600YQ3300-16-200型永磁潛污電泵設(shè)計(jì)

周應(yīng)來(lái)，彭智新，龍翔 ，李志鵬

（1.湖南省應(yīng)急排水搶險(xiǎn)設(shè)備工程技術(shù)研究中心；2.長(zhǎng)沙迪沃機(jī)械科技有限公司；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

YQ型永磁潛污水泵的功能實(shí)現(xiàn)，以永磁同步電機(jī)為基礎(chǔ)，該電機(jī)制作中基于水泵葉輪共軸傳動(dòng)，能效達(dá)到國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)YQ型永磁潛污水泵節(jié)能奠定基礎(chǔ)，具備IPX8潛水防護(hù)等級(jí)，H級(jí)絕緣等級(jí)。永磁同步電機(jī)應(yīng)用在YQ型永磁潛污水泵中，憑借其顯著節(jié)能效果、小體積、緊湊的結(jié)構(gòu)、低噪聲、輕重量等諸多優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)YQ型永磁潛污水泵功能提供技術(shù)支持。選擇定子鐵芯材料和轉(zhuǎn)子鐵芯材料時(shí)，需選用高磁感應(yīng)強(qiáng)度和低鐵損的武鋼或?qū)氫摾滠垷o(wú)取向硅鋼片。

鼠籠條與電磁線(xiàn)等勵(lì)磁線(xiàn)圈需安裝在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子上，定子線(xiàn)圈所形成的磁場(chǎng)勵(lì)磁轉(zhuǎn)子而保證其運(yùn)轉(zhuǎn)，兩個(gè)不同的磁場(chǎng)相互之間存在著轉(zhuǎn)速差異；永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極上安裝有稀土永磁材料，其自身便是一個(gè)永久性的磁場(chǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)中無(wú)須外界勵(lì)磁推動(dòng)，同樣可以實(shí)現(xiàn)與定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。定子繞組通常使用Y形接法完成連接，設(shè)計(jì)過(guò)程中以雙層繞組和單層繞組以及不同節(jié)距等繞組方式為基礎(chǔ)，將磁場(chǎng)的波形作出改變，降低噪音的同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波畸變減少（圖1）。

圖1 永磁同步電機(jī)圖

2 部件設(shè)計(jì)及計(jì)算

2．1 葉輪與泵體

600YQ3300-16-200型的永磁潛污泵主要要求參數(shù)如下：流量Q=3300m3/h，揚(yáng)程H=14m，轉(zhuǎn)速n=1000rpm，配套電機(jī)額定功率Pe=200kw。

設(shè)計(jì)制造葉輪與泵體，選擇雙流道葉輪結(jié)構(gòu)和單片葉輪結(jié)構(gòu)完成，從而可以降低葉輪內(nèi)存在的水力摩擦，強(qiáng)化水泵性能，以橢圓形或圓形完成流道斷面設(shè)計(jì)，提升污染物通行能力。優(yōu)化設(shè)計(jì)所有系列的葉輪，強(qiáng)化揚(yáng)程和流量點(diǎn)設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)葉輪直徑為Ф640mm，最小壁厚處為10mm，采用雙葉片，大包角設(shè)計(jì)，污物通過(guò)性好，泵體設(shè)計(jì)為渦線(xiàn)型，效率高。葉輪軸徑的確定：

泵軸所受的最大扭矩T為：T=9550×Pe÷n=1910(N·m)。

式中，Pe為配套電機(jī)額定功率（kW）；n為泵的轉(zhuǎn)速（r/min）。

按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及剛度計(jì)算軸

式中，T為泵軸所受的最大扭矩（N.m）X；[τ]為許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（N/mm2）。軸材料為AISI431（14Cr17Ni2）；[τ]取86(N/m3)；軸上有鍵槽，考慮軸徑加大5%，即軸徑為55mm。

式中，D為蝸殼最大內(nèi)徑（mm），本次根據(jù)換算出的流道得D=1422mm；P為泵殼承壓，由上性能參數(shù)的換算，取壓力P=0.6MPa；[σ]為材料許用應(yīng)力(安全系數(shù)取4)；設(shè)計(jì)材質(zhì)HT250，取抗拉強(qiáng)度250MPa。

