（流体机械及工程专业论文）双流道式污水泵叶轮三维设计及水力模型开发研究.pdf

双流道污水泵三维设计方法研究 7 基于有限体积法，采用s i m p l e c 算法及标准k 一占两方程湍流模型，对双流道 污水泵q w 9 5 0 1 5 5 5 的主要过流部件内部流场，作了全通道定常流动数值模拟。模 拟了包括设计工况在内的i l 个工况，捕捉到双流道叶轮及蜗壳内部流动的一些典 型特征，重现了一些重要的流动现象，提出了进一步改进的办法。 8 由山东双轮集团股份有限公司制造的样机，经过试验测定，额定效率达到 8 5 3 3 ，而目前国产泵的各种叶轮形式的污水泵，排出口径为3 0 0 m m 的，效率在 7 4 8 3 之间。 9 数值模拟得到的预测特性与样机试验结果比较表明，两者吻合较好，说明 c f d 计算结果是可靠的，可作为进一步完善设计提高性能的依据。 关键词：污水泵；双流道泵；叶轮；三维设计方法；参数化设计；数值模拟；试 验 双流道污水泵三维设计方泫研究 7 基于有限体积法，采用s i m p l e c 算法及标准k 一占两方程湍流模型，对双流道 污水泵q w 9 5 0 - 1 5 5 5 的主要过流部件内部流场，作了全通道定常流动数值模拟。模 拟了包括设计工况在内的1 1 个工况，捕捉到双流道叶轮及蜗壳内部流动的一些典 型特征，重现了一些重要的流动现象，提出了进步改进的办法。 8 由山东双轮集团股份有限公司制造的样机，经过试验测定，额定效率达到 8 5 3 3 ，而目前国产泵的各种叶轮形式的污水泵，排出口径为3 0 0 m m 的，效率在 7 4 8 3 之间。 9 数值模拟得到的预测特性与样机试验结果比较表明，两者吻合较好，说明 c f d 计算结果是可靠的，可作为进一步完善设计提高性能的依据。 关键词：污水泵；双流道泵；叶轮；三维设计方法；参数化设计；数值模拟；试 验 博f ：学伊论文 a b s t r a c t r e s e a r c hw a sc a r r i e do u tf o c u s i n go nt h r e e d i m e n s i o n a d e s i g nm e t h o d so f d o u b l ec h a n n e ls e w a g ep u m p si m p e l l e ra n dd e v e l o p i n gp r o g r a m sb a s e do n r e d e v e l o p m e n to fp r o ef o rp a r a m e t r i cd e s i g no fi m p e ll e ra n dc f d c o m p u t a t i o no fi m p e ll e ra n dv o l u t e ，t h ew h o l ef l o wp a s s a g eo fd o u b l ec h a n n e l s e w a g ep u m p s o m ea c h i e v e m e n t sa sf o ll o w sw e r eo b t a i n e d s o m ep r o b l e m so fu s u a ld r a w i n gm a n n e ro ft h ev a n eo fd o u b l ec h a n n e li m p e ll e r w e r ef o u n d i ti st h ei n c o n f o r m i t vb e t w e e nt h ed i m e n s i o n so fp l a n e v i e w a n dp i n a c o i d - v i e wo ff l u i dc r o s s - s e c t i o n t h es h a p eo fc r o s s - s e c t i o ni s a ne 1 1 i p s ef o l d e di nh a l ft h r o u g ho n es y m m e t r ya x i s a n dt h ea x i sk e e p s p e r p e n d i c u l a rw i t hp i n a c o i d v i e w t h u st h ed i r e c t i o no ft h ec r o s s s e c t i o n i su n r e l a t e dw i t hc e n t e rc h a n n e lc u r v ei np l a n e v i e w t r a d i t i o n a