过程流体机械课程设计

过程流体机械教学大纲-2010版-西安交通大学教师个人主页“过程流体机械”实验教学大纲Process Fluid Machinery课程中文名称：过程流体机械课程英文名称：Process Fluid Machinery课程编码：ENPO3620实验学时：10学分：0适用专业：过程装备与控制工程先修课程：工程热力学，传热学，流体力学开课学院：化学工程与技术学院开课学期：第6学期教材及实验指导书：[1] 崔天生. 压缩机实验指导书. 西安交通大学讲义[2] 化机实验室. 化工机械实验指导书. 西安交通大学讲义，1994一、实验课程简介过程流体机械课程实验教学内容涉及活塞压缩机、风机、水泵三个方面，包括5个必修实验，共10学时；另开设4个选修实验，供有余力和有兴趣的学生拓展能力，或进行科研训练。

即：1. 活塞压缩机拆装实验，2学时。

2. 活塞压缩机性能测试及指示图录取实验，2学时。

3. 活塞压缩阀片运动规律测试实验，2学时。

4. 水泵性能测试实验，2学时5. 风机性能测试实验，2学时。

二、实验课性质、目的和任务性质：课程内实验目的：1. 培养学生在压缩机、风机、水泵等过程流体机械，即动设备方面的实验、研究基本技能，学习实验中的基本操作方法，了解此类设备的一般情况和特性。

2. 培养学生运用所学到的理论知识分析实验现象和初步解决实际问题的能力，从而巩固和拓展所学的理论知识，增强对书本知识的掌握效果和运用能力。

3. 培养学生严肃认真和实事求是的科学作风及科学态度。

任务：了解有关实验装置的构成及特点，了解有关测试仪器、仪表设备的功能和使用；记录有关的实验数据和曲线，完成数据和曲线的处理，写出实验报告。

三、实验课教学基本要求1. 实验前应认真阅读实验指导书，根据实验内容和要求，复习教科书中的有关章节或参考有关资料，预计所得的结果和有关曲线形态。

同时提出实验过程中应当注意和可能发生的问题，防止事故发生。

预习合格者方可参加实验。

目录一、热力学计算 (2)1.1初步确定压力比及名义压力 (2)1.2初步计算各级排气温度 (3)1.3计算各级排气系数 (4)1.4确定气缸行程容积： (6)1.5确定气缸直径 (7)1.6修正压力及压力比 (9)1.7实际压力与压力比 (9)1.8各级温度 (10)1.9计算止点活塞力 (10)1.10复核实际排气量 (11)1.11计算指示功率 (11)1.12计算功率 (12)1.13比功率计算 (12)二、第一级缸动力分析 (14)2.1曲柄长度： (14)2.2余隙容积折合的长度 (14)2.3气体力分析 (14)2.4摩擦力的计算 (17)2.5往复运动质量的计算 (17)2.6总活塞力的计算 (18)2.7切向力计算 (18)三、第二级缸图解法 (20)3.1运动曲线 (20)3.2Ⅱ各级气缸指示图 (20)3.3作气体力展开图 (21)3.4作切向力图 (22)参考文献 (24)一、热力学计算1.1 初步确定压力比及名义压力 （1） 两级压缩总压力比964.8009.1045.912===s d P P ε 按等压力比分配原则确定各级压力比：0.321===εεε（2） 各级名义进、排气压力如下：027.30.3009.1111=⨯==εs d P P 081.90.3027.3222=⨯==εs d P P式中：ε——两级压缩总压力比1S P ——第一级名义进气压力1d P ——第一级名义排气压力 2S P ——第二级名义进气压力2d P ——第二级名义排气压力1ε——一级压力比2ε——二级压力比故各级名义进、排气压力如下表：1.2 初步计算各级排气温度第一级进气温度：K T s 3001=第一级排气温度： 由公式kk s d T T 1-=ε可得：K T T kk s d 4110.33004.114.1111=⨯==--ε由于介质是空气取k=1.4。

