Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологии» Подпись и дата Кафедра прикладной гидромеханики ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Инв. № подл. Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. к курсовому проекту по дисциплине «Лопастные гидравлические машины» Группа ЭМГ-308б Фамилия И.О. Студент Марков Н.А. Консультант Константинов С. Ю. Принял Константинов С. Ю. Уфа 2022 г. Подпись Дата Оценка Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра прикладной гидромеханики наименование кафедры ЗА ДАНИЕ на курсовой(ую) проект (работу) по дисциплине «Лопастные гидравлические машины» наименование дисциплины Студент Марков Н.А Группа ЭМГ-308б ФИО Консультант Константинов С. Ю. № акад. гр. ФИО 1. Тема курсового(ой) проекта (работы) _______________________________________________________________________________________ наименование темы __________________________________________________________________________________________________________________________________ 2. Основное содержание: _________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ 3. Требования к оформлению: 3.1. Пояснительная записка должна быть оформлена в редакторе Microsoft ® Word в соответствии с требованиями __________________________________________________________________________ ЕСКД, ЕСПД, ГОСТ, др. 3.2. В пояснительной записке должны содержаться следующие разделы: _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ 3.3. Графическая часть должна содержать: _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ Дата выдачи «____»____________20__г. Дата окончания «____»____________20__г. Руководитель_______________________ подпись Лист 2 Изм. Лист № документа Подпись Дата СОДЕРЖАНИЕ 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ, ХАРАКТЕРИСТИК И ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОТОТИПА 4 1.1 Техническое задание .............................................................................................................. 4 2. РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ РАБОЧЕГО КОЛЕСА НАСОСА ............................................................................................................................ 6 2.1 Определение коэффициента быстроходности ........................................................................... 6 2.3 Определение диаметра входа в колесо ....................................................................................... 6 2.4 Определение ширины колеса b2 на выходе ............................................................................... 6 2.5 Приближенное определение наружного диаметра D2 рабочего колеса ................................ 7 2.6 Выбор числа лопаток Z ................................................................................................................ 7 2.7 Выбор толщины лопаток .......................................................................................................... 7 2.8 Определение угла лопатки на выходе л2 .................................................................................. 8 2.9 Уточнение наружного диаметра рабочего колеса D2 ............................................................... 8 3.ПОСТРОЕНИЕ МЕРИДИОНАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА НАСОСА ........ 10 4. Расчет отводящего устройства насоса. ....................................................................................... 