農(nóng)用自吸泵的水力設(shè)計(jì)

林海斌，詹昌海，伍鵬，趙子龍，徐永亮，李金富，樊健，陳秀芹

（衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

0 引言

自吸泵屬自吸式離心泵，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、運(yùn)行平穩(wěn)、維護(hù)容易、效率高、壽命長，并有較強(qiáng)的自吸能力等優(yōu)點(diǎn)。管路不需安裝底閥，工作前只需保證泵體內(nèi)儲有定量引液即可，大大簡化了管路系統(tǒng)，改善了工作條件，降低了對工作環(huán)境的要求，廣泛應(yīng)用于石油、化工、農(nóng)業(yè)等方面。農(nóng)用自吸泵[1-3]的工作原理是水泵啟動(dòng)前先在泵殼內(nèi)灌滿水（或泵殼內(nèi)自身存有水），啟動(dòng)后葉輪高速旋轉(zhuǎn)使葉輪槽道中的水流向渦殼，這時(shí)入口形成真空，使進(jìn)水逆止門打開，吸入管內(nèi)的空氣進(jìn)入泵內(nèi)，并經(jīng)葉輪槽道到達(dá)外緣。因此農(nóng)用自吸泵內(nèi)部的水利參數(shù)很大程度影響了自吸泵的工作性能?；诖?，本作品提出了一種針對農(nóng)用自吸泵的水利設(shè)計(jì)方案，采用Solidworks[4-8]建模技術(shù)對自吸泵進(jìn)行數(shù)字建模，利用計(jì)算獲得的參數(shù)得出整體的三維造型。

1 基本參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)廣泛使用下的農(nóng)用自吸泵的基本參數(shù)的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)取泵的揚(yáng)程H=15m，泵的流量Q=500m3/h，其工作條件的介質(zhì)是清水，其密度ρ=1000kg/m3。

（1）比轉(zhuǎn)速計(jì)算。依據(jù)下式可得出比轉(zhuǎn)速[9]：

式中原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1480r/min，把已知條件代入式（1），計(jì)算得出ns=259，取圓整值ns=260。

（2）泵的效率計(jì)算。泵的水力效率計(jì)算：

把H=15m，Q=500m3/h代到上式，計(jì)算得ηh=0.810。

泵的容積效率計(jì)算：

把比轉(zhuǎn)速ns=260代入上式，計(jì)算得出nv=0.951。

泵的機(jī)械效率計(jì)算：

把比轉(zhuǎn)速ns=260代入上式，計(jì)算得出ηm'=0.986。

由于泵在工作時(shí)有塊料磨損，式中ηm'為不計(jì)塊料磨損時(shí)的機(jī)械效率，實(shí)際機(jī)械效率ηm可按照下以公式計(jì)算：

可得機(jī)械效率ηm=0.966。

自吸泵的總效率計(jì)算：

將上述計(jì)算所得參數(shù)代入可得泵的總效率為η=0.77。

（3）軸功率計(jì)算與原動(dòng)機(jī)選擇。已知總效率η=0.77，根據(jù)如下軸功率計(jì)算公式：

其中ρ表示工作介質(zhì)密度，單位是kg/m3；Q表示流量，單位是m3/s；H表示揚(yáng)程，單位是m。把以上數(shù)值代入上式計(jì)算得到軸的效率P=53.1kW。

泵的設(shè)計(jì)功率計(jì)算：

式中功率k1表示泵揚(yáng)程的允差系數(shù)，k1=1.05～1.1，本設(shè)計(jì)中取k1=1.08；k2表示泵流量的增大系數(shù)，k2=1.10，將以上參數(shù)代入式（10），得到泵的設(shè)計(jì)功率Pd=63.1kW，則原動(dòng)機(jī)的功率為Pd=63.1kW[10]。

原動(dòng)機(jī)選擇：

通過以上設(shè)計(jì)參數(shù)可知，Pd=63.1kW，選用型號是Y280S-4電動(dòng)機(jī)，其功率P是75kW，轉(zhuǎn)速是1480r/min。

確定泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩與軸徑：

已知泵的設(shè)計(jì)功率，根據(jù)以下公式計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩M與最小軸徑dmin：

把原動(dòng)機(jī)功率Pd=63.1kW代入上式得，轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 矩M=407.2N·m，dmin=0.0344m。 由 于dmin=34.4mm，選取葉輪配合處軸徑D=46mm。

（4）速度系數(shù)法設(shè)計(jì)葉輪?？筛鶕?jù)下述公式，選取速度系數(shù)k0：

把已知條件代入上式，計(jì)算得到k0=3.5～4.0，其中ηv=0.9，本設(shè)計(jì)中ηv=0.984，所以k0=3.5～3.9?？紤]水力損失最小，取k0=3.8。