ll y ，i t i sa s s u m e dt h a tt h ec r o s s - s e c t i o ni sp e r p e n d i c u l a rw i t hc e n t e r c h a n n e l c u r v e t h i si sn o tt h ef a c t i ti sc o n s i d e r e dt h em a j o rc a u s er e s u l t e d i nt h ed i s a g r e e m e n ta m o n gp l a n ev i e w ，d i m e n s i o no fc r o s s s e c t i o na n da c t u a l w o o df o r m e ro fd o u b l ec h a n n e li m p e l l e r t h em o r er e a s o n a b l ed e s i g np r o c e s s s u g g e s t e di sd r a w i n gd e s i g nf i r s t ，t h e nt h r e e d i m e n s i o nd e s i g ns e c o n d ，a n d t h r e e d i m e n s i o na c h i e v e df i n a ll yc a nb eu s et oc r e a t et h ed r a w i n gs oa s t os e c u r et h ea g r e e m e n to ft h et h r e e d e s i g ne x p e r i e n c ep r o v e st h e r a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g np r o c e s s t h ei m p e ll e ro fd o u b l ec h a n n e ls e w a g ep u m pi sd e f e r e n tf r o mc o m m o n c e n t r i f u g a lp u m p ，i t ss h a p ei ss p e c i a l s ot h em e t h o do fb u i l d i n g3 - dm o d e l s t il ln e e d st ob ee x p l o r e df u r t h e r r e s e a r c ho fm o d e li n g3 - ds h a p eo ft h e i m p e l l e ri np r o ew a sc a r r i e do u t 3 - dp a s s a g ec e n t e r 一1 i n ei sg e n e r a t e d b yp r o j e c t i o n ，a n dt h e ni ti sm a d et h eo r i g i n a lt r a j e c t o r yt op r o d u c ei n n e r p a s s a g eb yc o m m a n ds w e e pa n db l e n d ，w i t hp a s s a g ec r o s s s e c t i o n sa ss e c t i o n s i n n e rp a s s a g ec e n t e r 一1 i n ei se x t e n d e dt ot h eo u t e rd i a m e t e ro ft h ei m p e l l e r w i t hi t sr u l ef o r m u l a ，t h ec u r v er e s u l t e di sr e g a r d e da s a no r i g i n a l t r a j e c t o r y ，a n ds e c t i o n si sp l a c e di np r o p e rp o s i t i o nt h r o u g ho u t e rp a s s a g e p r o f il e1i n e t h e nt h eo u t e rp a s s a g ec a nb em a d eb yc o m m a n ds w e e pa n db le n d af a i l u r et of o r md o u b l e i n n e r 。