沈海軍，吳宏飛，張新聞

（1.南方泵業(yè)股份有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江科技學(xué)院，浙江 杭州 310024；3.南方中金環(huán)境股份有限公司，浙江 杭州 300145）

0 引言

雙流道潛水排污泵主要用于輸送含大顆?；蜷L(zhǎng)纖維物質(zhì)的液體，其抗纏繞能力強(qiáng)、防堵塞性能好［1］；由于雙流道葉輪對(duì)稱布置，故平衡性好，運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。目前的潛污泵大多采用雙流道葉輪設(shè)計(jì)。低比轉(zhuǎn)數(shù)泵指低流量、高揚(yáng)程、比轉(zhuǎn)速一般在30～80的離心泵［2］，廣泛應(yīng)用于農(nóng)村、礦山、市政、建筑等多個(gè)領(lǐng)域。然而，目前低比轉(zhuǎn)數(shù)潛污泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)的性能很不穩(wěn)定，使用壽命較短，泵過(guò)載燒毀電機(jī)是其中一個(gè)重要原因。低比轉(zhuǎn)數(shù)潛污泵的軸功率曲線隨著流量的增大而不斷上升且沒(méi)有極值。比轉(zhuǎn)速越低，軸功率上升趨勢(shì)越明顯［3］。國(guó)內(nèi)低比轉(zhuǎn)數(shù)潛污泵配套電動(dòng)機(jī)功率一般選擇額定工況軸功率的1.05～1.2 倍，當(dāng)流量大、揚(yáng)程低時(shí)，最大軸功率甚至有可能超過(guò)額定工況軸功率的1.5 倍。因此，在低揚(yáng)程工況下使用時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致泵過(guò)載，燒毀電動(dòng)機(jī)。

不少研究者對(duì)排污泵存在的問(wèn)題提出改進(jìn)措施。劉厚林等［4］在大量試驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)雙流道泵葉輪和蝸殼的一些主要幾何參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出并完善雙流道泵水力設(shè)計(jì)方法；于健等［5］研究泵輸送的氣液兩相水的性能隨著溫度的變化對(duì)含氣量和流量變化的影響，認(rèn)為泵在輸送低溫、低速流體時(shí)，能更好地維持流體的性能；施衛(wèi)東等［6］分析雙流道葉輪具有平衡性好、運(yùn)行平穩(wěn)可靠的特點(diǎn)，提出雙流道葉輪水力模型無(wú)過(guò)載設(shè)計(jì)方法。低比轉(zhuǎn)數(shù)潛污泵在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)盡可能地設(shè)計(jì)成無(wú)過(guò)載功率曲線，即功率曲線有極值，過(guò)了該值以后，隨著流量增大、揚(yáng)程減小，軸功率也隨之降低。因此，只要設(shè)計(jì)的最大軸功率低于額定功率，在任何使用環(huán)境中，從零流量到最大流量工況下，水泵均能正常運(yùn)行，均不會(huì)發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象，從而避免電機(jī)被燒毀。本文將低比轉(zhuǎn)數(shù)無(wú)過(guò)載設(shè)計(jì)和雙流道設(shè)計(jì)相結(jié)合，提出低比轉(zhuǎn)數(shù)雙流道潛污泵無(wú)過(guò)載的設(shè)計(jì)方法，對(duì)提高潛水排污泵的性能和運(yùn)行的可靠性具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 設(shè)計(jì)方法

本文綜合參考以下公式和數(shù)據(jù)，進(jìn)行雙流道葉輪水力模型設(shè)計(jì)。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

流量Q=15 m3/h；揚(yáng)程H=30 m；轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min；效率h=51%；比轉(zhuǎn)數(shù)ns=53；額定功率P=3 kW；要求通過(guò)顆粒的最大直徑為22 mm。

1.2 葉輪水力設(shè)計(jì)

1.2.1 葉輪進(jìn)口直徑

其中：KDj為葉輪進(jìn)口速度系數(shù)，KDj=3.8～4.2，當(dāng)比轉(zhuǎn)數(shù)ns小時(shí)，KDj取大值；反之KDj取小值。本設(shè)計(jì)取KDj=4.0，則Dj=45 mm。

1.2.2 葉輪出口直徑

其中：KD2為葉輪出口速度系數(shù)，KD2′=9.5～10.5，當(dāng)比轉(zhuǎn)數(shù)ns小時(shí)，KD2′取大值；反之KD2取小值。由于無(wú)過(guò)載設(shè)計(jì)選取較小的b2，故應(yīng)適當(dāng)加大D2。所以，KD2′取值比普通雙流道葉輪水力模型增加2%～5%。本設(shè)計(jì)取，則D2=165 mm。