葉輪[10-11]進(jìn)口當(dāng)量直徑D0：

把已知條件和已經(jīng)得到的結(jié)果代入該式，得D0=0.173m。

葉輪外徑D2：

把已知條件代入該式，得D2=0.261m。

葉輪出口寬度b2：

該式中kb，Q，n，nS均已知，計(jì)算出b2=0.065m。

葉輪輪轂直徑與頸部直徑：

根據(jù)葉輪配合處軸徑D=46mm，考慮葉輪輪轂直徑dn=46mm，由此根據(jù)下式來計(jì)算葉輪頸部直徑Dn：

把上述已知條件入上式得到，Dn=0.179m取圓整值Dn=0.18m。

（5）初定進(jìn)口角及葉片進(jìn)口角計(jì)算。根據(jù)下式來設(shè)計(jì)A、B、C流線的進(jìn)口圓周速度：

根據(jù)葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)，選取D1A= 180mm，D1B= 136mm，D1C= 77mm，計(jì)算得到進(jìn)口圓周速度U1A= 13.95m/s，U1B= 10.54m/s，U1C= 5.97m/s。

根據(jù)下式來計(jì)算A流線、B流線、C流線的過流面積：

根據(jù)葉輪的軸面圖，選取葉輪軸半徑rcA=56.5mm，rcB= 58mm，rcC= 67mm，葉輪寬度bA=67mm，bB= 70mm，bC= 76mm，計(jì)算得到過流面積F1A= 0.0238m2，F(xiàn)1B= 0.0255m2，F(xiàn)1C= 0.0320m2。

A流線葉片進(jìn)口角：

A流線的葉片出口絕對速度vm的計(jì)算：

式中Q為泵流量，初選滑移系數(shù)k1A′= 0.93，把已知條件代入式（21）得出vmA= 6.02m/s。

A流線葉片安放角β1A′的計(jì)算：

把上文已知條件代進(jìn)其中得到β1A′=22.77°，取葉片進(jìn)口角Δβ1A=1.227°，則葉片安放角β1A=24°。

回算滑移系數(shù)k1A：

取式中的流道寬為z=6m，δ1=3.5，按軸面投影圖可得λmA=50°，把設(shè)定的數(shù)值代入式（23），得k1A=0.90，由于

不符合要求。

將滑移系數(shù)k1A=0.90代入式（21）中重新計(jì)算得到vmA=6.64m/s，β1A′=25.45°，取葉片進(jìn)口角Δβ1A=1.55°，則葉片安放角β1A=27°，根據(jù)公式（23）回算滑移系數(shù)得到k1A′=0.90，故合適。

B流線葉片進(jìn)口角：

B流線葉片安放角β1B的計(jì)算：

將計(jì)算得到的參數(shù)代入式中可得β1B=33.99°，按軸面投影圖可得λmB=40°，可根據(jù)式（23）計(jì)算得到滑移系數(shù)k1B=0.876，將其代入式（21）中可得vmB=6.37m/s，根據(jù)式（22）計(jì)算可得β1B′=31.15°，則B流線葉片進(jìn)口角Δβ1B=β1B-β1B′ =2.84°。

