低比轉(zhuǎn)數(shù)雙流道潛污泵無過載的設(shè)計方法＊

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粒或長纖維物質(zhì)的液體，其抗纏繞能力強、防堵塞性能好［1］；由于雙流道葉輪對稱布置，故平衡性好，運行平穩(wěn)、可靠。目前的潛污泵大多采用雙流道葉輪設(shè)計。低比轉(zhuǎn)數(shù)泵指低流量、高揚程、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、建筑等多個領(lǐng)域。然而，目前低比轉(zhuǎn)數(shù)潛污泵實際運行時的性能很不穩(wěn)定，使用壽命較短，泵過載燒毀電機是其中一個重要原因。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有極值。比轉(zhuǎn)速越低，軸功率上升趨勢越明顯［3］。國內(nèi)低比轉(zhuǎn)數(shù)潛污泵配套電動機功率一般選擇額定工況軸功率的1.05～1.2 倍，當(dāng)流量大、揚程低時，最大軸功率甚至有可能超過額定工況軸功率的1.5 倍。因此，在低揚程工況下使用時，往往會導(dǎo)致泵過載，燒毀電動機。

不少研究者對排污泵存在的問題提出改進措施。劉厚林等［4］在大量試驗研究和設(shè)計實踐的基礎(chǔ)上，對雙流道泵葉輪和蝸殼的一些主要幾何參數(shù)進行統(tǒng)計分析，提出并完善雙流道泵水力設(shè)計方法；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，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、運行平穩(wěn)可靠的特點，提出雙流道葉輪水力模型無過載設(shè)計方法。低比轉(zhuǎn)數(shù)潛污泵在設(shè)計時通常會盡可能地設(shè)計成無過載功率曲線，即功率曲線有極值，過了該值以后，隨著流量增大、揚程減小，軸功率也隨之降低。因此，只要設(shè)計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，水泵均能正常運行，均不會發(fā)生過載現(xiàn)象，從而避免電機被燒毀。本文將低比轉(zhuǎn)數(shù)無過載設(shè)計和雙流道設(shè)計相結(jié)合，提出低比轉(zhuǎn)數(shù)雙流道潛污泵無過載的設(shè)計方法，對提高潛水排污泵的性能和運行的可靠性具有現(xiàn)實意義。

1 設(shè)計方法

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

1.1 設(shè)計參數(shù)

流量Q=15 m3/h；揚程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；要求通過顆粒的最大直徑為22 mm。

1.2 葉輪水力設(shè)計

1.2.1 葉輪進口直徑

其中：KDj為葉輪進口速度系數(shù)，KDj=3.8～4.2，當(dāng)比轉(zhuǎn)數(shù)ns小時，KDj取大值；反之KDj取小值。本設(shè)計取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，KD2′取大值；反之KD2取小值。由于無過載設(shè)計選取較小的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，可取小值，但應(yīng)保證單個流道出口斷面面積大致等于葉輪進口面積的一半。b2增大時，流量會變大，容易出現(xiàn)超功率的情況，并且可能使最高效率點偏向大流量；反之，流量減小，通過性能降低。本設(shè)計取Kb2=0.65，則b2=29 mm。

1.2.4 葉片出口角

為獲得無過載性能，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，b2取大值；反之取小值。本設(shè)計取b2=15°。

1.2.5 葉輪流道包角

為保證泵在全揚程范圍內(nèi)具有無過載功率特性，應(yīng)取較大的流道包角。包角和比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，可按照圖1所示進行選取，本設(shè)計取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，m取小值；反之m取大值。為確保無過載功率特性，系數(shù)m盡量取小值。本設(shè)計取m=0.7。

1.2.7 葉輪前后蓋板的圓弧半徑

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

1.2.8 葉輪前后蓋板傾角

為有效通過顆粒，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)計取T1=87°，T2=90°。

1.3 蝸殼水力設(shè)計

1.3.1 蝸殼的結(jié)構(gòu)形式選擇

蝸殼設(shè)計通常有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，故雙流道泵大多選擇螺旋形；但比轉(zhuǎn)數(shù)ns＜60 時，考慮到顆粒的通過性，可選擇半螺旋形。斷面的形狀可選擇矩形或梯形，對泵的性能沒有太大的影響，可根據(jù)設(shè)計者的習(xí)慣和模具制作加工的難易程度綜合考量選取。本設(shè)計經(jīng)綜合考慮選擇螺旋形蝸殼設(shè)計。

1.3.2 基圓直徑

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

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

1.3.3 蝸殼進口寬度

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，以保證其通過性能。表1為隔舌角f0與比轉(zhuǎn)數(shù)ns的關(guān)系，本設(shè)計取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對泵的性能有較大影響。增大喉部面積，流量增大時水力損失相對較小，可使泵的最高效率點偏向大流量，并使揚程曲線趨于平緩；減小喉部面積，流量減小時水力損失相對較小，可使泵的最高效率點偏向小流量，并使揚程曲線趨于陡峭。計算喉部面積可以通過2 種方法計算，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算蝸殼喉部面積F3，通過試驗對優(yōu)秀水力模型的面積比系數(shù)進行統(tǒng)計，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軸長度（mm）；b為葉輪出口橢圓截面的短軸長度（mm）。

蝸殼喉部面積的計算方法：

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)計采用速度系數(shù)法計算，則F3=373.5 mm2。以上述所有數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行雙流道蝸殼水力模型設(shè)計。

2 設(shè)計實例的測試結(jié)果

2.1 試驗結(jié)果

通過標(biāo)準(zhǔn)測試臺對設(shè)計實例50WQ15-30-3 排污泵進行測試驗證，其性能曲線如圖3 所示。額定工況點下測定值為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

測試結(jié)果表明：①50WQ15-30-3 型號排污泵設(shè)計實例性能符合《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。③排污泵的性能曲線比較平坦，在整個全揚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，使水泵在整個全揚程范圍內(nèi)均不會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。④排污泵的效率曲線峰值比較高，高效區(qū)寬，額定工況點的效率為45.9%，在最高效率點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)，極大地提高了試驗泵在實際使用中的效率，可節(jié)約能耗，提高市場競爭力。

試驗結(jié)果表明，針對低比轉(zhuǎn)數(shù)雙流道潛污泵進行無過載設(shè)計的方法是可行的，具有實際的推廣價值。