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(jī)械中的重要增壓設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、耐腐蝕等眾多優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)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(lǐng)域。因其分布范圍廣且使用量較大，能源消耗多，如果在設(shè)計(jì)時(shí)能夠盡量提高電泵效率，不僅能夠提升泵的綜合性能，同時(shí)能為用戶和社會(huì)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(jī)械損失、容積損失三項(xiàng)，而機(jī)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(zhuǎn)數(shù)離心泵能量損失中占有重要地位。劉厚林等[4]通過(guò)對(duì)不同圓盤摩擦損失計(jì)算公式的計(jì)算分析與比較，提出了不同比轉(zhuǎn)速的離心泵應(yīng)用不同的公式來(lái)計(jì)算。并通過(guò)回歸分析方法修正了圓盤摩擦損失的計(jì)算公式。何希杰等[5]對(duì)低比速離心泵圓盤摩擦損失功率試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，通過(guò)大量計(jì)算得出了低比速離心泵圓盤摩擦損失的計(jì)算公式。包括其他很多學(xué)者也對(duì)圓盤摩擦損失對(duì)離心泵造成重要影響進(jìn)行了大量摸索與試驗(yàn)研究。但由于水泵設(shè)計(jì)理論仍處于半經(jīng)驗(yàn)、半理論的階段，很多計(jì)算公式與實(shí)際仍有一定的差距。筆者通過(guò)結(jié)合公司實(shí)際案例，以WQ40-3-1.1B 不銹鋼排污泵設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)舉例說(shuō)明，結(jié)合圓盤摩擦損失原理，從影響離心泵機(jī)械損失中的圓盤摩擦損失角度出發(fā)，通過(guò)降低圓盤摩擦損失對(duì)離心泵的影響來(lái)提升電泵性能，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算與對(duì)比試驗(yàn)論證了圓盤摩擦損失對(duì)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子、下軸承座、蝸殼、葉輪等組成。與流體介質(zhì)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(diǎn)。

圖1 WQ40-3-1.1B 潛水式不銹鋼排污泵結(jié)構(gòu)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(yùn)行時(shí)通過(guò)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而轉(zhuǎn)子再帶動(dòng)葉輪對(duì)介質(zhì)流體做功，介質(zhì)流體在離心力的作用下，被甩向葉輪外緣，經(jīng)渦殼流道流向水泵的出水管路[7]。通過(guò)葉輪的不停旋轉(zhuǎn)，使得流體在葉輪的作用下不斷流入與流出，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)輸送介質(zhì)流體的目的[8]。

2 案例描述

國(guó)外某客戶要求開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一款用于農(nóng)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(yáng)程H為3 m，電泵功率要求為1.1 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 860 r/ min，電壓為230 V。由于該泵使用場(chǎng)合為大流量、低揚(yáng)程。且電泵還要求具有較強(qiáng)的耐腐蝕與排污性能強(qiáng)的要求，因此設(shè)計(jì)時(shí)選擇了以?shī)W氏體不銹鋼304 材料拉伸一體成形的不銹鋼潛水排污泵結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)型號(hào)為WQ40-3-1.1B?？紤]到不銹鋼沖壓件的通用性原則，葉輪蓋板設(shè)計(jì)時(shí)借用了公司原來(lái)QDX15-10-0.75B 泵的葉輪蓋板（直徑為φ120）。因篇幅有限，水力設(shè)計(jì)相關(guān)教程中已有較為詳細(xì)的說(shuō)明。且本文旨在研究圓盤摩擦損失對(duì)電泵性能的影響，因此省略了葉輪與渦殼相關(guān)水力部件設(shè)計(jì)時(shí)的步驟計(jì)算。WQ40-3-1.1B 不銹鋼潛水泵水力部件葉輪的設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)具體見(jiàn)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(shè)計(jì)時(shí)，為確保電泵性能并提升電泵效率，將開(kāi)式葉輪葉片與下蓋間隙設(shè)計(jì)得盡量小，要求裝配后葉片與進(jìn)水蓋板間隙控制在1.5～ 2 mm 間為佳?？紤]到葉片與進(jìn)水蓋板間隙較小，由于該葉輪是焊接式結(jié)構(gòu)，為了確保葉輪焊接后盡量平整，葉輪軸套與葉輪蓋板設(shè)計(jì)成軸向臺(tái)階式結(jié)構(gòu)，從而有效防止葉輪蓋板與軸套在焊接過(guò)程中產(chǎn)生形變，從而導(dǎo)致裝配過(guò)程中擦葉現(xiàn)象發(fā)生。WQ40-3-1.1B 樣泵設(shè)計(jì)、制造完成后，在公司的開(kāi)式試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行電泵全性能試驗(yàn)，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由潛水泵樣機(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?jī)x、智能壓力測(cè)量?jī)x、電參數(shù)測(cè)量?jī)x、RDC2512B 智能低電阻測(cè)試儀等組成。通過(guò)測(cè)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(shí)，實(shí)際揚(yáng)程約為2.7 m 左右，與客戶要求額定揚(yáng)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(dá)到了1 537 W，且電泵機(jī)組效率略偏低，約為18.6%左右。從智能轉(zhuǎn)速儀表顯示電泵轉(zhuǎn)速僅為2 642 r/min，經(jīng)計(jì)算電泵的轉(zhuǎn)差率達(dá)到了11.9%。從以上電泵測(cè)試的這些數(shù)據(jù)顯示，在額定流量Q 處樣泵已經(jīng)出現(xiàn)了過(guò)載現(xiàn)象。