c h a n n e lm o s tp o s s i b l yi se n c o u n t e r e dd u r i n g 双流道污水泵了维设计方法研究 t h ep r o c e d u r et ot r a n s f o r m2 - dd r a w i n g i m p e ll e r ，a n da n a l y s i sw a sa v a il a b l ef o r w a sp r e s e n t e dt oi m p r o v es u c hc o n d i t i o n p r o v e sc o r r e c ta n de f f i c i e n t t o3 - dm o d e lo fd o u b l e - c h a n n e l t h ep o t e n t i a lc a u s e s ，t h em e a s u r e s b yp r a c t i c e ，t h em e t h o dp r e s e n t e d p r o b l e mo fd i s a g r e e m e n tb e t w e e n2 - dd r a w i n ga n da c t u a lw o o df o r m e r o f d o u b l e c h a n n e li m p e l l e ro fs e w a g e p u m pm o s tp o s s i b l ye n c o u n t e r e di ft h e d e s i g ni sf r o mt r a d i t i o n a l2 一dm a n n e r r e s e a r c hw a sc a r r i e do u tf o rt h e m e t h o do f3 - dd e s i g nd i r e c t l yi np r o e n g i n e e r ，s o2 - dd r a w i n gc a nb e p r o d u c e db yp r o j e c t i n gt h r o u g h3 - di m p e l l e rd e s i g n e d t h ep r o c e d u r ec a n s e c u r et h ea g r e e m e n tb e t w e e n2 一dd r a w i n ga n da c t u a lw o o df o r m e r a d d i t i o n a l l y ， af o r m u l aw a sd e u c e d ，w h i c hs h o w st h er e l a t i o nb e t w e e nt h e o u t l e ta n g l eo fc e n t e rli n eo fc h a n n e la n dw r a pa n g l e ，v a r i a n tc o e f f i c i e n t ， i fa r c hi m e d e ss p i r a lisa s s u m e da st h ec u r v eo fc e n t e r1i n eo fp l a t ep l a n e i t i st h eb a s i sf o rc o n t r o l l i n go u t l e ta n g l eo fc h a n n e l a n o t h e rf o r m u l aw a sp r e s e n tf o rt h ec a l c u l a t i o no fn o r m a ld i s t a n c ef r o m p o i n t so nt h ec e n t e rl i n et oo u t e rd i a m e t e ra n df o r m u l ao fc r o s s s e c t i o n a r e ai sa l s oa v a il a b l e t h e yp r o v i d ec o n v e n i e n c ef o r c a do fd o u b l e c h a n n e l i m p e ll e r b a s e do ni t ，aa n a l y t i cm e t h o dw a sd e v e l o p e df o rf i n d i n go u tt h e o u t l e tp o i n t b a s e do nt h et h r