潜水无堵塞排污泵水力及结构设计.docx

中国农业大学学士学位论文第一章引言第一章引言泵是应用非常广泛的通用机械，种类甚多，在国民经济的各个部门如农田排灌、城市 给排水、石油化工、动力工业、采矿和船舶、航空航天、钢铁工业、污水处理、轻工、造 纸等应用极广，与人们的生活有着密不可分的关系，可以说凡是有液体流动之处，几乎都 有泵在工作。而且，随着科学技术的不断发展，泵的应用领域正在迅速扩大。据不完全统 计 ， 泵 的 耗 电 量 约 占 全 国 总 发 电 量 的 20 以 上 ， 耗 油 量 约 占 全 国 总 油耗的5，可见泵是当然的耗能大户。因此，提高泵的技术水平对节约能源、创建节约型 社会具有十分重要而深远的意义。但是，随着工农业生产和社会生产力的不断发展，泵输送的物质也日益增多。由于传 统水泵产品设计的局限性，其抗堵塞、防缠绕性能较差，严重影响和制约着工农业生产、 市政建设和环境保护工作等的发展，大大束缚了企业的生产能力。因此，研究、开发高效 节能，防缠绕、抗堵塞性能好，可靠性高，适应社会发展需求，具有广阔应用前景的特种 水泵将显得尤为必要和迫切。高效无堵塞泵的研究与开发正是在这样一种情况下应运而生， 并且已成为近十几年来发展最快的泵类产品口。现阶段我国的污水处理系统还不完善污，极大制约着我国企业发展。水处理设备主要 分为机械设备和电气、自控设备，其中机械设备投资占污水处理设备投资的6570。机 械设备主要分为通用机械设备和专用机械设备两种，其中通用机械设备投资占机械设各投 资的3540，专用机械设各投资占机械设备投资的6065因而，污水处理设备中的机 械设备占有重要的地位。污水处理机械设备又分通用机械设备和专用机械设备两大类。通 用机械设备主要有泵类、阀类、风机类；专用机械设备包括拦污机械设备、除砂及刮泥设 备、曝气及搅拌设备等。我国污水处理设备的生产始于20世纪70年代中后期，当时产品的标准化、成套化、系 列化水平很低，定型产品较少。进入90年代以来，国家有关部门先后对主要污水处理设备 制造企业进行了技术改造，提高了制造能力和制造水平，城市污水处理专用设备和与之配 套的通用设备的生产水平都有了很大提高。但是，目前国产污水处理成套设备与发达国家 相比，仍存在很大差距；与我国城市污水处理事业发展急需相比，亦存在很大不足。主要 表现在以下几点：(1)产需矛盾突出。根据“十一五”规划的要求，我国污水处理设备的综合生产能力远 远不能满足国内需求，供需矛盾十分突出。(2)品种、规格少，结构落后，开发能力弱，具有现代化水平的机、电、仪一体化装备 较少或处于起步阶段。(3)产品质量差，技术水平低，有3540的主要产品相当于国际上20世纪60或70年代 水平。现行的国产污水处理设备中，约有15属于限制生产或限期淘汰产品，约有25属 于需要改进的产品。尽管目前我国的污水处理设备市场有广阔的前景，但污水处理设备在过去十几年间主 要还是依靠进口。通过分析我国最近5年内已建成的30家污水处理厂，统计12种主要工艺设 备，发现所使用的国内外设备中，国外设备占设备总量的645，占设备总投资的73.5%，28而国产设备仅占设备总量的355，占设备总投资的265，当然这与建设项目的资金 来源紧密相关。由此可见，抓住新的机遇，研制开发出适合我国国情的污水处理新型装备、 加速设备的国产化势在必行。水处理用泵主要包括离心泵、污水泵、螺杆泵、深井泵、无堵塞泵等。无堵塞泵、污水 泵是污水处理厂的关键设备之一，20世纪80年代开始引进德国里茨公司(RITZ)技术生产潜 水污水泵，引进德国KSB公司技术生产卧式和立式污水泵。以后又连续开发生产了潜水离心 泵、潜水轴流泵、潜水混流泵等，目前使用量较大。国产的各型水泵，已经具备了较先进的水平，可以基本满足我国水工业发展的需要，但 针对水工业的特点还应开发和提高水泵的效率和制造水平，如低扬程大流量的潜水污水泵、 耐腐蚀深井泵、大功率潜水泵等。针对国内水泵产品普遍外观质量差的问题，应注重改进 铸造工艺，提高铸件质量，改进外表面处理技术。针对首次无故障运行时间短的问题，提 高整体制造精度。针对泄漏量大的问题，改进密封条件。针对效率偏低或不稳定的情况， 改善水力设计、设备设计和制造工艺等。高效无堵塞泵是指用来能够输送液体中含有任意形状悬浮固体物及纤维状物质泵的统称，由于其在市政、环保、污水处理、轻工、矿山、化工、食品等行业的应用日益增多，1因此，它是近年来国内外热门的前沿研究课题和重点开发的新产品。