第二级进气温度：K T s 3152=第二级排气温度：K T T kk s d 4310.33154.114.1122=⨯==--ε式中：1S T ——第一级进气温度 1d T ——第一级排气温度2S T ——第二级进气温度 2d T ——第二级排气温度故各级名义排气温度如下表：1.3 计算各级排气系数因为压缩机工作压力不高，介质为空气，全部计算可按理想气体处理。

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)三.叶轮出口部分计算 (2)四.叶片数的选择和叶片其他参数的确定 (3)Ⅳ.叶轮的绘型 (4)一.画出轴面图 (4)二.验证过流部件的合理性 (5)三.绘制截面流线 (6)四.绘制中间流线 (6)五.将三条流线分点 (7)六.绘制流面展开方格网 (8)七.构造需要的主要截面流线 (9)八.设计叶片厚度分布 (10)九.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=0.15m 3/s 。

（2）扬程H=27m 。

（3）转速n=1450r/min 。

（4）最大吸上真空度H s=5.7m 。

（5）效率%80~75=η。

（6）抽送介质为清水。

Ⅲ.叶轮的水力设计一.确定比转速ns ：1732715.0145065.365.34343=⨯⨯==H Qn n sn s 在30~300之间，故选用单级单吸式离心泵。

二.叶轮进口部分计算：2.1 确定叶轮进口直径D 0兼顾汽蚀与效率，k 0=4.0mm n Q k D 188145015.04'330=⨯== 单级单吸式离心泵，取d h =0mm d D n 188'D 220=+= 2.2 确定叶片入口边直径D 1n s =173 取mm D D 1699.001== 2.3 确定叶片入口处绝对速度v 1取sm v v s m D Q A Q v 4.54.5401200=====π2.4 确定叶片入口宽度b 1m m v D Q QQ vv 55'b '95.0111====πηη取 2.5 确定叶片入口处圆周速度u 1s m n D u 8.12601450169.06011=⨯⨯==ππ 2.6 确定入口轴面速度v m1由n s =173，查图可知：k m1=0.219 g 取9.8m/s 2sm gH k v m m 0.5278.92219.0211=⨯⨯== 2.7 确定叶片入口安放角1β3.21arctan '11==u v m β 取 5=∆β 3.26'11=∆+=βββ 取 271=β三.叶轮出口部分计算3.1 确定叶轮出口直径D 2s m n u m m ngH k n k D s D 36.2560D 3342D 21)100(2.192222612======π同时可得：2 合适取可取查表得：由245.23)sin arcsin(25.16.32158.0,173********========βββm m m m m s v v m m smgH k v k n 3.3 确定叶轮出口宽度2bm m ngH k b n k b s b 47296.2)100(30.222232==== 3.4 确定叶轮出口绝对速度与圆周速度的夹角 sm v v v v v s m pv v p s m v u v m u u m u u m u 26.1208.17arctan 72.111457.008.17tan 2222222'2222222=+===∂=+===-=∞∞易知β 四.叶片数的选择和叶片其他参数的确定4.1 叶片数的选择选择叶片数：根据比转速s n173=s n 5=Z 取4.2 确定叶片厚度4.3 计算叶片入口排挤系数1ε1.1sin 11111=-=βδππεZ D D 式中mm 5.21=δ----入口处的叶片实际厚度2 1.1sin 22222=-=βδππεZ D D 式中mm 42=δ----出口处的叶片实际厚度4.5 确定叶片包角ϕ取 100=ϕⅣ.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。

目录第一章概述 (2)1.1压缩机简介 (2)1.2压缩机分类 (2)1.3活塞式压缩机特点 (2)第二章总体结构方案 (3)2.1设计基本原则 (3)2.2气缸排列型式 (3)2.3运动机构 (3)第三章设计计算 (4)3.1 设计题目及设计参数 (4)3.2 计算任务 (4)3.3 设计计算 (4)3.3.1 压缩机设计计算 (4)3.3.2 皮带传动设计计算 (8)第四章压缩机结构设计 (11)4.1气缸 (11)4.2气阀 (12)4.3活塞 (12)4.4活塞环 (13)4.5填料 (13)4.6曲轴 (13)4.7中间冷却器 (13)参考文献 (14)第一章概述1.1压缩机简介压缩机（compressor），是将低压气体提升为高压气体的一种从动的流体机械，是制冷系统的心脏。

