潛水式切割泵水力設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

蔣忠根，梁 紅，石海燕，姚 芳

（浙江豐球克瑞泵業(yè)有限公司，浙江 諸暨，311800）

0 引言

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，潛水切割泵作為水處理機(jī)械中的重要污水處理設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于建筑樓宇、醫(yī)院、道路交通及其施工、工廠排污等場(chǎng)合。由于離心泵設(shè)計(jì)理論仍不夠完善，還是停留在半經(jīng)驗(yàn)半公式的基礎(chǔ)上，因此對(duì)于實(shí)際的工程應(yīng)用領(lǐng)域[1]，如果泵設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)選擇稍有偏差就會(huì)導(dǎo)致離心泵偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)運(yùn)行。為解決以上難題，本文結(jié)合多年來實(shí)際經(jīng)驗(yàn)通過運(yùn)用相似換算法與CFD仿真分析技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，利用CFD仿真分析工具對(duì)設(shè)計(jì)電泵性能進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，彌補(bǔ)了離心泵傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的不足[2]。在減少不必要資源浪費(fèi)的同時(shí)，極大地提高了開發(fā)速度與成功率，確保電泵在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)高效運(yùn)行。

1 潛水切割泵工作原理

本文所闡述的潛水切割泵（圖1）由泵及切割刀具組成，具有切割效果強(qiáng)、無堵塞、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 潛水切割泵結(jié)構(gòu)示意圖

切割刀具有徑向或軸向式結(jié)構(gòu)，徑向式切割刀具的間隙單邊一般在0.1～0.2mm左右，軸向式切割刀具的間隙一般控制在0.1～0.3mm左右[3]，原則上是間隙越小切割效果越好。刀具材料采用了性能優(yōu)良的合金結(jié)構(gòu)鋼40cr或11cr17等高碳高鉻馬氏體不銹鋼制作。為實(shí)現(xiàn)高耐磨的優(yōu)良性能，熱處理時(shí)真空淬火后加以真空氮化處理，熱處理后刀具的硬度控制在56～60HRC左右。電泵運(yùn)行時(shí)泵軸帶動(dòng)活動(dòng)刀作高速旋轉(zhuǎn)，通過固定刀與活動(dòng)刀相互磨碎、撕割，將雜物磨碎、切碎形成細(xì)小顆粒或短纖維物質(zhì)。為減小介質(zhì)流體、固體顆粒對(duì)葉輪的磨損，設(shè)計(jì)時(shí)可選用旋流式葉輪結(jié)構(gòu)。旋流式葉輪將磨碎切割后的固體顆粒及纖維類雜物收集后排出，從而實(shí)現(xiàn)無堵塞排放的目的。

2 泵水力部件設(shè)計(jì)

根據(jù)國外某客戶要求，設(shè)計(jì)一款最大流量為10m3/h，最高揚(yáng)程為18m的潛水切割泵。潛水切割泵樣機(jī)設(shè)計(jì)具體參數(shù)如表1所示。

表1 潛水切割泵設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 潛水切割泵葉輪的設(shè)計(jì)

為避免葉輪被過早磨損，潛水切割泵葉輪通?？梢栽O(shè)計(jì)成旋流式。葉輪材料選用了耐磨球墨鑄鐵QT450材料或錫青銅等耐磨材料制作而成。為方便鑄造加工并防止流道堵塞，采用了圓柱型開式葉片結(jié)構(gòu)。

2.1.1 葉片數(shù)Z的確定

為取得較高的揚(yáng)程，旋流式葉輪葉片數(shù)Z通常在8～12片左右。本文研究的葉輪葉片數(shù)選擇了12片[4]。

2.1.2 葉片出口角β2的確定

為了取得較高的揚(yáng)程，通過文獻(xiàn)[5]查閱與計(jì)算，葉輪出口角β2選擇38度。選取較大的出口角β2可以適當(dāng)減小切割泵葉輪外徑D2，從而減少圓盤磨擦損失對(duì)電泵效率的影響[6]。

2.1.3 葉輪外徑D2的確定

為取得較好的設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先采用了相似設(shè)計(jì)法（模型換算法）。該方法簡(jiǎn)單可靠、設(shè)計(jì)成功率相對(duì)較高。目前已成為水泵設(shè)計(jì)基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)使用的主要方法之一。潛水切割泵水力部件具體設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）根據(jù)提供的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算本文研究的WQ750SQG切割泵的比轉(zhuǎn)數(shù)ns。

式中：ns為比轉(zhuǎn)速；Q 為流量，m3/s；H 為揚(yáng)程，m；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

（2）選擇與設(shè)計(jì)泵比轉(zhuǎn)數(shù)ns相近的模型泵。

（3）按設(shè)計(jì)泵與模型泵參數(shù)Q、H、n計(jì)算尺寸系數(shù)λ。λQ為按流量計(jì)算的尺寸系數(shù)；λH為按揚(yáng)程計(jì)算的尺寸系數(shù)。

（4）設(shè)計(jì)泵尺寸按D=λDM計(jì)算。其中λ的選擇原則：選取上式中較大值或λQ與λH的平均值[7]。

（5）根據(jù)設(shè)計(jì)泵計(jì)算尺寸畫出施工圖[8]。

通過相似換算法計(jì)算，潛水切割泵葉輪外徑D2為125mm。因篇幅有限，且水泵理論設(shè)計(jì)教程中已有較為詳細(xì)的說明，本文省略了以上相關(guān)步驟的計(jì)算。潛水切割泵葉輪設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 葉輪主要參數(shù)

2.2 蝸殼部件的設(shè)計(jì)

