SCS200节段式多级泵的设计理论
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摘要：本文讲述了作者为了满足用户的特殊要求：（1）轴径d可以适当增大（2）D2尽量不变或少变（3）在满足设计要求的情况下尽量减少空蚀。即在高流量高扬程低成本低空蚀的情况下设计一个scs200节段式多级泵以满足用户需求。
关键词：多级泵；设计；叶轮；导叶；平衡盘
Abstract: This paper describes how the author in order to meet the specific requirements of users: (1) the shaft diameter of D can be appropriately increased (2) D2 as unchanged or less variable (3) in the case of meeting the design requirements as far as possible to reduce the cavitation. A SCS200 multistage pump design in high flow and high lift and low cost low corrosion conditions to meet the needs of users.
Key words: multistage pump; design; impeller; blade; the balance disc
中图分类号：[O244] 文献标识码：A 文章编号：
1国内外现状
（1）利用二元理论，在准正交线法轴面流动计算以及逐点积分法的基础上，编程实现了离心泵叶轮水力设计。设计提出了新的过流断面线计算方法，克服了传统过流断面面积内切圆检查方法效率低，精度差的缺点。改进了传统的逐点积分法，设计可以方便地对叶片包角进行控制。叶片采用给定其圆周方向厚度的方法进行加厚，解决了轴面流动计算中排挤系数无法确定的问题。对加厚后的叶片头部出现尖锐形状进行了修圆处理。
（2）为满足制碱企业的需求，西安泵阀总厂日前开发生产出耐腐蚀、耐高温、耐磨工况条件的DF600-700×5不锈钢多级泵。据了解，该厂生产的泵阀产品是西安市的名牌产品。近年来，该厂在生产高中压阀门和工业用泵常规产品的同时，根据相关行业用户的需求开发出了各种特种泵阀产品，使产品不仅应用于国家电力、石油化工等重点项目，还出口到国外。
（3）所需水泵主要工作任务是负责矿区的生产生活用水的需要，自80年投产以来，我们生产作业场所的抽水机组全部采用“s 型卧式大功率的离心泵，从机组的使用情况来看，能够满足长时间的满负荷工作、出水量较大、扬程较高，维修也方便。但该类型的机组在抽送含砂量大的源水时，机组的轴套锁紧螺母容易出现滑牙、松动的现象。该情况一旦出现，必然造成泵轴上的其他配件及泵轴寿命的缩短，操作工人难以处理，严重影响了生产，增加了维修费用。每年我们因轴套锁紧螺母松动、滑牙造成泵轴严重损坏的现象经常发生，致使我们在维修中不得不更换新的泵轴，维修成本不断增大。针对这种情况，我们先后采用了几种不同的改进措施。如刚开始我们认为，造成螺母松动、退位的主要原因是水泵泵轴与驱动电机轴的中心线不同心，产生了轴向窜动或径向跳动，使整个转子振动严重，锁紧螺母承受轴套强大的挤压冲击力，至使螺母容易松动、退位。于是，我们对该机组进行了重新的校正，确保两轴的的中心线偏差值在允许的范围。
（4）由于传统的工程设计方法不可避免地存在着重复性设计、绘图、试验和数据处理工作量大，效率低、精度差和周期长的缺点。而运用AutoCAD和Excel软件探讨了确定离心泵主要参数和结构方案、绘制叶片型线、设计蜗壳断面、绘制特性曲线、试验数据的回归分析和绘制二维投影图等设计过程的实现方法。这些方法对降低设计的劳动强度，提高设计精度、缩短产品的开发时间，提高产品的性能都具有重要意义。泵的主要参数和结构方案的确定离心泵参数和结构方案的确定主要应用Excel，并辅以AutoCAD进行。当离心泵的流量、扬程和转速等初始参数确定后，利用Excel的计算功能可以迅速计算出离心泵进、出直径，叶轮外径，叶轮进直径、出宽度和泵轴直径等主要结构参数。运用Excel软件编制了离心泵的水力设计计算表格，用此表格可以方便地计算出离心泵中的主要参数。
2 研究路线
2.1研究内容
（1）SCS200分段式多级泵首级叶轮设计。完成计算后，根据计算结果利用AUTO CAD画出叶轮木模图。设计中要注意首级叶轮要符合空化要求，次级叶轮要符合高效要求。在首级叶轮的设计时，必须检查过水断面是否变化均匀。
（2）导叶设计。首先完成设计计算，设计中要注意基圆直径与叶轮外径，前导叶进口角，前导叶扩散度，反导叶出口角，导叶宽度和导叶厚度必须在要求标准之内。而且反导叶尺寸有很大任意性，出口直径与水流进入下一级时的圆弧半径有关。
（3）平衡盘设计。首先根据设计手册完成设计计算，然后根据计算结果利用CAD画出平衡盘零件图。
2.2研究路线和技术方案