由于传统水泵设计方法的局限性，其抗堵塞、防缠绕性能较差，严重影响和制约着工农业生产、市政建设和 环境保护工作等的发展，大大束缚了企业的生产能力。因此，研究、设计一种高效节能， 防缠绕、抗堵塞性能好，可靠性高，适合于产业化生产并进行广泛推广应用的高效无堵塞 泵、并创新地提出其设计理论与方法就显得尤为必要和迫切。1.1国内外无堵塞泵的发展概况高效无堵塞泵主要用于输送工业流程、生活污水、工业废水等中含有固体颗粒悬浮物或 纤维状悬浮物的液体。它广泛应用于市政、环保、轻工、化工、矿山、冶金、制药、食品 等行业，也是污水处理工程的主要设备之一。由于高效无堵塞泵形状特殊，流动复杂，因 而是近年来国内外热门的前沿研究课题和重点开发的新产品。而就高效无堵塞泵的结构型 式来说，主要有潜水排污泵、立式排污泵、卧式污水泵(料浆泵)等。由于潜水排污泵本身 及选用潜水排污泵的泵站工程具有很多优点，因此目前日处理能力25万吨以下的污水处理 厂大部分采用潜水排污泵。国外，瑞典飞力(SterberyFlygt)公司于1948年首次研制成功排水用作业面潜水电 泵，以后在荷兰、加拿大、美国、德国等15个国家设立子公司。1956年生产出潜水排污泵， 使污水泵站的成本大约减少一半。飞力公司泵设计新颖，结构形式标准化，设备现代化， 共发展了四个系列潜水泵，即2000系列、3000系列、5000系列、7000系列。到了60年代末， 德国、美国、英国、芬兰、俄罗斯、日本(日立、鹤见、樱川、荏原等)也都大批量生产作 业面潜水电泵。日本的建筑设备和工程用潜水电泵已标准化和系列化，无论在结构设计、 材料选用和自动控制等方面都取得了新的成就。上述一些国家的产品已大量打入我国市场2。AKratzer于1979年首先较全面地总结了污水泵的设计和选用问题，他还分析了各种 泵对输送物的无损性能，但没有给出设计方法。三菱重工于1984年对高效污水泵技术进行 了总结，并给出了过流零部件常用的耐磨耐腐材料。另外，KSB公司等对污水泵的设计方法 等也进行了探讨。无堵塞泵的种类繁多，应用领域广泛。例如瑞典飞力公司生产了可以破碎长纤维物质 并加以搅拌的F泵，由于特殊的结构设计，因此具有抽送、切削和混合功能，可防止堵塞。 美国的Vaughan公司生产了世界上首台切碎泵，被称为不堵塞的排污泵，它特设的切割刀能 将巨大的固体物瓦解，并防止泵的抽水功能发生阻塞。江苏大学流体机械工程技术研究中心自20世纪80年代末90年代初开始，在借鉴国外先 进经验的基础上，对污水污物潜水电泵进行了较为系统的研究。关醒凡在1995年初步总结了无堵塞泵的一些设计方法与经验，施卫东在1997年对污水泵的设计方法进行了系统的综3述。随后，关醒凡、刘厚林 等分别对流道式无堵塞泵的设计方法进行了系统的研究和完善，并在国内外首次开发成功了其计算机辅助水力设计软件。1998年至2000年，施卫东、4关醒凡、刘厚林 等主持了江苏省“九五”工业重大科技攻关项目“高效无堵塞泵”的研究，在高效无堵塞泵叶轮结构型式的选择、高效无堵塞泵设计方法的进一步完善与提高、 系列产品的设计与开发、成果的推广应用与产业化等方面取得了较大突破，产生了显著的 经济和社会效益。然而国内无堵塞泵的品种相对较少，可靠性也有待进一步的提高。1.2 国内外无堵塞泵的研究状况由于无堵塞泵的应用领域不断拓宽，因此已成为近年来发展最快的泵种。目前，对无 堵塞泵的研究工作主要集中在以下几个方面。(1)研究泵送固液两相流体时的性能变化。由于无堵塞泵在泵送污水时的 流动状态和清水时不同，因而表现出来的外特性也就不一样。国内外的学者对此作过一些 对比实验，给出了一些经验公式，但是这些经验公式都是在特定的试验条件下得出来的， 局限性较大。因此有必要积累更多的资料，以期能更准确地预测泵送污水时的性能，为无 堵塞泵的选型和设计提供可靠的依据。(2)无堵塞泵设计理论和方法的研究。这方面的研究文献相当多，最具代表性的设计理 论是速度畸变理论和固液速度比理论(严格来说还只是假设)，众多学者在经验的基础上， 对不同结构的无堵塞泵提出了大量的设计方法，并在实际应用中取得了较好的效果。但是 由于泵内两相流动的规律目前还不是十分清楚，污物的通过机理还没有得以很好的研究， 这方面的研究还有待进一步的深入。(3)磨蚀机理的研究。