径向泵送环泵送效率的研究大学论文.docx
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径向泵送环泵送效率的研究大学论文
辽东学院本科毕业论文(设计)
径向泵送环泵送效率的研究
Radialringpumpingefficiencyofthepumping
学生姓名:
学院:
机电学院
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
学号:
指导教师:
审阅教师:
完成日期:
2013年5月25日
辽东学院
EasternLiaoningUniversity
独创性说明
作者郑重声明:
本毕业论文(设计)是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,毕业论文(设计)中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得辽东学院或其他单位的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
___________日期:
____
摘要
本课题是研究泵送系统泵送效率,为了提高泵送系统的泵送效率,泵送环的样式和结构很重要。
本课题设计的是一个直孔式径向泵送环,提出新的泵送环槽型,即将原来斜孔变为直孔,减少了加工工序,降低了加工难度和成本,减少了加工用时。
去掉中间车槽,简化了结构,提高了泵送效率。
确定了流道结构参数,大幅提高了泵送环的泵送效率。
新型泵送环没有泵轴旋向要求,特别是用在双支撑泵中减少出图数量。
以往用的斜孔式泵送环加工困难,并且泵送的效率低,而本设计就是用直孔式泵送环代替以往的斜孔式泵送环,不仅解决了加工困难的问题,而且在泵送效率上有明显提高。
在密封方面,采用旋转式内装内流平衡型单端面密封,不仅减少了密封液的泄漏量,而且安装,拆卸方便。
关键词:
泵送环,机械密封,泵送环的效率
Radialringpumpingefficiencyofthepumping
Abstract
Thistopicisthepumpingefficiencyofthepumpingsystem,toimprovethepumpingefficiencyofthepumpingsystem,thepumpingringstyleandstructureisveryimportant.Designofthisprojectisastraightholeradialpumpingring,proposenewpumpingringgroove,soonturnedintoaslant-holestraightholes,reducingthemanufacturingprocesses,reducingtheprocessingdifficultyandcost,reducingtheprocessingtime.Removethemiddleslotcar,simplifyingthestructureandimprovethepumpingefficiency.Determinethestructuralparametersoftheflowchannel,asubstantialincreaseintheefficiencyofthepumpingpumpingring.Newpumpingshaftrotationringisnotrequired,especiallytosupportthepumpisusedinpairstoreducethenumberofplot.Previoususeoftheramp-holepumpingringprocessingdifficultandinefficientpumping,andIwaspumpedringwithstraight-holeinsteadofthepreviousramp-holepumpingring,notonlysolvedtheproblemofprocessingdifficulties,butalsointhepumpsignificantlyimproveddeliveryefficiency.Inasealed,theuseofbuilt-flowrotarybalancedsingleseal,notonlyreducestheamountofleakagesealingliquid,andtheinstallationandremovaleasy.
