宋冬梅，薛波，劉雪垠，曾夢瑋，戴莉斯

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切割型雙葉片潛污泵設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬

宋冬梅1，薛波2，劉雪垠1，曾夢瑋1，戴莉斯1

（1.四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610063；2.方圓標(biāo)志認(rèn)證集團(tuán)四川有限公司，四川 成都 610014）

為解決污水處理用排污泵葉輪易堵塞、效率低等問題，設(shè)計(jì)了一種新型切割型雙葉片潛污泵。分析葉輪特點(diǎn)，提出葉輪水力設(shè)計(jì)方法，并對泵進(jìn)行了全流道數(shù)值模擬，得出了葉輪內(nèi)壓力、湍動能、流線分布等情況，從而分析出該泵內(nèi)部流動的特點(diǎn)和通過能力提高的原因?；谛阅茴A(yù)測方法對規(guī)定工況點(diǎn)的性能進(jìn)行預(yù)測，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性。

潛污泵；前伸式雙葉片；數(shù)值模擬；性能預(yù)測

近年來，對污水處理用泵的要求越來越高。傳統(tǒng)的葉片式排污泵，長纖維物質(zhì)容易纏繞在葉輪輪轂上，導(dǎo)致葉輪流道堵塞，從而影響泵正常運(yùn)行，降低泵的使用效率。因此，急需提高排污泵的防堵塞性能和運(yùn)行效率。

常見的葉片式潛污泵根據(jù)葉輪形式主要分為開式/半開式、單流道/雙流道式、螺旋式/螺旋離心式以及和常規(guī)葉片泵差不多的少葉片數(shù)（2～3片）潛污泵。不同葉輪形式的潛污泵各有優(yōu)缺點(diǎn)，如流道式、螺旋離心式潛污泵通過能力好、運(yùn)行效率高，但運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性不是很好，振動和噪音也較大；旋流式潛污泵通過能力強(qiáng)，但運(yùn)行效率較低；常規(guī)清水泵加寬流道而成的潛污泵運(yùn)行效率較高，但其通過能力尤其是防纏繞能力較差[1-2]。

本文設(shè)計(jì)了一種新型切割型雙葉片污水泵，屬于高效無堵塞泵，擁有自清潔、自切割能力，能夠解決纖維等物質(zhì)的纏繞和堵塞問題。通過試驗(yàn)和工業(yè)性試用，驗(yàn)證了該潛污泵運(yùn)行效率高、通過能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

1 切割型雙葉片潛污泵的特點(diǎn)

該潛污泵采用扭曲雙葉片半開式葉輪（圖1），屬于離心式葉輪范疇。葉片工作面、背面帶有鋒利的刃口，且葉片前緣后掠。當(dāng)泵運(yùn)行時，帶刃口的葉輪配合帶切割槽的前蓋板（圖2）對流入葉輪的物料尤其是長纖維等進(jìn)行切割，故稱之為切割型雙葉片葉輪。從圖3可以看出，該葉輪進(jìn)口邊前緣型線位于垂直于軸線的進(jìn)口平面內(nèi)，即葉片向進(jìn)口邊延伸較多，且葉片后蓋板流線延伸比前蓋板多，流道進(jìn)口處中心輪轂較一般葉輪輪轂小。

圖1 切割型雙葉片葉輪

圖2 帶切割槽的前蓋板

b2.葉輪出口寬度 D21.前蓋板出口直徑 D22.后蓋板出口直徑 Dj.進(jìn)口直徑 Dh.葉輪進(jìn)口處輪轂直徑

2 水力設(shè)計(jì)

2.1 葉輪的設(shè)計(jì)

葉輪采用雙葉片，葉片數(shù)相對較少，通過能力大大提高，但對液體的控制能力較多葉片葉輪大為減弱，滑移系數(shù)較大，故在確定軸面投影圖時與一般葉片泵區(qū)別較大。葉片進(jìn)口邊的適當(dāng)前伸，一般不會對效率產(chǎn)生較大影響。

