给排水设备中排污泵的设计

　　摘要：为解决以往给排水设备排污效果差的问题，本文提出给排水排污泵设计方法研究。采用实用新型密封电缆，保证水不会通过导线间隙进入电动机腔。确定几何参数，选择WQSl50-48-45型高扬程低比转速设备，设计双流道或混流式叶轮，保证其无过载特性。选择3-5个叶片数，确保叶片能适应各种运行工况。采用光滑不锈钢槽设计导轨式耦合装置，加强排污泵刚度，防止高压水泄漏。从比转速、高扬程、抗磨三个方面，研究排污技术，为无过载排污泵开发奠定基础。

　　关键词：给排水设备； 排污泵； 电动机； 叶轮；

目录

　　1给排水排污泵电动机部分设计………………………………………………………………1

　　2泵部分设计………………………………………………………………2

　　2.1设计方案几何参数确定………………………………………………………………3

　　2.2叶轮设计………………………………………………………………3

　　2.3叶片数………………………………………………………………3

　　2.4导轨式耦合装置………………………………………………………………3

　　3设计技术要求………………………………………………………………4

　　3.1比转速选择………………………………………………………………5

　　3.2高扬程设计………………………………………………………………6

　　3.3抗磨设计………………………………………………………………6

　　4结束语………………………………………………………………7

　　文内图表………………………………………………………………8

　　图1新型密封电缆………………………………………………………………9

　　表1几何参数表………………………………………………………………10

　　图2导轨式耦合装置………………………………………………………………11

　　参考文献………………………………………………………………12

　　给排水排污泵作为排放污水的一种设备，被广泛地应用于城市给排水、建筑排水、工矿企业排水以及宾馆、医院、住宅小区的污水排放，尤其在农田灌溉、水利工程、污水处理、液肥养殖等发挥了重要的作用[1].排污泵可排放含有固体颗粒和各种长纤维的污水、废水、雨水和城市的生活用水，是人们生活和国民经济生产必不可缺的主要工具[2].排污泵的结构包括电机和泵两部分，可靠的电动机工作效率和泵的良好畅通是保障排污泵的关键，因此要优化设计该类泵的结构，并提高零件的泛化率，确保给排水排污泵工作的高效性和稳定性。

　　1 给排水排污泵电动机部分设计

　　电动机的质量决定着排污泵的工作效率，由于下水道水泵长期在水下工作，这种特殊的工作环境对电缆密封和进线口密封的质量要求较高，一旦设计不合理将会直接影响到电机的质量和使用性能[3].因此，如图1所示，采用新型的设计方法将电机电缆和电缆入口密封封死。

　　图1 新型密封电缆  

　　实用新型的密封形式起到了有效的保证作用，如果电缆外护套或芯体绝缘层一旦发生损坏时，水不会通过导线间的间隙或芯体导体间的间隙进入电机连接腔及电机腔内，避免因电缆和进口密封之间的密封性不够好时，防止水会进入电机的连接腔内[4].机封是潜水泵的重要部件，采取一对单端独立机械密封的串联安装。设计了独特的螺旋槽或小间隙结构，防止固体颗粒在泵侧机械密封上沉淀，防止油腔中润滑油与密封发生摩擦，确保泵侧机械密封平稳运行。当泵侧的机械密封状况较差出现密封失效的情况时，水也不会通过漏水保护系统流入电机内腔，这样就避免了泵侧密封端面失效的后果[5].相比较下，当采用一组双头端面密封时，就会导致整个密封失效，将会把水引入马达内腔，影响水泵正常稳定运行[6].电机保护系统是解决电机非正常运行的重要手段，小型结构具有电动机温控、漏水保护，大中型结构具有上层控制器、低液位控制器、电动机温控、漏水保护，这些结构可以有效保证水泵的安全运行，装配简单方便，节省了时间和工作量[7].

　　2 泵部分设计

　　2.1 设计方案几何参数确定

　　可选用大功率原动机或限制轴功率，避免过载，当确定原动机功率和头部不能减小时，可通过限制流量来控制轴功率的增加[8].对液压元件进行了优化设计，在出口宽度不能减小时，通过选择较小的叶片出口角，并在出口角处堵塞部分，以减少叶轮出口面积，控制流量。采取蜗壳对称和膜片适当延长小喉道流通面积的设计，选择数量较少的叶片和损坏较小的出口角，适当增大叶片的卷转角，以避免叶片过少导致流体控制不良和流道扩散严重，同时扩大有效面积[9].

　　通常降低叶片出口面积的方法有两种，即减小叶片出口宽度和增加叶片厚度[10].因此，减少出口面积只能通过增加叶片厚度来实现，经过分析研究和参考相关优秀水力模型，采取三种设计方案，其几何参数见表1.

