向林嵚，肖俊，林鵬

（湖南人文科技學(xué)院 能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000）

0 引言

污水泵廣泛用于市政工程、工業(yè)、醫(yī)院、建筑、飯店、水利建設(shè)等各行各業(yè)。隨著社會(huì)的發(fā)展，水資源污染越趨嚴(yán)重。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示（如圖1），2018年我國(guó)城市排污量已經(jīng)高達(dá)521.12 億m3，全國(guó)八成以上的城市污水都未加以處理便直接排放到周邊水體中，極大地影響了城市美觀和水資源環(huán)保。

圖1 2014—2018年中國(guó)城市污水排放量情況

由于污水泵在較惡劣的環(huán)境下工作，因此較一般水泵來(lái)說(shuō)，相同條件下污水泵壽命更短、處理效率更低。因此，如何提高污水泵壽命、效率是污水泵研究者們的目標(biāo)。本文分別對(duì)污水泵葉輪、軸向力平衡2個(gè)研究方向闡述污水泵研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)污水泵發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 葉輪型式研究

現(xiàn)國(guó)內(nèi)外對(duì)葉輪有很多研究，按葉片形式可分為開(kāi)式葉輪、半開(kāi)式葉輪、閉式葉輪3種；按工作方式可分為單吸葉輪、雙吸葉輪；按結(jié)構(gòu)可分為螺旋離心式、旋流式、流道式、葉片式4種。葉輪是泵的核心零件，其作用是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為工作液的靜壓能與動(dòng)壓能。因此本文將從葉輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。

1.1 螺旋離心式葉輪

螺旋離心式葉輪是由20世紀(jì)60年代初期瑞士工程師MaritnSthalc所研制的，其葉片為扭曲的螺旋。該型葉具有無(wú)損性、效率高、無(wú)堵塞、具有陡降的揚(yáng)程曲線、功率曲線比較平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。由于對(duì)輸送物的破壞性比較小，而且混合物通過(guò)性能強(qiáng)，所以該型式葉輪多用于輸送含有大顆粒、高濃度和長(zhǎng)纖維的液體。

20世紀(jì)90年代，徐朗等[1]利用邊界元法對(duì)螺旋離心泵葉輪進(jìn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉輪中液體輸出速度越小，其液體的圓周分速度越大。而離葉輪外緣較近的流體質(zhì)點(diǎn)比靠近葉輪內(nèi)緣的圓周分速度要大。之后由朱榮生等[2]確定了螺旋離心式葉輪的主要幾何參數(shù)。王家斌等[3]給出了螺旋離心式葉輪的測(cè)繪方法。陳斌等[4]利用虛擬仿真技術(shù)結(jié)合參數(shù)化建模對(duì)螺旋離心式葉輪進(jìn)行新的配重,該方法較傳統(tǒng)的配重方法更方便、更快捷、精度更高、成本也更低。但由于該型號(hào)葉輪無(wú)法進(jìn)行大流量的輸送，所以后來(lái)由朱榮生等[5]研制出一種螺旋軸流式葉輪，使之能夠進(jìn)行大流量輸送。之后林鵬博士[6]對(duì)其水力設(shè)計(jì)、實(shí)體建模、固液兩相流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算等進(jìn)行研究，對(duì)螺旋軸流泵的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。接著朱榮生等[7]利用CFX軟件對(duì)螺旋軸流葉輪進(jìn)行數(shù)值模擬, 測(cè)得所監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)以及泵的內(nèi)部流場(chǎng)，優(yōu)化了螺旋軸流泵的設(shè)計(jì)。史廣泰等[8]對(duì)其在不同介質(zhì)下的能量進(jìn)行分析，指出葉輪做功的部分為葉輪中部，在輸送多相混合物的時(shí)候葉輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為混合物的靜壓能，對(duì)螺旋軸流的葉輪水力設(shè)計(jì)提供有力的借鑒。

1.2 旋流式葉輪

旋流式葉輪是由于其在工作時(shí)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的旋渦運(yùn)動(dòng)，所以取名旋流泵。由于葉輪與泵殼之間有很寬的流道，因此其葉輪可不直接與介質(zhì)相接觸，所以該葉輪具有無(wú)堵性、無(wú)損性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、葉輪磨損小、凈吸壓頭較低等優(yōu)點(diǎn)，但是該型號(hào)葉輪效率較一般的離心葉輪低。所以旋流式葉輪適用于輸送含有大顆粒和長(zhǎng)纖維的混合物[9-10]。

