流体机械课程设计.docx
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流体机械课程设计
流体机械
课程设计说明书
题目：
流体机械课程设计
课程：
流体机械原理
专业：
热能与动力工程
班级：
学号：
姓名：
指导教师：
日期：
2013.12.18——2014.1.11
目录
Ⅰ.课程设计的目的与要求·······························1
Ⅱ.设计任务·············································1
Ⅲ.叶轮的水力设计·····································1
一.确定比转速ns··········································1
二.叶轮进口部分计算······································1
3.叶轮出口部分计算······································2
4.叶片数的选择和叶片其他参数的确定······················3
Ⅳ.叶轮的绘型··········································4
1.画出轴面图············································4
2.验证过流部件的合理性··································5
3.绘制截面流线··········································6
4.绘制中间流线··········································6
5.将三条流线分点········································7
6.绘制流面展开方格网····································8
7.构造需要的主要截面流线································9
8.设计叶片厚度分布······································10
9.构造等分线及绘制木模图································12
Ⅰ.课程设计的目的与要求
1、设计目的
通过流体机械课程设计的实践教学，进一步加深对课堂知识的理解，初步掌握运用流体机械基本知识进行离心泵、轴流泵叶轮的水力设计及木模图的绘制，培养学生独立解决工程实际问题的能力。
2、要求
（1）熟悉离心泵、轴流泵叶轮设计的一般原则、主要设计内容及设计要求；
（2）学会收集、分析和运用水泵设计的有关资料和数据，初步掌握水泵设计基本流程；
（3）培养CAD绘图的能力；
（4）培养提高独立工作能力、创造能力及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力；
（5）课程设计应各自独立进行，按期完成任务，提交规定的成果，不得抄袭。
Ⅱ.设计任务
要求设计一台离心泵，其设计参数及相关条件如下：
（1）流量Q=0.15m3/s。
（2）扬程H=27m。
（3）转速n=1450r/min。
（4）最大吸上真空度Hs=5.7m。
（5）效率。
（6）抽送介质为清水。
Ⅲ.叶轮的水力设计
一.确定比转速ns：
ns在30~300之间，故选用单级单吸式离心泵。
2.叶轮进口部分计算：
2.1确定叶轮进口直径D0
兼顾汽蚀与效率，k0=4.0
单级单吸式离心泵，取dh=0
2.2确定叶片入口边直径D1
ns=173取
2.3确定叶片入口处绝对速度v1
取
2.4确定叶片入口宽度b1
2.5确定叶片入口处圆周速度u1
2.6确定入口轴面速度vm1
由ns=173，查图可知：
km1=0.219g取9.8m/s2
2.7确定叶片入口安放角
取
取
三.叶轮出口部分计算
3.1确定叶轮出口直径D2
3.2确定叶片出口安放角
3.3确定叶轮出口宽度
3.4确定叶轮出口绝对速度与圆周速度的夹角
四.叶片数的选择和叶片其他参数的确定
4.1叶片数的选择
4.2确定叶片厚度
4.3计算叶片入口排挤系数
式中----入口处的叶片实际厚度
4.4计算叶片出口排挤系数
式中----出口处的叶片实际厚度
4.5确定叶片包角
取
Ⅳ.叶轮的绘型
一.画出轴面图
轴面投影图绘制的已知控制尺寸只有四个：
叶轮半径，叶轮进口直径，叶轮出口宽度和轮毂直径，所绘轴面投影图应当满足这四个已知尺寸。
叶轮流道宽畅一些，有利于减少叶轮的水流速度，降低水力损失，也有利于增强叶轮抗气蚀性能，保证有少量气泡出现后泵的外特性不致迅速变化。
前盖板以一段圆弧过渡两直线，该圆弧应于两直线相切。
在泵的轴向尺寸要求不严格时，可取大一些。
后盖板流线下部一半也以一段圆弧构成，此圆弧与直线相切，也应与1/2的水平线相切（对于轴不穿越叶轮吸入口的叶轮，水平线指叶轮轴心线，这时并不强求圆弧与轴心线一定相切），比值一般在1.2～2这一范围内。
必要时，过渡圆弧也可以用两相切圆弧构成。
如下图一所示：
图一：
轴面设计图
2.验证过流部件的合理性
检查步骤如下：
（1）在周面投影图流道内作6～10个内切圆。
内切圆个数越多，检查精度越高，但是工作量也越大。
将这些内切圆圆心用光滑的曲线连接起来，便是叶轮流道中心线。
（2）依次量出各计算点过水断面形成线与流道中线交点到叶轮进口中点的曲线距离，并分别按上述方法计算出面积，流道中线如图2-2所示。
（3）连接相应的圆心与前后盖板的切点，如下图中三角，将三角形中垂线分为三等分，分点为和。
