СУДОВЫЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ, СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

СУДОВЫЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ, СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

СУДОВОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

 

Практикум по выполнению курсового проекта

 

для курсантов специальности

26.05.06 Эксплуатация судовых энергетических установок

очной и заочной форм обучения

 

 

Керчь, 2016 г.

УДК 629.5.064.7

 

Составитель:

Горбенко А.Н., канд. техн. наук, доцент кафедры судовых энергетических установок ФГБОУ ВО «КГМТУ»

                                      ____________

подпись

 

 

Рецензент:

Конюков В.Л., канд. техн. наук, доцент кафедры судовых энергетических установок ФГБОУ ВО «КГМТУ»

                                      ____________

подпись

 

 

Практикум рассмотрен и одобрен на заседании кафедры судовых энергетических установок ФГБОУ ВО «КГМТУ»,

протокол № 8 от 25.03.2016 г.

 

Зав. кафедрой СЭУ___________________ В.Л. Конюков

 

 

Практикум утвержден и рекомендован к публикации на заседании методической комиссии морского факультета ФГБОУ ВО «КГМТУ»,

протокол № ___от_________20___ г.

 

© ФГБОУ ВО «КГМТУ», 2016 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение ........................................................................................................	4
1  Цель и содержание курсового проекта .........................................................	6
2  Задание на курсовой проект ...........................................................................	9
3  Расчет рабочего колеса ...................................................................................	9
4  Расчет спирального отвода и диффузора ......................................................	13
5  Расчет насоса на кавитацию ...........................................................................	14
6  Подбор приводного электродвигателя ..........................................................	15
7  Компоновка конструкции насоса. Методические указания по работе над сборочным чертежом насоса. ..................................................................	15
8  Расчет сил, действующих в насосе ................................................................	17
9  Проверочный расчет подшипников на долговечность ................................	18
10  Проверочные расчеты элементов насоса на прочность ............................	19
11  Выбор и проверка муфты .............................................................................	21
12  Описание конструкции насоса .....................................................................	21
13  Особенности технической эксплуатации центробежного насоса ............	21
14  Варианты заданий на курсовой проект .......................................................	22
Список использованной и рекомендуемой литературы ............................	23
Приложение А. Конструкции судовых центробежных насосов ..............	24
Приложение Б. Образец оформления титульного листа курсового проекта ...............................................................................	34
Приложение В. Основные вопросы, выносимые на защиту курсового проекта ...............................................................................	35

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Курсовое проектирование является важной составной частью изучения дисциплины «Судовые вспомогательные механизмы, системы и устройства» при подготовке судовых инженеров-механиков.

Настоящее пособие разработано в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок», утвержденным приказом Минобрнауки от 24.12.2010 года № 2060 (ред. от 31.05.2011 года), рабочей программой учебной дисциплины «Судовые вспомогательные механизмы, системы и устройства». Целью данной дисциплины является подготовить специалиста, владеющего знаниями и навыками в области устройства, принципов действия и основами эксплуатации судовых вспомогательных механизмов, систем и устройств различных типов и назначений. Полученных знаний и навыков должно быть достаточно для технического использования судовых вспомогательных механизмов, систем и устройств в объёме должностных обязанностей вахтенного механика. Изучение этой дисциплины в большой степени обеспечивает теоретическое освоение функций таблиц А-III/1, А-III/2 Международной конвенции ПДНВ-78/95 с поправками и специализации минимальных стандартов компетенции Международного Кодекса STCW-CODE, 1995.

Курсовое проектирование имеет цель закрепить и систематизировать знание курсантов по специальным дисциплинам, развивать у курсантов навыки самостоятельной работы и научить их практически применять полученные ими теоретические знания при решении вопросов производственного характера.