它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力，从而实现压缩→冷凝（放热）→膨胀→蒸发 ( 吸热 ) 的制冷循环。

作为一种工业装备，压缩机广泛应用于石油、化工、天然气管线、冶炼、制冷和矿山通风等诸多重要部门；作为燃气涡轮发动机的基本组成元件，在航空、水、陆交通运输和发电等领域随处可见；作为增压器，已成为当代内燃机不可缺少的组成部件。

在诸如大型化肥、大型乙烯等工艺装置中，它所需投资可观，耗能比重大，其性能的高低直接影响装置经济效益，安全运行与整个装置的可靠性紧密相关，因而成为备受关注的心脏设备。

1.2压缩机分类压缩机按工作原理可分为容积式和动力式两大类；按压缩级数分类，可分为单级压缩机、两级压缩机和多级压缩机；按功率大小分类，可分为微小型压缩机、中型压缩机和大型压缩机。

按压缩机的结构形式可分为立式、卧式。

压缩机具有其鲜明的特点，根据其工作原理的不同决定了其不同的适用范围。

1.3活塞式压缩机特点活塞式压缩机与其他类型的压缩机相比，特点是：（1）压力范围最广。

《过程流体机械》课程讲义课程基本信息1．课程中文名称：过程流体机械2．课程英文名称：Process Liquid Machine3．适用专业：过程装备与控制工程专业4．总学时：48学时（其中理论48学时）5．总学分：1.5学分6．课程编码：0503040087．课程类别：专业必修课8．编制日期：2012年2月主讲人：王红教材：《过程流体机械》姜培正主编化学工业出版社,2001.8主讲内容：1.绪论1.1专业概述，流体机械分类1.2过程流体机械用途、发展趋势1.3气体性质和热力过程2.容积式压缩机2.1 容积式压缩机分类、工作原理、结构2.2 往复活塞式压缩机的热力性能、功、功率2.3 动力性能、惯性力平衡，其它容积式压缩机3.离心压缩机3.1 离心压缩机结构、工作原理、特点3.2 叶轮式机械热力性能，欧拉方程、能量方程、伯努利方程3.3 级内能量损失，功率及效率3.4 性能、调节与控制3.5 相似理论及应用、离心压缩机选型4.泵4.1 泵的分类、特点、结构、工作原理4.2 泵叶轮上能量计算、伯努利方程应用4.3 离心泵的吸入特性、气蚀原理、相似理论4.4 其他泵类结构、工作原理、选泵5.离心机5.1 介质的分类、分离原理5.2 过滤式离心机和沉降式离心机、分离机结构、原理5.3 过滤机与压滤设备，各类机型选择第一次课（2学时）第一章绪论（1）(Introduction)讲述过程流体机械的在生产过程中的地位、流体机械的分类、流体机械的用途、流体机械的发展趋势以及流体机械的控制和故障诊断方法等。

1.1 过程流体机械的相关概念1.1.1讲述什么是过程工业(Process Industry)过程工业是以流程性物料为主要处理对象、完成各种过程或其中某些过程的工业生产的总称。

过程工业遍及几乎所有现代工业生产领域。

工业特点：大型化、管道化、连续化、快速化、自动化。

生产效率高、成本低、节能环保、安全可靠、控制先进、人员少。

流体机械课程设计一、设计背景流体机械是机械工程专业必修的重要课程之一，其涉及机械设计中重要的一部分。

本课程设计旨在巩固学生对流体机械工作原理、计算方法和设计流程的理解，同时提高学生的设计和解决问题能力。

二、设计要求本次设计要求学生设计一台单级离心泵或轴流泵，要求设计的泵流量为100m³/h，扬程为50m，转速为1500 r/min。

设计过程需要完成如下任务：1.确定泵类型及其主要零件的尺寸和材料；2.计算泵的性能参数，例如流量、扬程、效率、净正吸头和NPSH等；3.采用常规方法或计算机辅助设计软件进行泵叶片的设计，并进行流场分析；4.确定泵轴、轴承等主要零件的类型和尺寸；5.绘制泵的总装图并进行检查；6.撰写课程设计报告，包括设计计算、流场分析、零件图、安装方案、技术参数等内容。