e e d i m e n s i o nd e s i g nm e t h o d ，p r o g r a mf o rp a r a m e t r i cd e s i g n o ft h ei m p e ll e ro fd o u b l e c h a n n e ls e w a g e p u m pw a sd e v e l o p e d i tw a s r e d e v e l o p e di np r o ew i t hv c + + t h ep r o g r a mc a nb eu s et oc r e a t ep a s s a g e s o ft h ei m p e ll e ro fd o u b l e c h a n n e ls e w a g e p u m pd i r e c t l yb yi n p u t t i n gs o m e r e q u i r e dp a r a m e t e r s r e s u lt e dp a s s a g e so fi m p e ll e rc a nb eap r o p e rb a s e f o rf u r t h e rc f dc o m p u t a ti o na n dn cm a n u f a c t u r e itp r o vid e sc h a n c et o p r e v i e wt h ea x i a lp r o f il ea n dp l a n e p r o f il e ，s ou s e rc a nd e c i d ep r o p e rp l a n a tf i r s ta f t e ri n p u t t i n gp a r a m e t e r s b e f o r et h eo u t e rp a s s a g ei sc r e a t e d ， u s e r c a nc h e c ki n n e rp a s s a g e si ss u c c e s s f u lo rn o t ，t h e nd e c i d ew h e t h e r t od os o m e t h i n gt om a k et h e mb e t t e r t h ep r o g r a ma l s op r o v i d em o d u l e st o m o d i f yt h ec o n t r o lc u r v eo fi n n e rp a s s a g ef l o wa r e aa n dr e g u l a t i o no fo u t e r p a s s a g et h i c k n e s s ，i no r d e rt oc o n t r o lt h es h a p eo ft h ei m p e ll e r a n dd o u b l e i v 博十学位论文 c h a n n e li m p e ll e rq w 9 5 0 1 5 5 5w a sd e s ig n e db yt h ep r o g r a m m e t h ei n t e r n a lf l o wi n i m p e ll e ra n dv o l u t ec a s i n go fq w 9 5 0 - 1 5 5 5 d o u ble c h a n n elp a s s a g ep u m p w a si n v e s tig a t e d b a s e do nt h er e y n old s a v e r a g i n gn se q u a t i o n sa n ds t a n d a r dk 一占t w oe q u a t i o nt u r b u l e n tm o d e l ， t h es i m u l a t i o n so ft u r b u l e n tf l o wb e t w e e ni m p e ll e r sa r ep e r f o r m e db yu s i n g t h ef l o wc o m p u t i n gs o f t w a r ef l u e n tu n d e r11d if f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s i m p o r t a n tf l o wi n f o r m a t i o nw a so b t a i n e d m o d