12 5 . Профилирование цилиндрических лопаток рабочего колеса. ................................................ 14 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................................................ 15 ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................................................ 16 Лист 3 Изм. Лист № документа Подпись Дата 1. Анализ конструкции, характеристик и особенностей прототипа Агрегаты электрона соосный состоит из насоса и двигателя, смонтированный на общей фундаментной плите. привод насоса двигателя осуществляется через упругую муфту. Насос – центробежный, горизонтальный, консольный, одноступенчатый запоры на корпусе насоса. подвод перекачиваемой жидкости к насосу осуществляется горизонтально по оси насосу отвод вертикальной вверх. Параметры насоса предоставлены в таб.1 Рисунок 1 Внешний вид насоса и диаграмма его характеристик Таблица 1 Параметры насоса К80-50-200а Типоразмер насоса К100-80-160б Параметры насоса Подача, Напор, м м3/ч 80 Мощность Частота вращ., насоса, Вт (об./мин.) 20 1.1 6700 2900 Техническое задание 1. Спроектировать центробежный консольный насос по прототипу «К» КНЗкатайского насосного завода «К100-80-160б». 2. Технические характеристики насоса. 2.1 Напор: Н = 20, м 2.2 Расход: Q = 80, м3/ч 2.3 КПД: об = 0,99 2.4 Габаритные размеры: 1050х410х458, мм Лист 4 Изм. Лист № документа Подпись Дата 2.5 Частота вращения n = 2900, об./мин. 3. Параметры раб. среды. 3.1 Вид рабочей среды: питьевая чистая вода 3.2 Плотность: = 997, кг/м3 3.3 Диапазон температуры рабочей среды: t°=(420), °C 4. Конструктивные решения. 4.1 Насос: центробежный, горизонтальный консольный 4.2 Форма спирального отвода: спиральный отвод с круговыми сечениями 4.3 Профиль лопатки- цилиндрическая Лист 5 Изм. Лист № документа Подпись Дата 2. Расчёт основных параметров и геометрических размеров рабочего колеса насоса 2.1 Определение коэффициента быстроходности Коэффициент быстроходности 𝑛𝑠 определяется по формуле (2): 𝑛𝑠 = 3,65𝑛∗𝑄0,5 𝐻 0,75 ; (2) где H = 20 м – напор насоса, n = 2900 об./мин. – частота вращения, Q = 0,0222 м3/с – расход. 𝑛𝑠 = 3,65𝑛𝑄0,5 𝐻 0,75 = 3,65∗2900∗0,01250,5 400,75 = 166,84 2.3 Определение диаметра входа в колесо Определение диаметра входа в колесо сводится к определению приведенного диаметра по среднестатистическим значениям коэффициента К0, 𝐷0 = 𝐾0 𝐷𝑄 3 3 где 𝐷𝑄 = √𝑄⁄𝑛 = √ 0,0222 2900 (2.1) = 0,020 м. Рабочее колесо имеет большой квитанционный запас, и кавитация в нем исключена. В этом случае из условия получения минимума относительной скорости входа жидкости в рабочее колесо выбирается коэффициент К0. 𝐾0 = 3,3 ÷ 3,7. По формуле (2.1) находим приведенный диаметр: 𝐷0 = 3,5 ∙ 0,020 = 0,069 м Диаметр входа находится из приведенного диаметра: 2 Dвх=√𝐷02 + 𝐷вт где Dвт = 0,02 м – диаметр втулки. (2.2) 2 = √0,0692 + 0,022 = 0,072 м Dвх=√𝐷02 + 𝐷вт 2.4 Определение ширины колеса b2 на выходе Ширина колеса b2 определяется на основании статистических данных. 𝑏2 = 𝐾𝑏 𝐷𝑄 ; (2.3) где для 𝐾𝑏 при 𝑛𝑠 > 120. Уравнение примет следующий вид: Лист 6 Изм. Лист № документа Подпись Дата 𝐾𝑏 = 0,635 ( 5 6 𝑛𝑠 100 ); (2.4) 5 𝐾𝑏 = 166,76 6 0,635 ( ) 100 = 0,972 Определим b2 из формулы (2.3). 𝑏2 = 0,972 ∗ 0,0197 = 0,019 м Полученное значение b2 является предварительным и будет уточняться при последующем профилировании меридионального сечения рабочего колеса. 