代入公式中計(jì)算壁厚為11mm，考慮大泵需要腐蝕余量，且泵體的最大尺寸為1624mm，最小壁厚應(yīng)為20mm。

2．2 密封件

以雙端面機(jī)械密封的方式完成電機(jī)和水泵密封工作，材料使用的是碳化鎢，質(zhì)地堅(jiān)硬，耐腐蝕，耐振動(dòng)，壽命長(zhǎng)，功率損失小，應(yīng)用該技術(shù)可提升設(shè)備使用壽命，以“O”型耐油橡膠完成固定止口密封位置的密封工作。

2．3 載荷計(jì)算

（1）葉輪徑向負(fù)荷的計(jì)算。中開(kāi)泵壓出室是蝸形體，在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)的徑向力可按下式計(jì)算：

式中，F(xiàn)R為徑向力（kg）；H為揚(yáng)程（m）；D2為葉輪出口直徑（m）；B2為葉輪出口寬度（m）；K為徑向力系數(shù)，取0.27。

（2）軸向推力計(jì)算。

式中，A為軸向力（N）；ρ為液體密度（kg/m3）；H1為泵單級(jí)揚(yáng)程（m）；Rm為葉輪密封環(huán)半徑（m）；Rh為葉輪輪轂半徑（m）；i為泵級(jí)數(shù)；k為系數(shù)，當(dāng)ns=30～100時(shí)，k=0.6；當(dāng)ns=100～220時(shí)，k=0.7；當(dāng)ns=240～280時(shí)，k=0.8。

=0.8×1030×16X×3.14×(0.32-0.0682)=3534kg。

軸承承受的軸向負(fù)荷除軸向力外，還應(yīng)包括整個(gè)轉(zhuǎn)子部件的重量。

3 CFD計(jì)算與性能預(yù)測(cè)

3．1 計(jì)算模型

計(jì)算模型運(yùn)用SOLIDWORKS建三維模型，如圖2所示。

圖2 三維模型

3．2 計(jì)算網(wǎng)格

運(yùn)用Gambit劃分網(wǎng)格。進(jìn)口網(wǎng)格數(shù)為325580，葉輪網(wǎng)格數(shù)為1180125，壓水室網(wǎng)格數(shù)為1180125，網(wǎng)格總數(shù)2122952。如圖3所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

3．3 內(nèi)部流場(chǎng)

為更清楚的了解該泵內(nèi)部流場(chǎng)情況，計(jì)算取出設(shè)計(jì)流量下內(nèi)部流場(chǎng)情況。圖4為整體流線(xiàn)圖，圖5為壓力云圖，圖6為速度矢量圖。

圖4 整體流線(xiàn)圖

圖5 壓力云圖

圖6 速度矢量圖

3．4 性能預(yù)測(cè)

計(jì) 算 流 量 為：2100m3/h、2700m3/h、3300m3/h、3900m3/h、4500m3/h，共5個(gè)點(diǎn)。計(jì)算得到的性能參數(shù)詳見(jiàn)表1，計(jì)算得到的性能曲線(xiàn)詳見(jiàn)圖7。

表1 CFD分析得到的性能參數(shù)

圖7 CFD分析獲得的性能曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

（1）永磁潛污水泵采用永磁體、高效、結(jié)構(gòu)緊湊，雙端面機(jī)械密封，可靠性高，雙葉片渦線(xiàn)流道，過(guò)流性能好。（2）在設(shè)計(jì)流量3300m3/h，計(jì)算的揚(yáng)程為16.73m，與設(shè)計(jì)要求的16m略高一點(diǎn)，此時(shí)效率可達(dá)到84.08%；設(shè)計(jì)點(diǎn)在高效區(qū)附近。（3）流線(xiàn)及速度矢量圖表明該泵整體流態(tài)較好，沒(méi)有明顯漩渦。壓力云圖表明葉輪及壓水室壓力變化較均勻。