elm a c h i n ew a sm a n u f a c t u r e db ys h a n d o n gs h u a n g l u np u m p sc o ，l t d ，a n d c h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ta n dt h ee f f i c i e n c yo fd e s i g n c o n d i t i o nr e a c h8 5 3 3 h o w e v e r ，t h ee f f i c e n c yo fc u r r e n td o m e s t i cs e w a g e p u m p so fa l lt y p e si m p e l l e t ，w i t ho u t e rd i s c h a r g ed i a m e t e r3 0 0 m m ，i sb e t w e e n 7 4 8 3 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sc o m p a r i n gw i t hc f dp r e d i c t e dc h a r a c t e r i s t i c ss h o w s ag o o d i d e n t i t y s oc f dr e s u l t sc a np r o v i d er e f e r e n c e sf o rf u r t h e rd e s i g n k e yw o r d s ：s e w a g ep u m p ：d o u b l ec h a n n e lp u m p ：i m p e ll e r ：3 - dd e s i g nm e t h o d p a r a m e t r i cd e s i g n ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：e x p e r i m e n t v 博士学伊论文 插图索引 图1 1 流道式叶轮一4 图2 1 双流道叶轮轴面投影图1 3 图2 2 双流道叶轮第四断面1 3 图2 3 通常的a a 截面1 4 图2 4 第4 断面在a a 截面上的实际投影1 5 图2 5a a 截面上的内外流道1 7 图2 6 断面形状l 1 7 图2 7 断面形状2 1 7 图2 8 生成的空间流道中线1 8 图2 9 断面空间位置1 9 图2 1 0 由断面混合生成的流道1 9 图2 1 1 流道实体造型1 9 图2 1 2 叶轮实体造型一1 9 图3 1 叶轮轴面图几何参数表示2 1 图3 2 r d ，、足n 与聆。的关系2 3 图3 3 流道中线求解图2 3 图3 4 流道中线出口角计算示意2 8 图3 5 流道中线出口角与包角和系数肘的关系2 8 图3 6 流道中线到叶轮外圆法向距离的计算一2 9 图3 7 自流道到叶轮外圆法向距离( m 变化) 2 9 图3 8 自流道到叶轮外圆法向距离( 沙变化) 一3 l 图3 9 轴面图流道中线上取5 点31 图3 1 0 平面流道中线上点到外径的法向距离3 2 图3 1 1 描点得到的半径与面积的关系3 2 图3 1 2 用数值方法确定流道出口点3 2 图3 1 3 草绘轴面图。3 3 图3 1 4 基准曲线方式生成平面型线3 3 图3 1 5 内流道3 5 图3 1 6 内流道面积控制曲线3 5 图3 1 7 外流道形成示意3 6 图3 18 双流道一3 6 图4 1 参数化设计原理3 8 图4 2 通过程序生成新的模型4 4 图4 3m a t l a b 、m a t c o m 、v c 三者关系一4 7 图4 4 轴m 图第三区域类型的判断4 8 图4 5 双流道叶轮流道三维参数化程序流程图一5 1 图4 6 水力设计参数输入对话框5 2 图4 7 内流道三维造型5 3 图4 8 内流道截面面积控制曲线5 3 双流道污水泵三维设计方_ = ! = 研究 图4 9 外流道截面尺寸对话框5 3 图4 1 0 外流道壁厚变化规律5 4 图4 1 1 外流道更新5 4 图4 1 2 切除多余部分5 4 图4 1 3q w 3 0 0 q w 9 5 0 1 5 5 第一种方案5 5 图4 1 4q w 3 0 0 q w 9 5 0 1 5 5 第二种方案5 6 图4 15 q w 3 0 0 q w 9 5 0 1 5 5 第三种方案5 6 图5 1 流场数值计算分类图6 0 图5 2 湍流数值计算方法及相应的湍流模型6 2 图5 3 叶轮蜗壳及计算网格6 9 图5 4 