KeyWords:
Pumpingring,mechanicalseal,theefficiencyofpumpingring
目录
摘要I
AbstractII
一、泵送环简介2
(一)螺旋式和柱塞式泵的区别2
(二)泵送环的总体结构5
(三)技术要求5
二、泵送环的比较6
(一)几种泵送环的比较与分析6
1.斜孔结构泵送环6
2.特殊结构1泵送环6
3.直孔泵送环7
4.圆角U型槽泵送环7
5.直角U型槽泵送环8
6.锪槽泵送环8
(二)流道结构设计9
1、环形流道9
2、渐开线流道9
(三)泵送环试验方案图10
(四)试验数据10
1、直孔和斜孔对比(有流道)10
2、不同数量孔的泵送效率对比(有流道)11
3、几种形式泵送环效率对比(有流道)11
4、优选的三种泵送环效率对比(有流道)12
5、没有流道泵送效率对比12
6、渐开线流道和环形流道泵送效率对比:
13
(五)试验数据总结13
三、泵送环的参数选择13
(一)直孔泵送环图13
1、直孔泵送环图14
2、直孔泵送环图15
3、流道深16
4、流道形式圆环深16
(二)试验结果数据17
四、设计原理20
(一)泵的泵送原理20
(二)泵送环的工作原理21
(三)密封原理21
五、效率的计算22
(一)泵送环的流量计算22
(二)泵送环的比转数22
(三)泵送环的水力效率22
(四)泵送环的容积效率23
(五)泵送环的机械效率24
(六)泵送环的总效率24
(七)泵送环的理论扬程和理论流量25
1、泵送环的理论流量
25
2、泵送环的理论扬程25
结论26
参考文献27
一、泵送环简介
(一)螺旋式和柱塞式泵的区别
我们经常看见和使用的泵送环可以分为离心式和螺旋式两种泵送环(见图1.1、图1.2)。
离心式泵送环可以分为两种,分别是开口槽式、半圆槽式和斜孔式等样式(见图1.3)。
图1.1离心式泵送环
图1.2螺旋式泵送环
图1.3离心式泵送环样式
斜孔式就是为了增大密封液得流量,以减少流体阻力为目的,与轴旋向有关。
螺旋式泵送环可以分为只有外螺纹旋转和内外螺旋配两种(见图1.4),
图1.4螺旋式泵送环样式
只有外螺纹旋转经常使用,螺纹式对螺纹的旋向有要求,在设计时要注意螺纹的旋向。
由于密封腔内的空间一般不同,所以要选用不同的泵送环。
当密封腔径向空间大于轴向空间时,则需要使用离心式泵送环;当密封腔轴向空间大于径向空间时,则需要使用螺旋式泵送环;如果密封腔内的空间足够大,则选用离心式泵送环和螺旋式泵送环都可以。
本课题研究的主要是径向泵的离心式泵送环[1]。
(二)泵送环的总体结构
图1.5直孔泵送环
图1.5所示为泵送环总体结构,根据轴的尺寸不同能够设计出不同尺寸的泵送环结构,该泵送环是在金属环的一侧加工出液槽,利用泵送环高速旋转时产生的离心力将出液槽(或孔)内的密封液甩出,使泵送环外侧的密封液形成一定的压力,将泵送环外侧的密封液导流出去,同时泵送环内侧的密封液不断补充到出液槽(或孔)中,形成持续泵送效应,工作状况类似离心泵。
离心式泵送环要求由离心力作用甩出的流体对着出口,引出口结构形式对循环压力影响较大,常用的办法是在对应的外腔体上面加工出一个槽,槽的轴向宽度包含离心环轴向宽度,同时环形槽并非是圆周的,在近出孔的后侧位置处隔断,以使流体强制流向出孔,这种设计的零件对间隙要求不高。
(三)技术要求
1.提出新的泵送环槽型,即将原来斜孔变为直孔,减少加工工序,降低了加工难度和成本,减少了加工用时。
2.去掉中间车槽,简化了结构,提高了泵送效率。
3.确定了流道结构参数,大幅提高了泵送环的泵送效率。
4.新型泵送环没有泵轴旋向要求,特别是用在双支撑泵中减少出图数量。
二、泵送环的比较
(一)几种不同的泵送环的比较
1.斜孔结构泵送环
图2.1斜孔结构泵送环
2.特殊结构1泵送环
图2.2特殊结构1泵送环
3.直孔泵送环
图2.3直孔泵送环
4.圆角U型槽泵送环
图2.4圆角U型槽泵送环
