航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计毕业论文Word文档格式.doc

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1.2.2离心泵的结构和水力设计方法 5

1.2.3屏蔽泵的特点、历史与发展现状 7

第2章　泵的水力设计 10

2.1叶轮的水力计算 10

2.2涡室的水力计算 13

2.3叶轮木模图的绘制 14

2.4涡室木模图的绘制 18

第3章　轴系的设计计算 20

3.1轴承的选择 20

3.2轴的设计 21

3.3轴的校核 22

3.4轴承的校核 26

第4章　泵体的设计计算 28

4.1屏蔽套的设计计算 28

4.2电机定子套的设计 29

4.3底座的设计 29

第5章　关于屏蔽泵的可靠性专题 32

5.1屏蔽泵的失效原因及对策 32

5.2屏蔽泵的安全监测和保护装置 36

第6章　总结与展望 37

6.1总结 37

6.2展望 38

致谢 39

参考文献 40

13

摘要

本文介绍了航空航天用小流量泵的研究背景和屏蔽泵的结构原理，介绍了离心式叶轮的水力设计方法，同时也分析了屏蔽泵的可靠性因素。

在以上基础之上，设计了一台用于航空航天生命保障系统的微型屏蔽式离心泵，该泵的叶轮和涡室采用了传统的速度系数法进行设计计算，轴系创新性的采用了滚动轴承＋内循环的形式，屏蔽套、定子、定子套等结构参照模型泵进行了设计。

该泵的总体尺寸很小，叶轮直径仅为20mm左右，整体尺寸也仅为10余厘米，总重量在700g左右。

关键词：

微型泵；

屏蔽泵；

设计

Abstract

Thearticleintroducedthebackgroundoflow-fluxpumpforspaceflightuseandthestructureofcannedmotorpump.Introducedthewaterpowerdesignmethodofcentrifugalpump.Ialsoanalysedthereliabilityofcannedmotorpump.

Baseonabovestudy,Idesignedaminicentrifugalcannedmotorpumpforlifeprotectionsystem,Theimpellerandvortexchamberisdesignedbytraditionalvelocitycoefficientmethod.Theshaftsystemusethecreativerollingbearingandinsidecyclesystem,Theshieldingsheath,stator,sheathstatoraredesignedinreferenceofthemodelpump.

　　Thedimensionofthispumpisverysmall.Thediameteroftheimpellisabout20mm,Itslengthisabout10cms,andhasaweightofabout700g.

KeyWords:

MiniPump;

CannedMotorpump;

Design

第1章　1绪论

1.1课题背景与意义

神六的成功增加了我们国家整体实力，同时反映了我们民族的事业繁荣向上，极大地增强了民族的凝聚力和向心力。

神六的成功也标志着我国航空航天产业的重大突破，标志着在某些关键技术上的长远进步。

图11-1宇航服基本结构示意图

凡是看过相关纪录片或者图片的人一定对宇航员身上那一层厚厚的宇航服印象深刻，宇航服对于一个宇航员来说至关重要，它不再仅仅是传统意义上避寒遮羞的衣物了，同时它也集成了宇航员在太空飞行中必需的生命维持系统，一件宇航服都必须要严格符合这样的要求：

首先要有良好的保暖性能，无论是在高温环境或低温环境，都能使宇航员保持恒温舒适的环境，这主要依靠宇航服中的水循环和风扇系统完成；

第二，封闭性能要好，在宇航服中需要充气加压，保持一个大气压强的环境；

第三，要求具有防宇宙射线辐射，经受微小陨石打击的能力；

最后还要灵活机动，重量要轻，以利于宇航员的行走。

除了这些，还要求防火、防胀、防变形，外观还要美观。

宇航服的基本结构介绍如图1所示。

在宇航服中保持舒适的生存环境主要依靠控制宇航服内的温度，宇航服内的热量需要通过液态热载体带走，从而实现温度调节。

其中，实现热力循环的关键部件就是小流量的微型高速离心泵，由于航天系统部件不但对尺寸有着严格限制，而且对能耗也提出非常高的要求，因此，提高微型高速离心泵效率、减少功耗成为该类特种泵设计的重要任务之一。

例如，在宇航服中，冷却水循环系统是必不可少的生命保障系统之一，由于整个宇航服提供的能量非常有限，并且要求各部件具有高寿命，因此采用特殊结构提高微型高速离心泵的效率和可靠性具有非同寻常的意义。