早在20世紀(jì)50年代國(guó)外便對(duì)旋流泵進(jìn)行研究，最早是由WesternMachineCompany 所研制的，之后不久Stenbery-Flygt公司研究出一種旋流潛水泵，20世紀(jì)60年代初瑞士Egger公司開(kāi)始研制旋流泵。我國(guó)也是在20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始研制旋流泵。20世紀(jì)60年代末，Rutschi等[11]發(fā)表了一篇關(guān)于旋流泵的研究報(bào)告，之后各國(guó)便開(kāi)始對(duì)旋流泵進(jìn)行各種研究。20世紀(jì)70年代初Grabow對(duì)無(wú)葉腔中的速度和壓力分布進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，水力的喪失與回流有關(guān)。1972年日本小島發(fā)現(xiàn)，隨著壓水室腔的增大，效率隨之降低。1979年蔡振成對(duì)旋流泵進(jìn)行研究。20世紀(jì)80年代初Schvley等[12]提出了新的流動(dòng)模型。1991年陳紅勛[13]在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了新的流動(dòng)模型，讓其在設(shè)計(jì)上更加合理。2007年劉天寶[14]通過(guò)對(duì)該型泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，旋流式葉片泵的吸入和排出性能最好，對(duì)旋流式葉輪的設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。2009劉祥松[15]通過(guò)對(duì)旋流泵的輸送特性進(jìn)行試驗(yàn)得出，濃度、粒徑和氣量的變化對(duì)泵的性能影響很大。2017年高雄發(fā)[16]通過(guò)對(duì)旋流泵的研究發(fā)現(xiàn)，葉片安裝角較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生旋渦，安裝角較小時(shí)，葉片對(duì)液體的束縛力強(qiáng)。2020年康蕾[17]對(duì)旋流泵的內(nèi)流結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)換做了試驗(yàn)研究，對(duì)旋流泵的設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。

1.3 流道式葉輪

1.3.1 單流道葉輪

單流道葉輪又名無(wú)葉片葉輪，葉輪進(jìn)口與葉輪出口之間是一個(gè)扭曲的流道，它相對(duì)一般無(wú)堵塞葉輪，具有高效率、功率曲線平坦、無(wú)堵塞等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜诖箢w粒物質(zhì)輸送，多用于市政工程、工業(yè)、河塘清淤、建筑、餐飲、水利建設(shè)等行業(yè)中。由于單流道結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，且在運(yùn)行中出現(xiàn)脈沖出流的現(xiàn)象，徑向力很大，所以要求對(duì)葉輪進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，否則容易產(chǎn)生振動(dòng)，從而降低了泵的可靠性。由于該型葉輪的汽蝕性能較普通閉式葉輪差，所以適用于有壓進(jìn)口的泵上。

早在20世紀(jì)90年代，馮進(jìn)升等[18]便對(duì)單流道式葉輪進(jìn)行過(guò)大量的研究，提出使用“厚壁型”和“薄壁型”兩種方法進(jìn)行單流道葉輪的水力設(shè)計(jì)。其中，厚壁型葉輪采用三流線法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而薄壁型葉輪利用普通扭曲葉片方法設(shè)計(jì)。沙毅等[19]通過(guò)對(duì)單流道離心泵葉輪的研究，總結(jié)出單流道葉輪的設(shè)計(jì)方法。由于這兩種設(shè)計(jì)方法比較復(fù)雜，21世紀(jì)初劉厚林等[20-21]得出新的平面圖設(shè)計(jì)方法，并且給出利用CAD軟件進(jìn)行單流道葉輪的設(shè)計(jì)方法，確定了葉輪進(jìn)出口速度系數(shù)值和出口寬度的計(jì)算方法。之后NISHI等[22]提出了單葉片葉輪主經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法。

1.3.2 雙流道葉輪

雙流道葉輪的設(shè)計(jì)來(lái)源于雙葉片葉輪。雙流道葉輪的軸面如同一個(gè)大彎頭，其中葉輪的上下兩側(cè)吸水，而彎頭是由兩頭出水。從進(jìn)口到出口方向，內(nèi)流道由一分二，伸出的外流道相當(dāng)于葉片的壓力面阻。由于雙流道泵擁有無(wú)堵塞、效率高、高揚(yáng)程、大流量、功率曲線平坦、抗腐蝕、無(wú)損性等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于市政工程、水利水電等領(lǐng)域，主要用于輸送生活污水、工業(yè)廢水，以及含有固體顆粒、纖維狀纏繞物的液體?；谏鲜鰞?yōu)良的性能，雙吸雙流道泵在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，具有較好的應(yīng)用前景。

