葛良武

(合肥工業(yè)大學建筑設計研究院，安徽 合肥 230009)

1 設計目的

通過設計螺旋曝氣多功能裝置，得到影響曝氣泵性能的相關因素，主要研究轉子和定子尺寸以及螺紋參數(shù)對泵性能的影響，從而達到提高曝氣設備性能的目的，為研究新型的污水曝氣裝置提供參考數(shù)據(jù)。

2 新型螺旋曝氣器試驗設計

2.1 迷宮螺旋泵

迷宮螺旋泵是新型螺旋曝氣器的核心部件。它的核心組成結構包括定子和轉子。定子和轉子的內表面具有相同尺寸和形狀的螺紋，但是螺紋的方向卻相反。轉子通過旋轉作用，將流道內的液體帶動，液體受到定子和轉子的內部螺紋的相互作用，從低壓端被傳送到了高壓端，這就是泵送效應。根據(jù)相關試驗研究，對迷宮螺旋泵進行內流場進行CFD數(shù)值模擬，并在其密封理論上采用簡化假設的方法對螺旋曝氣裝置內中螺旋段對流體產生的壓力做分析。

為了計算方便，下面的計算中將不考慮定子以及轉子的曲

在這里，k是揚程系數(shù);α是螺紋升角;d是轉子的直徑;l是配合螺紋長度;v是轉子的旋轉速度;z是螺紋數(shù)目;Q是泵流量;g是重力加速度;S是軸向定子、轉子的流通面積和。在式子中，揚程系數(shù)的取值與螺紋的幾何、形狀參數(shù)關系很大，它的取值對螺旋曝氣裝置的性能有很大的影響。該試驗能夠確定螺紋中各個參數(shù)和k的關系。率對試驗產生的影響，并假設定子和轉子是理想平板模型，平板以v/2的速度運動。設定轉子的軸向方向為z軸，旋轉切向是x軸。假定:通過轉子軸向傳輸?shù)铰菪蔚牧黧w體積為Q;設定軸向上的流體面積是S，由此可以得到軸向上的流體運行速度(平均速度):Q/S;流體的切向速度(圓周速度):－(Q/S)tanα+v/2。螺旋段軸向上的全部蜂窩體所產生的總壓與定子轉子和配合段螺紋產生的壓力和相等。若配合螺紋段的蜂窩體總數(shù)是m=zl/tanα，則可以得到計算揚程的公式:

2.2 試驗方案和試驗原理

據(jù)相關參考資料可以知道，迷宮螺旋泵曝氣性能明顯和輸送純水的性能不同，螺旋泵的定子和轉子內表面的螺紋參數(shù)對泵的性能會產生很大的影響。設計一個螺旋曝氣試驗裝置，能夠方便地更換裝置中的定子和轉子，測定不同尺寸的轉子和定子對曝氣性能的影響。

2.2.1 迷宮螺旋曝氣泵結構

通過設置試驗用的簡便裝置開展試驗，這里設置的迷宮螺旋曝氣泵中，泵的定子和轉子能夠進行方便的裝配和拆卸并且泵殼和泵軸也能夠進行方便的裝卸，這樣能夠滿足試驗要求，隨時進行不同規(guī)格的定子及轉子的更換。下圖為試驗設計的裝置:

如圖，設計中在泵的進口吸液管旁邊設計了一個吸氣孔。在吸氣管以及吸液管上都配備了閥門，通過調節(jié)閥門能夠十分便捷的調節(jié)吸液量以及吸氣量。在吸氣管和吸液管的管路中安裝了流量計，能夠對各自管中的液體流量進行測量。變頻電機作為動力源，帶動螺旋曝氣泵的轉動，并且可以人為對轉速進行調節(jié)。在螺旋泵的進口、中部以及出口全部開設了取壓孔，分別對這幾個部分進行壓力測定。

在泵出口法蘭處安裝了能夠對泵內氣液情況進行觀察的管路，方便記錄泵內氣體和液體的混合度。為了方便取樣研究，在管路中設置了取樣孔，這樣能夠隨時對混合液體中的含氣量進行測量。

2.2.2 試驗流程

設計的螺旋曝氣裝置試驗工藝流程如下圖所示:

在該流程中，螺旋曝氣泵是主體，在泵體流道上設置壓力傳感器、吸入流量傳感器以及溶解氧測量儀等，通過各個儀器儀表的測量，能夠有效的實現(xiàn)對整個工藝流程參數(shù)的測定。該裝置的各個技術參數(shù)如下:螺旋曝氣泵額定流量3立方米每時;最大污水處理量4立方米每時。

2.2.3 試驗設備

(1)可更換式氣液兩相流入口接管。此部件是過流部件的入口段，對泵內部的流廠有很大的影響作用。試驗中為了方便更換，該接管設計的是螺紋連接。通過更換入口段可以對觀測到流道到氣體入口之間的垂直距離對曝氣效果的影響。

(2)可更換定子和轉子。本試驗中定子和轉子的配合有效長度是100毫米。通過套筒軸和軸肩對泵轉子進行固定，同時采用泵殼以及排液管軸向壓緊的方式對其進行加強固定。試驗中螺紋型線有4種:等邊三角形、直角三角形、梯形以及矩形。通過對螺紋型線以及不同型號的轉子和定子進行更換，可以達到測定螺紋參數(shù)以及定子、轉子型號對曝氣性能的影響。

(3)并聯(lián)管路。在本試驗中采用并聯(lián)管路設計，通過并聯(lián)接入其他的曝氣設備，研究其他曝氣設備和螺旋曝氣裝置的曝氣性能的差別。

2.2.4 試驗過程

試驗開始前，為了減少氣蝕，快速抽出液體，首先進行灌泵。關閉吸氣管上的閥門，開始灌泵，灌泵結束后開啟曝氣泵。隨著泵的轉動壓力不斷增大，待達到正常工作壓力時，打開吸氣管路上的閥門，注意要緩慢的旋轉閥門，使吸氣量逐漸上升直到最大。當泵的進口壓力Ps小于氣體的進口壓力Pg時，通過壓強差就能夠自動進入泵內。因此，當Ps＞Pg時，需要進行調節(jié)，使Ps＜Pg，可以通過調節(jié)閥，減小液體入口的方法使液體入口的壓力變大，實現(xiàn)氣體自動吸入。

調節(jié)到泵正常工作狀態(tài)后，泵內的定子和轉子能夠對進入的液體和氣體進行強烈的物理攪拌，使氣液充分混合，達到增溶、增壓的效果，并能夠形成含有小氣泡的氣液混合物。這時通過可視管道對泵內的混合物進行觀察，記錄氣液混合度。并通過采樣口取樣，進行取樣分析，檢測液體中氣泡的狀態(tài)。通過回流泵，混合物回到水箱，在此處的溶解氧測量儀就會對水箱中混合液進行含氧量測量，并記錄。

2.2.5 試驗特點

(1)整套曝氣裝置的核心是螺旋曝氣泵。在試驗中，通過更換不同型號的轉子和定子以及跟換4種螺紋參數(shù)，研究不同尺寸的轉子和定子以及不同的螺紋參數(shù)對曝氣泵性能的影響。

(2)試驗設計的螺旋曝氣裝置在試驗中具有4個特點。一，泵內氣液混合情況可視。通過在出口管路段設置可視管路，能夠直接觀察到泵內部的氣液混合情況;二，不同規(guī)格的轉子和定子在試驗中可以方便更換，吸入管路的端部也可進行更換;三，設計并聯(lián)管路。通過接入不同的曝氣設備能夠研究這種新型的曝氣裝置和其他曝氣設備之間的差異;四，可以自由調節(jié)裝置的轉速，并能夠在裝置工作情況下進行多點測壓，這種特點能夠為研究提供更多數(shù)據(jù)，提高試驗的可靠性。

3 結束語

這種新型的螺旋曝氣裝置還處于試驗階段，并沒有進入全面的推廣。隨著科研技術的不斷發(fā)展，相信這種新型的螺旋曝氣充氧技術將會得到進一步的完善，并在水質工程中得到推廣。

[1]程旭，劉進立等.污水處理用螺旋曝氣多功能試驗裝置的設計[J].石油礦場機械，2012，41(2):29.