1.2.3 葉輪出口寬度

其中：系數(shù)Kb2=0.65～0.75，當(dāng)葉輪流道出口斷面不是圓形時(shí)，可取小值，但應(yīng)保證單個(gè)流道出口斷面面積大致等于葉輪進(jìn)口面積的一半。b2增大時(shí)，流量會(huì)變大，容易出現(xiàn)超功率的情況，并且可能使最高效率點(diǎn)偏向大流量；反之，流量減小，通過(guò)性能降低。本設(shè)計(jì)取Kb2=0.65，則b2=29 mm。

1.2.4 葉片出口角

為獲得無(wú)過(guò)載性能，需取較小的葉片出口安放角b2，推薦b2=10°～15°，當(dāng)比轉(zhuǎn)數(shù)ns大時(shí)，b2取大值；反之取小值。本設(shè)計(jì)取b2=15°。

1.2.5 葉輪流道包角

為保證泵在全揚(yáng)程范圍內(nèi)具有無(wú)過(guò)載功率特性，應(yīng)取較大的流道包角。包角和比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，可按照?qǐng)D1所示進(jìn)行選取，本設(shè)計(jì)取ψ=220°。

1.2.6 葉輪流道中線系數(shù)

葉輪流道中線系數(shù)一般選取m=0.7～3，當(dāng)比轉(zhuǎn)數(shù)ns小時(shí)，m取小值；反之m取大值。為確保無(wú)過(guò)載功率特性，系數(shù)m盡量取小值。本設(shè)計(jì)取m=0.7。

1.2.7 葉輪前后蓋板的圓弧半徑

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，葉輪前后蓋板的圓弧半徑R1、R2分別與葉輪進(jìn)口直徑Dj、出口直徑D2及比轉(zhuǎn)數(shù)ns有關(guān)，本設(shè)計(jì)選取R1=28 mm，R2=63 mm。

1.2.8 葉輪前后蓋板傾角

為有效通過(guò)顆粒，葉輪前蓋板傾角T1通常為85°～87°，后蓋板傾角T2一般為90°。本設(shè)計(jì)取T1=87°，T2=90°。

1.3 蝸殼水力設(shè)計(jì)

1.3.1 蝸殼的結(jié)構(gòu)形式選擇

蝸殼設(shè)計(jì)通常有3 種形式：螺旋形、半螺旋形和環(huán)形，水力性能好壞依次是螺旋形半螺旋形環(huán)形。螺旋形滿足速度距守恒定律，具有水力性能好、高效區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)，故雙流道泵大多選擇螺旋形；但比轉(zhuǎn)數(shù)ns＜60 時(shí)，考慮到顆粒的通過(guò)性，可選擇半螺旋形。斷面的形狀可選擇矩形或梯形，對(duì)泵的性能沒(méi)有太大的影響，可根據(jù)設(shè)計(jì)者的習(xí)慣和模具制作加工的難易程度綜合考量選取。本設(shè)計(jì)經(jīng)綜合考慮選擇螺旋形蝸殼設(shè)計(jì)。

1.3.2 基圓直徑

基圓直徑D3的大小直接影響泵的效率，也影響顆粒的通過(guò)能力。D3過(guò)小，會(huì)因液流阻塞引起泵噪聲和振動(dòng)，也會(huì)在隔舌處發(fā)生汽蝕及堵塞，影響通過(guò)性能；D3過(guò)大會(huì)直接影響泵的效率，同時(shí)會(huì)增加徑向尺寸。為提高泵的效率，在保證通過(guò)性能的前提下，應(yīng)盡量減小隔舌間隙。D3計(jì)算方法如下：

高比轉(zhuǎn)數(shù)和尺寸小的取大值，反之取小值。本設(shè)計(jì)取D3＝1.12D2，則D3＝185 mm。

1.3.3 蝸殼進(jìn)口寬度

其中：b2為葉輪的出口寬度（mm）；d1為葉輪前蓋板厚度（mm）；d2為葉輪后蓋板厚度（mm）；L為葉輪和蝸殼之間的總間隙（mm）。本設(shè)計(jì)取b3=b2+6+6+9，則b3=50 mm。