本毕业设计题目就是针对宇航服中的该微型高速离心泵的。

　　以前我国在宇航服中使用的微型泵基本依靠进口，这是我们首次设计该种泵的模型，该项目的成功将为开展实验，优化制造加工工艺等打下基础，同时也为进一步优化模型提供了条件。

12.2研究现状

21.2.1航天小流量泵的定义和应用

小流量泵的定义：

所谓小流量泵就是工作液体流量小于300cm3/s的泵，当其出口压力以很宽的范围变化时（0.1—0.5Mpa），它的功率一般小于5KW。

在航空航天系统中，有几种有可能应用的机械式小流量泵。

按照工作原理，它们可分为四种基本类型：

叶片式泵、容积式泵、摩擦泵和射流泵。

这里面我们主要研究叶轮式泵，液体在工作也轮中的流线可以处在平行于轴线的平面内——离心泵，也可以处于锥面上——混流泵，或者在柱面上——

轴流泵。

其中离心式叶片泵是航空与航天系统小流量泵的基本类型，它有以下优点：

1）在给定的小流量下，实际上能保证有任意的压头；

2）能在较高的角速度下工作；

3）质量较小；

4）外廓尺寸小；

5）由于不存在摩擦偶，因而能在腐蚀性介质中工作；

6）可方便地用电动机或涡轮传动。

在火箭航天技术中，广泛的应用着叶轮泵。

叶轮泵的工作轮就是泵的叶片或者沟槽，它可能是开式的，或者是闭式的，结构上与之类似的小流量输送组件也可工作于大流量主泵的系统中，它通常是用来完成密封任务的。

位于工作介质液流相对一侧的叶片起着动密封装置的作用。

在低比转速区域和高转速的情况下，带有离心式工作轮的叶片泵，效率是比较低的。

而且大部分能量损失产生于轮盘的摩擦。

小流量泵可能需要有很高的工作寿命（几年以上），例如，各种航天器热力调节系统的泵就是如此。

也可能是短时间工作的，如在航空工程的机上系统中，泵的工作寿命以小时记，而在航天工程的发动机装置中为产生推力冲量而工作的泵，寿命仅为几分钟。

选择何种类型与结构的泵，这要取决于系统的参数，即泵设计时所给定的工质流量V和压头H。

小流量泵在航空航天中主要用于热力调节系统中，例如宇航服或者密封舱的热力调节，有的也运用于燃料的运输或者太空实验中液体的输送。

我们研究的小流量泵是运用于宇航服上的热力调节系统，是其中很特殊的一种，它的特殊性体现在它的高转速，绝对无泄漏和高寿命，高转速是为了在达到额定流量和扬程的前提下尽量缩小泵的体积，绝对无泄漏是生命保障系统可靠性的要求，高寿命是考虑到航天服要进行多次的实验或者模拟，作为保证宇航员生命安全的屏障，保证足够长的使用周期是必需的，此外，该小流量泵通常一组两台一起工作，与一般高速泵不同的是，它不通过涡轮电机驱动，而是通过直流电机依靠电池驱动。

21.2.2离心泵的结构和水力设计方法

离心泵的结构要根据泵的设计参数，介质的性质，密封要求等综合考虑和确定。

泵的水力设计方法主要有三种：

速度系数法、相似换算法、其他设计方法。

长期以来由于理论研究方法不能精确的预测泵内流体的流动情况，因此泵的传统水力设计都基于长期积累的经验和实验的基础之上，速度系数法和相似换算法都是如此。

相似换算法属于计算离心式水泵叶轮几何参数的传统方法，它简单而可靠，其做法是选一台和要设计的泵相似的泵，对过流部分的全部尺寸进行放大或者缩小。

速度系数法也是一种传统方法。

这一方法是建立在对大量优秀水力模型统计基础上的相似计算法。

该方法以图表或经验公式提供了叶轮几何参数与其比转数之间的统计关系，由设计泵的比转数即可计算叶轮全部几何参数。

这一方法实际是对已有优秀产品的相似换算，因而使用该方法成败的关键，是设计人员所应用的统计公式和图表是否是性能先进的众多叶轮的特性的抽象与概括。

速度系数法和模型换算法在本质上是相同的，其差别在于模型换算是建立在一台相似泵基础上的设计，而速度系数法是建立在一系列相似泵基础上的设计。

也就是说，相似系数法是按相似的原理，利用统计系数计算过流部件的各部分尺寸。

为了提高设计效率，缩短设计时间，优化参数组合，最终达到提高泵的性能的目的，国内外的专家和学者先后开展了泵计算机辅助设计和优化设计的研究工作，泵水力设计软件正在逐步达到实用化水平。