搞清楚泵的磨蚀机理，对于合理设计和延长泵的使用寿命具有重 要意义。对于泵内的磨损是汽蚀破坏还是单纯的磨损，或者是由于汽蚀和磨损联合作用而 导致，争论较多，目前也没有定论。(4)无堵塞泵内两相流动的研究。泵内两相流动的研究对合理设计过流部件有很重要的 指导意义，目前主要集中在颗粒运动规律的研究上。如用高速摄影技术、PIV技术得到颗粒 运动轨迹、粒子群运动规律，用CFD计算两相流动的浓度分布、颗粒与液体的运动速度等，国外开展这项工作已有40多年的历史，国内也正在开展中，近年来，很多论文涉及到这方5面 。1.3高效无堵塞泵的发展趋势高效无堵塞泵作为一个特殊泵型，今后的发展趋势主要体现在以下几个方面口。 (1)理论与设计科学化。由于湍流研究的困难，泵的设计理论基本上是一元理论和设计经验的结合，一代又一代叶片泵的研究者都力图使泵设计时减少对经验的依赖。泵的设计 理论和方法的研究，从流体力学的观点来看是一个反问题求解的问题，也就是说给定一个流场，来求其边界和约束。从吴仲华6提出两类相对流面以来，叶轮机械的三元流动计算的理论和方法已经得到了很大的发展。但是，叶轮机械反问题的求解，由于流场的复杂性 以及如何准确给定流场的研究还很不充分，因此效果也不是很好。(2)生产制造高技术化。新技术、新工艺、新材料的应用使泵制造的水平不断地提高， 新产品的开发速度不断地加快，泵的运行范围不断地拓宽，运行性能不断地改善。如CAD CAM技术的应用、各种耐磨材料的研究等7。(3)针对目标市场多样化、特种化。高效无堵塞泵发展趋势之一就是针对特定的介质、 特定的运行条件来设计特定的泵，以满足不同介质输送的要求。即根据输送介质和运行条 件的特点，设计制造通过能力适当，效率高，可靠性好，运行安全性好的产品。从高效无 堵塞泵的输送能力来看，有向大型化发展的趋势；从其功能来看，有信息化的趋势，如故 障诊断技术、远程监控技术的应用等。中国农业大学学士学位论文第二章 泵的结构方案确定及水力计算第二章泵的结构方案确定及水力计算2.1 泵型的选择目前作为无堵塞泵的叶轮主要有以下几种形式：(1) 螺旋离心式 无堵塞性好，适用于含颗粒和纤维物质的液体。对输送物质破坏性小，即无送性好。对于平衡要求较高。(2 ) 开式或半开式叶轮 叶轮磨损间隙增大，泵性能下降。无堵塞性能差，不能输送大颗粒，长纤维物质。（3）旋流式叶轮 具有良好的无堵塞性能，耐磨性好，适用于输送大颗粒物质，能输送含气体的液体， 不适合输送含长纤维物质的液体。（4）流道式流道式叶轮又称无叶片叶轮，从叶轮进口至叶轮出口是一个或两个弯曲的流道，适合 于输送大颗粒或含长纤维物质的液体。它的抗缠绕、无堵塞性能在几种高效无堵塞叶轮中8为最佳，泵的效率较高，功率曲线较平坦，耐磨损性也较好 。由于单流道叶轮结构不是轴对称的，且叶轮偏大，加之在运行中脉冲出流，径向力很 大，运行平稳性较差，因而要求对叶轮进行精密平衡，否则易产生振动，降低泵的可靠性 和使用寿命。通过分析，该设计选用 QW 型系列潜水排污泵，为了保证输送含有长纤维及固体颗粒的 介质时具有良好的通过性能，该泵采用双流道式叶轮。双流道叶轮从叶轮进口至出口由两 个弯曲的流道组成，结构对称，平衡性好，具有无堵塞、抗缠绕性能好、通过能力强、效 率高、功率曲线较平坦、耐磨性能较好等优点。2.2叶轮的水力设计2.2.1 叶轮结构参数计算（1）叶轮进口直径Dj式中Dj一叶轮进口直径，m； Q一泵流量，m3s；n 一泵转速，rmin；D = K 3 Qjj n（1）K j = 4.05.0 ，其中主要考虑效率时取较小值，而主要考虑汽蚀时取较大值。这里取4.5， 即3Dj=4.5 40/3600x1450=0.089m(2)叶轮出口直径K2-出口速度系数：D = K 3 Q22 n1/2K2=(9510.0)（ns /100）（2）其中ns =3.65n Q =H3/43.651450 40/3600=129.673/41/2即K2=9.8 （129.6/100）=8.612(3)叶轮出口宽度D =8.61 3 40/3600x1450=0.17m当叶轮流道出口断面大致为圆形时，b，可取为b2=(0.600.75) Dj（3）带入得：（4）流道包角b2=0.7 0.089=0.062m9通常为100250比转数大时取小值，比转数小时取大值 。