Расчет и проектирование отводящих устройств центробежных насосов. Часть 2

 

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

С.Н. Козлов, А.И. Петров  
 
 
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
ОТВОДЯЩИХ УСТРОЙСТВ  
ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ 
 
Ч а с т ь  2  
 
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана  
в качестве учебного пособия  
к курсовому и дипломному проектированию  
по курсу «Теория и расчет лопастных гидромашин» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 

2 0 0 7  

 

УДК 621.227.3(75.8) 
ББК 31.56 
К59 
Рецензенты: В.В. Буренин, А.И. Хаустов 

 
Козлов С.Н., Петров А.И.  
  
 
     Расчет и проектирование отводящих устройств центробежных 
насосов: Учеб. пособие. — Ч. 2. — М.: Изд-во МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, 2007. — 44 с.: ил. 
ISBN 978-5-7038-2960-8                                
В учебном пособии дан обзор существующих типов отводов центробежных 
насосов, описана методика расчета основных типов отводящих 
устройств центробежных насосов. Вторая часть пособия посвящена 
методике расчета лопастных отводящих устройств и 
кольцевых отводов лопастных насосов. 
Для работы по курсовому и дипломному проектированию студентов 
специальности «Гидравлические машины, гидроприводы и 
гидропневмоавтоматика». Пособие также может быть использовано 
инженерно-техническими работниками при проектировании центробежных 
насосов. 
Ил. 12. Библиогр. 10 назв. 
УДК 621.227.3(075.8) 
ББК 31.56 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
ISBN 978-5-7038-2960-8 
 
 
    © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

К59 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

При конструировании лопастного насоса одним из самых важных 
этапов проектирования является расчет отводящего устройства 
насоса. Наряду с геометрией рабочего колеса именно геометрия 
отводящего устройства является наиболее значимым фактором, 
определяющим рабочие параметры и КПД будущей гидравлической 
машины. Поэтому в ходе проектирования лопастного насоса 
студенты должны уделить особое внимание проектированию отводящего 
устройства. 
Опыт курсового и дипломного проектирования на кафедре 
гидромеханики, гидромашин и гидропневмоавтоматики МГТУ им. 
Н.Э. Баумана показал, что проектирование отводящих устройств 
представляет для студентов определенную сложность. Это вызвано 
отсутствием в наиболее распространенных изданиях полных и 
подробных методик расчета именно отводящих устройств. 
В предлагаемом учебном пособии приведены основы расчета и 
проектирования различных типов отводящих устройств центробежных 
насосов. Использование студентами настоящего пособия 
поможет им при работе над курсовыми и дипломными проектами 
и повысит эффективность консультаций. 
В пособии обобщен опыт проектирования центробежных насосов 
на кафедре гидромеханики, гидромашин и гидропневмоавто-
матики МГТУ им. Н.Э. Баумана (С.С. Руднев, И.В. Матвеев), кафедре 
гидромашин МЭИ (А.Н. Машин), кафедре гидромашин 
МАИ (Б.В. Овсянников, Б.И. Боровский) и в НПО «Гидромаш». 
Пособие может также быть полезно и для инженерно-
технических работников, занимающихся расчетом и проектированием 
центробежных насосов. 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ  
ЛОПАТОЧНЫХ ОТВОДЯЩИХ УСТРОЙСТВ 

Лопаточные отводящие устройства разделяются на два типа: 
радиальные и осевые.  
К радиальным лопаточным отводящим устройствам относятся 
следующие: 
– кольцевой лопаточный направляющий аппарат; 
– канальный направляющий аппарат; 
– направляющий аппарат с трубчатым диффузором; 
– канальный переводной направляющий аппарат; 
– переводной направляющий аппарат с безлопаточным переводным 
каналом; 
– переводной направляющий аппарат с безлопаточным диффузором. 

Конструкции осевых лопаточных отводящих устройств имеют 
вид осевых и полуосевых направляющих или выправляющих аппаратов. 

Лопаточные отводящие устройства позволяют: 
– преобразовать кинетическую энергию потока в статический 
напор с наибольшим КПД; 
– значительно снизить радиальные силы на рабочем колесе; 
– создать условия для установившегося относительного движения 
жидкости через рабочее колесо в целях обеспечения симметричного 
поля скоростей и давления относительно оси рабочего 
колеса. 
Применение лопаточной конструкции дает возможность разработать 
отводящее устройство с минимальными размерами, изготовить 
его простым и дешевым способом с необходимой чистотой 
поверхностей. 