1.3.4 隔舌角

蝸殼隔舌角f0應(yīng)保證螺旋線部分與擴(kuò)散管的光滑連接，并盡量減小徑向尺寸；雙流道泵通常取較大的f0值，以保證其通過(guò)性能。表1為隔舌角f0與比轉(zhuǎn)數(shù)ns的關(guān)系，本設(shè)計(jì)取f0=29°。

表1 隔舌角f0與比轉(zhuǎn)數(shù)ns的關(guān)系

1.3.5 喉部面積

雙流道泵蝸殼喉部面積F3對(duì)泵的性能有較大影響。增大喉部面積，流量增大時(shí)水力損失相對(duì)較小，可使泵的最高效率點(diǎn)偏向大流量，并使揚(yáng)程曲線趨于平緩；減小喉部面積，流量減小時(shí)水力損失相對(duì)較小，可使泵的最高效率點(diǎn)偏向小流量，并使揚(yáng)程曲線趨于陡峭。計(jì)算喉部面積可以通過(guò)2 種方法計(jì)算，一種是速度系數(shù)法，另一種是面積比原理。

一是速度系數(shù)法公式：

其中：V3為蝸殼喉部速度（m/s）；K3為蝸殼喉部速度系數(shù)，K3與比轉(zhuǎn)數(shù)ns的關(guān)系見(jiàn)表2；g為重力系數(shù)。

表2 蝸殼喉部速度系數(shù)K3與比轉(zhuǎn)數(shù)ns的關(guān)系

二是面積比原理。由于雙流道泵的性能是由葉輪和蝸殼共同決定的，因此可采用蝸殼和葉輪的面積比原理計(jì)算蝸殼喉部面積F3，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)優(yōu)秀水力模型的面積比系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出面積比系數(shù)y與比轉(zhuǎn)數(shù)ns間的線性關(guān)系（如圖2所示）。

圖2 面積比系數(shù)y與比轉(zhuǎn)數(shù)ns之間的關(guān)系

其中：F3為蝸殼喉部面積（mm2）；Q為泵的額定流量（m3/s）；V3′表示V3的導(dǎo)。

可用最小二乘法得出方程式：

葉輪出口斷面面積的計(jì)算方法如下：

其中：F2為葉輪出口斷面面積（mm2）；a為葉輪出口橢圓截面的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度（mm）；b為葉輪出口橢圓截面的短軸長(zhǎng)度（mm）。

蝸殼喉部面積的計(jì)算方法：

其中：F3為蝸殼喉部面積（mm2）；y為面積比系數(shù)；F2為葉輪出口斷面面積（mm2）。

綜上考慮，本設(shè)計(jì)采用速度系數(shù)法計(jì)算，則F3=373.5 mm2。以上述所有數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行雙流道蝸殼水力模型設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例的測(cè)試結(jié)果

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)例50WQ15-30-3 排污泵進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，其性能曲線如圖3 所示。額定工況點(diǎn)下測(cè)定值為Q=15 m3/h，H=30.5 m，P2=2.65 kW，h=45.9%，按照標(biāo)準(zhǔn)0.7～1.3 倍額定流量下的軸功率最大值為2.8 kW，低于額定功率（3 kW）。

圖3 50WQ15-30-3的性能曲線圖

3 結(jié)論

測(cè)試結(jié)果表明：①50WQ15-30-3 型號(hào)排污泵設(shè)計(jì)實(shí)例性能符合《污水污物潛水電泵》（GB/T 24674—2009）的標(biāo)準(zhǔn)要求。②葉輪的出口寬度為29 mm，可以確保直徑為22 mm 的顆粒能順利通過(guò)。③排污泵的性能曲線比較平坦，在整個(gè)全揚(yáng)程范圍里軸功率有極值，并且最大軸功率為2.8 kW，低于3 kW 的額定功率，使水泵在整個(gè)全揚(yáng)程范圍內(nèi)均不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象。④排污泵的效率曲線峰值比較高，高效區(qū)寬，額定工況點(diǎn)的效率為45.9%，在最高效率點(diǎn)50.6%的附近。選取標(biāo)準(zhǔn)工作流量范圍在10.5～19.5 m3/h之間的效率為40.25%～49.5%，均在高效區(qū)范圍內(nèi)，極大地提高了試驗(yàn)泵在實(shí)際使用中的效率，可節(jié)約能耗，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

試驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)雙流道潛污泵進(jìn)行無(wú)過(guò)載設(shè)計(jì)的方法是可行的，具有實(shí)際的推廣價(jià)值。