C流線葉片進(jìn)口角：

同（2）式，可得C流線葉片安放角β1C=49.97°，C流線葉片進(jìn)口角Δβ1C=9.85°。

根據(jù)式（19）計(jì)算得到出口圓周速度U2=19.37m/s，滑移系數(shù)k2=0.965（取β2′=22.5°）。

葉輪出口圓周速度軸向分量計(jì)算：

式中ηv為容積效率，D2是葉輪出口處裝配軸徑，b2表示出口寬度，把上述已知條件分別代入式中，計(jì)算得出vm2=2.89m/s。

葉輪出口絕對圓周速度的計(jì)算：

上式HT為出口處葉輪的理論揚(yáng)程，把已知條件代入上式，就算得出vu2=9.30m/s。

葉輪出口絕對速度周向分量計(jì)算：

式中HT?為葉輪出口周向分量的理論揚(yáng)程，把已知條件代入上式，計(jì)算得出vu2?=11.73m/s。

出口葉片安放角的計(jì)算：

把已經(jīng)計(jì)算得出的數(shù)值代入上式，得出口葉片安放角β2′=19.86°。則葉片出口角Δβ2=3.9°。

（6）導(dǎo)流器計(jì)算。進(jìn)口寬度b3的計(jì)算：

式中B2為包括前后蓋板厚度的葉輪出口寬度，把已知條件代入上式，得出b3=85.5mm，取圓整值b3=86mm。

導(dǎo)葉內(nèi)蓋板最大直徑D3的計(jì)算：

式中D2C為后蓋板的外徑，把以上計(jì)算得出的D2C代入式中，得出D3=252～255mm，根據(jù)實(shí)際情況和以上條件確定D3=252。

導(dǎo)葉外蓋板最大直徑D4的計(jì)算：

式中c為葉輪出口處裝配軸徑，把D2代入式中可得D4=320mm。

導(dǎo)葉軸向長度l的計(jì)算：

把D2裝配軸徑代到上式得出l=315mm。

導(dǎo)葉進(jìn)口角α3的計(jì)算：

vm3為進(jìn)口圓周速度軸向分量，vu3為出口絕對圓周速度，根據(jù)《葉片泵設(shè)計(jì)手冊》提供的經(jīng)驗(yàn)范圍取D3=126×2mm，D4=160×2mm，把上述計(jì)算得出的值代入上式，得出α3=31.9°。

導(dǎo)葉出口角和導(dǎo)葉包角的確定：導(dǎo)葉是用來傳遞能量的，工作時(shí)，液體從葉輪流出時(shí)將其動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能，從而使水力損失降低到最小。泵出口的流動(dòng)狀態(tài)取決于后導(dǎo)葉，葉輪出口旋轉(zhuǎn)渦流存在性也取決于反導(dǎo)葉片。軸流泵后導(dǎo)葉出口葉片角通常在80°～90°之間[11]。根據(jù)有限元分析計(jì)算可以得出以下結(jié)論：導(dǎo)葉出流部位存在著大量的旋轉(zhuǎn)渦流，是由于水流慣性和后導(dǎo)葉片數(shù)決定的[12]。結(jié)合上述條件，直口處流動(dòng)損失要小，即盡量保持無旋，選取導(dǎo)葉出口角α4=90°。導(dǎo)葉包角一般取90°為宜，故本設(shè)計(jì)取導(dǎo)葉包角=90°。

導(dǎo)葉葉片數(shù)與導(dǎo)葉內(nèi)外徑得確定：據(jù)研究所知，當(dāng)所需的水流較小的情形下，葉輪流道里的整流效果隨著葉片數(shù)量的增加而變大，泵的揚(yáng)程也隨其數(shù)量的變多而變大。在流量過大的情形下，葉片的數(shù)量增加會(huì)使流道面積減小，同時(shí)液體具有的能量也會(huì)過多流失。故結(jié)合上述條件考慮，選取導(dǎo)葉片數(shù)Z= 5。

2 自吸泵的三維數(shù)字化造型

（1）自吸泵的建模。SolidWorks三維建模軟件，能根據(jù)實(shí)際情況對裝置進(jìn)行三維數(shù)字化建模，操作簡單，并且功能強(qiáng)大。還可以根據(jù)裝置實(shí)際受力情況，對裝置進(jìn)行有限元分析，可對裝置強(qiáng)度進(jìn)行校核。本設(shè)計(jì)采用SolidWorks對農(nóng)用自吸泵進(jìn)行了三維建模，繪制二維草圖，并根據(jù)設(shè)計(jì)，對殼體基本造型進(jìn)行拉伸；進(jìn)行掃描、陣列操作繪制泵上零部件；并用放樣、曲面等指令對自吸泵進(jìn)行最終的修改，從而得到整體的三維造型[12]。

圖1 泵體主視圖Fig.1 Main view of the pump body

圖2 泵體上視圖Fig.2 Upper view of the pump body

圖3 泵體左視圖Fig.3 Pump body left view

圖4 泵體軸等側(cè)圖Fig.4 Pump body shaft and other side views

圖5 總裝配體三維圖Fig.5 3D view of the total assembly

圖6 總裝配體三維圖Fig.6 3D view of the total assembly

圖7 總裝配體三維圖Fig.7 3D view of the total assembly

使用三維建模的基本指令，得到泵體的三維圖由圖1～7所示。

3 結(jié)論

本文利用數(shù)值計(jì)算得出較為合理的農(nóng)用自吸泵水力參數(shù)，利用SolidWorks對農(nóng)用自吸泵進(jìn)行了三維建模，繪制二維草圖，完成三維設(shè)計(jì)；并利用Solidworks模型對農(nóng)用自吸泵的三維數(shù)字建模情況進(jìn)行分析，根據(jù)裝置實(shí)際受力情況，對裝置進(jìn)行有限元分析，可對裝置強(qiáng)度進(jìn)行校核。從而提高農(nóng)用自吸泵的整體使用性能。這在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以有較好的數(shù)據(jù)對自吸泵的工作性能進(jìn)行優(yōu)化。