涂嘉暉 徐正銳 胡俊林 許 琦

（臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院知識產(chǎn)權(quán)研究所，臺州 318000）

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，化工、礦山、食品、建筑、造紙等諸多行業(yè)的工藝流程中會產(chǎn)生大量的生活污水和工業(yè)廢水。在污水排放和處理過程中，泵是一個非常重要的設(shè)備，起到污水輸送、提升和匯集等作用。污水含有各類雜質(zhì)，在排放過程中容易出現(xiàn)沉淀、堆積的現(xiàn)象，使得污水泵流道堵塞，造成排污不暢，需要頻繁進(jìn)行人工檢修和維護(hù)。所以，對于污水泵的創(chuàng)新研發(fā)主要集中在兩個方面。一方面，抗堵塞、易維護(hù)。它要求污水泵具有較強(qiáng)的抗堵塞性能，同時(shí)便于清理和維護(hù)。例如，上海博禹泵業(yè)有限公司生產(chǎn)了一款雙進(jìn)水口帶便拆清污板的大流量高吸程自吸泵[1]，采用不銹鋼高吸程開式葉輪，自吸能力強(qiáng)，抗堵塞效果好。在泵體正前方設(shè)置了便拆清污蓋板，方便拆開清理泵體里面的異物，以及觀察泵體和葉輪的具體情況。另一方面，密封性好。它要求污水泵具有良好的密封性，確保工作流道零泄漏，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠有效。例如，昆山博格曼密封件有限公司設(shè)計(jì)了M113系列機(jī)械密封[2]，動環(huán)采用叉銷或緊定螺釘兩種形式，轉(zhuǎn)動可靠，軸向尺寸較短，安裝方便，通用互換性強(qiáng)，適用于一般腐蝕性的化工泵、污水泵以及工業(yè)泵等應(yīng)用場合。按目前發(fā)展趨勢看，污水泵需要提高效率，改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式，改善工況。因此，一方面需要設(shè)計(jì)大流道抗堵塞水力部件，提高固體顆粒懸浮物或纖維狀懸浮物的通過能力；另一方面需要減少葉輪旋轉(zhuǎn)阻力，提升節(jié)能效率等[3-9]。

本文擬從抗堵塞、易維護(hù)、密封可靠等性能要求出發(fā)，針對污水工況惡劣、含有懸浮物或纖維物等特殊性質(zhì)，設(shè)計(jì)一款臥式污水葉輪泵，通過水力設(shè)計(jì)尋求工作效率和懸浮物通過性的均衡，優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)。采用動環(huán)、靜環(huán)、壓緊元件和密封元件集成一體式的機(jī)械密封，確保密封介質(zhì)不外漏，并防止雜質(zhì)進(jìn)入工作室，提高密封的可靠性。

1 組成結(jié)構(gòu)

臥式污水葉輪泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，組成零部件如表1所示。

圖1 臥式污水葉輪泵

表1 組成零部件

啟動前，泵體內(nèi)須儲存有一定量的引液，可以是清水、污水或其他液體。啟動后，葉輪帶動引液高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生離心力，驅(qū)動引液向葉輪外緣拋散。引液在離心力作用下獲得一定的動能，經(jīng)葉輪外緣流入蝸殼。蝸殼中，隨著流道口徑的增加，引液動能逐漸削弱并轉(zhuǎn)化為靜壓能，驅(qū)動引液以較高的壓力流向排出口，并被輸送到所需的地方。當(dāng)引液從葉輪中心流向外緣時(shí)，葉輪中心會形成一定的真空，污水被連續(xù)壓入葉輪產(chǎn)生自吸效應(yīng)。因此，只要葉輪持續(xù)旋轉(zhuǎn)，污水就會不斷被吸入和排出。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 葉輪水力設(shè)計(jì)

參考江蘇大學(xué)關(guān)醒凡教授主編的《現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)》[10]中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，科學(xué)設(shè)計(jì)葉輪進(jìn)口直徑、葉片數(shù)以及葉輪出口寬度等參數(shù)，在滿足懸浮物通過尺寸的前提下，尋求工作效率和懸浮物通過性的均衡。葉輪模型如圖2所示。初始條件預(yù)設(shè)葉輪流量Q=37 m3·h-1，揚(yáng)程H=60 m，轉(zhuǎn)速n=2 900 r·m-1。

圖2 葉輪模型

2.1.1 葉輪進(jìn)口直徑

葉輪進(jìn)口直徑D0的計(jì)算公式為

式中：K0為葉輪進(jìn)口直徑系數(shù)，按照經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，取為3.54。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取D0為54 mm。

2.1.2 比轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速ns的計(jì)算公式為

代入數(shù)值，計(jì)算可得比轉(zhuǎn)速ns為49.8。

2.1.3 葉片數(shù)

葉片數(shù)對污水泵的工作效率和過流性能有很大影響。一方面，要考慮流道有足夠?qū)挾?，即選取較少葉片數(shù)，保證足夠的固體懸浮物通過性；另一方面，要保證一定的揚(yáng)程和工作效率，即葉片數(shù)不能過少。可見，需均衡考慮兩者。按照經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)比轉(zhuǎn)速ns的計(jì)算值為49.8，選取葉片數(shù)Z為6。