本设计取=170（5）流道出口安放角 2一般为1825,这里取 2=202.2.2叶轮轴面投影图绘制步骤叶轮轴面投影形状出转弯处曲率稍大外和一般离心泵相同。表2-1叶轮前、盖板圆弧半径R1、R2、的选取ns8080180180250250R 1/Dj0.600.450.350.27R 2/Dj0.400.500.600.80图2-1双流道叶轮轴面投影示意图2.2.3 叶片绘型步骤1、在轴面图上作流道中线OO，中间的曲线可用某一半径的圆弧画出。2、把轴面流道中线分成若干段，成为O-O 1、O 1-O 2。3、在平面图上画等角射线，编号为a、b、c、d。4、在平面图上画流道中线的水平投影线OO、OO。曲线为光滑曲线（可采取用阿基米 德螺旋线），出口角等于预先确定的叶片出口角，其包角一般为90360。比转速大着 取小值。在OO线上作O 1、O 2、O 3，其半径和轴面投影分点的半径相等。 5、在平面图上过各分点作流道中心线的垂直线。流道出口部分的垂线和轴面图相应直径的 宽度围成的图形可以是圆形、椭圆形或长方形。其面积应大致等于叶轮进口的1/2,否则应 重新调整。6、过轴面流道中心线各分点向前、后盖板流线作垂线，记为1、2、3，1、2、3、，也可将两垂线连成光滑曲线。7、作出过流道中线各分点的截面图形。以O 1、O 2、O 3为中心，截面水平方向宽度和 轴面图相应的垂直线段相等。垂直方向宽度按下一步骤确定。 8、根据轴面投影图分点半径和过平面图流道中心线各点园弧段，利用扭曲三角形将流道中线展开成实际长度。将展开长度作为横坐标，按进、出口面积给定变化规律。根据各分点 面积值确定各截面的垂直距离，即根据水平、下四点作出的截面图形面积和相应分点的面 积相等。当然，流道面积变化也可取沿轴面流道中线或平面图流道中线长度，但展开长度 可能更合理。9、在平面图上作A-A截面图。为此，将轴面图上A-A截面和过分点截面线的交点 O 3和分点O 3的距离，图形交B3、B 3，将B3、B 3到水平线的距离，画到平 面图上过分点的垂线上，得到上部的B3和下部的B 3，类似作出其他各点得到 平面图A-A截面形状。类似的可以作出与A-A平行的各截面的形状。1110、按一定厚度变化规律画流道外壁平面截线。A-A截面图如下：图2-2 A-A截面图2.3 压水室设计压水室主要用来收集从叶轮中流出的液体，并降低液流速度，使动能转换成压能；同 时，还消除液体从叶轮流出的旋转运动，以减少水力损失。2.3.1压水室形状确定潜水排污泵的压水室通常有螺旋形压水室、环形压水室和准螺旋形压水室3种形式。压 水室的断面均有半圆形和矩形两种形状。由于螺旋形压水室具有过流形状完善、高效区宽、 水力性能好等优点，且该泵的比转数较大，故本设计采用螺旋形压水室保证大颗粒和长纤 维顺利通过。（a）螺旋形（b）环形（c）中介形图 2-3 压水室形状示意图通常断面形状对泵的性能影响不大，而在流道式无堵塞泵的设计中，用得最多的是梯 形断面压水室，因为容易制造。2.3.2压水室的水力计算涡室基圆直径D3应比普通离心泵大，一般取D3 = 1.11.2 D2另外，涡室进口宽度 b3、涡室隔舌安放角 0、隔舌头部直径比普通离心泵略大些即可。(1)基圆直径D3=1.15D2 =1.150.17=0.1955m(4)取D3=190mm(2)涡室进口宽度：b3=B2+(510)mm其中 B2 = bo 2 + b2=3 2 + b2 = 6 + 62 =68mm(5)b3=68+10=78mm(3)隔舌起始角 0=20(4)隔舌螺旋角o：o=2 =tan1Vm 2Vu 2=3.3(6）Q其中: 出口轴面速度：Vm 2=40/3600=0.36D2 b2 2v0.170.0620.970.971容积效率：v=2=0.97,1+0.68ns 3ZS2 / sin 223/ sin 20叶片排挤数：2=1-出口圆周速度：D2=1-=0.97170 D2 nu2=12.9m/s60出口圆周速度分量V =gHtu2 u2=9.8 8.14 12.9 =6.18m/sh 1 + 0.0835lg3 Q=0.86nHHt=7/0.86=8.14h(5)各断面面积。设计时，在8隔彼此成45的段面中，先计算并绘制第VIII断面，其他断 面以第VIII为基础。