螺旋轴流泵的设计开发.doc

螺旋轴流泵的设计开发螺旋轴流泵的设计开发0 引言 现阶段在农业排污和污水处理方面，污泥泵、 旋流泵、阿基米德螺旋泵、螺旋离心泵、潜水轴流 泵等被广泛应用，但是这些泵在污水输送方面表现 一般，在抽送含有长纤维、秸秆和大粒径的混合物 时，经常发生缠绕与堵塞，严重时会烧坏电机，造 成机械故障，在抽送活性污泥等要求不损伤的物料 时，对于物料的破坏较为严重螺旋离心泵具备无 堵塞、无损性、高性能等特点，但是其流量较小不 能满足大流量的需求[1~4]因此，开发一种具备大流 量、无堵塞、无缠绕、无损性和高性能的泵十分必 要针对这些要求，本文设计开发了一种螺旋轴流 泵，提出了一种关于螺旋轴流泵的水力设计方法， 并对其性能进行了预测和试验验证，在此基础上对 该泵进行了系列化 1螺旋轴流泵的工作原理及其特点本文设计开发的螺旋轴流泵具备大流量、无堵 塞、无缠绕、无损性和高性能的特点其工作原理 是流体从旋转的螺旋叶片中获得动能，通过导叶的 扩压作用，将动能转化为压能，同时流体经过导叶 的导流沿轴向流出其采用的螺旋型叶轮结构形式， 使得叶轮在工作时能够产生均匀的液流压力与流速， 可以将水流冲击损失降到最低，旋转的叶轮在进口 产生的负压对流体形成较好的抽吸作用，同时还具 备较好的通过性能[5~8]。

2水力部件设计方法2.1 叶轮的水力设计螺旋轴流泵不同于其他泵，其采用螺旋式叶轮 对于其螺旋式叶轮的设计，还没有合适的水力设计 方法本文采用的水力设计方法是在综合考虑螺旋 离心泵、固液两相流泵、诱导轮及轴流泵等的设计 方法的基础上，结合固液两相流泵常用的四种设计 方法：经验系数设计法、两相流畸形速度设计法、 两相流速度比设计法、两相流流场分析设计法，参 考相关文献[9~17]进行综合研究分析，同时借鉴国外 海斯特公司生产的螺旋轴流泵，并结合产品自身特 点和设计要求，利用 CFD 数值模拟为螺旋轴流泵的水力设计提供参考，确定螺旋轴流泵轴面流道的各 参数如图 1 图 1 叶轮轴面流道的几何参数Fig.1 Geometric parameters of impeller axial-section 具体设计过程以及涉及的设计公式如下： （1）比转数 ns（1）4/3s65. 3 HQnn （2）叶轮进口直径 D1（2）511nQKD 式中：Q—设计工况的流量，m3/s；n—转速， r/min； K1—修正系数，K1=(1~2.5)，对吸入性能要 求高的取大值 （3）轮毂直径 Dh （3）1)2 . 0~1 . 0(DDh（4）叶轮出口平均直径 D22)100(2254 . 022minmaxsDD nQnKD（4）式中：K2—修正系数， K2=(2.5~5)； ns—比 转数；D2max—叶轮出口轮缘直径，m； D2min—叶轮 出口轮毂直径，m。