（1）首先根据手册认真完成首级叶轮设计计算后，根据求出的尺寸,，，，参考相近的叶轮图纸，绘制叶轮的轴面投影。然后依次作出内切圆、周面液流流道的中线、和过流断面，根据求出各过流断面的面积，并作出曲线以检查面积变化是否均匀。以各过流断面形成线与流道中线为横坐标，以相应的各轴面液流流过流断面面积A为纵坐标，作出A-L线，要求此线为直线或者接近于直线，如此线弯曲得较厉害，则说明流道形状不好，需要修改轴面投影图。在作叶片进口边时，进口边和流线的交角为90度，为了提高叶轮的抗汽蚀能力并能使泵性能曲线出现驼峰的可能性减少，叶片进口边向吸入口方向适当延伸。第一级叶轮为了得到较好的抗汽蚀性能，使进口边处液流过流断面面积比叶轮进口有效面积大1.1~2.5倍。则我利用公式以符合要求。以上工作完成后，需要检查与，先按表格进行计算后，就作相对速度与流线长度的关系曲线。如此两线不弯弯曲曲，没有极大极小值出现，而是直线过接近于直线。否则还必须对叶轮设计进行修改，使此两线接近于直线。然后根据手册画出叶轮叶片的木模图，应当注意，绘制出来的木模图是作叶轮木模的依据，而木模的尺寸是用铸造缩尺。因此，设计叶轮的整个绘图过程均应采用铸造缩尺。到此叶轮叶片的设计即完成了。
（2）导叶计算灵活度较大，需要按照要求和规定还有配合取好数值，首先根据公式确定范围，比转速较高或尺寸较小时取大值，反之取小值。我根据要求取之间值。导叶进口角是导叶片工作面在进口处的切线与该处圆周线间的夹角，由于考虑导叶进口边厚度等影响，其正切值为正切值的1.1~1.3倍。我也取中间值。由于导叶叶片一般取4~10片，且其确定主要要求喉部周尽可能小，使该处流到断面应接近正方形，即使得。又导叶叶片需与叶轮叶片数成质数关系，所以我取导叶叶片为7片。导叶片的厚度可做成等厚或不等厚的，但不宜太厚，一般根据铸件结构确定，取正导叶进口边厚度，铸铁为3~5mm，铸钢为4~7mm。扩散角通常取6~8度，且扩散段是两向扩散，因为两向扩散能使扩散段各断面接近或者就是正方形，减小水力半径，提高水利效率。所以我取7度。为了使正导叶叶片厚度均匀和减小导叶的径向尺寸，往往采用弯扩散段，但这种扩散段中流速不均匀，使扩散段中的损失增加，因此，如果对正导叶叶片厚度均匀程度影响不大，也不显著的增大导叶径向尺寸，最好采用直扩散段。即使采用弯扩散段，其中线曲率半径尽可能大些，所以我采用直扩散段。再确定导叶外径后即进行正导叶绘型，包括螺旋线部分的绘型和扩散段绘型，还有弯道部分面积的确定。首先螺旋线绘型中，由于比较小，通常为8~16度，我取8°。按照手册步骤画出螺旋线后要对正导叶螺旋线部分加厚。为了减少导叶叶片的进口撞击损失，头部应圆角，圆角时应使圆弧与导叶叶片的工作面和背面相切，还应使之与基圆相切。在扩散段绘型中，扩散段平面图确定后也就确定了导叶外径，应该取整数，接着课绘出扩散段的出口边。另外，为了充分发挥扩散段的作用，应使扩散段的两侧面长度大致相等。在弯道部分面积确定中，在导叶中的弯道部分是指由正导叶的扩散段出口与反导叶的入口这一过渡区，此区域中的关键部位是扩散段出口处的扇形，此扇形面积应不小于扩散段的出口面积。
然后是反导叶主要尺寸的确定，反导叶尺寸由较大任意性，但反导叶出口角根据近年来的一些试验研究和高效率的产品来看，应为60~80度，对泵的效率和获得稳定的特性都是有利的。确定尺寸后就可做反导叶平面图了。一般反导叶进口边应与扩散段出口接近，定出反导叶进出口边的位置后，做圆弧（也可以使两个或三个光滑连接的圆弧），使之与反导叶进口边的圆周交角为，与反导叶出口边的圆周交角为，角度变化应该是均匀的，而为了做到这一点，可在反导叶出口圆周上适当调整反导叶进口边的位置。在反导叶加厚过程中要使反导叶之间的流道过流断面面积变化均匀，一般是逐步收缩的，否则应改变反导叶叶片厚度，或改变圆弧形状。反导叶的厚度，按工艺要求对铸铁最小厚度应为3~5mm，对铸钢则为4~7mm。如果反导叶叶片高度较大，应适当加厚些，以保证强度和刚度。到此导叶的设计即完成了。
（3）平衡盘零件图较简单，但是计算非常麻烦，需要耐心和细心。首先根据手册计算出平衡盘机构前后的压力差和作用在平衡盘上的平衡力，较为简单，只需依据公式即可。接下老轴向间隙的确定，应该考虑平衡盘泄露尽可能的少，也就是越小越好，但由于加工与装配中的误差，使其在整个圆周上是不相等的，因为，为了保证泵的可靠运行，必须保证轴向间隙有足够的大小，否则平衡盘就会磨损。我根据公式和要求取得轴向间隙为0.104mm。平衡盘的泄露是影响多级泵的重要因素之一，因为在保证平衡机构工作灵敏可靠的条件下，应尽量减小其泄漏量，以提高泵的总效率，目前，一般平衡盘相对泄漏量以小于5%为宜。
3 结语
SCS200节段式多级泵设计是根据设计手册设计出一个符合用户要求的多级泵，需要计算和CAD画图，包括首级叶轮水力设计和木模图、导叶设计和零件图、平衡盘设计和零件图还有多级泵总装图。条件很灵活，需要自己反复不断的试验、验证、修改。由于此次的设计要求是在轴径增大，叶轮外径不变或少变而必须减少空蚀的情况下进行设计工作的，所以可能需要取大叶轮出口宽度，或者加长叶片或者增大叶轮进口直径来满足要求。