早在20世紀(jì)90年代初，陸偉剛等[23]為了解決單吸單流道葉輪在制造工藝上產(chǎn)生的動(dòng)、靜平衡，以及在流體作用力下產(chǎn)生的徑向力和軸向力等平衡問(wèn)題，通過(guò)將2個(gè)單吸單流道葉輪結(jié)合起來(lái)，形成1個(gè)雙吸雙流道葉輪。該型葉輪不但保留了單流道葉輪的優(yōu)良特性，又解決了單流道葉輪不容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜平衡，以及徑向力和軸向力等平衡問(wèn)題。但經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該種葉輪在工作中的葉輪出口處壓力較葉片式離心泵效率低3%～8%[24]。之后錢(qián)萬(wàn)鈞等[25]通過(guò)采用CAD/CFD/CAM等技術(shù)，對(duì)葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。直接將雙流道葉輪的效率提高至80.1%，效率比傳統(tǒng)葉片式離心泵還要高出1.1%。

1.4 葉片式葉輪

1.4.1 開(kāi)式葉輪

開(kāi)式半開(kāi)式葉輪具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、無(wú)堵塞、加工方便、揚(yáng)程曲線比較平坦等優(yōu)點(diǎn)。但是該種葉輪效率低，最高效率約為閉式葉輪的92%左右。由于在工作中，顆粒的磨蝕會(huì)加大葉片與壓水室內(nèi)側(cè)壁之間的間隙，從而大大地降低了葉輪的工作效率。而且還會(huì)破壞流道中液體流態(tài)的穩(wěn)定性。因此為了延長(zhǎng)泵的使用壽命，通常在葉輪的前端設(shè)置軸向間隙，但是軸向間隙層的厚度仍然比葉輪流道的尺寸小，所以還是會(huì)對(duì)流道內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生一定的影響。所以該種葉輪不適用于輸送含大顆粒和長(zhǎng)纖維的液體。

經(jīng)過(guò)歷年學(xué)者的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果軸向間隙設(shè)計(jì)過(guò)大時(shí)，泵的揚(yáng)程和效率會(huì)逐漸下降，而當(dāng)軸向間隙設(shè)計(jì)過(guò)小時(shí)，則會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象。所以對(duì)半開(kāi)式葉輪來(lái)說(shuō)，研究軸向間隙的最佳取值有著重要的意義。早在20世紀(jì)60～70年代，WoodGM等[26]便對(duì)不同結(jié)構(gòu)葉輪實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)半開(kāi)式葉輪的效率最高。Engin等[27]在對(duì)半開(kāi)式葉輪在輸送混合物時(shí)軸向間隙對(duì)泵性能的影響進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著間隙值的不斷增大，泵的性能呈下降趨勢(shì)。劉正先等[28]對(duì)半開(kāi)式葉輪壓氣機(jī)性能進(jìn)行了研究，指出葉輪機(jī)械性能降低的主要原因，是因?yàn)殚g隙流與主流相互干擾所導(dǎo)致的能量散失，但隨著流量的增大間隙流對(duì)主流的影響會(huì)減弱。張劍慈等[29]利用S-A湍流模型對(duì)離心泵的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口處的液流沖擊、流道內(nèi)的不均勻流及流道內(nèi)的二次流是導(dǎo)致葉輪效率降低的主要原因，并總結(jié)出軸向間隙值的增大會(huì)導(dǎo)致泵的揚(yáng)程和效率降低。張利紅[30]對(duì)不同間隙值的半開(kāi)式離心泵數(shù)據(jù)處理研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸向間隙值取0.3 mm時(shí)，泵的效率最高。當(dāng)間隙值小于0.3 mm時(shí)，泵的揚(yáng)程升高，但效率下降。當(dāng)間隙值大于0.3 mm時(shí)，隨著間隙值的不斷增大，泵的揚(yáng)程和效率呈下降狀態(tài)。

1.4.2 閉式葉輪

閉式葉輪是葉輪中效率較高的一種。該葉輪擁有運(yùn)行穩(wěn)定、軸向力較小、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此閉式葉輪比開(kāi)式葉輪應(yīng)用更加廣泛。但是與開(kāi)式葉輪相似，其無(wú)堵性差，且容易纏繞，所以該種葉輪也不適用于輸送含大顆粒和長(zhǎng)纖維的液體。閉式葉輪與開(kāi)式葉輪不同的一點(diǎn)是，可以通過(guò)設(shè)置副葉片，以減少顆粒對(duì)密封環(huán)的磨損和旋渦損失。副葉片不僅可以防止顆粒進(jìn)入機(jī)械密封腔，而且還可以平衡軸向力。