（5）出口宽度 b2（5）ngHKbb/222式中：Kb2—修正系数，Kb2=(0.02~0.035) ns； —设计工况点扬程，mH （6）叶片进口安放角 β1 螺旋轴流泵为固液两相流泵，为防止两相流的汽蚀破坏，叶片进口冲角 Δβ1要比清水泵大得多， 可取 3°~15°，较大的冲角值，可在叶轮入口产生 一定的正预旋正预旋有利于叶轮进口固体的均匀 分布，可减少固体颗粒在进口的堆积和堵塞，同时 也可减小对后盖板的磨损6）1' 11式中：β1´—进口液流角；Δβ1—叶片进口冲角， Δβ1=3°~ 15° （7）叶片出口安放角 β2 考虑泵的效率，取叶片出口安放角 β2=5°~ 25°， 其中 β2 轮毂≥β2 轮缘，包角大者取小值 （8）叶轮轴向长度 L（7）2)2 . 1~9 . 0(DL 参考锥形诱导轮平面投影，选用扭曲三角形法 绘制螺旋叶轮平面投影图，如图 2 所示结合图 2 中叶轮轮毂、轮缘流线工作面的型线，根据加厚规 律进行加厚，绘制出叶轮轮毂流线 A 和叶轮轮缘流 线 B 的展开图如图 3、图 4图 2 叶轮平面投影图Fig.2 Projection of impeller plane图 3 A 流线展开图Fig.3 Expanded view of A flow-line图 4 B 流线展开图Fig.4 Expanded view of B flow-line2.2 空间导叶的水力设计 该螺旋轴流泵采用一种新型空间导叶（导流壳） ， 其特点是内部中空可将油室和电机伸入导叶内腔，缩短了轴向尺寸，使泵的结构更加紧凑。

其作用是： 把叶轮出口的液体收集起来输送到出口管路，将流 体的速度能转换为压力能，同时消除速度环量[18~20]设计导叶时，叶片间流道断面的湿周应尽量小， 可采用圆形或方形，流道形状变化应平滑，各部位 的角度应符合流动规律，各种速度变化应均匀，喉 部速度应为一定的值，流道的扩散角应为一定的值设计过程如下：(8)33 3tanum (9)333FQ m(10)3333 31Dzs tstu3u (11)33 sinssu3(12)33式中：α3´—进口液流角；vm3—导叶进口计算点 轴面速度，m/s；vu3—导叶进口计算点圆周分速度， m/s；F3—过导叶进口边计算点的轴面液流过水断面 面积，F3=2ΠRcb；ψ3—叶片进口排挤系数；Su3—导 叶进口圆周方向厚度，m；S3—导叶进口计算点的流 面厚度（近似认为等于真实厚度） ；α3 —导叶进口角， 度；Δα—冲角，一般取 Δα=0°~ 8° 通过上述方程，可以确定导叶进口安放角 α3 对于导叶出口安放角 α4，考虑有限叶片数影响应大 于 90°，以保证液流法向出口目前一般取 α4=90°13)23)4 . 1~8 . 0(DD (14)234) 1~4 . 0(DDD(15)35)7 . 1~7 . 0(DD (16)546)25. 0~1 . 0(DDD(17)2)5 . 1~9 . 0(DL (18)1ZZ叶轮2式中：D3—导叶进口内径；D4—导叶进口外径；D5—导叶出口内径；D6—导叶出口外径；L—导叶轴 向长度； Z—导叶叶片数；Z叶轮—叶轮叶片数。

通过上述式子，可以确定导叶参数，结合扭 曲三角形法绘型空间导叶原理，绘制导叶轴面投影、 流线展开图及平面投影图如图 5 所示a) 轴面投影 (b) 平面投影(a)Axial plane projection (b) Plane projection(c) 流线展开图(c) Expanded view of flow-line图 5 空间导叶投影图和流线展开图Fig.5 Projections and expanded views of flow-lines for space guide vane3螺旋轴流泵的结构设计以及叶轮平衡3.1 结构设计 该螺旋轴流泵的结构如图 6 所示，添加一个叶 轮安装盘，该盘对于结构尺寸相差不大的叶轮具有 一定的通用性叶轮与安装盘通过销孔定位，叶轮 固定通过叶轮螺母实现，方便叶轮的安装和拆卸 采用新型的空间导叶，油室和电机伸入导叶内腔， 缩短泵的轴向长度1—喇叭口 2—叶轮 3—防转螺钉 4—空间导叶 5—油室密封盖 6—油室 7—轴承压盖 8—电机定子 9—电机转子 10—轴承 11—机械密封 12—叶轮安装盘 13—叶轮螺母1—Suction cone 2—Impeller 3—The anti-rotation screws 4—Space guide vane 5—Sealing cover of oil chamber 6—Oil chamber 7—Bearing gland 8—Motor Stator 9—Motor rotor 10—Bearing 11—Mechanical seal 12—impeller disk 13—Impeller nut图 6 螺旋轴流泵结构图Fig.6 The structure of screw axial-flow pump3.2 叶轮的平衡 单螺旋叶轮的螺旋轴流泵是偏心不对称结构， 叶轮质量分布不均，重心偏离轴心线，产生不平衡 的质量力，需加以平衡。