潛水切割泵屬于低比轉(zhuǎn)速泵，具有高揚(yáng)程、小流量的特點(diǎn)[9]。比轉(zhuǎn)數(shù)ns一般在30～80間。較低的比轉(zhuǎn)數(shù)導(dǎo)致電泵水力損失相對(duì)較大，電泵效率偏低。為適當(dāng)?shù)奶岣弑眯?，WQ750SQG潛水切割泵蝸殼選用了準(zhǔn)螺旋形壓水室。與環(huán)形壓水室相比，準(zhǔn)螺旋形壓水室的效率較高。

2.2.1 蝸殼喉部面積F3的確定

因國外客戶設(shè)計(jì)參數(shù)中僅有最大流量與最高揚(yáng)程的規(guī)定，并沒有明確的額定工況點(diǎn)參數(shù)要求。與常規(guī)國內(nèi)泵額定點(diǎn)設(shè)計(jì)要求相比，設(shè)計(jì)難度有所提高。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的參數(shù)換算。其中額定點(diǎn)流量按設(shè)計(jì)參數(shù)中最大流量的1/2略大一點(diǎn)來設(shè)計(jì)計(jì)算，額定流量Q設(shè)定為6m3/h；而最高揚(yáng)程通常是額定揚(yáng)程H的1.2倍左右，因此該潛水切割泵額定揚(yáng)程H設(shè)定為15m。根據(jù)水泵理論中面積比原理，蝸殼喉部面積對(duì)泵性能有較大影響。根據(jù)葉輪出口面積F2及面積比Y來確定蝸殼喉部面積F3。具體計(jì)算如下：

根據(jù)安德森給出的Y與ns的關(guān)系，通過文獻(xiàn)[7]查表可得Y=0.36；

根據(jù)面積比原理公式Y(jié)=F3/F2；

F3=Y×F2=0.36×2297=827mm2

3 利用CFD仿真分析進(jìn)行性能預(yù)測(cè)

根據(jù)以上計(jì)算得到的葉輪與蝸殼設(shè)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)葉輪與蝸殼分別進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，完成建模后的水力部件三維流體域如圖2所示。其中為了確保CFD仿真測(cè)試性能的準(zhǔn)確性，對(duì)葉輪進(jìn)水段與蝸殼出水段進(jìn)行加長延伸處理。運(yùn)用CFD仿真軟件，采用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，對(duì)樣泵的水力性能進(jìn)行了模擬測(cè)試[10]。為了確保CFD模擬試驗(yàn)的精度，本次模擬采用了蝸殼與葉輪聯(lián)合求解方法。WQ750SQG潛水切割泵模擬試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)具體如圖3。

圖2 WQ750SQG水力部件流體域示意圖

從圖3看到，通過CFD仿真工具技術(shù)分析顯示，在關(guān)死點(diǎn)處泵最高揚(yáng)程可以達(dá)到17.4m左右，最大流量延伸后在10.5m3/h左右。與設(shè)計(jì)參數(shù)最大流量為10m3/h，最高揚(yáng)程為18m要求仍有一定差距。為此運(yùn)用切割定律公式計(jì)算，在保持其它設(shè)計(jì)參數(shù)不變情況下，將葉輪D2從125mm調(diào)整到127mm后，再運(yùn)用CFD仿真工具對(duì)WQ750SQG潛水切割泵進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，模擬試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)具體如圖4。

圖3 WQ750SQG切割泵第一次模擬試驗(yàn)性能曲線圖

圖4 WQ750SQG切割泵第二次模擬試驗(yàn)性能曲線圖

從圖4看到，通過CFD仿真工具技術(shù)分析顯示，在關(guān)死點(diǎn)處泵最高揚(yáng)程可以達(dá)到18.6m左右，最大流量延伸后也可以達(dá)到11m3/h左右。與設(shè)計(jì)參數(shù)要求相比較，CFD仿真試驗(yàn)值略偏高?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)制造過程會(huì)有一定的加工誤差，且CFD仿真分析時(shí)并沒有考慮軸承及密封件造成的一些機(jī)械損失。因此基本上可以確定按以上設(shè)計(jì)參數(shù)來制造樣泵是可行的。

4 樣泵試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果

WQ750SQG潛水切割泵樣泵制作完成后在公司的開式試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行電泵的水力性能測(cè)試。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由潛水切割泵樣機(jī)、出水管道、DN50渦輪流量傳感器、壓力變送器、智能流量轉(zhuǎn)速測(cè)量儀、智能壓力測(cè)量儀、電參數(shù)測(cè)量儀、RDC2512B智能低電阻測(cè)試儀等組成。通過測(cè)試得到的性能曲線如圖5所示。

圖5 WQ750SQG切割泵性能曲線圖

從圖5可以看出，樣泵關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程實(shí)際達(dá)到18.1m左右，符合客戶規(guī)定的最高揚(yáng)程為18m要求。在流量為9.9m3/h時(shí)泵揚(yáng)程在3m左右，流量曲線延伸后顯示Qmax約在10.5m3/h左右，電泵最高效率在19.5%附近。通過對(duì)樣泵全性能測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合客戶要求。通過與CFD仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，兩者測(cè)試數(shù)據(jù)基本相近。

5 結(jié)語

本文將離心泵相似換算法與CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了WQ750SQG潛水切割泵的設(shè)計(jì)開發(fā)。通過運(yùn)用CFD分析技術(shù)對(duì)該切割泵進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，使離心泵各性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明通過相似換算法與CFD仿真技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法成功率較高，能有效降低開發(fā)周期與設(shè)計(jì)成本，可為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。