第VIII断面的面积FVIII 计算如下：3600360203QVIII =Q=36040=37.8 m /h360v3=(0.81.0)K3 2gH=0.90.45 2 9.8 7=4.7m/sQVIII37.8/36003 22vFVIII =3=2.23 104.7m =2230mm其他各断面的面积根据其所在断面的角度 计算F =FVIII 360 0(7)表2-2蜗壳其他断面角度及面积断面角度（度）面积F （mm2）I30196.8II75491.9III120787.1IV1651082.2V2101377.4VI2551672.5VI3001967.6(6)绘制轴面图在断面面积F 一定的前提下，根据b3、D3，参照相近ns且性能良好的涡室形状，并 按关系h/H=0.350.50,侧壁角=1025分别进行各断面的画图。绘图时，各断面可绘制在同一轴面上，相当于各断面的轴面投影。各断面的面积应等 于计算的面积，圆弧半径等各尺寸应当有规律变化。中间出水的螺旋形压水室水力单线图平面图如下：图2-4蜗壳平面图（7）扩散管。扩散管的作用在于降低液流速度，将动能转换为压能，从而减小排出管路中 的水力损失。当第VIII断面形状及泵排出口直径确定后，扩散管的主要结构参数是其长度 及当量扩散角。在选择L时，一般应使=812，这里取10。tan = Dd DVIII =0.087(8)22LDVIII = 4FVIII /= 4 2230/=53.3 取为50，根据法兰标准 Dd取为80mmL=170mm（8）涡室平面图。当确定了上述参数后，根据所画得各断面得高度H，在平面图中相应的 射线上找点，谈后光滑连接所得的各点，得涡室平面图上的螺旋线。各点应当用圆弧光滑 连接，将第VIII、第VII、第VI断面的点用圆弧连接，将第V、IV和III断面的点用圆弧连接， 将第II、I和0断面的点用圆弧连接。同时画出扩散管外形。（9）扩散管中间断面。扩散管出口是圆形，进口第VIII断面是不规则形状，从进口过度到出口，其间的断面应逐渐变化，以保证整个避免光滑，为此，可按下述方法制图和检查： 将第VIII断面画在出口圆形断面上，并做若干条射线，将扩散管沿长度等分为若干段，然 后将刚才绘出的进出口断面见的射线对应等分，光滑连接所得各点，则得中间断面形状。图2.5中间断面2.4 吸水室的设计2.4.1 确定吸水室形式直锥形吸水室，结构简单，性能优良，其中液体在直锥形收缩管中流动，流速渐增，分 布均匀，水力损伤小，保证叶轮进口有均匀的速度场。2.4.2确定吸水室尺寸吸水室进口直径Ds，通常取为Ds=（1.11.15）Dj。（Dj为泵叶轮进口直径）(9) 得 Ds =102.35mm，取100mm。 吸水室进口直径，也就是泵进口法兰处内径，应采用标准直径。通常吸入口流速为3m/s左 右。直锥形吸水室长度视泵的总体结构而定，并不特殊要求。图2-6 吸水室水力单线图2.5 泵轴的设计及计算水泵轴功率P= gQH =1.56kw。选2.2kw计算最小轴径的目的是为了给泵轴的结构设计提供依据。通常，最小轴径位于联轴器 处火叶轮轴孔处。按扭矩计算最小轴径dmin 的公式为min d 3 Mn0.2(10)nn3 p式中M 扭矩，Nm, M =9.55 10；np 计算功率，kw，可取 p =1.2P=2.64kw；泵轴材料的许用切应力，Pa。对于普通优质碳钢，可取=4.45 105 Pa。 确定出dmin 后就可以参考同类结构的泵，画出轴的草图。图 2-7 主轴示意图2.6QW泵结构设计2.6.1泵结构设计(1)潜水排污泵由潜水电机与水泵构成机电一体结构，为立式单级潜水泵，渗漏排水用 潜水排污泵安装在泵房内，潜水排污泵的出口与藕合接口连接，两根平行的导轨固定在藕 合底座上，藕合接口能沿着导轨从泵坑顶部到藕合底座间自由地滑动。当泵放下至最下端 时，其藕合接口与藕合底座紧密结合，依靠泵自身重量的压力下就能完全的密封。泵的整 个重量由藕合座承担，泵体及泵底不与泵坑接触。(2)为了保证潜水泵在长时间停机后，能顺利启动，为此潜水排污泵在结构上设有电机 防凝露装置(18.5kW 以上)，确保电机绝缘保证在 300M 以上。主要原理是：潜水泵电机 在实际运行中，有可能在停车时，渐渐吸潮，吸湿现象将反映在电机绝缘电阻的缓慢下降， 进而造成电机的损害。为保护潜水电泵电机的绝缘性，提高耐用性，本保护装置通过检测 电泵信号线电阻值的变化，当湿度达到 100%，即露点时，通过端子检测到停机信号，延 时一段时间，本装置除湿加热常开接点接通，驱动除湿加热装置。