Изучение дисциплины направлено на формирование следующих компетенций, предусмотренных ФГОС ВО и конвенцией ПДНВ-78:

 

Общекультурные компетенции (ОК):

№ компе- тенции	Содержание компетенции
ОК-3	владение математической и естественнонаучной культурой как частью профессиональной и общечеловеческой культуры
ОК-15	понимание роли охраны окружающей среды и рационального природопользования для развития и сохранения цивилизации

 

Профессиональные компетенции (ПК):

№ компе- тенции	Содержание компетенции
ПК-1	Способность генерировать новые идеи, выявлять проблемы, связанные с реализацией профессиональных функций, формулировать задачи и намечать пути исследования
ПК-4	способность и готовностью быстро идентифицировать и оценить риски, принять правильное решение
ПК-7	Способность и готовность осуществлять безопасное техническое использование, техническое обслуживание и ремонт судов и их механического и электрического оборудования в соответствии с международными и национальными требованиями
ПК-8	Способность и готовность выполнять диагностирование судового механического и электрического оборудования
ПК-9	Способность и готовность осуществлять выбор оборудования, элементов и систем оборудования для замены в процессе эксплуатации судов
ПК-15	способность применять базовые знания фундаментальных и профессиональных дисциплин, осуществлять управление качеством изделий, продукции и услуг, проводить технико-экономический анализ в области профессиональной деятельности, обосновывать принимаемые решения по технической эксплуатации судового оборудования, уметь решать на их основе практические задачи профессиональной деятельности
ПК-23	Способность и готовность разработать проекты объектов профессиональной деятельности с учетом физико-технических, механико-технологических, эстетических, экологических, эргономических и экономических требований, в том числе с использованием информационных технологий
ПК-30	Способность участвовать в фундаментальных и прикладных исследованиях в области судов и судового оборудования
ПК-31	Способность создавать теоретические модели, позволяющие прогнозировать свойства объектов профессиональной деятельности
ПК-35	Способность передавать знания по дисциплинам профессиональных циклов в системах среднего и высшего профессионального образования

 

ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

 

Основной целью курсового проекта служит углубление знаний по устройству, конструкции и особенностям эксплуатации судовых центробежных насосов путем выполнения ряда расчетных, конструкторских и графических работ. В настоящей работе содержатся методические указания к выполнению всех разделов курсового проекта. В связи с определенным дефицитом учебной литературы, часть расчетных методик приведена полностью. Оставшаяся часть методик приведена в литературе, на которую даны ссылки.

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графических материалов. Расчетно-пояснительная записка должна состоять из следующих элементов: титульный лист, оглавление, лист задания на курсовой проект, описание и результаты всех этапов расчета, описание конструкции насоса, основные особенности эксплуатации судовых центробежных насосов, заключение и список использованной литературы.

Ориентировочный состав оглавления расчетно-пояснительной записки:

 

1. Задание на курсовой проект

2. Расчет рабочего колеса насоса

3. Расчет спирального отвода и диффузора

4. Расчет насоса на кавитацию

5. Подбор приводного электродвигателя

6. Компоновка конструкции насоса

7. Расчет сил, действующих в насосе

8. Проверочный расчет подшипников на долговечность

9. Проверочные расчеты элементов насоса на прочность

9.1 Расчет вала на статическую и усталостную прочность

9.2 Расчет вала на жесткость

9.3 Расчет критической частоты вращения вала

9.4 Расчет прочности шпоночных соединений

9.5 Расчет рабочего колеса на прочность

9.6 Расчет корпуса насоса на прочность

10. Выбор и проверка муфты

11. Описание конструкции насоса

12. Особенности технической эксплуатации центробежных насосов

Заключение

Список использованной литературы

 

Курсовой проект необходимо оформлять в соответствии с требованиями «Положения о порядке оформления студенческих работ».

Расчетно-пояснительная записка проекта выполняется на стандартных листах писчей бумаги формата А4 (210х297 мм), пронумерованных и сшитых, с плотной обложкой.

Лицевая часть обложки оформляется как титульный лист. Образец оформления титульного листа приведен в приложении Б.