3 理論分析與改進(jìn)

從WQ40-3-1.1B 樣泵測(cè)試報(bào)告看到，樣泵的試驗(yàn)性能與客戶要求已基本上相近，在流量Q為40 m3/ h 時(shí)，揚(yáng)程H約為2.7 m 左右。根據(jù)離心泵設(shè)計(jì)理論，將葉輪外徑D2再適當(dāng)加大，就能夠提升電泵水力性能。根據(jù)離心泵切割定律計(jì)算如下：

式中H'——額定揚(yáng)程，m；

H——實(shí)際揚(yáng)程，m；

D2'——改進(jìn)后的葉輪外徑，m；

D2——改進(jìn)前的葉輪外徑，m。

由式（1）公式計(jì)算可得，3/2.7=（D2'/ 0.1）2

經(jīng)過(guò)計(jì)算，D2'=105 mm；將葉輪外徑D2從φ100 加大到φ105 后重新進(jìn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yáng)程卻沒(méi)有明顯變化，這明顯與泵設(shè)計(jì)理論相悖。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)造成電泵水力性能沒(méi)有上升的原因，在于該泵在過(guò)載情況下，加大葉輪外徑D2反而引起電泵轉(zhuǎn)速的下降。泵轉(zhuǎn)速的下降，抵消了原本想通過(guò)加大葉輪外徑D2來(lái)實(shí)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(jīng)過(guò)載的情況下，想通過(guò)加大葉輪外徑方法來(lái)提高電泵性能方案是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)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(guò)大，造成葉輪圓盤摩擦損失大?？紤]到電泵性能與設(shè)計(jì)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(jù)文獻(xiàn)[2]提出的圓盤摩擦公式計(jì)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(zhuǎn)速，r/min。

由式（2）、（3）計(jì)算可得：

經(jīng)計(jì)算，WQ40-3-1.1B 離心泵的圓盤摩擦損失功率達(dá)到了660 W，這是造成電泵額定流量點(diǎn)揚(yáng)程偏低及電泵效率低的關(guān)鍵原因。因此如果要提升樣泵的整體性能，通過(guò)減小葉輪蓋板外圓直徑的方案來(lái)降低圓盤摩擦損失是可行的。考慮到?jīng)_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(yùn)用以上圓盤摩擦損失功率計(jì)算公式計(jì)算如下：

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的圓盤摩擦公式計(jì)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(lái)的660 W 下降到324 W。查GB/T 25409—2010 小型潛水電泵標(biāo)準(zhǔn)，1.1 kW 單相電泵的電機(jī)效率按65%計(jì)算，因此改進(jìn)后的電泵機(jī)組效率提升值計(jì)算如下：

式中 Δη——電機(jī)效率提升值；

Pm3——改進(jìn)前的圓盤摩擦功率，W；

Pm3'——改進(jìn)后的圓盤摩擦功率，W；

η2——電機(jī)效率；

Pa——泵額定功率，W。

由式（4）計(jì)算可得：

經(jīng)過(guò)以上理論計(jì)算，將圓盤直徑從φ120 減小到φ104 時(shí)，電泵機(jī)組效率理論上將提高19.85%左 右。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上理論計(jì)算的正確性，將樣泵葉輪蓋板外圓減小到φ104 后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)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(jìn)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(guò)將葉輪蓋板外圓φ120減小到φ104 后，電泵額定流量40 m3/h 處揚(yáng)程點(diǎn)有了較大的提高，從初次設(shè)計(jì)時(shí)的2.78 米上升到4米，同時(shí)設(shè)計(jì)點(diǎn)電泵效率從原來(lái)的18.58%上升到27.43%，提升近9%。電泵轉(zhuǎn)速?gòu)脑瓉?lái)的2 642 r/min提高到2 781 r/min，顯然已經(jīng)符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合WQ40-3-1.1B 潛水式不銹鋼排污泵設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)的泵規(guī)定流量點(diǎn)揚(yáng)程與電泵效率偏低現(xiàn)象進(jìn)行了分析探討，發(fā)現(xiàn)在電泵過(guò)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(guò)減小圓盤摩擦損失方法來(lái)提升電泵性能。經(jīng)圓盤摩擦損失功率理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，圓盤摩擦損失對(duì)電泵水力性能有重要影響。