三、设计流程第一步：确定泵类型及其主要零件的尺寸和材料在确定泵类型和尺寸时，需参考流量、扬程、转速等技术参数，同时考虑到设备的使用环境和经济性，选择容易加工、成本较低和性能优良的材料。

第二步：计算泵的性能参数首先，通过计算和流场分析确定泵的外形尺寸和轴功率，然后根据流体力学原理和经验式计算得到泵的性能参数。

同时还需要进行净正吸头和NPSH计算，以满足性能要求。

第三步：泵叶片的设计与流场分析泵叶片是保证泵性能的重要组成部分，需要根据流场特性和叶片受力情况进行设计和分析。

可以采用常规方法或计算机辅助设计软件进行叶片的设计和优化，并在此基础上进行流场模拟和分析。

第四步：确定泵轴、轴承等主要零件的类型和尺寸泵轴和轴承是泵运转的重要组成部分，需要考虑到受力情况和使用环境选择合适的材料和尺寸。

同时，还需根据安装和使用要求进行设计和检查，确保泵的可靠性和安全性。

第五步：绘制泵的总装图并进行检查泵总装图对泵的装配和使用有着重要的作用，需要详细绘制泵的主要零件和装配图，并进行检查和修改。

在绘制图纸时，需按照标准和规范进行设计，并保证图纸的清晰度和准确性。

课程设计说明书题目: 流体机械及工程课程设计院（部）：能源与动力工程学院专业班级：学号：学生姓名：指导教师：起止日期：2015.1.5——2015.1.17设计数据要求：流量Q（m3/h）：25扬程H（m）：18转速n(r/min)：2900任务要求：1、利用速度系数法进行叶轮的水力设计，并绘制木模图2、压水室水力设计，绘制压水室断面及平面图3、撰写课程设计说明书4、完成Auto CAD 出图目 录第一章 结构方案的确定 1.1确定比转数1.2确定泵进、出口直径 1.3泵进出口流速 1.4确定效率和功率1.5电动机的选择轴径的确定 第二章 叶轮的水力设计2.1 叶轮进口直径D 0的确定 2.2 叶轮出口直径D 2的确定 2.3确定叶片出口宽度 2b 2.4确定叶片出口安放角2β 2.5确定叶片数Z 2.6精算叶轮外径D 2 2.7叶轮出口速度2.8确定叶片入口处绝对速度1V 和圆周速度1u 第三章 画叶轮木模图与零件图3.1叶轮的轴面投影图 3.2绘制中间流线3.3流线分点（作图分点法） 3.4确定进口角1β 3.5作方格网 3.6绘制木模图 第四章 压水室的设计4.1 基圆直径的确定 4.2 压水室的进口宽度4.3 隔舌安放角4.4 隔舌的螺旋角 4.5 断面面积F 4.6 当量扩散角4.7各断面形状的确定 4.8压出室的绘制 1.各断面平面图 2. 蜗室平面图画 3.扩散管截线图参考文献3D ϕ0α0一、结构方案的确定1.1比转速sn100.94sn===1.2确定泵进出口直径1.2.1泵进口直径sDsD K=取45sK=～()4553.566.9sD mm=⨯=～～取55sD mm=1.2.2泵出口直径dDd dD K= 3.5 4.5dK=～()3.54.546.8dD mm=⨯=～～60.2取50dD mm=1.3泵进出口流速1.3.1泵进口速度sυ22254436002.92/0.055ssQm sDυππ⨯===⨯1.3.2泵出口速度dυ22254436003.54/0.05ddQm sDυππ⨯===⨯1.4估算泵的效率1.4.1水力效率hη10.08351g10.08350.84hη=+=+⨯≈1.4.2容积效率v η2323110.9710.6810.68101v s n η--===++⨯ 1.4.3机械效率m η只考虑圆盘摩擦损失 76761110.0710.070.93100.94100100m s n η=-=-⨯=⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭取轴承、填料损失为2%,则0.91m η= 1.4.5泵的总效率η0.840.960.9173.4%h v m ηηηη==⨯⨯=1.4确定效率和功率 1.4.1确定功率P1泵的轴功率P3251109.81183600 1.61100010000.76gQHP KW ρη⨯⨯⨯⨯===⨯2电机功率g Pg tkP P η=原动机为电动机，取 1.15k =；传动方式为直联传动，取 1.0t η=1.151.61 1.851g tkP P KW η==⨯=， 选配套轴功率 1.2 1.2 1.61 1.93c P P KW ==⨯= 1.4.2扭矩n M1.9395509550 6.362900c n P M N m n =⨯=⨯=⋅1.4.3最小轴径dd =材料选用45号钢，取[]45MPa τ=8.9d mm === 取9d mm = 二、叶轮水力设计 2.1初步计算叶轮主要尺寸 2.1.1进口当量直径0D0D k =兼顾效率与汽蚀，0 4.0~4.5k =0 4.0~4.553.5~60.2D mm=⨯=（）取055D mm = 0 4.11k = 2.1.2进口直径j D由于采用悬臂式结构，0h d =，则 55j D mm ==2.2出口直径2D2D k = 1229.35100s D D n k k -⎛⎫= ⎪⎝⎭式中 2D k —2D 修正系数。