直至湿度达到 70%自动 停止加热。若电机一起动，本控制系统立即停止工作，机械密封设有防砂装置、轴承具备 永久自润滑功能并与介质完全隔离。潜水排污泵结构上设有绕组超温报警开关，绕组漏水 报警，轴承超温报警装置，机械密封设有漏水报警等功能，所有保护功能均通过专用保护 器进行保护。(3)潜水排污泵叶轮采用 CFD 计算机三维流体流场动力学数字模拟技术设计，根据设 计所需要的技术性能参数，采用 CFD 技术可以直观的了解流体在叶轮和泵壳的共同作用下 的受力状况和流场流态，设计的水力模型效率高、无堵塞，具有通过一定直径的大颗粒、 长纤维的能力，为大通道叶轮，叶轮为整体铸造，叶轮与轴之间采用双键内部锁定结构， 在正转和反转时均不会松动，在拆卸时叶轮能方便地从底部抽出。(4)为了保证潜水排污泵始终处于高效运行状态，在水泵叶轮和泵壳上设有耐磨密封环， 并具有可靠的固定，能有效地保证叶轮与泵壳之间的密封，并能方便的更换。(5)潜水排污泵设有控制电缆和动力电缆，为了防止由于电缆的密封失效而使介质进入 电机的隐患，潜水排污泵在结构上采取用电缆进线盒的动力电缆接线板将进线盒与电机完 全密封分隔开，外部物质不能进入电机，同时能为机组设备进行方便地维修。电缆电线密 封采用特制的硫化橡胶密封头，能方便地进行更换并能有效地密封，电缆线采用 YCW 型橡 套电缆，为柔性防水电缆，电缆长度为 10 米，电缆带有接地线，为黑色，接标志明显，在 使用期内不会磨灭。(6)潜水排污泵蜗壳采用 CFD 计算机三维流体流场动力学数字模拟技术设计，根据设 计所需要的技术性能参数设计，采用单蜗壳式，侧向排水，底部吸水，采用无阻塞偏心式 结构设计，内流道光滑有规则变化且具有足够大的截面，可以使液体及固体物质能顺利平 稳地通过泵壳，为防止长时间停机后水中污物和有机物的沉淀造成的叶轮和蜗壳的堵塞现 象，根剧需要可在蜗壳结构上设有清理手孔和可拆卸的手盖，能够很方便的进行清理。(7)为确保潜水排污泵正常可靠运行，在泵轴配备串联式双层独立的机械密封，采用优 质碳化钨机械密封，机械密封使用介质为 PH510，正压可承受 1Mpa，负压可承受 0.5Mpa。 机械密封设计寿命大于 15000 小时，密封装置在油室内运行，密封接触面在常速条件下通 过液压作用来润滑。在泵和油箱之间下部密封装置有一只静止环和一只正向旋转的碳化钨 环。在油箱和电机腔之间的上部密封装置配备一只静止环和一只正向旋转的碳化钨环，机 械密封的内界面通过自身和弹簧系统保持紧密接触，密封装置自动补偿磨损间隙，同时便 于检查和更换。每台泵的轴封系统配备一只油室，油室内具有一定空间以容纳由于温度变 化引起的油的膨胀，排放孔和检查孔有防漏密封装置，并从外面容易疏通。(8)为了确保潜水排污泵泵轴轴承的使用寿命不低于 100000 小时，在设计上采用进口 轴承，结构上进行优化设计，增加轴承的温度保护功能，改善轴承的润滑条件采用油脂润 滑，使轴承能够承受任何工况下的轴向和径向载荷，并在结构上设有减小轴向力和保证轴 向力平衡的措施，泵轴承完全与泵送的水流分开。潜水排污泵叶轮采用双键内部锁定结构 固定在电机轴上，能方便地更换。(9)潜水排污泵采用鼠笼式异步电动机，选用优质产品，电机防护等级为 IP68，电动 机按湿热型设计，具有防潮、防霉、防盐雾的性能，在长期停机后仍能保持优良的耐潮、 耐压及起动性能。允许每小时启动 15 次以上。电动机的冷却方法分内外二路。内风路的设 计，即转子自带电扇，在定子铁心轭部有轴向风道，能使电机转子上产生的热量及定子绕 组端部生产的热量借助内风路的传递，与定子铁心内(包括定子绕组的直线部分及铁心)产 生的热量共同借助于机座壁与外面冷却水流道里的水进行热交换，从而冷却电机。机壳经 0.45Mpa 静气压试验不得有渗漏现象出现。(10)潜水排污泵定子采用 F 级绝缘，电机绕组最高耐热温度为 155，在最高 40泵 送介质温度中最大温升不超过 100K，定子绕组采用少胶绝缘结构，将少胶粉云母带连续绕 包的线圈嵌入定子铁心，经“VPI”真空压力浸漆后，烘焙固化，使线圈与定子铁心形成 一个整体，此绝缘处理工艺通过抽真空排除线圈绝缘层内、铁心与线圈之间、铁心与机壳 之间的空气，然后用压力将浸渍漆压入到绝缘层内与铁心与线圈之间空隙内，使它们成一 个密实的整体，该绝缘体系综合性能优异，无气隙，端部固定牢靠，因而电机的介损小、 介电强度高、机械强度高、耐热性好、导热性能提高，运行可靠性高，寿命长，保证电机定子绕组在浸水 72 小时后绝缘电阻的下降值不会超过相应标准的规定值。