（1）根據(jù)速度系數(shù)法[3]，葉輪進(jìn)口當(dāng)量直徑為：

式中：0為葉輪進(jìn)口直徑修正系數(shù)；為流量，m3/s；為轉(zhuǎn)速，r/min。

由于葉片前伸，葉輪進(jìn)口可以取得比一般葉輪進(jìn)口大些，推薦0＝4.0～5.0。

葉輪進(jìn)口直徑為：

（2）葉輪出口直徑為：

（3）考慮到要提高通過能力，因此葉輪出口寬度2比一般離心泵葉輪要大，為：

（4）為有利于葉片做功，葉片包角應(yīng)在280°～350°間取值[4-5]，且前、后蓋板流線包角應(yīng)有差別，前蓋板流線包角一般要比后蓋板包角小80°～120°，以避免葉輪葉片在進(jìn)口處有太多重疊，從而避免流道進(jìn)口處擁堵。

（5）該切割型雙葉片潛污泵的特點(diǎn)之一是葉片前伸較多。前伸太多會導(dǎo)致葉輪進(jìn)口處出現(xiàn)較大排擠，前伸太少則和普通離心泵區(qū)別不大、達(dá)不到高效防堵塞的目的，因此，合理確定葉片進(jìn)口邊的位置非常重要。葉片進(jìn)口邊確定后就可以計(jì)算葉片進(jìn)口安放角。進(jìn)口液流角可以根據(jù)進(jìn)口處速度三角形進(jìn)行計(jì)算。為有利于型線均勻變化，后蓋板流線沖角宜取Δ＝2°～5°、前蓋板流線沖角宜取Δ＝5°～10°。葉片數(shù)少、包角大時葉片出口安放角可根據(jù)一般離心泵的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定[6]，中高比轉(zhuǎn)速取2b＝20°～30°，低比轉(zhuǎn)速可取2b＝30°～40°。

2.2 蝸殼的設(shè)計(jì)

該切割型雙葉片潛污泵的蝸殼設(shè)計(jì)與一般離心泵有一定差別。首先，基圓直徑3與2之間應(yīng)有較大間隙，一是便于大顆粒和長纖維通過，提高泵的防纏繞能力，二是加大基圓直徑有利于蝸殼內(nèi)流動的均勻，從而提高泵的效率，推薦3＝（1.08～1.25）2。其次，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的葉片寬度有所增加，導(dǎo)致葉輪出口流速相應(yīng)減少，故喉部面積也應(yīng)該相應(yīng)加大，推薦加大10%～20%[7]。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例和數(shù)值模擬

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)參數(shù)：流量＝400 m3/h，揚(yáng)程＝14 m，轉(zhuǎn)速＝1470 r/min，比轉(zhuǎn)速n＝247。

根據(jù)前述水力設(shè)計(jì)方法，計(jì)算出葉輪的主要幾何參數(shù)為：進(jìn)口直徑D＝180 mm。由于葉輪出口邊傾斜，故前蓋板出口直徑21＝286 mm、后蓋板出口直徑22＝260 mm，輪轂直徑D＝57.5 mm、葉輪進(jìn)口當(dāng)量直徑0＝174mm，葉輪出口寬度2＝86 mm，前蓋板流線包角取180°、后蓋板流線包角取300°。

蝸殼的主要幾何參數(shù)為：基圓直徑3＝360 mm，隔舌角＝6°，第八斷面面積＝5843 mm2，出口直徑為＝200 mm。

3.2 數(shù)值模擬

對整個泵段進(jìn)行全流場數(shù)值計(jì)算。通過ICEM生成網(wǎng)格如圖4所示，整個流體域節(jié)點(diǎn)數(shù)為458568、單元數(shù)為2449878。以時均－方程作為基本控制方程，以標(biāo)準(zhǔn)－雙方程為湍流模型，采用二階精度迎風(fēng)格式，通過SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)壓力、速度的耦合求解。

圖4 網(wǎng)格模型

（1）外特性分析

從圖5可看出，數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。揚(yáng)程曲線呈直線下降沒有駝峰；高效區(qū)為300～500 m3/h，效率曲線具有較寬的高效區(qū)；設(shè)計(jì)點(diǎn)流量400 m3/h時試驗(yàn)效率達(dá)到最大，為76.53%。說明設(shè)計(jì)的切割型雙葉片潛污泵合理，效率值高于國內(nèi)同設(shè)計(jì)參數(shù)下的效率。