叶轮静压等值线7 l 图5 5 叶轮总压等值线7 1 图5 6 叶轮相对速度等值线7 2 图5 7 叶轮内冈轴向旋涡引起的涡流7 2 图5 8 叶轮轴面图平面i 图及涡线7 3 图5 9 叶轮出口的压力和速度的周向分布一7 5 图5 1 0 蜗壳几何参数7 6 图5 1 1 蜗壳对称面上压力速度云图7 8 图5 1 2 蜗壳对称面上速度矢量7 9 图5 1 3 蜗壳各断面上的静压云图8 0 图5 1 4 蜗壳各断面总压云图8 1 图5 1 5 蜗壳各断面速度云图8 2 图5 1 6 蜗壳各断面速度矩云图8 3 图5 1 7 蜗壳各断面速度矢量图8 4 图5 1 8 蜗壳内的流线一8 5 图5 19 蜗壳改善措施一8 7 图5 2 0 全流场压力速度云图8 9 图5 2 l 预测值与试验结果对比一泵性能9 2 图5 2 2 预测值与试验结果对比一轴功率9 2 博t 学伊论文 附表索引 表1 1 各种污水泵叶轮性能的比较5 表3 1r d i 、足9 2 与力。的关系2 2 表4 1q w 3 0 0 q w 9 5 0 一1 5 5 的三种水力模型主要参数5 5 表5 1q w 9 5 0 一1 5 5 5 双流道污水泵预测性能一9 0 表5 2 泵性能参数一泵参数9 1 表5 3 泵性能参数一电参数9 1 i 双流道污水泵了维设计方法研究 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者虢很砷 嗍。g 年蝴7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：珏撕 导师签名：每0 暑。艾 日期：汐莎年z 月7 日 日期：矽易年二月参日 i v 博士学位论文 第1 章绪论 双流道污水泵是流道式无堵塞泵的一种。无堵塞泵主要用于输送生活污水、 工业废水或工业流程中含有固体颗粒或纤维状悬浮物的液体，如抽送污水污物、 泥浆、纸浆、灰渣、粮食、淀粉、鱼虾、贝壳等。它广泛用于市政、环保、污水 处理、轻工、化工、矿山、石油、水利、冶金等行业。双流道形状特殊，内部流 动复杂，是近年来国内外热门的研究课题和重点开发的新产品n 刊。 1 1本课题来源和研究的意义 1 1 1 课题来源 目前，由于双流道污水泵在绘型方式、设计理论与方法，性能预测与内流分 析等方面的研究仍然不够，因此进行了本课题的研究。以本课题的研究方向为主 要内容，申请立项了甘肃省科技攻关计划项目( 项目编号：2 g s 0 4 7 - a 5 2 一0 1 1 ) “3 0 0 q w 9 3 0 - 1 5 5 5 双流道式污水泵研制 。 1 1 2 研究的背景、目的和意义 1 污水泵在环保方面具有重要的现实意义 改革开放以来，我国城市化也进入快速发展时期，城市数量由1 9 7 8 年的1 9 3 个 增2 1 至u 2 0 0 4 年的6 6 6 个。随着我国城市建设的发展和城市化进程的加快，城市水污 染问题日益突出，城市污水处理己经成为当前水污染治理的重点。 长期以来，我国城市基础设施的发展与人口、资源、环境和工业建设不够协 调，导致基础设施长期超负荷承载。全国绝大多数城市的污水处理能力远远满足 不了实际需要n 3 。蛰j 2 0 0 5 年底，全国还有2 7 8 个城市没有建成污水处理厂；有3 0 多 个城市约5 0 多座污水处理厂运行负荷率不足3 0 ，或者根本没有运行；污水处理厂 污泥和垃圾普遍存在二次污染隐患；污水再生利用水平有待提高；一些企业超标 排污，严重影响污水处理厂安全运行n 】。 在今后相当一段时期内，我国将继续处于高速的城市化进程中，据预测，到 2 0 1 0 年建制城市数量将由现在的6 6 8 个增h n 至9 8 0 0 个；建制镇由现在的1 9 2 0 0 多个增 2 h 至u 2 5 0 0 0 个以上；城镇人口总量将从现在的3 8 亿增d n 至u 6 7 i l n l 。城市污水处理 厂作为重要的基础设施之一，必将随着城市化的进程得到迅猛发展。按照城市 污水污染控制技术政策要求，城区人口达5 0 万以上的城市，必须建立污水处理 设施；在重点流域和水资源保护区，城区人口在5 0 万以下的中小城市及村镇，应 依据当地水污染控制要求，建设污水处理设施 1 。 污水泵是城市排污的主要设备之一。由于其良好的抗缠绕性、无堵塞性及效 双流道污水泵维设计方法研究 率指标，双流道叶轮结构型式在高效污水泵系列产品的开发中得到了广泛应用。 因此，大力开展双流道污水泵水力模型的研究，在提高其性能，无论是环保方面 还是在节能方面都具有重要的理论价值和现实意义。 2 双流道污水泵的设计理论及方法需进一步研究 双流道污水泵大多用于输送含有固体颗粒、纤维等杂质的流体介质，工作环 境恶劣，耗电量大。