再析圓盤摩擦損失對不銹鋼排污泵水力性能的影響

蔣忠根，梁紅

（浙江豐球克瑞泵業(yè)有限公司，諸暨 311800）

潛水式不銹鋼排污泵作為水處理機械中的重要增壓設備，具有結構緊湊、重量輕、耐腐蝕等眾多優(yōu)點[1]，廣泛應用于工業(yè)和城市給排水、園林噴灌、石油化工及航空航天等眾多領域。因其分布范圍廣且使用量較大，能源消耗多，如果在設計時能夠盡量提高電泵效率，不僅能夠提升泵的綜合性能，同時能為用戶和社會節(jié)省更多的能源消耗。潛水排污泵的損失包括水力損失、機械損失、容積損失三項，而機械損失中最大的損失又是圓盤摩擦損失[2]。駱大章等[3]提出圓盤摩擦損失在低比轉數(shù)離心泵能量損失中占有重要地位。劉厚林等[4]通過對不同圓盤摩擦損失計算公式的計算分析與比較，提出了不同比轉速的離心泵應用不同的公式來計算。并通過回歸分析方法修正了圓盤摩擦損失的計算公式。何希杰等[5]對低比速離心泵圓盤摩擦損失功率試驗數(shù)據進行回歸分析，通過大量計算得出了低比速離心泵圓盤摩擦損失的計算公式。包括其他很多學者也對圓盤摩擦損失對離心泵造成重要影響進行了大量摸索與試驗研究。但由于水泵設計理論仍處于半經驗、半理論的階段，很多計算公式與實際仍有一定的差距。筆者通過結合公司實際案例，以WQ40-3-1.1B 不銹鋼排污泵設計開發(fā)舉例說明，結合圓盤摩擦損失原理，從影響離心泵機械損失中的圓盤摩擦損失角度出發(fā)，通過降低圓盤摩擦損失對離心泵的影響來提升電泵性能，經過理論計算與對比試驗論證了圓盤摩擦損失對潛水式排污泵效率有較大影響[6]。

1 潛水式不銹鋼排污泵結構與工作原理

本文所闡述的WQ40-3-1.1B 潛水式不銹鋼排污泵（圖1）由不銹鋼泵蓋、上軸承座、定子、轉子、下軸承座、蝸殼、葉輪等組成。與流體介質接觸的零部件均由奧氏體不銹鋼304 或316 材料制作而成。因電泵采用了奧氏體不銹鋼板制造而成，該泵具有節(jié)能環(huán)保、冷卻性能好、重量輕等優(yōu)點。

圖1 WQ40-3-1.1B 潛水式不銹鋼排污泵結構圖Fig.1 WQ40-3-1.1B submersible stainless steel sewage pump structure diagram

潛水式不銹鋼排污泵工作原理是運行時通過定子旋轉磁場的作用來帶動轉子作高速旋轉運動，而轉子再帶動葉輪對介質流體做功，介質流體在離心力的作用下，被甩向葉輪外緣，經渦殼流道流向水泵的出水管路[7]。通過葉輪的不停旋轉，使得流體在葉輪的作用下不斷流入與流出，從而來實現(xiàn)輸送介質流體的目的[8]。

2 案例描述

國外某客戶要求開發(fā)設計一款用于農田施肥用的耐腐蝕且排污性能優(yōu)良的潛水式排污泵，電泵的性能參數(shù)要求：額定流量Q為40 m3/h，額定揚程H為3 m，電泵功率要求為1.1 kW，電機轉速為2 860 r/ min，電壓為230 V。由于該泵使用場合為大流量、低揚程。且電泵還要求具有較強的耐腐蝕與排污性能強的要求，因此設計時選擇了以奧氏體不銹鋼304 材料拉伸一體成形的不銹鋼潛水排污泵結構，設計型號為WQ40-3-1.1B。考慮到不銹鋼沖壓件的通用性原則，葉輪蓋板設計時借用了公司原來QDX15-10-0.75B 泵的葉輪蓋板（直徑為φ120）。因篇幅有限，水力設計相關教程中已有較為詳細的說明。且本文旨在研究圓盤摩擦損失對電泵性能的影響，因此省略了葉輪與渦殼相關水力部件設計時的步驟計算。WQ40-3-1.1B 不銹鋼潛水泵水力部件葉輪的設計相關參數(shù)具體見表1。

表1 WQ40-3-1.1B 不銹鋼潛水泵葉輪參數(shù)Tab.1 WQ40-3-1.1B stainless steel submersible pump impeller parameters

在電泵設計時，為確保電泵性能并提升電泵效率，將開式葉輪葉片與下蓋間隙設計得盡量小，要求裝配后葉片與進水蓋板間隙控制在1.5～ 2 mm 間為佳?？紤]到葉片與進水蓋板間隙較小，由于該葉輪是焊接式結構，為了確保葉輪焊接后盡量平整，葉輪軸套與葉輪蓋板設計成軸向臺階式結構，從而有效防止葉輪蓋板與軸套在焊接過程中產生形變，從而導致裝配過程中擦葉現(xiàn)象發(fā)生。WQ40-3-1.1B 樣泵設計、制造完成后，在公司的開式試驗臺上進行電泵全性能試驗，整個測試系統(tǒng)由潛水泵樣機、出水管道、DN50渦輪流量傳感器、壓力變送器、智能流量轉速測量儀、智能壓力測量儀、電參數(shù)測量儀、RDC2512B 智能低電阻測試儀等組成。通過測試得到的性能曲線如圖2所示。