常用方法是设置平衡块加 以平衡，如图 7（a）所示但是在长期的运行过程 中平衡块可能会磨损或松动，从而使叶轮不再平衡， 以至于运行时产生很大噪声和振动，影响泵的性能， 缩短其使用寿命[21~22]为解决上述问题，在进行叶 轮叶片设计时，即考虑到叶轮的不平衡采用叶轮 轮毂局部加厚方法进行平衡，利用三维造型软件 Pro/E 进行建模，应用质量属性分析叶片重心位置， 根据中心坐标计算出偏离轴心角度，确定加厚中心 位置同时每隔 10°建立一个截面，在每个截面上画 出轮毂断面，进而完成轮毂的建模在每个截面上 调整加厚厚度，直到重心偏离轴心的位置达到合理 范围，最大不平衡量达到允许要求由静平衡试验 所允许的转子外径最大不平衡量为：(19)nrmGUπ2100060其中，m—转子质量（kg） ；n—转子转速 （r/min） ； G—平衡等级，静平衡取 6.3，动平衡取 2.5；r—转子半径 将加厚位置、加厚范围和各截面加厚数据反馈 到叶轮图纸设计中，做成叶轮模具，用于铸造成型 考虑到铸造误差，加厚重量可适当超出允许加厚量， 做叶轮平衡时选择去重平衡，这样更有利于叶轮的 平衡，同时可延长泵的使用寿命。

其叶轮轮毂加厚 实物如图 7(b)所示a）叶轮轮毂去重 （b）叶轮轮毂局部 并加平衡块 加厚(a) Impeller hub reducing and (b) Impeller hub localadding balance blocks thickening图 7 叶轮平衡方式Fig.7 The balance approach for Impeller4螺旋轴流泵样机研究4.1 样机介绍 按照客户要求的设计参数：流量 Q=1800 m3/h； 扬程 H=5 m；转速 n=740 r/m；比转速 ns=571.2；效 率 η=76％，为方便以后系列化将该样机型号定义为 600QWL1800-5-45（使用 45kW 的电机） ，通过上述 设计方法，设计的样机如图 8 所示，该样机叶轮采 用单螺旋叶轮，导叶叶片数为 3图 8 螺旋轴流泵实物图Fig.8 The picture of screw axial-flow pump利用三维造型软件 Pro/E 对叶轮和导叶进行建 模，其模型如图 9 所示a）叶轮模型 （b）空间导叶模型(a) Impeller model (b) Space guide vane model图 9 叶轮及导叶模型Fig.9 Models of impeller and guide vane4.2 样机性能预测与试验验证 采用 ICEM 软件对模型水体进行网格划分，运 用商业软件 ANSYS CFX，以清水为介质，对该样 机的 0.3Q、0.5Q、0.8Q、1.0Q、1.2Q 和 1.5Q 五个 工况进行数值计算[23~25]。

根据 CFX 计算的样机进、 出口压力差，估算出各工况下泵的扬程使用 CFX 后处理中的计算力矩功能，估算叶轮所受的绕旋转 轴的合力矩 M，通过式（3-6）估算泵效率 η：（20） 7/6- s2/3- smvh100n0.07-1n0.6811 MωρgQH式中，ηh为水力效率；ηv为容积效率；ηm为机 械效率；Q 为泵的流量，m3/s；M 为叶轮所受的绕 旋转轴的合力矩，N·m；H 为上述估算扬程，m；ω 为叶轮的转速，rad/s；ns为比转数 采用开式试验装置，运用计算机辅助 CAT 测试 技术，以清水为介质，按照 GB。