过点且和轴面流线相垂直的曲线是过水断面的形成线，其长度可得。
过水断面形成线的重心近似认为和三角形的重心重合（点），重心半径为。
设曲线长为b，曲线绕叶轮轴心线旋转一周所得的轴面液流过水断面面积可用来计算。
依次量出各计算点过水断面形成线与流道中线交点到叶轮进口中点的曲线距离，并分别按上述方法计算出面积。
各过流断面的面积计算出后，可用纵坐标表示过流断面面积，用横坐标表示流道中线长度X，做出值随X变化的F-X曲线，以观察沿流道的变化情况，如下图所示一般来说，如F-X曲线为直线或者接近直线的光滑曲线，则叶轮轴面投影图就是合理的。
如图二所示：
图二：
流道面积图
3.绘制截面流线
如图三所示：
图三：
截面流线
四.绘制中间流线
一元理论假设流动是对称的，即每个轴面上的流动是相同的。
在同一过流断面上轴面速度相等，做流线就是将每一个过流断面分成几个面积相等的单元面积。
反映在轴面投影图上就是这些流线将过流断面形成线分成若干小段，而每段长度和其形心道叶轮轴心线距离与的乘积相等。
三条流线将过流断面形成线分成两部分，，而，形心到轴心线距离分别为，。
得：
=或=。
作中间流线时可以随手勾画出流线的形状，然后进行验算。
在同一过流断面上分成的每一单元过流断面面积都相等。
否则，重新修改流线形状，直到面积相等为止。
当过流断面形成线被分成几部分后，这些小段曲线与直线相近，检查时可以近似的取每一小段弧线的中心点作为该小段的形心。
在作中间流线过程中，要想在同一过流断面上分成几个绝对相等的面积是可能的，但是这样工作量太大，因此在作中间流线过程中，允许在同一过流断面上分成若干个有一定误差的断面。
一般允许误差不得超过在同一过流断面上各小段面积的平均值的。
结果如下图四所示：
图四：
中间流线示意图
5.将三条流线分点
所谓保角变换，顾名思义，就是保证空间上流线与圆周方向的角度不变的变换。
在平面上的展开流线只要求其与圆周方向上的夹角和空间流线的角度对应相等。
展开流线的长度和形状则于实际流线可能不相同。
因此只在相似，而不追求相同。
可以设想把流面展开成圆柱面，然后把圆柱面沿母线切开，展开成平面。
由此可见，空间流线穿过流面上小扇形，将扇形两边分别切成两段，相应的流线在平面方格网上，把正方形两边分别切成成比例的两段，由相似的关系，则对应的角度相等，即保持角度不变，变换到（平面和轴面投影）上。
在轴面投影图旁，画两条夹角等于的射线。
这两条射线表示夹角为的两个轴面。
与逐点计算分点法相同，一般取。
从出口开始，先试取，若的中点与半径对应的两条射线间的弧长，与试取的相等，则分点是正确的，如果不是相等的，就逐次逼近，直到=为止。
第1点确定以后，用同样的方法分第2、3、4……点。
当流线平行轴线时，不变，用对应的截取流线即可，各流线用相同的分点。
本题中取，过程（如图五）及结果（如图六）所示：
图五：
分点过程示意图
图六：
分点结果图
六.绘制流面展开方格网
在其上绘制流线，因为保角变化法绘型时基于局部相似，而不追求局部相等，所以几个流面可以用一个平面方格网代替。
方格网的大小任意选取，横线表示轴面流线的相应分点，竖线表示夹角为对应分点所用的轴面，画出方格网并把特征线进行编号。
而后在其上绘制流线，通常先画中间流线。
流线在方格网上的位置应该与相应轴面流线分点序号相对应。
进出口角度应与预先确定好的值相符，包角大小可以灵活掌握。
型线的形状极为重要，不理想时，应该坚决修改。
必要时，可以改变叶片进口边的位置，包角的大小等。
进口边在方格网中位于同一竖线上，进口边的三点位于同一条0竖线上，表示进口边位于同一轴面上，一般离心泵进出口边都位于同一轴面上。
离心泵绘型的流线不理想时，进出口边均可不位于同一轴面上，如何布置，主要由方格网上流线的形状和下步所述的轴面截线形状的好坏来决定。
如图七所示：
图七：
流面展开方格网
7.构造需要的主要截面流线
在方格网中画出的三条流线，就是叶片的三条型线。
用轴面（相当于方格网中的竖线）去截这三条流线，相当于用轴面去截叶片，所截三点的连线，时一条轴面截线，把方格网中的每隔一定的角度的竖线和三条流线的交点，对应于编号1、2、3、4……的位置，用插入法分别插到轴面投影图相应的三条流线上，把所得
的点连成光滑的曲线，就得到叶片的轴面截线。
轴面截线应该光滑，按照一定的规律变化，轴面截线和流线的夹角最好接近，一般不要小于。
角太小，盖板和叶片的真实夹角过小，就会带来铸造困难、排挤严重和过水断面形状不良
（湿周增长）等缺点。
角可按照公式进行计算。
图八：
主要截面流线图
八.设计叶片厚度分布
方格网保角变换绘型，一般在轴面投影图上按照轴面截线所得的轴面截线为骨线向两边加厚，或认为是工作面向背面加厚。
沿轴面流线方向的轴面厚度按照下式计算：
图九：
叶片厚度分布图
轴面
0
*Ⅱ
Ⅴ
*Ⅶ
Ⅹ
前流线
S/mm
2.50
3.44
4.00
4.00
4.00
β/°
27
18
15
18
24
cosβ
0.89
0.95
0.97
0.95
0.91
/mm
2.81
3.62
4.12
4.21
4.40
中流线
S/mm
2.50
3.44
4.00
4.00
4.00
β/°
27
27
26
25
24
cosβ
0.89
0.89
0.90
0.91
0.91
/mm
2.81
3.86
4.44
4.40
4.40
后流线
S/mm
2.50
3.44
4.00
4.00
4.00
β/°
27
36
38
33
24
cosβ
0.89
0.81
0.79
0.84
0.91
/mm
2.81
4.25
5.06
4.76
4.40
表一：
叶片加厚数据
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