На каждом листе изображается рамка и штамп.

Для каждого этапа расчета дают четко сформулированный нумерованный заголовок. Расчет следует писать с достаточно ясными заголовками, в определенном порядке, с необходительным пояснительным текстом и сопровождать эскизами. Полученный расчетный результат в случае необходимости корректируется по стандарту или же из конструктивных соображений.

В ходе изложения материала необходимо делать ссылки на использованные литературные источники. Следует помнить, что материал, не снабженный такой ссылкой, считается личной разработкой автора. Ссылка делается путем указания в квадратных скобках номера литературного источника (согласно списку литературы) и при необходимости конкретного места в нем. Например, [3] или [4, с.234-236].

Расчеты необходимо производить в единицах СИ – в м, мм, м², м/с, Н, кН, МН, Н∙м, Па, МПа, рад/с, Вт, кВт и т.д. Допускается использование общепринятых исключений – м водяного столба, об/мин и др.

Расчет рекомендуется писать как в целях облегчения проверки его самим автором или другим лицом, так и во избежание ошибок в такой форме: сначала без всяких алгебраических преобразований пишут в цифрах; после этого пишется результат вычисления. Например, при определении скорости течения жидкости C расчет следует писать так: C=Q/F=0,09/0,126=0,71 м/с, где Q – расход жидкости, F – площадь сечения канала. Несоблюдение указанного правила затрудняет чтение и проверку расчета и, кроме того, может привести к ошибке.

Необходимо отметить, что на первом месте всегда должен быть физический смысл рассматриваемого вопроса, а расчет является всего лишь вспомогательным средством. Увлечение абстрактным расчетом в ущерб смысловой стороне дела ведет зачастую к отрицательному результату.

Графическая часть проекта состоит из сборочного чертежа насоса, рабочих чертежей рабочего колеса и вала насоса и листа с основными графиками к расчетам. Масштаб чертежей по возможности должен быть выбран 1:1, но при соблюдении условия, что не менее 75% площади листа должно быть заполнено.

Чертежи сборочных единиц (узлов) предназначены служить руководством при сборке данных единиц. На этих чертежах должны быть даны все указания, необходимые для их сборки, и размеры: 1) сборочные размеры с указанием допусков; 2) габаритные размеры; 3) присоединительные размеры; 4) размеры, характеризующие сборочную единицу (межосевые расстояния и др.); 5) размеры для справок. На сборочном чертеже приводится также краткая техническая характеристика изделия.

Чертеж сборочной единицы должен иметь спецификацию всех деталей. В спецификации указывается позиция, наименование и количество деталей. Для стандартных деталей наименование их надо давать в соответствии с требованиями ГОСТов на эти детали и с указанием номеров ГОСТов. Спецификацию сборочной единицы, выполненную на листе формата А4, допускается совмещать с чертежом сборочной единицы.

Чертежи деталей предназначены для изображения деталей машин в готовом виде. Детали машины должны быть вычерчены по возможности в натуральную величину в необходимом количестве проекций и с необходимым разрезами, полностью иллюстрирующими их устройство. Чертежи деталей, имеющих малые размеры, рекомендуется выполнять в увеличенных масштабах. На чертеже каждой детали должны быть даны: все необходимые для ее изготовления размеры; предельные отклонения размеров, формы и расположения; шероховатость поверхностей; марка материала; предельные значения твердости. На каждом чертеже детали помещают основную надпись (штамп).

На листе с графиками к расчетам должны быть изображены следующие элементы.

1. Рабочее колесо с спрофилированными лопастями с указанием необходимых размеров; на входе и выходе одной из лопастей должны быть построены планы скоростей потока жидкости.

2. График пропускной способности спирального отвода с полученными изображениями его сечений.

3. Канал спирального отвода с диффузором и номерами сечений.

4. Графики напорных характеристик насоса (теоретической с бесконечным числом лопастей, теоретической с конечным числом лопастей и действительной).