定子绕组在制造 过程中进行多次耐压试验，如绕组下线后、浸漆后、整机试验后，最后作出厂 2UN+1000V 的耐压试验。2.6.2 泵材料说明(1)潜水排污泵叶轮、泵壳、机座等采用优质铸铁铸造，具有较高的耐磨性和耐腐蚀性， 能承受一定负荷的冲击；(2)潜水排污泵轴采用 2Cr13 不锈钢制造，具有足够的强度和刚度，在结构设计上采取 了消除应力集中的措施，电机轴与泵送介质完全隔开；.(3)潜水排污泵的机械密封采用碳化钨材质，可确保使用寿命在 15000 小时以上；(4)潜水排污泵的轴承采用进口轴承，其设计运行寿命可确保在 100000 小时以上； (5)潜水排污泵的静密封采用丁晴-70O 型圈； (6)潜水排污泵所有紧固件螺栓、螺母均采用不锈钢件。263QW 泵总装图及叶轮、压水室、吸水室结构图QW 系列潜水排污泵是我国在引进国外技术的基础上研制的新一代潜水排污泵。图 2-8 QW 泵总体装配图为了保证输送含有长纤维及固体颗粒的介质时具有良好的通过性能，该泵采用双流道 式叶轮。双流道叶轮从叶轮进口至出口由两个弯曲的流道组成，结构对称，平衡性好，具 有无堵塞、抗缠绕性能好、通过能力强、效率高、功率曲线较平坦、耐磨性能较好等优点。 叶轮为整体铸造，在叶轮与泵体叶轮上设有耐磨密封环，并具有可靠的固定，能有效地保 证叶轮与泵壳之间的密封，并能方便的更换。叶轮结构图如下：图 2-9 叶轮结构图本设计中采用直锥形吸水室，其特定为结构简单，性能优良，其中液体在直锥形收缩 管中流动，流速渐增，分布均匀，水力损伤小，能保证叶轮进口有均匀的速度场。吸水室 结构图如下：图 2-11 吸水室结构图由于螺旋形压水室具有过流形状完善、高效区宽、水力性能好等优点，且该泵的比转 数较大，故本设计采用螺旋形压水室并采用中间出流方式来保证大颗粒和长纤维顺利通过。 压水室结构图如下：图 2-10 压水室结构图中国农业大学学士学位论文第三章QW 泵结构说明第三章 WQ 泵结构说明3.1 泵体叶轮在实测试验基础上，精心选择和匹配泵体、叶轮，使不堵塞性好，效率高，功率平坦， 不易过载。叶轮平衡精确，振动小，运转平稳。3.2 电机及其冷却与外壳设计专门设计的潜水电机，IP8 防护，F 级绝缘允许温升高，在正常温升条件下，电机绝 缘寿命延长，而潜水冷却效果好，实际温升低，电机绝缘寿命更长。电机的发热通过机壳散热，介质只要淹没电机电子机壳一半，就能可靠安全运行，淹 没越多 ，越有利电机冷却。机壳、上端盖、压盖等组成电机外壳，各零件接连配合处有可靠地静密封，每台都经 严格的水压试验检查，确保不渗漏万无一失。3.3 轴封电机轴封采用两个串联独立的机械密封，形成二道可靠地密封防线。第一道在泵内介 质中，密封面随介质压力增加压的更紧，有效地阻止水进入油室。第二道在油室中，防止 油进入电机内，若第一道防线失效（它工作条件比第一道差些），第二道防线仍可防止油 水进入电机。波纹管式的机封配合创新的结构控，使油封可靠性进一步大大提高，正常使 用情况下，无故障运行时间超过 8000h。3.4 油室油室是防止介质进入从泵轴进入电机的一道屏障，防止介质进入电机，若第一道机封 渗漏时，由油室缓冲介质不能直接进入电机。同时对两个独立的机封摩擦面润滑冷却，使 机封工作更可靠，除外，它尚能带走轴承的发热和电机的一些热量。3.5 轴承下部的双列角接触轴承承载能力强，与上部深沟轴承组成电机水泵轴的可靠支承，对 排污泵工作时产生的径向、轴向力和其他的力有较大的承载裕度，确保机组平稳运转和长 的寿命。3.6 电缆及其密封（1）电缆为耐水的重型橡套软电缆、电缆线蕊截面按 40 摄氏度环境温度及电机满载功率下长期可靠运行设计，若排污泵工作时，电机在非满载功率下或在环境 40 摄氏度以下运 行，使用寿命更长。（2）电缆橡胶套与电机压盖间有密封压紧，防止介质从电缆与电机盖间口渗入电机内腔。（3）电缆套与线蕊间有树脂灌封，一旦橡胶套划破，仍能有效防止介质从电缆套内进入 电机。3.7 机泵内安全保护（1）油水探头：安装于油室内，检测第一道机封（介质中）渗漏情况。当渗漏介质到油 室中，达到一定比例是报出信号。