2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИАЛЬНОГО  
КОЛЬЦЕВОГО НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА 

Лопаточный направляющий аппарат радиального кольцевого 
типа (рис. 1) применяется в одноступенчатых центробежных насосах 
с быстроходностью ns = 250…500, в многоступенчатых насосах 
ns < 120. Также его применяют в отводах кольцевого и спирального 
типа последней ступени многоступенчатого насоса, если 
отвод жидкости должен быть смещен относительно оси колеса. 
 

 

Рис. 1. Радиальный кольцевой лопаточный направляющий аппарат:  
1 — центробежное колесо; 2 — безлопаточный диффузор; 3 — лопаточный направляющий 
аппарат; 4 — спиральный сборник; 5 — конический диффузор; 6 — 
язык отвода 
 
Направляющий аппарат в одноступенчатых насосах предназначен 
для сбора жидкости, выходящей из рабочего колеса, преоб-

разования кинетической энергии в давление, направления потока в 
спиральную камеру для дальнейшего преобразования и подачи 
потока в напорный трубопровод, а также для снижения радиальных 
сил, действующих на рабочее колесо. 
Расчет и проектирование направляющего аппарата выполняют 
в соответствии со следующими требованиями: 
– лопастная решетка направляющего аппарата должна быть 
гидродинамически «непрозрачной»; 
– выходные параметры направляющего аппарата должны быть 
согласованы с пропускной способностью спирального отвода; 
– лопатки направляющего аппарата целесообразно выполнять с 
преобразованием кинетической энергии в давление на 70…90 % 
или с незначительным преобразованием кинетической энергии в 
давление (по логарифмической спирали). 

2.1. Расчет радиального лопаточного направляющего аппарата 
с преобразованием кинетической энергии в давление 

Радиальный направляющий аппарат состоит из безлопаточного 
диффузора и лопаточного направляющего аппарата (рис. 2). Без-
лопаточный диффузор отделяет центробежное колесо от лопаточного 
направляющего аппарата, в котором происходит повышение 
давления за счет уменьшения скорости. Лопаточный направляющий 
аппарат направляет поток в спиральный сборник, где происходит 
дальнейшее повышение давления.  
Безлопаточный диффузор применяют для повышения КПД и 
снижения пульсации и вибрации ступени насоса. 
Диаметр начальной окружности безлопаточного диффузора D3 
равен диаметру выхода рабочего колеса, т. е. D3 = D2. 
Протяженность безлопаточного диффузора определяется зазором 
δr, который получают из формулы 

 

2
(0,08...0,10)
,
100

s
r
n
R
δ =
 
(1) 

где 
3/4
3,65
.
sn
n Q H
=
  

Рис. 2. Схема радиального лопаточного направляющего аппарата (последовательность 
профилирования показана цифрами в кружках) 
 
Ширину безлопаточного диффузора на диаметре D3 определяют 
следующим образом: 

 
3
д
2
(0,08...0,10)
,
b
b
R
=
+
   
(2) 

где 
д
2
д.р.к
2
b
b
=
+ δ
 (δд.р.к — толщина дисков рабочего колеса). 

Диаметр выхода безлопаточного диффузора D4 является одновременно 
диаметром начальной окружности лопаточного направляющего 
аппарата: 

 
4
2
2
.
r
D
D
=
+ δ   
(3) 

Ширина выхода из безлопаточного диффузора на диаметре D4 
равна 
 
4
2
(1,0...1,2)
.
b
b
=
  
(4) 

Чтобы исключить потери на внезапное расширение потока в 
безлопаточном диффузоре и лопаточном направляющем аппарате, 
целесообразно принимать 
4
2.
b
b
=
  
Угол выхода потока из безлопаточного диффузора с учетом 
влияния отношения 
4
2
/
b
b  на средний угол выхода потока определяют 
из соотношения 

2
2
4
2
4
4
tg
1,5
0,5
tg
.
b
b
b
b
⎛
⎞
α =
−
α
⎜
⎟
⎝
⎠
 
(5) 

Здесь α2 — угол выхода потока из рабочего колеса, 

 
2
г
2
2
2
tg
;
2

m

и

V
Q
V
gH
b
ωη
α =
=
⋅ π
  

 
2
2
2
;
m
Q
V
D b
= π
 
2
г
2
;
и
gH
V
R
= η ω
 
1
г
1

0,88
0,9
,
1

D

D
−
η =
−
  
(6)
 

где 
2m
V
 — меридиональная скорость потока на выходе рабочего 
колеса; 
2и
V  — окружная составляющая скорости на выходе из рабочего 
колеса (ω = πn/30, n — число оборотов рабочего колеса); 

