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本科畢業(yè)論文(設計)開題報告
論 文 題 目： 螺旋離心泵設計 學 院：
一、選題依據
1. 論文題目 螺旋離心泵設計
2. 研究領域 綜合設計
3. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值理論意義：
螺旋離心泵是一種無堵塞泵，有著真正的無堵塞性能。其他的普通無堵塞離心泵在輸入纖維狀固體時，固體常常會附著在葉片的邊緣上導致在進出口的堵塞，最終造成故障。而裝有螺旋離心葉輪的螺旋離心泵則不存在這一問題，螺旋狀的葉輪會使各種填充物不能在進出口造成堵塞，使填充物順利通過，避免了許多機械故障。螺旋離心泵又一優(yōu)勢是“柔和輸送”，即使是固體物質在輸送過程中也會隨著輸送方向向前運動，不會撞擊泵內的任何部位。既可以保證輸送的物質不被破壞，保持原來的物理狀態(tài)，又可以有效的保護其內部不因為各種物質的撞擊而遭到破壞。能夠低成本平穩(wěn)運行、擁有高自吸能力、無過載區(qū)域及有著小巧的結構。
應用價值：
在現代生產中，使用泵來輸送固體的應用領域越來越大，如：泥漿、灰渣礦石、糧食、紙漿、水果蔬菜、魚蝦貝殼等等。要輸送這類物質，需要泵有很多特性，如無堵塞與耐磨損。在眾多種類的泵中最適合的泵這是螺旋離心泵。螺旋離心泵結合了傳統(tǒng)離心泵和螺旋泵的特點,應用于市政污水領域中,可以輸送含有大顆粒物質的液體,保證無堵塞輸送、柔性輸送。世界上第一臺螺旋離心泵是用來輸送魚類的，后來用于輸送固液兩相的流體，讓其能夠輸送高粘度的液體。它的開式葉輪中有一到兩片螺旋形葉片可以防止堵塞，讓填充物順利流動。
4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢
（一）國內發(fā)展概況
（1）螺旋離心泵設計
以國內外大量的實踐以及資料為依據，以清水泵的有關公式為基礎提出了經驗統(tǒng)計速度系數設計法。這種方法雖然理論上不夠完善與充分，但是實用性很強，在有豐富經驗和足夠的資料下可以得要良好的效果，得到了廣泛的應用[1-6]。后張玉新等提出了一種適用于低速離心渣漿泵的無過載設計方法[7]。劉彥春設計了低比轉速渣漿泵，分析了各主參數對泵的影響，推薦出合理的結構參數[8]。
70 世紀中期，蔡寶元提出了兩相流畸變速度設計法，指出了雜質泵的性能特點[9]。
80 年代末，徐洪元等提出了兩相流速度比設計法，可有效地轉換能量，是對于固液泵水力設計的新突破[10]。
（2） 磨損機理和磨損規(guī)律的研究
國內有關材料的磨損方面研究較多，如由田愛民[19]、羅先武[20]等人用失重法、磨損測
量法、表面涂層法研究了葉輪轉速、顆粒濃度等參數對磨損的影響。洪亮等推出了一種渣漿泵材料的磨損試驗方法[21]。楊建國等人提出了使用導輪來減輕磨損的方法，并初步驗證了這種方法的可行性[22]。而后劉忠祥[23]、王榮貴[24]等研究了磨蝕機理，提出了抗磨蝕的措施。但到現在研究任然不足，實際生產中磨損與空蝕往往共同作用， 并且與外界因素有關，使各種情況更加復雜，還需要更多更深入的研究。
（3） 螺旋離心泵內部流場的研究
國內對其內部流動的研究現在主要集中在對顆粒的運動規(guī)律的數值模擬與實驗研究上。朱金曦采用有限元的方法計算了葉輪流面的流場，且用查分法計算了葉輪內部固體的運動軌跡[32]。劉正英等用有限差分法對固液兩相流動規(guī)律進行了模擬[33]。王宏等用懸浮體固液兩相流粒群進行了模擬[34]。趙靜亭用高速攝影機記錄顆粒的運動規(guī)律， 解釋了出口劇烈磨損的原因[35]。韋章兵總結了不同濃度與顆粒的煤水導致泵性能的變化，為螺旋離心泵的使用與開發(fā)提供了參考[39]。
( 4 )螺旋離心泵設計 CAD
在國內，泵的 CAD 技術已經接近工程實用，工藝設計與產品設計基本實現了計算機輔助設計，但與 CFD 結合仍然比較少。江蘇理工大學設計的應用軟件 PCA2000 可以繪制多種泵的葉輪[42]；王德軍使用 MSVC 開發(fā)了新一代的離心泵的 CAD 軟件，有著很好的實用性[43]。但由于螺旋離心泵的固液流動的復雜性等問題，且其 CAD 技術研究起步較晚，遠不如清水泵的成熟。
（二）國外發(fā)展概況