2.5 Приближенное определение наружного диаметра D2 рабочего колеса Размер диаметра входа рабочего колеса D2 зависит от числа лопаток в колесе Z и от угла установки лопаток на выходе л2. В первом приближении размер D2 определяется на основании статистических данных: 𝐷2 = 𝑚2 𝐷𝐻 , (2.5) где 𝑚2 находится по формуле (2.6), 𝐷𝐻 находится по формуле (2.7): 𝑚2 = 19.2 ( 𝑛𝑠 ) 100 1 167,84 ⁄6 𝑚2 = 19.2 ( ) 100 √2𝑔𝐻 𝐷𝐻 = 1⁄ 6 ; (2.6) = 20,91 𝑛 (2.7) 2∗9,8∗20 𝐷𝐻 = √ = 0,0068 м 2900 Зная 𝑚2 и 𝐷𝐻 найдем D2 по формуле (2.5): 𝐷2 = 𝑚2 ∗ 𝐷н = 20,91 ∗ 0,0068 = 0,143 м. 2.6 Выбор числа лопаток Z Число лопаток выбирают по статистическим данным в зависимости от коэффициента быстроходности ns и размеров колеса [1]. Для 𝑛𝑠 = 60 ÷ 180, количество лопаток равно 𝑧 = 8 ÷ 6. Выбираем 𝑧 = 8. 2.7 Выбор толщины лопаток Толщина лопаток определяется технологическими соображениями и прочностью, а иногда требованиями износостойкости. Толщина лопатки зависит от D2. По рекомендации принимаем для 𝐷2 = 0,143 м 𝜎 = 1,5мм, 𝜎макс = 4 мм. Лист 7 Изм. Лист № документа Подпись Дата 2.8 Определение угла лопатки на выходе л2 Угол лопатки на выходе определяется коэффициентом быстроходности и требуемой формой характеристики насоса. На основании опытно- статистических данных можно принять следующие ориентировочные значения углов [2]: 100 < 𝑛𝑠 < 200, 𝛽л2 = 27° ÷ 23°. 𝛽л2 = 25° 2.9 Уточнение наружного диаметра рабочего колеса D2 Рассчитаем наружный диаметр рабочего колеса по формуле (2.8): 1 𝑣𝑚2 2 𝜔𝑦𝑡𝑔𝛽л2 𝑟2 = ∗ + 1 𝜔 ∗ √( 𝑣𝑚2 𝜔𝑦𝑡𝑔𝛽л2 2 𝑔𝐻 ) + 𝑦 ; (2.8) г где 𝑣𝑚2 - меридиональная скорость по формуле (2.9), - угловая скорость по формуле (2.11), y - коэффициент, учитывающий конечное число лопаток по формуле (2.12), г = 0,6 ÷ 0,85 гидравлическое КПД насоса. 𝑣𝑚2 = 𝑄 𝜋𝐷2 𝑏2 ; (2.9) где - коэффициент стеснения потока лопатками на выходе из колеса по формуле (2.10). =1− =1− 𝑧𝜎 𝜋𝐷2 sin(𝛽л2 ) 8∗1,5∗10−3 𝜋∗0,1491∗sin(25°) 𝜔= 𝜔= 𝜋∗2900 30 𝜋𝑛 30 ; = 0,936 ; (2.11) = 303,6872 рад/с 𝜋𝑠𝑖𝑛𝛽 л2 𝑦 =1− ; 𝑧 𝜋 sin(25°) 𝑦 =1− = 0,834 8 Таким образом получаем: 𝑣𝑚2 = (2.10) (2.12) 0,0222 = 2,6345 м/с 𝜋 ∗ 0,143 ∗ 0,936 ∗ 0,019 Лист 8 Изм. Лист № документа Подпись Дата 1 2,6345 2 303,6872∗0,834∗𝑡𝑔(25°) 𝑟2 = ∗ + 1 303,6872 ∗ √( 2,6345 2 9,81∗20 ) + 0,834∗0,65 = 303,6872∗0,834∗𝑡𝑔(25°) 0,0738 м Зная 𝑟2 найдем наружный диаметр рабочего колеса по формуле (2.13). 𝐷2 = 2𝑟2 ; (2.13) 𝐷2 = 2 ∙ 0,0738 = 0,1476 м Окончательно принимаем D2 = 0,15 м. Лист 9 Изм. Лист № документа Подпись Дата 3.Построение меридионального сечения рабочего колеса насоса Из предварительного расчета установлены следующие основные размеры колеса: D2, b2, D1. Очертание стенок в меридиональном сечении находят методом последовательных приближений. В начале контуры стенок намечаются предварительно «на глаз» - принимается меридиональное сечение со стенками, расположенными под углом к средней линии, и наносится средняя линия канала, соединяя плавной кривой центры нескольких вписанных окружностей. Отмечаются точки, соответствующие входу т.1 и выходу из колеса т.2. Затем подсчитываются площади на входе 𝑆1 и на выходе 𝑆2 . На всем протяжении канала строятся несколько нормалей к крайним линиям тока, подсчитываются проходные площади в колесе по каждой нормали и также наносятся соответствующие точки на график. [3] Рассчитаем скорости на входе и выходе по формулам (2.14–2.20). 