圖5 潛污泵性能曲線

（2）內(nèi)部流場分析

從圖6可看出，葉輪壓力從吸入口到排出口呈逐漸上升趨勢，相同半徑工作面壓力大于背面壓力，并且壓力梯度沿葉片寬度方向并不一致。葉片背面離進(jìn)口處不遠(yuǎn)的地方壓力出現(xiàn)最小值，說明此處是最容易發(fā)生氣蝕的地方。從圖7可看出，葉片背面流線順暢，沒有明顯的邊界分離區(qū)或者駐留區(qū)，而葉片工作面有一處小的駐留區(qū)，但沒有大的渦脫落或者分離，整體設(shè)計(jì)較為合理，但還有優(yōu)化提高的空間。

從圖8可看出，葉輪進(jìn)口處中心壓力較邊緣壓力稍高，在高壓作用下固體顆粒會從中心向邊緣方向移動，以避免在葉片頭部發(fā)生堵塞，這有利于固體顆粒特別是長纖維的通過。同時通過圖9也可看出，葉輪進(jìn)口處中心區(qū)域的湍動比周圍區(qū)域要強(qiáng)烈，在湍動的擾動下，纏繞在葉片頭部的纖維等固體更易脫離葉片而順利流走。這也是通過流場計(jì)算得出的該切割型雙葉片葉輪與其他形式葉輪流動明顯不同的地方。正是這種特點(diǎn)，使得該型泵的通過能力尤其是防纏繞、防堵塞能力大大提高。

圖6 葉輪靜壓分布圖

圖7 葉輪流線分布圖

圖8 葉輪軸面靜壓分布

圖9 葉輪軸面湍動能分布

4 結(jié)論

本文提出切割型雙葉片排污泵主要幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步通過數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)出效率高、固體通過能力好的排污泵水力模型，并對葉輪內(nèi)部流動進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）葉輪采用切割型雙葉片、大包角、葉片前伸的設(shè)計(jì)方法，有利于提高排污泵的固體通過能力、葉輪防纏繞能力和運(yùn)行效率，從而提高了泵的使用壽命；

（2）數(shù)值模擬得到的效率、揚(yáng)程變化趨勢與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果能很好地吻合，運(yùn)用數(shù)值模擬方法來預(yù)測泵的性能有一定可行性；

該切割型雙葉片潛污泵樣機(jī)已在達(dá)州某污水處理廠試運(yùn)行近4個月，運(yùn)行期間未發(fā)生堵塞，且振動和噪聲小、運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)一步驗(yàn)證了該泵的高效防堵塞性能。

[1]王準(zhǔn). 含柔性固體的兩相流動及前伸式雙葉片污水泵研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2008：8-9.

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Design and Numerical Simulation of Cutting Type Double Blades Sewage Pump

SONG Dongmei1，XUE Bo2，LIU Xueyin1，ZENG Mengwei1，DAI Lisi1

( 1.Sichuang Provincial Machinery Research &Design Institute, Chengdu 610063, China; 2.China Quality Mark Certification Group Sichuan Co., Ltd., Chengdu 610014, China )

In order to solve the problem of easy plugging and poor efficiency of the sewage pump, this paper designs a new type of cutting type double blades submersible sewage pump. This paper analyzes the characteristics of the pump impeller, puts forward the hydraulic design method of impeller, and the full flow numerical simulation of the design of the cutting type double blades submersible sewage pump is carried out, pressure, turbulent kinetic energy and streamline distribution in the impeller are obtained, and the characteristics of the internal flow of the pump and the reasons for the improvement of the passing capacity are analyzed. Based on the performance prediction method, the performance of the specified operating point is forecasted, the feasibility of the design method is validated.

submersible sewage pump；cutting type double blades；numerical simulation；performance forecast

TH311

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.017

1006－0316 (2018) 05－0064－04

2017－12－26

宋冬梅（1986－），女，四川犍為人，碩士研究生，工程師，主要從事流體機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)理論與制造技術(shù)工作。