六十年代初，瑞士工程師馬丁.斯塔列為了研究出能輸送魚而不損傷魚的輸送系統(tǒng)二發(fā)明了帶有螺旋型葉輪的螺旋離心泵，先后獲得了秘魯、美國與西德等國家的專利。第一臺螺旋離心泵是用于秘魯一家工廠的魚類加工，隨后用來運輸固液兩相流體，可以排水和輸送具有高粘度的液體。英國的 Hidrostal Process Engineering Ltd 公司首先獲得了這種泵的生產權德國的 Hidrostal 與 KSB 公司開發(fā)出了這種泵的系列產品；英國的 Sigmund、日本的久保田、太平洋機工等公司也相繼開發(fā)出了系列產品。
（1） 螺旋離心泵設計
Alwksander S.Roudnev 研究了蝸殼形狀對泵性能的影響與設計時應該考慮的問題，將其運用到了兩類大功率的螺旋離心泵中，取得了很好的效果[14]。
（2） 磨損機理和磨損規(guī)律的研究
國外開始研究磨損的時間較早，開展過很多實驗研究與理論分析工作。比如日本的Yoshiro Iwai 等于 13 種不同的材料在不同條件下的襯套進行了耐雜質磨蝕的實驗，探討了在不同沖角以及顆粒的尺寸的條件下材料的磨蝕特性，并給出了相應的計算公式[16]；H.X.Zhao 等進行了螺旋離心泵葉片的陶瓷涂層的磨蝕性研究，發(fā)現其與噴涂技術有關，并且可以用硬度指標來衡量耐磨性[17]；Craig.I.Walker 等對襯套的形式與對泵磨損的影響進行了研究，并給出了相應的經驗公式[18]。
（3） 螺旋離心泵內部流場的研究
了解其兩相流動流場的分布對螺旋離心泵的設計、效率、減輕磨損都有很高的意義。國外對于固粒運動的研究開始較早，已經運用了 LDV 與 PIV 技術進行研究。日本的H.Tsukamoto 等對泵內部的兩相流動的壓力分布進行了測量，并用 CCD 相機對其的流動進行了觀測，最后得出螺旋離心泵的性能受到顆粒的密度、濃度與尺寸的影響，進出口處與工作面的磨損與顆粒的分布有關[30]；B K Gandh 等人實現了一個用損失分析的方法來實現預測螺旋離心泵的性能曲線的方法，且這種方法經過試驗表明是比較可靠的[31]。
（4） 螺旋離心泵設計 CAD
隨著計算機技術的不斷發(fā)展，泵的計算機輔助 CAD 的技術在國外已經相對成熟。其內容涉及到許多方面，如：結構設計、水力設計與性能的預測，并且做到了與 CFD 很好的結合，利用了 CFD 的技術來展示各項結果并用計算機來指導完成泵的相關設計。Concepts NREC 公司研究了 CFD 技術在泵的設計中起到的作用，得出了使用 CAD 技術與 CFD 技術相結合的方法的好處，在節(jié)約時間、提高效率的同時還降低了成本[40]；KSB 公司的 Sven Baumgarten 與 Thomas Muller 利用計算機對 GIW 泵進行了優(yōu)化設計，并進行了數值模擬，發(fā)現比原來的效率提高了 6％[41]。
（三）總結
螺旋離心泵是將螺旋泵與離心泵合為一體的新型雜質泵，使其可以將這兩種泵的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。與以往的雜質泵相比，螺旋離心泵具有很多優(yōu)勢，如: 無堵塞性能好、無損性能好、效率高，且高效區(qū)寬廣、功率曲線平坦、良好的調節(jié)性能、泵的吸入性能好、具有優(yōu)良的抗汽蝕性能、可輸送油水混合物而不致乳化。造紙業(yè)（高濃度紙漿的輸送）、漁業(yè)（輸送活魚、活蝦等）、糖業(yè)、食品(輸送土豆、甜菜等塊狀蔬菜)、冶金、環(huán)保(河道清淤：淤泥、沙的輸送)、化學工業(yè)等各行業(yè)和污水處理作業(yè)中有十分廣泛的應用前景。
到目前為止，螺旋離心泵的設計不管在理論還是經驗方面都遠遠沒有達到設計普通離心泵那樣的水平，制約了螺旋離心泵的應用與發(fā)展。同時，雖然泵的 CAD 方面在國內做了較多的工作，但其基本上都是針對于普通離心泵，并沒有針對這種類型的泵的CAD 設計軟件，所以積極開發(fā)對于螺旋離心泵的水力設計以及 CAD 軟件的開發(fā)對螺旋離心泵的發(fā)展具有重要的意義與實際的應用價值。
二、論文（設計）研究的內容
1. 重點解決的問題
（1） 螺旋離心泵特有的三維螺旋葉輪設計
（2） 設計一臺固液兩相流體的螺旋離心泵