圖2 WQ40-3-1.1B 不銹鋼排污泵性能曲線Fig.2 WQ40-3-1.1B stainless steel sewage pump performance curve

從圖2 中性能曲線可以看出，WQ40-3-1.1B 樣泵在額定流量40 m3/h 時，實際揚程約為2.7 m 左右，與客戶要求額定揚程為3 m 仍有一定的差距。在額定流量處電泵的輸入功率已達到了1 537 W，且電泵機組效率略偏低，約為18.6%左右。從智能轉速儀表顯示電泵轉速僅為2 642 r/min，經計算電泵的轉差率達到了11.9%。從以上電泵測試的這些數(shù)據顯示，在額定流量Q 處樣泵已經出現(xiàn)了過載現(xiàn)象。

3 理論分析與改進

從WQ40-3-1.1B 樣泵測試報告看到，樣泵的試驗性能與客戶要求已基本上相近，在流量Q為40 m3/ h 時，揚程H約為2.7 m 左右。根據離心泵設計理論，將葉輪外徑D2再適當加大，就能夠提升電泵水力性能。根據離心泵切割定律計算如下：

式中H'——額定揚程，m；

H——實際揚程，m；

D2'——改進后的葉輪外徑，m；

D2——改進前的葉輪外徑，m。

由式（1）公式計算可得，3/2.7=（D2'/ 0.1）2

經過計算，D2'=105 mm；將葉輪外徑D2從φ100 加大到φ105 后重新進行性能試驗。試驗發(fā)現(xiàn)電泵輸入功率與電流均有一定程度上升，但額定流量與揚程卻沒有明顯變化，這明顯與泵設計理論相悖。經過進一步分析發(fā)現(xiàn)造成電泵水力性能沒有上升的原因，在于該泵在過載情況下，加大葉輪外徑D2反而引起電泵轉速的下降。泵轉速的下降，抵消了原本想通過加大葉輪外徑D2來實現(xiàn)提升電泵的水力性能的效果，從而出現(xiàn)了以上與泵切割定律相悖的假象。因此在泵已經過載的情況下，想通過加大葉輪外徑方法來提高電泵性能方案是無法實現(xiàn)的。

經過進一步分析發(fā)現(xiàn)導致電泵效率偏低的原因在于葉輪蓋板借用引起圓盤直徑過大，造成葉輪圓盤摩擦損失大。考慮到電泵性能與設計要求相近，因此降低葉輪的圓盤摩擦損失，電泵性能可以得到有效提升。根據文獻[2]提出的圓盤摩擦公式計算如下：

式中Pm3——圓盤摩擦功率，PS；

u2——葉輪出口圓周速度，m/s；

D2——圓盤直徑，m；

ρ——泵輸送液體密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

n——額定轉速，r/min。

由式（2）、（3）計算可得：

經計算，WQ40-3-1.1B 離心泵的圓盤摩擦損失功率達到了660 W，這是造成電泵額定流量點揚程偏低及電泵效率低的關鍵原因。因此如果要提升樣泵的整體性能，通過減小葉輪蓋板外圓直徑的方案來降低圓盤摩擦損失是可行的。考慮到沖壓模具與焊接工裝的通用性原則，樣泵葉輪選用了直徑為φ104 的葉輪蓋板，為確保方案可行，運用以上圓盤摩擦損失功率計算公式計算如下：

根據文獻[2]的圓盤摩擦公式計算，如果將葉輪圓盤直徑從φ120 減小到φ104，圓盤摩擦損失功率將從原來的660 W 下降到324 W。查GB/T 25409—2010 小型潛水電泵標準，1.1 kW 單相電泵的電機效率按65%計算，因此改進后的電泵機組效率提升值計算如下：

式中 Δη——電機效率提升值；

Pm3——改進前的圓盤摩擦功率，W；

Pm3'——改進后的圓盤摩擦功率，W；

η2——電機效率；

Pa——泵額定功率，W。

由式（4）計算可得：

經過以上理論計算，將圓盤直徑從φ120 減小到φ104 時，電泵機組效率理論上將提高19.85%左 右。

4 試驗驗證

為驗證以上理論計算的正確性，將樣泵葉輪蓋板外圓減小到φ104 后進行試驗驗證，測試后得到的性能曲線如圖3 所示。

圖3 WQ40-3-1.1B 不銹鋼排污泵改進后性能曲線Fig.3 WQ40-3-1.1B performance curve of improved stainless steel sewage pump

從圖3 可以看到，通過將葉輪蓋板外圓φ120減小到φ104 后，電泵額定流量40 m3/h 處揚程點有了較大的提高，從初次設計時的2.78 米上升到4米，同時設計點電泵效率從原來的18.58%上升到27.43%，提升近9%。電泵轉速從原來的2 642 r/min提高到2 781 r/min，顯然已經符合設計要求。

5 結束語

本文結合WQ40-3-1.1B 潛水式不銹鋼排污泵設計開發(fā)中出現(xiàn)的泵規(guī)定流量點揚程與電泵效率偏低現(xiàn)象進行了分析探討，發(fā)現(xiàn)在電泵過載的情況下加大葉輪外徑D2未必能夠提升電泵水力性能。最終通過減小圓盤摩擦損失方法來提升電泵性能。經圓盤摩擦損失功率理論計算與試驗驗證，圓盤摩擦損失對電泵水力性能有重要影響。