排水离心泵的设计

2018-12-24杨立

山西电子技术 2018年6期

杨立

(山西大众电子信息产业集团有限公司第一研究所，山西太原 030024)

1 主要设计参数和方案

给定小型矿井年产量10万t煤，由1 t煤产生2～7 t矿水，取3.65 t，所以全年总涌水量36.5万t。每天涌水量为1 000 t。根据《煤矿安全规程》规定[1]，矿井主排水设备应能在20 h内排完矿井24 h涌水，所以体积流量为50 m3/h。设计扬程为50 m。

1.1 泵吸入口和排出口直径的确定

1) 泵吸入口径Ds

泵吸入口径的确定取决于进口处的流速。

(1)

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

2) 泵排出口径Di

低扬程泵，取与吸入口径相同。取为80 mm。

1.2 电动机选择

电动机分为同步和异步两种。考虑用途及成本，初步选定异步电动机。当三相交流电在连续对称变化时，电动机的空间中就可以产生一个连续均匀的旋转磁场。当p=1时，三相交流电变化一个周期，其所形成的磁场在空间也旋转了一圈，磁场旋转的速度与电流的变化同步。当p=2时，交流电变化一个周期，旋转磁场相对原来的位置只旋转了半圈。相应的旋转磁场的转速为：

(2)

式中，n0为三相异步电动机的旋转磁场的旋转速度；f1为三相交流电的频率；p为三相电动机的定子磁极对数[2]。

对于磁极对数确定的电动机，由于旋转磁场的转速与三相定子绕组的通电频率之间符合严格的同步关系,所以旋转磁场的转速又称为同步转速。

表1 工频50 Hz供电系统同步转速n0与磁极对数p的关系

旋转磁场的旋转速度与线框的旋转速度之间必须存在一个速度差，将转速降(n0-n)与同步转速n0的比值，称为转差率，用s表示：

(3)

转差率s是三相异步电动机的重要参数。故转速：

n=(1-s)n0.

(4)

1) 泵有效功率

(5)

式中，g为重力加速度， m/s2；ρ流体密度，kg/m3；qv为设计流量，m3/s；H为扬程，m；Ne有效功率，kW；计算为6.8 kW。

2) 泵轴功率

(6)

式中：N为设计工况下的轴功率，kW；η为：泵效率。因为一般泵的效率为60%～80%，所以取72%。N计算为9.45 kW。

3) 泵配套功率

Nd=KbN.

(7)

式中，Nd配套功率，kW；当Q=20～80 m3/h时，kb=1.2～1.3，取1.2。

Nd=1.2×9.45=11.34 kW

4) 选择电动机

综上，选择三相异步电动机，参数见表2。

表2 三相异步电动机具体参数

1.3 泵转速

采用汽蚀条件确定泵转速的方法，设计体积流量qV=50 m3/h，C一般为800～950，取860[3]。

按汽蚀要求确定比转速时：

(8)

式中，C为汽蚀比转数，C=860；Δhr为泵必需的汽蚀余量，Δhr=3.0 m。n=2 930 r/min<2 960 r/min，故所选用原动机合理。

1.4 比转速

(9)

式中：ns为比转速；n为泵轴转速，r/min；计算为67。

在离心泵的水力设计中，可以根据比转速相同或相近来选择水力模型，故所选取的离心泵比转速为60～70。又根据IS型泵系列型谱[3]，选取IS80-50-200为模型泵，ns=66.34。

λ取二者中的较大值或平均值，取λ=1.01。

以模型泵所有尺寸乘以修正后的放大系数1.01，即得所设计实型泵的尺寸[4]。

图1 IS型泵系列型谱

2 轴和叶轮设计

2.1 泵轴

(10)

式中：Me为泵轴传递扭矩；计算得37 Nm。

1) 泵轴材料选择

本设计泵轴选用45#钢，HB=241～286， [τ]为49 MPa～58.8 MPa。

2) 轴结构设计

根据圆轴扭转时的强度条件：

(11)

式中：τmax为最大切应力，MPa；Wt为抗扭截面系数； [τ]许用应力，MPa。

对于实心轴：

(12)

式中：d：轴径，mm。

由上得：d≥15.7 mm。

考虑键削弱作用，联轴器轴孔直径为标准化，d取24 mm。

轴的支撑形式为悬臂式结构。其结构示意图如图2。

图2 轴的结构

2.2 叶轮的设计

1) 叶轮进口直径D0

2) 叶片入口边直径D1

ns=40～100，则D1≥D0，本设计中叶片入口边直径D1取0.085 m。

3)叶片入口宽度b1

(13)

4) 叶片数Z

本设计叶片数Z取为7。

5) 叶片厚度

较小泵，考虑铸造工艺性，对铸铁叶轮，叶片最小厚度为3 mm～4 mm。本设计中，叶片厚度S取4 mm。

2.3 叶轮选择

本设计泵比转速，采用圆柱形叶轮。

2.4 叶轮的绘型

作叶轮平面投影图及流道检查

本设计叶轮的平面投影图用两个圆弧画叶片。如图3。

图3 叶轮平面投影图流道的检查

对叶轮平面投影图的流道也应该进行检查。在投影图流道内作内切圆，连接内切圆圆心，即得流道中线。对应于轴面投影图中的内切圆(内切圆圆心距叶轮中心线距离)作平面投影图中的内切圆。相应的两个内切圆直径的乘积，即为对应于该半径处的过流断面面积。根据数据，作过流断面面积F随流道中线长度l的变化曲线。该曲线和轴面投影图一样，为一条接近于直线的光滑的曲线，表明流道设计合理。