Размещено на http://www.allbest.ru/

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

СОДЕРЖАНИЕ

• 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 = 196133 Па), среднего напора (от 2 кгс/см² = 196133 Па до 6 кгс/см² = 588399 Па), высокого напора больше 6 кгс/см² = =588399 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 грунто- и 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

Наименования	Обозначение	Размерность	Значение	Примечание
Подача	Q	м3/час	95
Напор	H	м	45
Плотность	с	кг/м3	1000
Частота вращения	n	об/мин	1500	Принимаем по техническим данным двигателя
Коэф. быстроходности	ns	об/мин	51,2
Объемный КПД	зo	%	96	Принимаем коэффициент а=0,68
Приведенный диаметр на входе	Dп	мм	118
Гидравлический КПД	зг	%	66
Механический КПД	зм	%	96	Принимаем из (93-96)%
Мощность насоса	N	кВт	19,5
Крутящий момент на валу	M	Н·м	124,8
Диаметр вала	d	мм	74,7	Принимаем фдоп=150 кгс/см2
Диаметр входа на рабочее колесо	D1	мм	138
Окружная скорость на входе в каналы раб.колеса	U1	м/с	10,9
Скорость входа в рабочее колесо	C0	м/с	5,1
Ширина лопасти	b	мм	13,4
Окружная скорость на выходе из колеса	U2	м/с	28,4
Диаметр выхода	D2	мм	362
Кол-во лопаток	z		9
Теоретический напор	НТ	м	68,2

4.2 Расчет спирального отвода с круговыми сечениями

Таблица 4.2 - Расчет спирального отвода с круговыми сечениями

№	Произвольный угол	Подача	Угловой коэффициент k	Расстояние от колеса до отвода с	Радиус отвода a=R3+с
1	0	0	-	-	-
2	45	11,9	810,36	1,7	187,7
3	90	23,8	405,18	10,5	196,5
4	135	35,6	270,12	19,3	205,3
5	180	47,5	202,59	65,3	215,3
6	225	59,4	162,07	38,4	224,4
7	270	71,3	135,06	50,6	236,6
8	315	83,1	115,77	62,0	248,0
9	360	95,0	101,30	75,4	261,4

4.3 Расчет профилирования цилиндрической лопасти

Таблица 4.3 - Расчет профилирования цилиндрической лопасти

№ точек	Радиус лопасти r, мм	Ширина канала b, мм	Скорость потока	Относительная скорость щ	Отношение скоростей	Шаг t	Толщина лопасти д	Толщина участка канала д/t
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	69	13,4	0,8049	2,775	0,290	47,10	3	0,06369
2	74	12,5	0,7990	2,754	0,290	49,34	4	0,08106
3	93	10	0,7959	2,743	0,290	52,03	5	0,09609
4	111	8,4	0,7927	2,732	0,290	56,52	6	0,10615
5	130	7,2	0,7898	2,722	0,290	58,31	6	0,10289
6	147	6,4	0,7819	2,716	0,290	61,01	5	0,08195
7	168	5,6	0,7848	2,705	0,290	62,80	4	0,06369
8	181	5,2	0,7814	2,693	0,290	66,39	3	0,04518



№ точек	sinв	Угол входа на рабочее колесо в		Значение подинтегральной ф-ии	Приращение центрального угла	Сумма приращений	Центральный угол ик
	10	11	12	13	14	15	16
1	0,69	44	0,015	10	0,029	0,075	0
2	0,71	45	0,013	10	0,024	0,256	0,075
3	0,71	45	0,011	10	0,020	0,193	0,332
4	0,71	45	0,009	10	0,017	0,171	0,525
5	0,70	44	0,008	10	0,015	0,135	0,700
6	0,68	43	0,007	10	0,014	0,154	0,830
7	0,66	42	0,007	9	0,013	0,087	0,985
8	0,65	41	0,006	-	-	-	1,072

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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

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

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

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

Размещено на Allbest.ru