早期的计算机辅助设计软件，大多是在DOS环境下开发的，主要是针对泵水力设计大量繁杂的计算绘型工作，按照常规的设计、计算、绘型和画图方法，利用计算机辅助计算和绘型速度快的特点，加快设计进度，缩短设计时间，进行多方案比较。

对其进行的优化参数组合研究，主要集中在叶轮轴面流道校核和绘制流线展开图两个方面，以采用传统的图解计算方法为主。

在叶轮轴面流道校核方面，以过流道面积（或轴面流速）变化规律光顺为目标，交替改变叶轮叶片轴面形状参数（叶轮前后盖板倾角、前盖板圆弧、后盖板圆弧等），达到较为直观的非劣解图示曲线；

在流线展开图方面，以流线变化规律光顺为目标，交替改变流线形状参数（叶片进口角、叶片进口边、叶片出口角、包角等），达到流线光顺的较为直观的图示非劣解。

这两种优化过程具有局部的优化目标、局部的优化方法、局部的优化结果的特点。

在一般情况下，是相互独立的。

但如果流线的优化不能满足要求，也可能要重新优化叶轮轴面形状。

近年来，CFD在涡轮机械流动方面计算的应用明显增多。

相对于传统理论研究，CFD为涡轮机械流动领域的模拟、设计、优化以及最重要的分析都提供了一个有效的工具。

实体泵流动的CFD模拟可以被用作执行时间控制的数字模式，叶轮转动和机器固定部分的相关性也被模拟出来。

尽管需要大量的电脑资源，这种完全不平衡的处理依然是最广泛的模拟办法。

规则方法只能估算出实际流量，因为它不能正确地模拟物理过程。

规则模型最大的优点在于它能在较短的时间内获取数据结果。

著名的CFD处理工具有以下一些：

Gambit、Tgrid、GridPro、GridGen、ICEMCFD用于前处理Fluend、FIDAP、POLYFLOW用于计算分析Ensight、IBMOpenVisulizationExplorer、FieldView、AVS用于后处理Ansys、MAYA提供综合的处理能力Icepak、Airpak、Mixsim特殊领域的应用这些CFD软件功能强大，应用十分的广泛。

在航天航空，环境污染，生物医学，电子技术等等各个领域，它们发挥了巨大的作用，世界上有越来越多的工程师更倾向于使用这些软件来完成自己的设计。

本课题采用速度系数法计算叶轮的几何参数。

接下来我来介绍一下速度系数法的大致过程：

1）计算轴径和轮毂的直径。

2）用速度系数法计算叶轮的主要尺寸。

3）确定进出口角和安放角。

4）确定叶片数和厚度。

5）绘制轴面投影图。

6）叶片绘形即绘制木模图。

21.2.3屏蔽泵的特点、历史与发展现状

1屏蔽泵的历史与现状

屏蔽泵的发展距今已有110多年的历史。

早在1888年，前苏联就有了无泄漏泵的制造和使用的纪录，然而直到五十年代，当安全和环境问题促使朝着绝对无泄漏方向发展时，这种泵才获得了广泛而世纪的应用。

由于它具有无泄漏和高可靠性，高寿命等特点，目前屏蔽泵在化工、石油、核工业、航空航天等领域得到了广泛的应用，特别是航空航天领域，更是广泛的用到了能够保证绝对无泄漏的屏蔽泵。

目前屏蔽泵在日本、德国、美国、法国等几个比较大的泵公司和生产厂均有系列化生产，并已销往世界各地。

2屏蔽泵的特点

首先需要介绍一下什么是屏蔽泵，简单的说，屏蔽泵就是一种合二为一的泵。

普通离心泵的驱动是通过联轴器将泵的叶轮轴与电动轴相连接，使叶轮与电动机一起旋转而工作，而屏蔽泵是一种无轴密封泵，泵和驱动电机都被密封在一个被泵送介质充满的压力容器内，此压力容器只有静密封，并由一个电线组来提供旋转磁场并驱动转子。