　　表1 几何参数表

　　2.2 叶轮设计

　　为达到较好的排污效果，泵一般采用单级叶轮，通过增大叶轮直径和叶片出叶角度来实现高扬程排放。而叶轮直径的增加，使得出口面积大大增加，叶片出口面积和出水口角度增大，很容易使泵在大流量区域超载。本文以WQSl50-48-45型污水高扬程低比转速泵的优化设计为例，通过对自喷井口装置曲线的优化设计，使其曲线变得比较平坦，同时使其轴向功率的最大值在全范围内和相对较小的控制支撑力，达到高效率、高水头、无过载的要求。

　　叶片形式多为双流道或混流式，采用双流道的流通方式。对于小型和中径泵，如果使用叶片的叶轮就会使流道狭窄，容易堵塞。而最小区域的单、双流道叶轮的面积大约等于叶轮的一半，叶轮的流道比叶片更宽泛，且几何形状为椭圆形或近圆形的对称结构，因此它具有更好的吞吐量，具有平稳运转和噪音低的优点。

　　2.3 叶片数

　　叶量的选取应根据过流能力和无过载特性与效率来考虑，刀片数目越少，叶轮流道的溢流能力就越强。减少刀片数目可使实际流量下降幅度变大，有利于得到规定流量范围内的无超载功率曲线。对无超负荷污染的水泵，一般选用3-5个叶片，并综合考虑过流能力、无超负荷特性和效率因素。

　　高扬程泵叶片流道较长，D2/D1比值较大（D2是叶片的外径，D1是叶片的进口直径），因而所受离心力较大。离心力在叶片上的作用方向与水压在叶片上的作用方向基本相反，当叶轮起动时，应力呈线性增加，在正常运转和排水时，水力稳定，应力降低。所以在叶片几何参数的选择上应降低D2/D1的比例，并选择高质量的材料，以保证计算强度的要求。

　　2.4 导轨式耦合装置

　　废水泵导管耦合装置，高度达95米。采用平滑不锈钢槽钢结构，每隔3米就用一堵墙把水引到钢架上，再焊接到外一侧的槽钢滑轨，并与钢架刚性相固定。图2中显示了它的结构。

　　图2 导轨式耦合装置  

　　导向连接装置主要由三部分组成：导向泵出口法兰连接的导向支架、集水井底部固定的基础以及导向装置，导向架支撑于集水井的井壁及底座，下水道泵会沿着轨道上下滑动，轨道采用双槽钢结构。当安装排污泵时，提升装置通过提升链或绳索将排污泵滑向导轨，在耦合位置到达时，导向支架上的定位轴与底座的定位面接触。随着排污泵升降装置的增加，泵本身重量所产生的力矩将导向架法兰与阀座进口法兰之间的O形环密封压得越来越紧，从而防止高压水泄漏，密封性好，确保泵出口中心线与基板法兰面中心线保持一致。

　　3 设计技术要求

　　3.1 比转速选择

　　现有常规污水泵的扬程一般在60米以下，比转速在常规范围内，泵叶轮的水力效率更高。当水头增大时，比转速就会减小，在比转速低于一定值时，泵叶轮水力效率明显降低。由于低比速泵的轴功率普遍存在，随着流量的增加，扬程降低得很慢，就会造成过载，导致电动机烧坏。因此对泵比转速进行研究分析，发现当泵比转速小于80 m·kW时，叶轮的水力效率明显下降，最佳比转速为80-210 m·kW.

　　3.2 高扬程设计

　　高比速低扬程叶轮具有叶片多，直径大，出口宽度小，进口流角小等特点，会造成液压损失增大，不利于加工抛光。另外，叶轮直径过大，就会造成叶轮盘摩擦损失增大，导致机械效率降低。根据给排水设备的特点，结合国内外最新技术，提出了小叶大收角给排水的设计形式。叶片数设置在3-5片，有利于污水排放，特别有利于增加固体颗粒的通过能力，降低沙粒磨损。缠绕角在180°-200°之间，有利于得到较好的特性曲线和急降水流量、水头曲线，从而提高水力利用率。

　　针对泵头容量适应运行条件与水位波动较大的问题，常采用以下三种方法：（1）选择较大的功率储备系数，使泵在任何运行条件下都不会过载电机，但这样会造成大量的能源浪费；（2）在出水管上安装流量控制阀的泵，限泵运行范围，这对水头变化不大的泵有一定的调节作用，但不适用于水位变化较大的泵；（3）采用变频调速方法，在泵控柜上，根据泵扬程变化范围，采用变频调速装置。变频调速装置会在泵头改变时自动改变转速，确保泵在最佳工作区域运行。针对三峡永久船闸的实际情况，提出了采用全扬程潜水泵（变扬程、变流量），全扬程离心泵是指轴向功率小于或等于电动机匹配功率，在全扬程范围内（从全扬程到零扬程）具有额定储能系数1.0的离心泵，使泵的轴功率曲线有一个峰值，以保证在运行时不会引起过载现象。

　　3.3 抗磨设计

　　针对耐磨性设计采取了有效的防治措施，首先应选择合适的速度，当速度比值越大，流量就越大，而物料的磨损率和溢流率之间存在关系会影响到过流部分，所以高转速泵的磨损率较低转速泵的磨损率高，因此采取在80-120 m·KW的转速范围。应选择直径和宽度合适的叶轮进出口，以保证泵体的抗磨性和气泡性，满足进水量不低于固体颗粒（砂）临界沉降速率的要求。因此选择泵的入口流速为3~5 m/s,同时采用增大叶轮出口宽度的措施，可减小叶轮出口砂的相对流速，减少叶轮磨损，提高叶轮抗堵塞能力，达到所要求的扬程要求。应正确选择合适的材料，以保证较好的硬质和耐磨性，如铬、钼合金铸铁等。

　　4 结束语

　　设计的实用新型给排水排污泵性能好，具有工作效率高、稳定可靠性强的优点。通过调整电机机座尺寸，提高了零部件的通用性，大大降低了生产管理成本，其结构设计合理，制造简单方便，采用叶轮切削计算公式作为扩展泵性能计算的方法，为未来泵性能的优化设计积累了经验。

　　参考文献
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