5.直角U型槽泵送环
图2.5直角U型槽泵送环
6.锪槽泵送环
图2.6锪槽泵送环
(二)流道结构设计
1、环形流道
图2.7环形流道
2、渐开线流道
图2.8渐开线流道
(三)泵送环试验方案图
依据标准密封腔尺寸设计:
图2.9泵送环安装图
(四)试验数据
1、直孔和斜孔对比(有流道)
表2.1直孔和斜孔对比
转速rpm
泵送环形式
产生压力MPa
优先选择形式
2800
直孔12-φ10
0.067
直孔
斜孔12-φ10
0.065
转速
泵送环形式
产生压力MPa
2450
直孔12-φ10
0.05
斜孔12-φ10
0.05
转速
泵送环形式
产生压力MPa
2000
直孔12-φ10
0.034
斜孔12-φ10
0.033
转速
泵送环形式
产生压力MPa
1450
直孔12-φ10
0.019
斜孔12-φ10
0.019
2、不同数量孔的泵送效率对比(有流道)
表2.2不同数量孔的泵送效率对比
转速rpm
泵送环形式
产生压力MPa
优先选择形式
2800
直孔25-φ10
0.088
孔越多越好
直孔20-φ10
0.082
直孔16-φ10
0.069
直孔12-φ10
0.067
3、几种形式泵送环效率对比(有流道)
表2.3几种形式泵送环效率对比
转速rpm
泵送环形式
产生压力MPa
优先选择形式
2800
特殊
0.085
直孔或者U型槽
直孔25-φ10
0.088
圆角U形槽25-8
0.088
锪槽25-8
0.086
4、优选的三种泵送环效率对比(有流道)
表2.4优选的三种泵送环效率对比
转速rpm
泵送环形式
产生压力MPa
优先选择形式
2800
直角U型槽25-8
0.079
直孔或者圆角U型槽
圆角U形槽25-8
0.088
直孔25-φ10
0.088
转速rpm
泵送环形式
产生压力MPa
2450
直角U型槽25-8
0.049
直孔或者圆角U型槽
圆角U形槽25-8
0.056
直孔25-φ10
0.059
转速rpm
泵送环形式
产生压力MPa
2000
直角U型槽25-8
0.044
直孔或者圆角U型槽
圆角U形槽25-8
0.048
直孔25-φ10
0.048
转速
泵送环形式
产生压力MPa
1450
直角U型槽25-8
0.025
直孔或者圆角U型槽
圆角U形槽25-8
0.028
直孔25-φ10
0.028
5、没有流道泵送效率对比
表2.5没有流道泵送效率对比
转速rpm
泵送环形式
产生压力MPa
2800
圆角U型槽25-8
0.023
直孔25-φ10
0.023
转速rpm
泵送环形式
产生压力MPa
2450
圆角U形槽25-8
0.018
直孔25-φ10
0.017
转速rpm
泵送环形式
产生压力MPa
2000
圆角U形槽25-8
0.011
直孔25-φ10
0.011
转速
泵送环形式
产生压力MPa
1450
圆角U形槽25-8
0.007
直孔25-φ10
0.007
6、渐开线流道和环形流道泵送效率对比:
渐开线流道和环形流道泵送效果没有明显区别。
试验数据总结
1.泵送环:
根据以上试验结果,将直孔和圆角U型槽泵送环作为基本径向泵送环结构。
2.流道:
将环形流道作为流道设计基本结构。
三、泵送环的参数选择
上面确定了泵送环基本结构,即直孔型。
下面针对直孔型泵送环试验各个参数对泵送效率的影响:
影响效率的设计参数:
孔直径C、孔个数N、仰角a、流道形式、流道深度。
(一)直孔泵送环图对比:
图3.1直孔泵送环图
(一)
1、直孔泵送环图:
图3.2直孔泵送环图
(二)
2、直孔泵送环图:
图3.3直孔泵送环图(三)
3、流道,深2、4
图3.4流道图
(一)
4、流道形式圆环深2
图3.5流道图
(二)
(二)试验结果数据
1、采用泵送环图3.2式泵送环实验数据:
表3.1泵送环实验数据
规格
孔规格数量N-φC
仰角a
流道深度
泵送压力MPa
流道深度
泵送压力MPa
转速
LK1
16-φ8
8
2
0.028
圆环深2
0.017
3000
20-φ6
0.029
0.018
24-φ5
0.026
0.015
规格
孔规格数量
仰角
流道深度
泵送压力Mpa
流道深度
泵送压力Mpa
转速
LK1
