	12,97	12	10,73	8,6
13			0,721	0,685	0,653	0,645	0,688	0,744	0,817	0,845	0,874	0,908
14			2,94	2,93	2,91	2,93	3,05	3,23	3,35	3,39	3,4	3,52
15			4,08	4,28	4,45	4,55	4,43	4,34	4,1	4,01	3,89	3,88
16			25,58	23,75	20,05	17,55	14,36	11,7	8,74	8,55	8,3	8,27
17			26,38	26,79	27,42	28,05	29,1	30,56	33,07	36,21	39,77	43,54
18			25,26	23,37	19,55	16,95	13,66	10,87	7,72	7,55	7,33	7,3
19			1,12	3,43	7,88	11,1	15,44	19,7	25,35	28,66	32,44	36,24
20			0,071	0,219	0,516	0,744	1,073	1,438	2,002	2,479	3,082	3,769
21		мм	2,5	3,3	4,5	5,5	6,1	6,4	6,8	6,3	5,7	4,5

3.8 Выполнение рабочего чертежа для изготовления лопастей колеса

Окончательный результат профилирования лопастей - рабочий чертеж, по которому изготовляются лопасти. Рабочий чертеж выполняется на основе полученных чертежей меридианной проекции и плана колеса.

На отдельном листе вычерчиваем меридианное сечение колеса с указанием размеров. На него переносятся ранее полученные меридианные сечения лицевой поверхности лопасти. Эти сечения координируются.

Если меридианное сечение лопасти прямолинейное, достаточно его закоординировать только по крайним линиям тока а и с, т.е. по дискам колеса.

На каждом меридианном сечении лицевой поверхности лопасти цифрами указывается соответствующая нормальная толщина лопасти S (величины S берутся из таблиц 9, 10, 11).

Рядом с меридианным сечением колеса вычерчивается план колеса, на котором проводятся меридианы I, II, III … с угловым шагом . На план переносится ранее построенная проекция лопасти, соответствующая виду на колесо со стороны входа.

На чертеже наносим размеры на построенные модельные сечения и модельные срезы лопасти. Проставляем 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.

4. 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. Гидравлическое сопротивление конфузоров весьма мало. Таким образом, прямоосный конфузор удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к подводам.

Конструктивно выбираем размеры подвода:

Диаметр входного патрубка:

Принимаем:

Диаметр входного патрубка ;

Длина подвода ;

Радиус скругления .

5. Проектирование проточной полости отвода

По назначению целесообразно выбрать спиральный тип отвода.

Спиральный отвод представляет собой канал, расположенный по окружности выхода из рабочего колеса, из которого жидкость уходит в напорный патрубок в направлении, лежащем в плоскости, перпендикулярной к оси насоса. Осевые сечения этого канала увеличиваются, начиная от языка, соответственно изменению расхода жидкости, протекающей через сечение отвода. Спиральный канал переходит в прямоосный диффузор. Уменьшение скорости происходит главным образом в прямоосном диффузоре, а не в спиральной части отвода. Спиральный отвод обычно применяют в одноступенчатых насосах одностороннего и двустороннего входа, реже - в многоступенчатых насосах спирального типа.

Для расчёта спирального отвода используем полученные ранее величины:

- диаметр лопастного колеса насоса,

- ширина колеса на выходе,

- момент скорости жидкости на входе в лопастное колесо в точке b.

- момент скорости жидкости на выходе из лопастного колеса в точке b.

1. По опытным данным радиус окружности входа в спиральный отвод равен:



2. Ширина спирального канала на радиусе :

.

На базе полученных размеров и задаем боковые границы спирального канала.

Рис. 11.

Обычно радиальное сечение спирального канала принимают трапециевидной формы.

Конструктивно принимаем угол наклона боковых стенок (угол раскрытия диффузора) и радиус сопряжения .

Задаем 8 плавно увеличивающихся значений высоты сечений h и вычисляем соответствующий угол до тех пор, пока угол не достигнет значения:

.

Данные расчета представлены в таблице 12.

Таблица 12. Зависимость .

	5	10	15	20	25	30	35	40
	39	80,4	120,4	165,8	212,9	261,8	312,2	360,5

По известным h и строим график и совмещаем его с принятой формой радиальных сечений спирального канала (см. рис . 12).

Рис. 12. График

3. Выбираем угол между языком и расчетным сечением спирального канала в зависимости от . По опытным данным для хорошо выполненных насосав для рекомендуется принимать расчётный угол .

Так как , то расчетное сечение не стесняется толщиной языка и начало спирального канала (язык) расположен под углом от расчетного сечения.

При этом и .

Толщина языка выбирается с учетом технологии изготовления спирального отвода . Принимаем .

4. Промежуточное сечение спирального отвода строим через от расчетного сечения - такой расчет удобно принять для выполнения рабочего чертежа отвода.

Так как , то:

5. Корректировка радиальных сечений спирального канала отвода.

Полученные по графику сечения спирального канала имеют неблагоприятную трапециевидную форму - при отливке острые углы заплывают и в этих местах образуются застойные зоны жидкости. Поэтому полученные сечения спирального канала необходимо откорректировать.