5. Расчетная схема вала насоса с указанием действующих на него сил и размеров, необходимых для определения реакций опор.

Каждый из элементов этого листа должен быть снабжен заголовком.

 

В штампах каждого из элементов курсового проекта необходимо указать их шифр, который составляется следующим образом - КП.СВМ.ААА.ББ.ВВВ. Здесь обозначено: ААА – номер зачетной книжки, ББ – номер сборочной единицы (для насоса принимается 00), ВВВ – номер детали в сборочной единице согласно спецификации. В конце шифра сборочного чертежа проставляются литеры СБ.

 

Курсовой проект студент выполняет самостоятельно, изучив соответствующие разделы курса и ответив на вопросы для самопроверки, приводимые в учебной литературе. Выполненный и оформленный курсовой проект студент сдает на проверку преподавателю. После проверки необходимо устранить все замечания. Завершающим этапом является защита курсового проекта преподавателю. Перечень основных вопросов, выносимых на защиту курсового проекта, приведен в Приложении В.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

Спроектировать судовой центробежный насос с параметрами:

1. Производительность (подача) Q = ....... м³/ч.

2. Напор H = ......... м вод. столба.

3. Частота вращения n = ......... об/мин.

4. Число ступеней насоса – 1.

5. Рабочая жидкость – вода.

В пояснительной записке отразить особенности технической эксплуатации центробежных насосов.

Состав графической части курсового проекта:

Лист 1. Графики к расчетам центробежного насоса (формат А1).

Лист 2. Сборочный чертеж центробежного насоса (формат А1).

Лист 3. Рабочий чертеж рабочего колеса насоса (формат А2).

Лист 4. Рабочий чертеж вала насоса (формат А2).

 

Примечание. В отдельных случаях преподаватель может задать иную конструктивную схему насоса, т.е. количество его ступеней и рабочих колес.

 

 

РАСЧЕТ РАБОЧЕГО КОЛЕСА

 

3.1 Коэффициент быстроходности рабочего колеса:

 

n_S = 3,65 n Q ^0,5 / Н ^0,75.

 

В данную формулу n подставляется в об/мин, Q – в м³/с, Н – в м вод.ст. В зависимости от полученного значения n_S выбирается тип рабочего колеса (тихоходное, средней быстроходности, быстроходное, диагональное или осевое) и принимается значение m = D₂/D₀ в соответствии с классификацией рабочих колес [1, с.68, 69], [2, с.106, 107].

 

3.2 Коэффициент полезного действия насоса.

Гидравлический и объемный КПД центробежных насосов можно количественно оценить с помощью эмпирических зависимостей:

 

.

В указанные формулы значение приведенного диаметра D_1п подставляется в мм.

Обычно значения гидравлического и объемного КПД центробежных насосов находятся в диапазонах: h_г = 0,8...0,95 и h_о = 0,9...0,99. Значение механического КПД насоса принимается из диапазона h_м = 0,9...0,95.

Полный КПД насоса h = h_г h_о h_м .

 

3.3 Мощность на валу насоса (т.е. мощность подведенная от приводного двигателя).

Для определения мощности следует воспользоваться известной зависимостью, общей для всех гидравлических машин с учетом КПД насоса (см., например [1, 2]).

 

3.4 Крутящий момент на валу насоса.

Величина крутящего момента вычисляется по известным мощности и частоте вращения с помощью известной зависимости.

 

3.5 Диаметр вала насоса под рабочим колесом.

Предварительно определяется минимально допустимый диаметр вала из условия прочности при кручении. Расчетная формула заимствуется из теории дисциплины «Сопротивление материалов» или «Детали машин». Далее принимается значение диаметра вала D_В под рабочим колесом из стандартного ряда, большее, чем минимально допустимое значение.

 

3.6 Диаметры рабочего колеса.

Диаметр ступицы: D_ст = (1,4...2,0) D_В .