这种结构取消了传统离心泵具有的旋转轴密封装置，故能做到完全无泄漏。

鉴于屏蔽泵不同于普通泵的结构特点，它有着自己的优点和缺点。

屏蔽泵的主要优点有：

1）安全性高，绝对无泄漏　特别适用于输送对环境有害、对人体有毒的液体；

易燃易爆的液体；

贵重液体；

强腐蚀性液体。

安全性高，转子和定子各有一个屏蔽套使电机转子和定子不与物料接触，即使屏蔽套破裂，也不会产生外泄漏的危险。

2）安装维护都很方便　泵与电机系一整体，拆装不需找正中心。

对底座和基础要求低，安装方便。

不需要润滑油和密封液，这样处理的液体就不会受到污染，适用于高纯度的流程，日常维修工作量少，维修费用低，长期的平均成本要低于普通离心泵。

3）使用范围广　无轴封，因此适用于处理系统压力较高；

高融点液体；

高温液体；

低温液体。

4）运转平稳，噪声小　由于无滚动轴承和电动机风扇，故不需加润滑油，电动机无冷却风扇　因此运转噪声小。

屏蔽泵的主要缺点有：

1）对于介质的要求较高　由于屏蔽泵采用滑动轴承，且用被输送的介质来润滑，故输送液体必须洁净。

对输送多种液体混合物，若它们产生沉淀、焦化或胶状物，则此时选用屏蔽泵（非泥浆型）可能堵塞屏蔽间隙，影响泵的冷却与润滑，导致烧坏石墨轴承和电机。

故润滑性差或者不洁净的介质不宜采用屏蔽泵输送。

一般地适合于屏蔽泵介质的粘度为0.1～20mPa.s，同时也要注意如果长时间在小流量情况下运转，屏蔽泵效率较低，会导致发热、使液体蒸发，而造成泵干转，从而损坏滑动轴承。

2）效率比普通泵要低　屏蔽套的存在，增加了定子与转子之间的间隙，屏蔽套中存在电涡流损失；

同时转子在介质中转动，摩擦阻力也随着增加，这些都使得屏蔽电机比普通电机的效率要低。

屏蔽泵的叶轮口环间隙也较普通化工泵大，另外还要有一部分液体向电动机提供循环冷却，因此容积效率较低，总之，屏蔽泵的机组效率一般要比相同参数的普通化工泵低5%左右。

2第2章　泵的水力设计

2.1叶轮的水力计算

（1）已知参数：

（2）计算最小轴径：

　　设其总效率为，泵部分的效率估计为

轴功率

扭矩

最小轴径

　　（3）计算叶轮入口直径：

叶轮入口处液体流动速度，根据《航空与航天中的小流量泵》P60的公式，按照以下关系确定：

其中的参数被称为速度系数，对于小流量泵，它可能在0.27—0.34的范围内变化（当泵不是以悬臂方式安装时，=0.3—0.34）

其中，试取

可以解得

叶轮入口的直径

其中是叶轮轮榖的直径，本泵试取轮箍直径为3mm

将各参数代入后可以解得

取后代回得　在允许范围之内。

故可取　对应的

　　（4）计算入口处的通道宽度：

其中取　又有

　　（5）计算叶轮入口处的叶片倾角：

叶轮入口处液流的子午分速为

收缩系数对于叶片用铣切方法加工，然后进行对焊的叶轮：

我们选取进行计算

得到

入口处的圆周速度

叶轮入口处的液流角

值与叶片倾角之间相差一个攻角值（），一般推荐攻角取值为

这里我们取进口处叶片倾角

　　（6）计算叶轮外径：

根据《航空与航天中的小流量泵》P50的经验公式：

　　将原始工作状态参数代入后可以得出

　　（7）计算叶轮出口处的叶片倾角：

根据《航空与航天中的小流量泵》P54的图2.13，我们可以查出叶轮扩散度的最佳值

根据扩散度的最佳值，可以查出

　　（8）计算叶轮出口处的通道宽度：

根据《航空与航天中的小流量泵》P61的公式2.40

这里我们选取＝0.5

可以得出叶轮出口处的通道宽度

　　（9）计算叶片的数量z：

根据众所周知的公式：

圆整为

初步计算叶轮的尺寸为：

2.2涡室的水力计算

（1）计算基圆直径和进口宽度以及割舌安放角

根据《现代泵技术手册》P246的公式

分别选取和

根据《现代泵技术手册》P246的表8-1选取割舌安放角为

（2）计算各截面面积

根据《现代泵技术手册》P249的公式，

其中根据《现代泵技术手册》P249页的图8—10可以查出对应于该泵的，可以计算得到

根据《现代泵技术手册》P249的公式，可以根据泵的总流量计算第VIII断面的面积