Сначала корректируем расчетное сечение ВС:

Рис. 13. Корректировка расчетного сечения.

Корректировка сечения выполняется по условию: расход по отрезанной части площади должен равняться расходу по прибавленной части площади .



Для потока в спиральном канале имеем:

Получим:

- условие корректировки радиального сечения.

где: и -отрезанная и прибавленная части площади радиального сечения спирального канала.

и - расстояния от оси насоса до центров тяжести этих площадей (см. рис. 13).

Центры тяжести и определяются графически (см. рис. 13).

Корректировку сечений проводим подбором радиусов R и r. Для того, чтобы откорректированная высота каждого сечения каждого сечения и радиусы R и r изменялись плавно и монотонно, строим графики .



Рис. 14. График .

По графику 14 определяем , R, r для каждого сечения и по этим размерам корректируются все промежуточные сечения. Расчетное сечение уже откорректировано ранее. У языка (начало спирального канала) - это литейный радиус, который получается технологически. У языка контур верхней части сечения - прямая линия (), поэтому используем .

Для выполнения рабочего чертежа спирального отвода размеры , и , снятые по графикам , заносят в таблицу:

Таблица 13. Откорректированные параметры радиальных сечений спирального отвода.

номер сечения	0	1	2	3	4	5	6	7	8
, мм	0	4,5	10	16	21,5	27	33	38,5	44
1/мм	0	0,0046	0,0104	0,0163	0,0221	0,028	0,0338	0,0397	0,0455
R, мм		217	96	61	45	36	30	25	22
r, мм	2	2,8	3,9	4,9	5,9	6,9	8	9	10

6. По откорректированным высотам сечений … и углам … строим контур

спирального канала в плане. Для этого проводим окружность радиуса и делим на 8 частей через . Затем наносим точки 1…8 с координатами ….

Высоты … откладываем от окружности радиуса в радиальном направлении. Через точки 1…8 проводим плавную спиральную линию. Для ее построения выбираем дуги окружностей , , и . Одна дуга проводится через три точки, так как для плавного сопряжения дуги должны перекрываться.

7. Расчет диффузорного канала спирального отвода.

Начальное сечение диффузора - конечное (расчетное) сечение спирального канала, т.е. .

Выходное сечение диффузора - круглое, диаметром и площадью .

Диаметр выходной определяем по формуле:

,

где: - коэффициент выходного диаметра диффузора. Для консольных насосов определяется по эмпирической формуле

Полученный расчетом диаметр необходимо округлить до ближайшего стандартного диаметра труб. Принимаем .

Проверим скорость жидкости на выходе из диффузора:

- скорость приемлемая.

8. Определение длины и типа диффузора.

Длина диффузора определяется из условия, чтобы эквивалентный круглый диффузор имел угол расширения .

Для одноступенчатых консольных насосов по статистике обычно имеем .

9. Корректировка промежуточных сечений отвода.

Промежуточные сечения диффузора “” и “” (см. чертеж «Проточная часть спирального отвода») строятся так, чтобы обеспечивался плавный переход от начального сечения диффузора к выходному сечению диффузора диаметром .

Форму промежуточных сечений “” и “” намечаем графически (разделяя на три части расстояния между начальным и конечным сечениями диффузора, наложенными друг на друга). Полученные промежуточные сечения корректируем так, чтобы их контур очерчивался отрезками прямых линий и дуг окружностей.

Каждое сечение вычерчиваем отдельно и образмериваем (см. чертеж «Проточная часть спирального отвода»).

6. Расчет шпоночного соединения

Подбираем призматическую шпонку ГОСТ 23360-78.

Материал шпонки Сталь 45 , нормализация

длина шпонки

Выразим рабочую длину шпонки

где - допускаемое напряжение смятия;

- крутящий момент;

- рабочая длина шпонки;

d=30 мм - диаметр вала, на который ставится шпонка;

h=8мм - высота шпонки;

- глубина шпоночного паза.

- ширина шпонки

принимаем

Список используемой литературы

1. Дунаев П.Ф., Леликов О.П., Конструирование узлов и деталей машин - 10-е изд., стер.-М.: Издательский центр «Академия», 2007.-496 с.

2. Решетов Д.Н., Детали машин - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 496 с., ил.

3. Новичихина Л.И., Справочник по техническому черчению - Мн.: Книжный Дом, 2004. - 320 с., ил.

4. Мелащенко В.И., Зуев А.В., Савельев А.И., Методическое пособие по профилированию рабочих колес центробежных насосов: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 48 с.

5. Руднев С.С., Байбаков О.В., Матвеев И.В., Методическое пособие по расчету шнеко-центробежной ступени насоса: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1874. - 62 с.

6. Малюшенко В.В., Динамические насосы: Атлас. - М.: Машиностроение, 1984. - 84 с., ил.

7. Зимницкий В.А., Каплун А.В., Папир А.Н., Умов В.А., Лопастные насосы: Справочник. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1986. - 334 с.: ил.

8. Мелащенко В.И., Лекции по ЛМ и ГДП.