𝑢1 = 𝑣1 = 𝜋𝑛𝑑1 ; 30∗2 𝑄 π𝑑1 𝑏1 (3.1) ; 𝑤1 = √𝑢1 2 + 𝑣1 2 ; 𝑢2 = 𝑣2𝑟 = 𝜋𝑛𝑑2 30∗2 ; 𝑄 π𝑏2 𝑑2 𝑣2𝑢 = 𝑔𝐻 𝑢2 (3.2) (3.3) (3.4) ; ; 𝑤2 = √(𝑢2 − 𝑣2𝑢 )2 + 𝑣2𝑟 2 ; (3.5) (3.6) (3.7) Подсчет проходных площадей производится по формулам (3.1–3.7). Построим графики изменения проходного сечения, изменения скорости по проходному сечению, распределения толщины лопатки: Лист 10 Изм. Лист № документа Подпись Дата 𝜋 2 2 ); 𝑆1 = (𝐷вх − 𝐷вт (3.8) - на выходе: 𝑆2 = 𝜋𝑏2 𝐷2 ; (3.9) - промежуточные площади: 𝑆𝑖 = 2𝜋𝑟𝑖 𝑙𝑖 ; (3.10) - на входе: 4 Расчеты по формулам, график и эскиз чертежа меридионального сечения рабочего колеса показаны в приложении 1. Лист 11 Изм. Лист № документа Подпись Дата 4. Расчет отводящего устройства насоса. Отводящим устройством называют часть проточной полости машины, принимающую перемещаемую среду из рабочего колеса и частично преобразующую кинетическую энергию этой среды в потенциальную. Известны три типа отводов: кольцевой, спиральный и лопаточный. Кольцевой отвод представляет собой цилиндрическое пространство постоянной ширины, охватывающее рабочее колесо машины. Спиральный отвод представляется в виде криволинейного диффузорного канала, окружающего рабочее колесо. Лопаточный отвод представляет собой систему нескольких диффузорных каналов, окружающих рабочее колесо. Отводы должны обеспечивать отведение жидкости от колеса с наименьшими потерями и по возможности без нарушения осесимметричности потока в колесе. При этом скорость потока должна постепенно уменьшаться до величины скорости в начальном сечении напорного трубопровода. С целью понижения скорости на выходе из напорного патрубка машины к спиральному отводу присоединяют прямолинейный конический диффузор. К отводящим устройствам предъявляются следующие требования: 1. Преобразовать кинетическую энергию потока жидкости в статический напор с максимально возможным КПД. 2. Обеспечить минимальное искажение поля скоростей и давлений установившегося через колесо течения. 3. Отводящее устройство должно иметь минимально возможные размеры. 4. Конструкция отводящего устройства должна позволять изготовить его простым и дешевым способом. В насосостроении наибольшее распространение получили отводящие устройства, состоящие из спирального и конического диффузоров. [1] Спиральный диффузор может быть выполнен произвольного, круглого или прямоугольного сечений. В данной работе принимается отвод круглого сечения. Лист 12 Изм. Лист № документа Подпись Дата Расчет спирального диффузора сводится к определению 𝑑𝑖 – текущего диаметра диффузора, в зависимости от угла 𝜑 = 0 ÷ 360°. 𝜑 𝜑 А А 𝑑𝑖 = 2( + √2 𝑟3 ); (4.1) где 𝑟3 = (1,03 ÷ 1,05)𝑟2 , принимается r3=0,074 м; Г 𝐴 = 360 з , 𝑄к (4.2) Для нахождения циркуляции Г3 необходимо знать скорость 𝑣𝑢3 , которую в свою очередь можно найти из уравнения Эйлера: 𝐻𝑡 = 𝐻 (4.3) г Получается соотношение из уравнения Эйлера: 𝑣𝑢3 = 𝑣𝑢3 = 𝑣𝑢2 𝑟2 𝑟3 13.452∗(0,143/2) 74 ; (4.4) = 0,0017 м/с Г3 = 2𝜋𝑟3 𝑣𝑢3 (4.5) Г3 = 2 ∗ 𝜋 ∗ 0,074 ∗ 0,0017 = 0,8105 м/с 0,8105 𝐴 = 360 ∗ = 13080,9 0,0223 Расчеты по формулам и эскиз чертежа спирального отвода показаны в приложении 2. Лист 13 Изм. Лист № документа Подпись Дата 5 . Профилирование цилиндрических лопаток рабочего колеса. Профилирование лопатки осуществляется таким образом, чтобы создать возможные благоприятные условия для безотрывного обтекания контура потоком, что профилировании соответствует обычно минимуму гидравлических применяют потерь. расчетно-графический При метод профилирования цилиндрических лопаток. Предварительно задается расположение входной и выходной кромок лопатки. Пусть D1=0,072 м, D2=0,143 м. Определяются площади при этих диаметрах: 𝜋 2 2) 𝑆1 = (𝐷вх − 𝐷вт 4 𝑆2 = 𝜋𝑏2 𝐷2 (5.1) (5.2) Определим меридиональную скорость Vr, м/с, относительную скорость W, м/с, текущую толщину лопатки , мм, определяются графически; Рассчитаем шаг между лопатками, 2𝜋𝑟 𝑡= ; 𝑧 где r, мм - текущий радиус центра тяжести нормали; Рассчитаем текущий угол лопатки, 𝑉 𝜎 𝛽л = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 ( 𝑀 + ); 𝑊 𝑡 Рассчитаем подынтегральная функция, 1 𝐵𝑖 (𝑟) = 𝑟 tan(𝛽 ); л (5.3) (5.4) (5.5) , град - Рассчитаем приращение центрального угла, ∆𝜑 = 𝐵𝑖 +𝐵𝑖+1 ∆𝑟; (5.6) 𝜑𝑘 = ∑𝑘𝑖=1△ 𝜑. (5.7) 2 к, град - Рассчитаем угол поворота, Построение зависимости vr = f(r), w = f(r), = f(r), где r, мм - текущий радиус центра тяжести нормали. Расчеты по формулам, график и эскиз чертеж цилиндрических лопаток рабочего колеса, компоновка насоса представлены в приложении 3. Лист 14 Изм. Лист № документа Подпись Дата СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Учебники и учебные пособия: 1. Кудинов А. А. Гидрогазодинамика: Учеб. пособие. – М.: ИНФРА-М, 2013. – 336 с. 2. Емцев Б. Т. Техническая гидромеханика. – М.: Машиностроение, 1987.– 440 с. 3. Сергель О. С. Прикладная гидрогазодинамика. – М.: Машиностроение, 1981. – 374 с. 4. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам/ Вильнер Я. М., Ковалёв Я. Т., Некрасов Б. Б. и др. – Мн.: Высш. шк., 1985. – 382 с. (ред.) 5. Константинов С.Ю. Механика жидкости и газа практикум. Лист 15 Изм. Лист № документа Подпись Дата ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИЛОЖЕНИЯ 1 Таблица исходных данных d1, мм 72 Q, м3/ч 80 n, об/мин 2900 ср d1, мм 36 d2, мм 143 H, м 20 ηо 0,99 ср d2, мм 71 b1, мм 33,8 σmin, мм 1,5 ηг 0,67 ср d1-2, мм 54 b2, мм 19 σmax, мм 4 z 8 Таблица расчетов Скорости на входе u1, м/с 10,9 v1r=v1, м/с 2,92 w1, м/с 11,29 r, мм 71,5 59,6 44,34 30,64 23,12 l, мм 19 20 24,66 30,62 33,8 Скорости на выходе u2, м/с 21,688 v2r, м/с 2,592 w2, м/с 8,364 v2u, м/с 13,452 Si, м2 0,0085 0,0075 0,0069 0,0059 0,0049 S1, м2 0,0037 S2, м2 0,0086 Лист 16 Изм. Лист № документа Подпись Дата Эскиз чертежа «меридионального сечения рабочего колеса» График изменения площади меридионального сечения от радиуса рабочего колеса Лист 17 Изм. Лист № документа Подпись Дата ПРИЛОЖЕНИЯ 2 Таблица расчетов Данные для расчета спирального отвода J, м2/с r3, мм b3, мм vu3, м/с Г3, м2/с А 0,9605 74,27 26,32 0,00173 0,822 23452,823 , град di, мм 45 90 135 180 225 270 315 360 11,21 16,09 19,92 23,22 26,16 28,87 31,39 33,76 Эскиз чертежа «спирального отвода» Лист 18 Изм. Лист № документа Подпись Дата Эскиз сечения А-А «спирального отвода» Лист 19 Изм. Лист № документа Подпись Дата ПРИЛОЖЕНИЯ 3 График изменения меридиональной скорости от радиуса рабочего колеса График изменения толщины лопаток от радиуса рабочего колеса Лист 20 Изм. Лист № документа Подпись Дата График изменения относительной скорости от радиуса рабочего колеса Таблица расчетов r, мм vr, м/с w, м/с σ, мм t, мм βл, рад β Δφ, рад φ, ° 36 3,6846 11,2886 1,5706 28,27433 0,391904 67,2126 0 0 41 3,4546 10,9141 2,7891 32,20132 0,414946 55,36636 0,05453 16,7588202 46 3,2596 10,5396 3,6126 36,12832 0,421649 48,46519 0,047954 31,1763258 51 3,0996 10,1651 4,0411 40,05531 0,417869 44,15993 0,043831 44,1638327 56 2,9746 9,7906 4,0746 43,9823 0,407662 41,34994 0,04113 56,2313694 61 2,8846 9,4161 3,7131 47,90929 0,393962 39,43627 0,039281 67,6815782 66 2,8296 9,0416 2,9566 51,83628 0,378999 38,04499 0,037925 78,693643 71 2,8096 8,6671 1,8051 55,76327 0,364561 36,90724 0,036799 89,3620844 Лист 21 Изм. Лист № документа Подпись Дата Эскиз чертежа «профилирование цилиндрических лопаток рабочего колеса» Лист 22 Изм. Лист № документа Подпись Дата Эскиз чертежа компоновки насоса Лист 23 Изм. Лист № документа Подпись Дата