Диаметр входа в межлопастной канал:

Диаметр входа в рабочее колесо: D₀ = (0,9...1,0) D₁ .

Наружный диаметр рабочего колеса: D₂ = m D₀.

 

3.7 Абсолютная скорость жидкости на входе в кольцевое приемное отверстие рабочего колеса

Обычно скорость на входе составляет С₀ = 2...6 м/с.

 

3.8 Абсолютная скорость жидкости на входе в межлопастной канал рабочего колеса:

C₁ = C₀ / m₁ ,

где m₁ = 0,85...0,9 – коэффициент стеснения входного сечения от толщины кромок лопастей.

 

3.9 Окружная скорость на входе межлопастной канал рабочего колеса:

u₁ = 0,5 D₁ w ,

где w - угловая скорость рабочего колеса.

3.10 Радиальная и окружная составляющие абсолютной скорости на входе принимаются равными С_1r = С₁, С_1u = 0, что соответствует радиальному течению жидкости на входе.

 

3.11 Угол установки лопасти на входе:

 

b₁ = arctg C₁ / u₁ .

 

Значение угла b₁ должно находиться в диапазоне 15⁰...30⁰.

 

3.12 Теоретический напор колеса при бесконечном числе лопастей:

 

H_T¥ = H / (k h_г) ,

 

где k - коэффициент, учитывающий влияние конечного числа лопастей на напор. Предварительно значение принимается из диапазона 0,6...0,8.

 

3.13 Окружная скорость на выходе из рабочего колеса

u₂ = 0,5 D₂ w .

 

3.14 Радиальная составляющая абсолютной скорости на выходе принимается равной С_2r  = C_1r  .

 

3.15 Угол установки лопасти на выходе:

 

 

Значение угла b₂ должно находится в диапазоне 15⁰...30⁰. В случае, если они выходят за диапазоны, необходимо повторить расчеты начиная с п.3.5, скорректировав значения некоторых параметров (D_1П, D_В, D_ст, D₀, k или h_г).

 

3.16 Ширина лопасти на входе и выходе из рабочего колеса:

 

 

где m₁ = 0,88...0,92 – коэффициент стеснения выходного сечения от толщины лопастей.

 

3.17 Количество лопастей рабочего колеса:

Значение Z_Л округляется до целого.

 

3.18 Уточнение значения коэффициента k влияния конечности числа лопастей на напор, используя эмпирическую зависимость

.

Уточненное значение коэффициента не должно отличаться от ранее принятого (п.3.12) более чем на 5%. В противном случае необходимо повторить расчет, используя уточненное значение k.

 

3.19 Профилирование лопасти рабочего колеса.

Принимается, что лопасть имеет профиль в виде дуги окружности. Для ее построения вычисляются радиус r дуги лопасти и радиус R_ц окружности расположения центров этих дуг по формулам:

 

 

Используя значения r и R_ц , выполняется графическое построение лопастей рабочего колеса в графической части курсового проекта.

 

3.20 Расчет и построение напорной характеристики насоса.

3.20.1 Теоретическая напорная характеристика при бесконечном числе лопастей описывается линейной зависимостью вида

 

H_T¥ = A_¥ – B_¥ Q ,

 

где

Для ее графического построения вычисляются два значения напора H_T¥ при подачах Q=Q_ном и Q=0. В координатах H - Q эта напорная характеристика представляет собой наклонную прямую линию.

 

3.20.2 Теоретическая напорная характеристика при конечном числе лопастей описывается линейной зависимостью вида

H_T = A – B Q ,

где A = k A_¥ ; B = k B_¥ .

Графическое построение выполняется аналогичным образом.

 

3.20.3 Действительная напорная характеристика.