摘要本文概述了活塞式压缩机设计计算的基本步骤，详细系统的介绍对2D3.5—15/9对称平衡型空气压缩机进行热力计算基本原理及方法。

压缩机的热力计算是以热力学理论为基础，根据气体的压力、容积和温度之间存在的一定关系，结合压缩机具体的工作特性和使用要求进行的。

其计算目的是要求得最有利的热力参数和适宜的主要结构尺寸。

本次课程设计采用常规热力计算方法亦即设计性热力计算。

目录第1章压缩机的热力计算 (1)1.1初步确定压力比及各级名义压力 (1)1.2初步计算各级排气温度 (2)1.3计算各级排气系数 (3)1.4计算各级凝析系数及抽加气系数 (4)1.5初步计算各级气缸行程积 (6)1.6确定活塞杆直径 (6)1.7计算各级气缸直径 (8)1.8计算气缸直径圆整后的实际行程容积、各级名义压力及压力比 (8)1.9按修正后的名义压力考虑压力损失后计算缸内实际压力 (10)1.10根据实际压力比，计算各级实际排气温度 (12)1.11计算缸内虽大实际气体力并核算活塞杆直径 (14)1.12复算排气量 (14)1.13计算功率并选取电机 (15)1.14热力计算结果数据 (16)第1章压缩机的热力计算1.1初步确定压力比及各级名义压力已知数据：吸气压力0.1Mpa,排气压力0.9Mpa,一级进气温度20℃，结构选取，根据总压比9ε=，压缩机的级数取两级比较合适，为了获得较好的动力平衡性能，可选择V 型结构，而且Ⅰ、Ⅱ级采用双作用气缸。

另外，压缩机采用水冷方式。

1.1.1按等压力比分配原则确定各级压力比z zIIk p p εε==Ⅰ12 (1-1)两级压缩总压力比91.09.0pp Ⅰ1Ⅱ2===ε取39ⅡⅠ====εεε为了使第一节有较高的容积系数，第一级的压力比取稍低值，1.1.2各级名义进、排气压力如下k k k p p ε⋅=12，k k p p 2)1(1=+ (1-2)表1-1各级名义进、排气压力（MPa ）1.2初步计算各级排气温度按绝热过程考虑，各级排气温度可用下式求解：εkk T T112-=（1-3）介质是空气，k =1.4。