因此，研究、开发一种高效节能、防缠绕、抗堵塞性能好， 可靠性高，适合于产业化生产的高效污水泵显得尤为必要和迫切。 虽然早在九十年代初，国内就开始了双流道污水泵的研制，许多研究人员和 技术人员对此进行了卓有成效的研究工作并提出了相关设计思想和原则，但仍然 存在着以下不足： 双流道叶轮的设计理论和方法有待进一步完善； 因双流道叶轮造型特殊，其绘型方法不同于叶片式离心泵叶轮，且传统绘型 方法中存在投影关系不一致的地方，有待进一步的研究和改进。同时传统的设计 方法适用于手工平面设计，若进行后期的数控加工及c f d 分析，还需要另行进行三 维造型。因此双流道叶轮的三维设计方法研究具有重要的意义。 目前尚未出现适用于各种比转数的三维参数化双流道污水泵计算机辅助水力 设计软件 国内市场上较成熟的双流道污水泵的c a d 软件均为二维设计软件，还未见有三 维参数化设计软件出现。而三维设计软件能快速检验设计的外观合理性，且更好 地提供数控加工及c f d 分析的接口，通过c f d 技术来预测产品的性能，提高泵产品 的可靠性，减少试制费用。 双流道泵内部流动情况研究还比较少； 双流道泵的性能很大程度上取决于叶轮和压水室的匹配情况。国内很多 研究人员进行了双流道叶轮内部流动的研究呻1 引，但对于叶轮与蜗壳全通道流动的 情况，公开的文献还没有见到。而双流道泵内部过流部件形状复杂，只进行各过 流部件单独分析，不考虑过流部件间的匹配关系，c f d 分析结果必然与实际存在较 大差别，也无法真正了解双流道污水泵内部三维流动的特性。 还需要进一步研制开发高效的双流道式叶轮，提高污水泵效率，节省能源 污水泵的效率比清水泵低3 8 m 1 ，效率还有进一步提升的空间。 对双流道污水泵存在的上述问题，研究更为准确完善的双流道污水泵的设计 方法，开发三维参数化设计软件，揭示不同比转速和不同工况下叶轮内部流动情 况，开发高效的水力模型，已经成为双流道污水泵技术中的当务之急和重要发展 方向。 2 博士学位论文 1 1 3 推广应用前景 本课题的研究成果可以直接应用于双流道污水泵的设计和研究，其主要作用 有： ( 1 ) 可以直接应用于双流道污水泵的设计及计算。 ( 2 ) 用于双流道污水泵新产品的开发和传统产品的优化。 ( 3 ) 推进双流道污水泵的数字化设计理论及方法的建立。 随着国家开发大西部政策的进一步实旋和我国城市化进程的加快，今后双流 道污水泵的需求量将有较大幅度的增长，预计年产值可达8 - 1 0 亿元左右。可见双 流道污水泵的研究和开发不仅具有显著的社会效益，而且还具有广阔的推广应用 前景。同时还将对我国经济与社会的发展、产业结构的调整产生一定影响，对相 关行业的发展也将具有一定的带动作用。 1 2 双流道污水泵的研究现状 1 2 1 污水泵叶轮结构型式 污水泵属于无堵塞泵的一种，具有多种形式：如潜水式和干式二种n 。目前 最常见的潜水式为q w 型潜水污水泵，最常见的干式污水泵有w 型卧式污水泵和w l 型 立式污水泵二种，主要用于输送城市污水，粪便或液体中含有纤维、纸屑等固体 颗粒的介质，通常被输送介质的温度不大于8 0 c 。由于被输送的介质中含有易缠 绕或聚束的纤维物。故该种泵流道易于堵塞，泵一旦被堵塞会使泵不能正常工作， 甚至烧毁电机，从而造成排污不畅，给城市生活和环保带来严重的影响。因此， 抗堵性和可靠性是衡量污水泵优劣的重要指标。而无论是何种结构形式的污水泵， 要想实现无堵塞性能，关键在于叶轮的结构型式n _ 副。 污水泵叶轮的主要结构型式有n 2 邝1 ： 1 闭式叶轮 闭式叶轮的设计、制造与一般离心泵叶轮相仿。优点是效率相对较高，能够 保证在较长时间内运行工况稳定。缺点是易缠绕，抗堵塞性能很差，故一般不用。 2 开式或半开式叶轮 开式或半开式叶轮的优点是制造方便，当叶轮内堵塞时易于清理。缺点是磨 损后会造成叶轮与前泵盖内侧壁的间隙增大，导致效率下降，并造成大量的旋涡 损失。同时还会使泵的轴向力增加，流道间液流的稳定性也较差，易引起较大的 径向力及振动。 3 双流道污水泵i 维设计方法研究 3 旋流式叶轮 旋流式叶轮结构简单，容易制造，且性能稳定，运行可靠，具有良好的无堵 塞性能，特别适合于输送未经处理的、含有固体物和易产生缠绕或聚束的纤维状 物质的液体。主要缺点是效率低，无损性较差。 4 螺旋离心式叶轮 螺旋离心式叶轮无堵塞性能好，通过能力强，且流动平稳，无损性好，效率 高，功率曲线比较平坦，吸入性能好，输送浓度高。主要缺点是叶轮制造比较困 难，且一般很难掌握和控制。且在小流量运行时会产生较大的振动和噪声。 5 流道式叶轮 a ) 单流道叶轮 b 1 双流道叶轮 图1 1 流道式叶轮 流道式叶轮又称无叶片叶轮，可分为单流道叶轮、双流道叶轮和三流道叶轮， 从叶轮进口至出口分别是一个、两个或三个弯曲的流道，适合于输送大颗粒或含 长纤维物质的液体，其叶轮形式如图1 1 所示。 