早在20世紀(jì)80年代，北京冷凍機(jī)廠、一機(jī)部通用機(jī)械研究所焊接葉輪攻關(guān)組等相關(guān)專家便對(duì)閉式葉輪的焊接進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。之后20世紀(jì)90年代謝麗清等[31]對(duì)制造材料進(jìn)行研究，制造出一種高強(qiáng)度鋁合金閉式葉輪，并對(duì)其制造工藝與相關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。之后魏進(jìn)家等[32]對(duì)葉輪內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究試驗(yàn)，得出導(dǎo)致葉輪壽命降低的重要原因，是因?yàn)槿~片的壓力面后半部分與出口太近從而導(dǎo)致磨損這一結(jié)論。姜耀林等[33]利用ProCAST和3D打印技術(shù)，使閉式葉輪的制造時(shí)間大大縮短，制作更加方便，并且使鑄件的質(zhì)量大大地提高。張同桐等[34]利用SolidWorks對(duì)閉式葉輪進(jìn)行強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)葉片進(jìn)口的頂部和根部的應(yīng)力最大，通過(guò)改變材料讓閉式葉輪的安全性能得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

2 軸向力平衡研究

軸向力是由于葉輪產(chǎn)生力使葉輪沿著軸線方向發(fā)生偏移導(dǎo)致的，因?yàn)檩S向力的存在使泵的使用壽命大大縮短，因此如何消除、平衡一直是污水泵以至所有泵領(lǐng)域的重要課題。

早在20世紀(jì)初Dautherty[35]在《CentrifugalPump》一書(shū)中對(duì)軸向力進(jìn)行論述，1958年Stepanoff[36]對(duì)軸向力所產(chǎn)生的原因、平衡的方法和影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。對(duì)之后進(jìn)行軸向力的研究具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的平衡軸向力的方法有止推軸承、平衡管、葉輪對(duì)稱排列、平衡孔、背葉片、平衡盤(pán)、雙吸式葉輪等。1991年王秀蘭等[37]提出在安裝時(shí)將每個(gè)葉輪的位置后移。其目的在于葉輪前側(cè)與泵殼之間存在一定的間隙，這樣便能減少誤差。這種方法相對(duì)以前的方法來(lái)說(shuō)更加簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)。1995年關(guān)醒凡等[38]給出深井潛水泵軸向力平衡裝置的方法。1999年楊瑞[39]提出了一種新的平衡鼓組合方式。2003年劉在倫等[40]提出使用加大葉輪后密封環(huán)和軸向力平衡裝置兩種新的平衡軸向力方法。2005年張翼飛等[41]提出一種自動(dòng)平衡軸向力的方法，即通過(guò)在泵的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造，來(lái)達(dá)到平衡目的。該方法簡(jiǎn)捷、方便、可靠。2006年陸偉剛等[42]也提出一種自動(dòng)平衡軸向力的方法，即按斜流式葉輪設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì), 同時(shí)將葉輪的進(jìn)口端面密封等措施來(lái)平衡軸向力。之后賀博等[43]也提出一種葉輪輪轂局部加厚的技術(shù)，很大地提高了泵運(yùn)行的可靠性。

3 結(jié)論與展望

1）本文就污水泵葉輪及其軸向力平衡進(jìn)行闡述，發(fā)現(xiàn)污水泵其實(shí)只是葉輪與壓水室服從不同輸送、安裝要求的一種組合，只要根據(jù)實(shí)際要求對(duì)葉輪和壓水室進(jìn)行配置，就能保證泵各種性能。隨著學(xué)者的不斷研究，軸向力的平衡方式也越趨簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠。

2）隨著計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，泵的設(shè)計(jì)、制造、模擬、分析等，更加趨向于高質(zhì)量、高精度、高效率、低成本方向發(fā)展。對(duì)未來(lái)污水泵行業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑不是一種優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也是一種挑戰(zhàn)。

3）隨著社會(huì)的發(fā)展，污水泵形態(tài)和樣式必定會(huì)發(fā)生很大的變化，以達(dá)到市場(chǎng)的需求。功能也會(huì)趨向于大流量、無(wú)纏繞、無(wú)損性、高性能、無(wú)堵塞、高效率、高揚(yáng)程、大流量、功率曲線平坦、抗腐蝕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)良性能。我們相信隨著學(xué)者們的不斷探索，這一天不會(huì)等太久。