16-φ8
10
2
0.028
3000
20-φ6
0.025
24-φ5
0.024
规格
孔规格数量
仰角
流道深度
泵送压力Mpa
流道深度
泵送压力Mpa
转速
LK1
16-φ8
12
2
0.024
4
0.036
3000
20-φ6
0.022
0.032
24-φ5
0.021
0.032
注:
表中数据为应用出口中间加工空刀形式泵送环
a)
b)
c)
表3.2泵送压力对比
2、根据以上数据综合考虑:
(1)泵送环形式:
采用孔16-φ8,仰角N:
10°
(2)流道形式:
采用3/4圆周,流道深4mm
3、采用泵送环图3.2和泵送环图3.3形式,和2泵送效率结果对比试验数据:
规格
孔规格数量
仰角
流道深度
泵送压力Mpa
LK1(中间无空刀)
16-φ8
12
4
0.044
12-φ10
0.04
LK1(中间无空刀)
16-φ8
0.036
表3.3出口有无空刀形式效率
结果分析:
从试验结果可以看出:
泵送环出口没有空刀泵送效果明显优于有空刀泵送环。
试验结论:
综合以上试验结果,最优泵送环形式为:
1.2直孔泵送环。
四、设计原理
(一)泵的泵送原理
径向泵送环是在金属环的一侧加工出液槽,利用泵送环高速旋转时产生的离心力将出液槽(或孔)内的密封液甩出,使泵送环外侧的密封液形成一定的压力,将泵送环外侧的密封液导流出去,同时泵送环内侧的密封液不断补充到出液槽(或孔)中,形成持续泵送效应,工作状况类似离心泵。
离心式泵送环要求由离心力作用甩出的流体对着出口,引出口结构形式对循环压力影响较大,常用的办法是在对应的外腔体上面加工一槽,槽的轴向宽度包含离心环轴向宽度,同时环形槽并非是圆周的,在近出孔的后侧位置处隔断,以使流体强制流向出孔,这种设计的零件对间隙要求不高。
离心式泵送环环外侧压头主要由试验得出。
由于整体循环过程中,密封液循环压力与压盖出口方向、角度以及管路流程阻力、密封液的黏稠度等关系较大,详细计算很复杂,实际使用中,以检测压盖、换热器的密封液进出管路温度差值等来判定泵送环的工作状况。
(二)泵送环的工作原理
泵送环主要是用来泵送密封液缓冲液的,泵送环安装在泵的主轴上,随泵的主轴一同旋转,其转速等同于泵的转速。
当泵的主轴旋转时,泵送环通过销钉跟泵的主轴转速一样,这样,在泵送环的边缘就产生离心力,在离心离的作用下,把密封中的密封液或者缓冲液泵出,随后新的密封液注入,这样可以使密封液不至于过热而影响密封的效果。
其工作原理,先在泵送环内充满液体,并在泵送环不同方向上取A,B,C,D…H几块流体当泵送环旋转时,各流体块也被泵送环带动一同旋转起来。
这时,每块流体必然都受到一个离心力的作用,在离心力的作用下,流体的静压能提高了,这是流体从泵送环的中心甩向泵送环的外缘,于是在泵送环中心(主轴面上)就产生负压,形成真空。
外界流体在大气压的作用下,源源不断的沿着吸入口向负压处补充,从泵送环得到能量的流体则流入管道中。
随着流道的扩展,流体的动能逐渐下降,而压能逐渐增高,最后流入外部装置中。
这样,泵送环不停地旋转,流体不断地被吸入和排出,从而达到连续输送流体的目的。
(三)密封原理
本设计采用传动座和推环,轴带动动环旋转,静环固定不动,依靠介质压力和弹簧力使动静环之间的密封端面紧密贴合,阻止了介质的泄漏。
摩擦副表面磨损后,在弹簧的推动下实现补尝。
为了防止介质通过动环与轴之间泄漏,装有动环密封圈;而静环密封圈则阻止了介质沿静环和压盖之间的泄漏。
图4.2泵送环密封总图
五、效率的计算
(一)泵送环的流量计算
泵送环的功率应小于电动机的额定功率。
同时保障电动机的转速能够满足设计要求达到设计所要求的扬程。
泵的轴功率:
P=
式中
——输送水的密度,故取
=1000kg/m3;
g——重力加速度g=9.8N/m
因为电动机已经给定,我们可以假设电动机的输出功率为
,则
(二)泵送环的比转数
泵送环的比转数是衡量泵送环性能的一个很重要的参数,简称比速。
利用以下公式求比转数。
=
代入数据,得:
=
=
=123.30
取n
=123
(三)泵送环的水力效率
泵送环的实际扬程等于理论扬程减去全部的水力损失。
通过泵送环的有效液体(除掉泄漏)从泵送环中接收的能量(