由表1 1 及相关文献 卜3 ，1 2 可得各种无堵寒叶轮的性能对比如下： 无堵塞性能从高到低依次为：旋流式叶轮、单流道叶轮、双流道叶轮、螺旋 式叶轮、普通叶片式叶轮。 效率从高到低依次为：单流道叶轮、双流道叶轮、螺旋式叶轮、开式或半开 式叶轮、旋流式叶轮。 闭式多叶片叶轮只适于输送过滤过的污水或者活化污泥，以及含有低浓度小 颗粒的污水。开式叶轮和半开式叶轮适于输送含有气体的污水。输送含有易产生 缠绕纤维物的污水，可选用单流道叶轮或旋流式叶轮。其它形式的叶轮不适于输 送此种污水，因为其它形式的叶轮流道太小( 即流道比泵的进口小得多) ，在进口 处容易形成缠绕。 输送含有固体颗粒且无长纤维的污水，采用双流道叶轮是个很好的选择，因 为它的流道面积大致等于叶轮进口面积的一半，具有较好的通过性能，同时由于 4 博上学伊论文 它的结构对称，因而运行平稳，噪音低。无论是从用户使用角度，或是从抗缠绕、 无堵塞性能、通过能力、效率指标、工艺性、经济性、可靠性、先进性等方面考 虑，高效污水泵系列产品的开发中主要采用的是双流道叶轮结构型式。 1 2 2 国内外双流道式污水泵的研究现状 流道式污水泵诞生于二十世纪五十年代晒，它的发展是伴随着无堵塞泵技术的 发展而发展起来的。污水泵主要用于含有固体颗粒和纤维物液体的输送。另外， 在渔业现代化过程中，水力输送就要用到大量的污水泵。流道式污水泵中，目前 应用最多的是潜水排污泵h “1 。 瑞典飞力公司( i t tf l y g t ) 从1 9 5 6 年开始生产潜水排污泵，并在建筑施工、 隧道、岩洞、矿山、地铁等处广泛应用。到了6 0 年代末，德国( k s b ) 、美国、日本 等国也相继开始生产潜水排污泵。目前，瑞典飞力公司的潜水排污泵设计新颖、 叶轮结构形式多种多样，处于世界的前列瞄。5 1 制。日本的建筑工程用潜水排污泵形 式已经标准化和系列化，在结构形式、材料选用和自动控制等方面都取得了新的 成就n 7 ，1 8 】。 表1 1 各种污水泵叶轮性能的比较 注： h 。一关死点扬程，心。一最高效率点扬程。 a 。k r a t z e r 二 = t 9 7 9 年首先较全面地总结了污水泵设计和选用的问题，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。三菱重工喝刨于1 9 8 4 年对 污水污物泵技术进行了总结，并给出了过水零部件常用的耐磨耐腐材料。 国内对双流道式污水泵的研究工作始于8 0 年代末9 0 年代初，关醒凡于1 9 9 5 年在国内最早提出和系统总结了各类污水泵的设计方法。此后施卫东、刘厚林、 袁寿其等学者对双流道污水泵的水力设计方法及数值模拟、c a d 设计方面开始了较 系统的研究口，1 2 - 2 1 - 2 s 。刘厚林在2 0 0 1 完成了污水泵的c a d 软件设计并实用化阻引，软 双流道污水泵i 维设计方法研究 件版本现升级至j j 2 0 0 4 等乜9 i 。从2 0 0 3 年开始，齐学义等n 0 3 0 。3 3 1 也对双流道污水泵的水 力设计和内部流动进行了系统研究。目前，国内研究人员的主要工作集中在双流 道叶轮和蜗壳的水力设计方面以及相关产品的开发阳2 吼3 4 1 。 1 双流道泵叶轮的水力设计 轴面图主要几何参数采用速度系数法确定，根据大量的试验给出主要参数的 速度系数值。其出口宽度b ，要比普通离心泵大得多，前后盖板的过渡圆弧半径也 大些，这有利于提高叶轮的通过性能n ，2 叫引。平面图的设计方法不同于其它类型泵 的设计，首先要设计出平面图流道中线，并给出流道截面面积变化规律。流道中 线的设计是个关键，若比转数低时可以采用变异的阿基米德螺旋线；而中高比转 数时需要根据设计者的经验来调整，常用的有变异阿基米德螺旋线和等角对数螺 线。 2 蜗壳的水力设计 蜗壳的绘型方法与叶片式离心泵完全相同，但在喉部面积、隔舌角、基圆直 径和宽度等参数的确定方面有所不同，通常根据现有优秀模型的统计数据来确定 其值2 6 3 4 1 。 1 2 3 双流道污水泵水力设计方法的研究现状 双流道污水泵水力设计的主要目标就是根据给定的水力参数( 流量、扬程、转 速等) ，使所设计的泵具有最高的效率和平均效率、必要的汽蚀余量和良好的无堵 塞性能，并使泵的外特性符合预先给定的要求。 到目前为止，工程实用的水力设计方法仍然是基于欧拉理论、一元理论和流 动相似理论基础上的模型换算法和速度系数法，所以大量可行的设计资料和丰富 的设计经验是水力设计成败的关键。 1 模型换算法 模型换算法n 8 2 1 3 5 1 又称为相似换算法，它是考虑几何和流体动力相似而得出 的一种方法。此方法简单可靠