（2）浮子开关：安装在电机内腔中，检测第二道机封渗漏情况，当油（油水混合物）进 入电机，浮子开关将发出信号。（3）热敏元件：安装在电机定子绕阻内，若电机长时超载，电机绕阻温度(或其他原因 电机绕阻发热)达到一定值时，发出信号。3.8 外部控制系统配套专用电控柜能将泵内的各种信号进行处理，实现控制、保护、声光报警等功能和 单泵、多泵自动化控制。设有专用提手，以便搬运，绝对禁止搬运时对电缆拉拽（或作为提绳），以致拉松电 缆与电机盖的密封，造成电机进水，将电缆压固于提手上后也禁止提拉电缆来搬运排污泵。3.9QW 泵技术说明(1)潜水排污泵能抽送含有碎布、短纤维材料及一般废物和其它一些未处理的污水，并 能通过直径为出水口径 50%的固体颗粒。(2)潜水排污泵能够在规定的范围内正常工作，无汽蚀发生，运行平稳，无卡死、停滞 现象，并具有稳定的压头流量特性，当泵在其特性曲线上一点运行时，电机功率不超载。(3)潜水排污泵的所有承压零件均作气压试验，试验压力为其设计压力的 2 倍，但不低于0.45Mpa，历时 30min 而无泄漏现象。(4)潜水排污泵在组装后，进行 0.2MPa 气压试验，历时 30min 而无泄漏现象。(5)潜水排污泵所有零部件、密封件、防腐涂料等均采用符合国家有关标准的材料，其 表面光亮、无砂眼、裂痕等，为防止潜水排污泵由于受介质浸蚀，凡与水接触面均作防盐 渍、防腐喷涂处理，表面采用喷丸二次抛光除锈并达到 Sa2.5 级，然后采用喷涂耐腐蚀环 氧树脂粉末的处理方式，涂层厚度大于 0.3mm 小于 1.4mm，流道表面光滑平整，可保证涂 层使用有效期不小于 5 年。(6) 潜水排污泵叶轮、 转子作动平衡试验， 平衡精度为 G6.3 级， 振动烈变不大于0.45mm/s。(7)潜水排污泵采用水套式冷却系统，可以保证在潜水电机完全露出水面的条件下连续 运行，运行方式为连续运行、间隙运行或长期停止的恢复运行，每小时允许起动 15 次而不 会引起任何损坏，为了保证电机温升不大于规定要求，在电机结构上设有内外部冷却通风 结构，内部通风结构确保电机的温度迅速的通过内风道冷却、外部冷却主要通过水套中流 动的介质水将电机表面的温度由介质带走从而达到降温的目的，每台潜水排污泵都有一个 完善的、内在冷却系统，电机水冷却夹套包围定子室，叶轮背部的叶片所产生的背压能把 泵送液体的部分通过一个循环通道后作为冷却液体在冷却系统中循环。无论电机部分浸在 所泵的液体中或直接曝露在空气中，冷却系统都能保证潜水排污泵能在最高 40环境温度 下连续运行。(8)潜水排污泵机组允许反转，其最大反转转速为运行中的可能出现的最大飞逸转速， 为额定转速的 130%，在持续时间 2min 的情况下，各部件不会出现损坏，为保证机组的安 全，潜水排污泵在轴承的结构设计、轴承的强度设计、叶轮强度计算时，均按可能出现的 最大飞逸反转转速进行设计。(9)不锈钢铭牌牢固的固定在每台泵的明显的位置，铭牌采用冲压的数字标志。 (10)每台泵的起吊耳置于上盖的泵重心附近牢固、可靠。中国农业大学学士学位论文第四章结语第四章结语随着科学技术的不断发展，泵输送的物质日益增多。高效无堵塞泵是指用来能够输送 液体中含有任意形状悬浮固体物及纤维状物质泵的统称，由于其在市政、环保、污水处理、 轻工、矿山、化工、食品等行业的应用日益增多，因此，它是近年来国内外热门的前沿研 究课题和重点开发的新产品。由于传统水泵设计方法的局限性，其抗堵塞、防缠绕性能较 差，严重影响和制约着工农业生产、市政建设和环境保护工作等的发展，大大束缚了企业 的生产能力。因此，研究、设计一种高效节能，防缠绕、抗堵塞性能好，可靠性高，适合 于产业化生产并进行广泛推广应用的高效无堵塞泵、并创新地提出其设计理论与方法就显 得尤为必要和迫切。今后我们仍需继续致力于用更加科学的方法来提高潜水排污泵的性能。经过四个月以来对于潜水排污泵的学习、分析和设计，对今后潜水排污泵开发研制提出 以下几点看法：(1) 研制开发大流量、大功率和高扬程的大型潜污泵及小流量、小功率和低扬程的小型 潜污泵，以适应国民经济各部门、各领域发展的需要。（2）研制开发各种形式的高效叶轮，提高潜污泵效率，节省能源。（3）研制可靠性高的潜污泵检测、控制和保护装置，提高运行的安全性和可靠性。（4）开发设计潜污泵的简便可靠自动耦合装置，实行快速安装和拆卸。（5）研究先进、高效节能潜污泵的设计理论和设计