2.1.4 葉輪出口安放角

葉輪出口安放角β的選取范圍一般為15°～40°。根據(jù)不同葉片數(shù)和出口安放角組合對關(guān)死點(diǎn)影響的經(jīng)驗(yàn)曲線（如圖3所示）[10]，取出口安放角β為25°。

圖3 不同葉片數(shù)和出口安放角組合對關(guān)死點(diǎn)影響的經(jīng)驗(yàn)曲線

2.1.5 葉輪出口直徑

葉輪出口直徑D2的計(jì)算公式為

式中：KD2為葉輪出口直徑系數(shù)，按照經(jīng)驗(yàn)公式，取為13.249 44。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取D2為202 mm。

2.1.6 葉輪出口寬度

葉輪出口寬度b2是影響固體懸浮物通過性的關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)算公式為式中：Kb2為葉輪出口寬度系數(shù)，按照經(jīng)驗(yàn)公式，取為0.559 359。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取b2為8.5 mm。

2.1.7 固體懸浮物通過性

固體懸浮物通過性ε的計(jì)算公式為

代入數(shù)值，計(jì)算可得固體懸浮物通過性ε為15.70%。

2.1.8 工作效率

工作效率η的計(jì)算公式為

式中：ηh為水力效率，表示污水在流道中伴有水力摩擦損失和沖擊、脫流、改向等引起的水力損失，需消耗一部分能量，計(jì)算取84.80%；ηv為容積效率，表示通過葉輪離心作用，出口處壓力高于進(jìn)口處壓力，使一部分污水從泵體經(jīng)葉輪口環(huán)間隙向葉輪進(jìn)口逆流，即口環(huán)泄漏，計(jì)算取95.20%；ηm為機(jī)械效率，表示一部分機(jī)械能消耗于克服葉輪前后蓋板表面和殼體間污水的摩擦，即摩擦損失，計(jì)算取84.40%，同時(shí)考慮軸承和密封的效率損失，最終取82.00%。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，工作效率η為66.19%。

綜上，葉輪水力優(yōu)化設(shè)計(jì)使得固體懸浮物通過性為15.70%，工作效率為66.19%，可以滿足一般的污水處理需求。

2.2 機(jī)械密封設(shè)計(jì)

機(jī)械密封如圖4所示，主要由摩擦副、緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和輔助密封圈3部分組成，形成三重密封防護(hù)，確保密封可靠有效，以實(shí)現(xiàn)低泄漏、低損耗的目的。摩擦副由動環(huán)和靜環(huán)組成密封端面。彈簧為主要零件組成緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，在非工作狀態(tài)下使得密封端面緊密貼合。輔助密封圈包括動環(huán)密封圈和靜環(huán)密封圈。

圖4 機(jī)械密封

在動態(tài)即工作狀態(tài)下，軸通過傳動座和推環(huán)聯(lián)接帶動動環(huán)旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)固定不動。依靠工作室中密封介質(zhì)的壓力，使動環(huán)端面壓緊在靜環(huán)端面上，在兩環(huán)端面上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋葔?，保持一層極薄的液體膜，從而達(dá)到密封的目的。在靜態(tài)即非工作狀態(tài)下，調(diào)整傳動座使彈簧處于壓緊狀態(tài)，利用產(chǎn)生的壓緊力保持動環(huán)、靜環(huán)端面貼合形成端面密封，確保介質(zhì)不泄漏。摩擦副表面磨損后，在彈簧的推動下實(shí)現(xiàn)軸向補(bǔ)償。動環(huán)與軸的間隙、靜環(huán)與壓蓋的間隙以及彈簧可對泵的振動和沖擊起緩沖作用。動環(huán)密封圈防止密封介質(zhì)通過動環(huán)和軸間隙泄漏，靜環(huán)密封圈則防止密封介質(zhì)沿靜環(huán)和壓蓋間隙泄漏。所有組件均安裝在機(jī)械密封罩中，由機(jī)封壓蓋壓緊，集成為一體式密封裝置。

3 結(jié)語

污水葉輪泵已廣泛應(yīng)用于化工、造紙、食品等工業(yè)廢水和城市生活污水輸送、提升、匯集等場合，其抗堵塞性能和密封性能至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)了一款臥式污水葉輪泵，抗堵塞性能好，易檢修，密封可靠，固體懸浮物通過性為15.70%，工作效率為66.19%，可以滿足一般的污水處理需求。一方面，依據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識對葉輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，科學(xué)設(shè)計(jì)葉輪進(jìn)口直徑、葉片數(shù)以及葉輪出口寬度等參數(shù)，在滿足懸浮物通過尺寸的前提下，尋求工作效率和懸浮物通過性的均衡，提升水力性能；另一方面，依據(jù)軸系零部件設(shè)計(jì)相關(guān)知識，對機(jī)械密封各個組件進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核，形成動環(huán)和靜環(huán)摩擦副、彈簧緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)以及動環(huán)和靜環(huán)密封圈三重密封防護(hù)，確保密封可靠有效。