Действительная напорная характеристика H(Q) представляет собой падающую криволинейную зависимость. Ее графическое построение осуществляется приблизительным образом, исходя из двух положений: 1) кривая H(Q) проходит через точку номинального режима работы H_НОМ – Q_НОМ ; 2) гидравлические потери (соответствующие расстоянию по вертикали между линиями H(Q) и H_т(Q)) обычно обеспечиваются наименьшими в области номинального режима. Таким образом, действительную напорную характеристику можно приблизительно построить, проводя от руки падающую кривую линию, проходящую через точку номинального режима H_НОМ – Q_НОМ, причем так, чтобы вертикальное расстояние между ней и линией H_т(Q) было наименьшим в области номинального режима.

Действительная и обе теоретические напорные характеристики приводятся в графической части проекта.

 

 

РАСЧЕТ НАСОСА НА КАВИТАЦИЮ

 

Целью расчета проектируемого насоса на кавитацию является определение условий обеспечения его надежной бескавитационной работы во время эксплуатации.

5.1 Минимальный кавитационный запас:

 

Dh_min = s H = (n_S /c)^4/3 H ,

 

где s - коэффициент кавитации; c – коэффициент, зависящий от конструкции и параметров насоса, значение которого ориентировочно принимается по таблице 5.1.

 

Таблица 5.1

nS	40...70	70...80	80...150	150...200
c	600...750	750...800	800...1000	1000...1220

 

5.2 Минимально допустимое давление на входе в насос:

 

p_{1 min} = p _нас – 0,5 r C₁² + r g Dh_min ,

 

где p_нас – давление насыщения паров жидкости, значение которого рекомендуется определять при температуре 25...30 С⁰ по справочной литературе.

Таким образом, формулируется первое условие бескавитационной работы:

p₁ > p_{1 min} ,

 

т.е. давление на входе в насос должно быть не менее величины p_{1 min}.

 

5.3 Максимально допустимая высота всасывания:

 

Z _max = (p_a - p_нас) / (r g) – h _вс - Dh_min ,

 

где p_a – атмосферное давление; h _вс – гидравлические потери во всасывающем трубопроводе.

В первом приближении величину h _вс можно принять равной нулю. Величину кавитационного запаса Dh_min в этой формуле рекомендуется принимать равной значению, вычисленному в п. 5.1, но не менее 2,5...3 м вод. ст.

Таким образом, формулируется второе условие бескавитационной работы:

Z < Z  _max ,

т.е. высота всасывания не должна быть больше величины Z  _max.

ВЫБОР И ПРОВЕРКА МУФТЫ

 

Муфта должна надежно передавать крутящий момент от приводного двигателя к насосу и компенсировать нарушения соосности валов при эксплуатации. Исходя из этого выбирают тип муфты, ее конкретную марку и выписывают ее основные параметры. Проверка работоспособности производится по передаваемому крутящему моменту. Необходимые материалы можно найти в литературе по деталям машин (см., например, [5]и др.).

 

 

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ НАСОСА

 

Этот раздел выполняется после изготовления сборочного чертежа насоса. В описании необходимо отразить конструктивные особенности насоса с указанием номеров основных деталей по спецификации и материалов, из которых они изготовлены.

 

 

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

Предпослед-няя цифра шифра	Производитель-ность (подача) насоса Q, м3/ч	Частота вращения n, об/мин	Последняя цифра шифра	Напор насоса Н, м вод. ст.	Прототип конструкции насоса
1	10	5800	1	10	Рис. 8
2	15	2900	2	15	Рис. 9
3	20	2900	3	20	Рис. 3
4	30	2900	4	25	Рис. 5
5	60	1450	5	30	Рис. 1
6	80	1450	6	35	Рис. 6
7	100	1450	7	40	Рис. 10
8	200	1450	8	45	Рис. 7
9	300	965	9	50	Рис. 2
0	400	965	0	60	Рис. 4

 

Примечание. Номера рисунков приведены согласно настоящим методическим указаниям.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ  Б

ОБРАЗЕЦ ОФОРМЛЕНИЯ ТИТУЛЬНОГО ЛИСТА

КУРСОВОГО ПРОЕКТА

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КЕРЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»