1
1
2
/
D
D
D
=
 — относительный диаметр по кромкам входа и выхода 
лопасти рабочего колеса на средней линии.  
Радиальный лопаточный направляющий аппарат располагается 
за безлопаточным диффузором и состоит из следующих 
участков: начального спирального, диффузорного и выходного 
(косого среза) — см. рис. 2. 
В высоконапорных насосных агрегатах основные параметры 
лопаточного направляющего аппарата, такие как диаметр выхода 
D5, угол выхода α5 и ширину выхода b5, выбирают так, чтобы в 
аппарате до 70…90 % кинетической энергии преобразовывалось в 
давление, а остальные 10…30 % кинетической энергии восстанавливались 
в давление в спиральном сборнике и его коническом 
диффузоре. 
При небольших напорах насосных установок бóльшая часть 
скоростного напора преобразуется в спиральном сборнике. В этом 
случае лопатки направляющего аппарата располагают по логарифмической 
спирали. 
Начальный спиральный участок представляет собой плавно 
расширяющийся канал от лопатки, расположенной на окружности 
диаметром D4, на протяжении шага лопатки 

 
4
ш
НА
,
D
t
z
π
=
 
(7)  

где zНA — число лопаток направляющего аппарата.  

Течение на участке происходит с переменной массой и сопровождается 
турбулентным взаимодействием поступающего потока 
с потоком, идущим по начальному участку.  
Угол потока при входе в направляющий аппарат определяют 
согласно выражению 

 
4
4
4

tg
tg
,
α
′
α = Ψ
 
(8) 

где 
4
4
4
4

t
t
− σ
Ψ =
 (t4 — шаг лопатки по дуге 4;
4
4
sin

S
σ =
α  — тол-

щина лопатки по окружности входа; S = (0,1…0,2)dЛГ — толщина 
лопатки по нормали к поверхности; dЛГ — диаметр расчетного сечения). 

Спиральный участок в плане рассчитывают по логарифмической 
спирали радиусом и углом входа и выхода 
4′
α : 

 

4

2
tg

ЛГ
4
z
r
r e

π
′
α µ
′
=
, 
(9) 

где µ = 1,1 — коэффициент, учитывающий толщину входного участка 
лопатки по нормали. 
Луч, проведенный через начало последующей лопатки до пересечения 
со спиральным участком, обозначим «ЛГ». Перпендикуляр, 
опущенный из точки пересечения на спиральный участок последующей 
лопатки, определяет высоту входного расчетного 
сечения (см. рис. 2). 
Диаметр расчетного сечения равен 

 
ЛГ
ЛГ
4
,
f
d
b
=
  
(10) 

где b4 = (1,0…1,2)b2. 
Площадь расчетного сечения 

 
ЛГ
ЛГ 4
ЛГ
НА
2
2
р

,

(
)
u
u

Q
f
d
b
V
z
V
V

=
=
 
(11)  

где (V2u)р — расчетная величина. 

Экспериментально установлено, что скорость в горле отвода 
можно рассчитывать по отношению  

 
ЛГ

2
р
0,6...0,7,
(
)
u

V
V
=
 
(12) 

где 
ЛГ

НА
ЛГ
;
Q
V
z
f
=
  
2
р
г
2
(
)
.
u

gH
V
R
= η ω
 

Экспериментально установлено также, что закон изменения 
спиральной части не влияет на оптимальную подачу и КПД ступени. 
Поэтому спиральную часть можно очерчивать так, чтобы площадь 
сечения изменялась прямо пропорционально охвату сечения: 

 
ЛГ
4
4
НУ
,
i
i
r
r
r
r
ϕ
′
−
′
=
+
ϕ
ϕ
 
(13) 

где 
НУ

НА

360
z
ϕ
=
 — угол охвата начального участка; 
НУ
0...
.
iϕ =
ϕ
  

Входной угол лопаток направляющего аппарата выбирают с 
учетом угла атаки ι4: 

 
4л
4
4.
′
α
= α
+ ι  
(14) 

Для уменьшения потерь пульсации и вибрации целесообразно 
принять угол
4
0.
ι =
 Тогда 

 
4л
4.′
α
= α
 

После определения 
4
4
,
,
z D
b  и 
4′
α  выполняют профилирование 
лопаточного направляющего аппарата. 
При профилировании канального участка и косого среза 
радиального лопаточного направляющего аппарата вначале 
строят окружности канального участка с диаметрами D4 и D5. 
Диаметр D5 находят в результате последовательных приближений. 
В первом приближении D5 = (1,25…1,40)D4. 
В произвольной точке на окружности диаметром D4 проводят 
прямую под углом 
4л,
′
α
являющуюся средней линией лопатки на