2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）
首先要查閱有關于螺旋離心泵的文獻及論文，利用學校圖書館的資源查閱外文文獻，并且翻譯，了解國外對本課題的研究現狀，掌握螺旋離心泵的工作原理，然后通過查閱機械設計手冊等其他相關工具書和參考書籍，開始對本課題所需要設計的螺旋離心泵根據具體要求和優(yōu)化條件進行設計和零部件的選擇計算，使用 CAD 軟件進行工程視圖的繪制，便于更加具體形象的展示螺旋離心泵的結構，最后根據整個過程的草稿數據和已經完成的各種零件圖完成畢業(yè)論文的編寫。
3. 本論文（設計）預期取得的成果
1) 結構設計一套;
2) 總裝配圖一份;
3) 各主要配件的零件圖;
4) 畢業(yè)論文;
三、論文（設計）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數）
（1） 螺旋離心泵的粗略選型
（2） 螺旋離心泵主要幾何參數的確定
（3） 螺旋離心葉輪的幾何參數的確定
（4） 主要零部件的強度校核
（5） 主要零部件的零件圖繪制
（6） 總裝配圖繪制
（7） 說明書的編寫
2. 論文（設計）進度計劃第 1 周 查閱相關資料
第 2 周 分析現有螺旋離心泵，完成開題報告初稿。第 3 周 深入研究螺旋離心泵，提出問題
第 4 周 開題報告撰寫及準備開題答辯第 5 周 完成螺旋離心泵的結構選型
第 6 周 根據所研究的內容對螺旋離心泵各零部件進行選擇第 7 周 對螺旋離心泵各零部件進行設計
第 8 周 完成相關的設計計算第 9 周 完成裝配圖
第 10 周 中期檢查第 11 周 完成零件圖
第 12 周 撰寫畢業(yè)設計論文
第 13 周 對說明書有關設計進行校核
第 14 周 打印論文及圖紙，進一步完善整理資料第 15 周 準備答辯
四、需要閱讀的參考文獻
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附：文獻綜述或報告
（一）螺旋離心泵的介紹
螺旋離心泵是一種新型的無堵塞泵，在造紙業(yè)（高濃度紙漿的輸送）、漁業(yè)（輸送活魚、活蝦等）、糖業(yè)、食品（輸送土豆、甜菜等塊狀蔬菜）、冶金、環(huán)保(河道清淤：淤泥、沙的輸送)、化學工業(yè)等各行業(yè)和污水處理作業(yè)中有十分廣泛的應用前景。這種泵具有有許多其他種類的泵不具有的特性：
1、真正的無堵塞性能：螺旋的葉輪會自行旋入軟質固體中，使填充物不能在進口處堵塞，而且吸口內壁和葉輪的背部還設計有可以防止纖維積聚的反向螺紋槽。 2、柔和輸送介質：。這一優(yōu)點適用在以下領域：輸送活性松散物質，可以保持其
原來的物理狀態(tài)，松散的物質不會被撕裂、破碎。乳液中的油，可以保持其特定的特點狀態(tài)。懸浮的纖維，不會被擰絞或纏繞。易碎（脆弱）的物品如西紅柿、活魚等， 不會被損壞。
3、出眾的運行曲線：高效率=低運行成本；陡峭的性能曲線=平穩(wěn)的運行；低的凈吸壓頭=高自吸能力；平滑的功率曲線=無過載區(qū)域；高轉速=小巧的結構。
4、高固含量介質處理能力。
5、采用可調耐磨內襯：在磨損嚴重的應用情況下是一種理想選擇，當發(fā)生磨損之后，只需更換一個內襯即可，無須更換整個外殼，既方便又經濟。
螺旋離心泵的優(yōu)點： 1、無堵塞性能好；
2、無損性能好；
3、效率高，而且高效區(qū)寬廣；
4、功率曲線平坦；
5、良好的調節(jié)性能；
6、泵的吸入性能好；
7、具有優(yōu)良的抗氣蝕性能；
8、腐蝕小，過流部件壽命長；
9、理想的抗噪特性。
螺旋離心泵的工作原理：流體在高速旋轉的葉輪的作用下被吸入泵腔，葉輪由螺旋段和離心段兩個部分所組成，螺旋部分提供一個正向的位移推力，此力在軸向的延伸出形成一種彎轉的分力，使入口處的水流沿著葉輪的切線方向而不是與葉輪成直角作用下被吸入泵腔，葉輪由螺旋段和離心段兩部分組成，螺旋部分提供一個正向的位向而不是與葉輪成直角或某一角度進入泵體。螺旋部分的軸向推力使水流平穩(wěn)流出， 直至離心部分，再由離心部分推送水流從出口排出。
螺旋離心泵的應用正在擴大，除用來輸送固液兩相流體外還可用來輸送粘性流體，實驗表明，雷諾數在 3×103
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