),也没有完全输送出去,因为液体在泵送环过流部分(从泵送环进口到出口的通道)的流动中伴有水力摩擦损失(沿程阻力)和冲击、脱流、速度方向及大小变化等引起的水力损失,用
来表示。
由于存在水力损失,单位重量液体经过泵送环增加的能量(
),要泵送环传给单位重量液体的能量(
),即:
定义水力效率为:
式中
——泵送环的理论扬程(m)
——水力损失量(m)
泵送环的水力损失其大小用泵送环的水力效率
来计量,可用下式计算:
代入上面的数据,得:
=1+0.0835lg
=0.86
(四)泵送环的容积效率
输入水力功率用来对通过泵送环的液体做功,因而泵送环出口液体的压力高于进口压力。
出口和进口的压差,使得通过泵送环的一部分液体从泵送环腔经密封环(口环)间隙向泵送环进口逆流。
这样,通过泵送环的流量
(也称泵送环的理论流量)并没有完全输送到泵送环的出口,其中泄漏量
这部分液体把从泵送环中获得的能量消耗于泄漏的流动过程中,即从高压(出口压力)液体变成低压(进口压力)液体。
由于存在容积损失,单位时间内通过泵送环的流量
,要小于叶轮单位时间内传给泵送环的流量
,即:
式中
——泵送环的理论流量(m3/s)
——泄漏量(m3/s)
由上,容积损失的实质也是能量损失,容积损失的大小用容积效率
来计算。
此泵送环由于ns较小,其容积效率考虑泵送环前密封环装置、平衡轴向力装置和密封装置等的泄漏量,泵送环前密封环的泄漏的值,可用下式计算:
代入数据,得:
=
0.97
(五)泵送环的机械效率
当动力机把输入功率传动到泵送环后,首先就必须克服泵送环轴与轴承、密封填料的摩擦阻力;其次,还必须克服泵送环表面与水之间的摩擦阻力。
克服这些阻力所消耗的损失称为机械损失。
应用公式:
代入数据,得:
=
0.95
(六)泵送环的总效率
泵送环的总效率是水力效率、机械效率和容积效率的乘积。
由公式:
代入数据,得:
=0.95
=0.79
(七)泵送环的理论扬程和理论流量
1、泵送环的理论流量
泵送环的理论流量可用下式计算:
式中
——泵送环的理论流量(m3/s)
——泵送环的容积效率
代入数据,得:
=
0.02474(m
/s)
则泄漏量:
0.02474—0.024=0.00074(m
/s)
2、泵送环的理论扬程
泵送环的理论扬程为:
式中
——泵送环的理论扬程(m)
——泵送环的水力效率
代入数据,得:
=
(m)
则水力损失量:
(m)[2]
通过计算,可以看出泵送环的扬程和效率都比之前的扬程和效率有所提高,但是因为泵送环内部流体流动比较复杂,具体的还是以实验为主,计算只适用于理论中。
结论
良好的泵送环会使密封的可靠性增加或者泄漏量减少至零,本论文是通过大量的实验和克隆集团多年经验的指导老师精心指导下完成的,泵送环选用最简洁的直孔式,并且孔越多越好,带来的效率也是最大的能够更好地应用于密封领域。
通过实验,用几个不同的泵送环的比较,选取泵送效率最高的泵送环,并且安排合理的流道,使泵送效率达到最高,第三部分简要的介绍了密封原理,最后通过计算,在原来泵送扬程只12.5m达到14.5m,提高了泵送环的泵送效率,通过实验的证明,可以得出本设计是可行的。
本设计的优体现在:
1.提出新的泵送环槽型,即将原来斜孔变为直孔,减少加工工序,降低了加工难度和成本,减少了加工用时。
2.去掉中间车槽,简化了结构,提高了泵送效率。
3.确定了流道结构参数,大幅提高了泵送环的泵送效率。
4.新型泵送环没有泵轴旋向要求,特别是用在双支撑泵中减少出图数量。
参考文献
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[4]蒲旭霖.泵用机械密封的选型使用及维护.甘肃科技,2008,(02)
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[6]许广进、张迎光等.泵用机械密封泄漏原因分析.科技信息,2010,(27)
[7]张文平.机械密封的应用探讨.科技情报开发与经济,2010(02)
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[10]中国液压气动网:
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