基于無法自主排水場所超低位積水處理裝置研究

姜坤

（中建五局安裝工程有限公司，湖南 長沙 410007）

目前，我國對泵一類設備特別是抽水泵的工作模式的分析研究成果主要體現在，水泵正常工作時必須把泵殼完全浸沒在所需要傳輸的液體中，讓葉輪充分的接觸到液體。但是在面對沒有設置自主排水系統(tǒng)的場所，或因天氣、或因人為等因素造成地面上低洼處大面積的超低位積水，而這類積水深淺普遍在30mm 及以下，就目前現有的泵一類設備均無法有效處理，只能依靠人工清掃或鏟除，而且出現一次就要清除一次。而本文就是專門研究在現有水泵基礎上進行研究改進，使之能代替人工清理地面5 ～30mm 及以上深淺的地面超低位積水，填補現有水泵在這一細分領域的行業(yè)空白。

1 超低位積水處理存在的難度

在現有的水泵領域，泵的工作模式無一不是需要把泵殼完全浸沒在所需要傳輸的液體之中，讓葉輪充分的接觸到所需要傳輸的液體。啟動后，葉輪由軸帶動高速轉動，葉片間的液體也隨著轉動。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開葉輪外緣進入蝸形泵殼。在沒有設置自主排水系統(tǒng)或者集水池的場所，或因天氣、或因人為等因素造成地面低洼處大面積的超低位積水，而這類積水深淺普遍在30mm 及以下，這類深淺積水是完全不滿足泵殼浸沒和葉輪充分接觸所需傳輸液體的條件，現有泵一類設備均無法有效處理這類超低位積水。

2 現有水泵的分析

現有普通水泵中，就結構而言，最接近能夠抽吸這類超低位積水的水泵是普通潛水泵。其主要是靠底座的防堵過濾網孔進水，而泵殼及其內部的葉輪又距底座底板有一定的高度，一般超過50mm，而防堵過濾網最低的進水孔與底座邊緣也存在一定高度差。因此，用普通潛水泵處理超低位積水主要不足在于：（1）網罩底座進水孔無法滿足地面5 ～30mm進水的要求；（2）泵殼內的葉輪也無法接觸到能夠進入網罩底座內部的超低位積水。雖然普通潛水泵無法直接有效處理地面5 ～30mm 深淺的這類超低位積水，但是目前所有水泵一類設備中最為接近可以處理這類超低位積水的水泵，并且具備進一步改進的條件。通過分析研究，提出一種可行性方案，在普通潛水泵的基礎上，主要對葉輪和網罩底座等關鍵部位進行改進，使得5 ～30mm 及以上的這類超低位積水能夠進入網罩底座內部，葉輪也能接觸到這類超低位積水，使水泵既能深潛抽水，還能抽吸地面低洼處這類超低位積水，從而滿足多層水域的抽吸。

3 提出的解決方案

要使泵一類設備能抽吸這類超低位積水，需要滿足兩個前提條件：（1）網罩底座需要滿足超低位積水的進水要求；（2）讓葉輪能夠接觸到這類超低位積水。以及為了考慮水泵的輕巧和使用的方便性，還需要滿足水泵在工作中可隨時從水中拿出來再放回水中而不影響其工作的條件。結合使用場所的特殊性，通過對現有水泵的分析，排除了在使用中需要考慮泵體密封性的真空泵。因此，提出的可行性方案是在現有普通潛水泵的基礎上進行改進，在保留普通潛水泵原有功能的情況下，還能進行超低位積水的抽吸。

讓超低位積水在不采取任何輔助性措施的條件下就能進入網罩底座內部，同時還保證在深潛抽水時大量進水的要求，只需要將網罩底座進水網孔設計為直瀑式，網孔由網罩底座頂部一直到底板，這樣既能滿足大量進水的要求，還能滿足超低位積水的進水要求。同時需要考慮，網罩底座內部葉輪在旋轉時可能產生水花外濺，因為設備主要是考慮在抽吸超低位積水，所以需考慮可能外濺的水花對周邊造成影響。因此，網罩底座的直瀑式網孔由豎向的片體依次由內向外層疊構成，且網孔與網罩底座的中軸線呈30°～60°的夾角，這樣確保葉輪在旋轉時可能產生的水花不會外濺。同時還考慮到網罩底座承載整個裝置的重量，因此底座還設有豎向的加固撐，相鄰的加固撐之間帶有1/4 圓弧的間隔，加固后可避免底座變形，見圖1。

圖1

因為這類積水深淺普遍在30mm 及以下，要讓葉輪能夠接觸到這類超低位積水的同時，還要考慮葉輪不能占用底座的進水空間。因此，葉輪需要距底座底板一定的高度。綜合上述條件，創(chuàng)新性地提出一種葉輪的新方案：葉輪由一個圓形法蘭盤、三組葉片、一個帶卡槽的空心臺柱及若干加強筋構成。葉輪的具體構型為，在葉輪距底座底板一定高度的情況下，讓葉輪的葉片沿著法蘭盤呈螺旋曲線狀延伸至底座底板，且葉片底部端口與網罩底座底板呈一字平行，且高度不超過5mm。而葉片底部的端口處帶有倒三角的斜面，葉片上窄下寬，葉片徑向兩側從底部開始逐漸向內收縮并最終合攏成一個橢圓形葉片傳輸通道。而帶卡槽的空心臺柱位于法蘭盤中心位置，葉片位于空心臺柱與法蘭盤邊緣之間的中心位置，葉片與葉片之間兩兩互差120 度。葉輪整體呈圓形矩陣構型。本方案中葉輪的葉片呈螺旋曲線狀，現對螺旋曲線上升的水流進行受力分析，水流轉動的軌跡沿旋同曲絲上升，于引流結構重心產生方向向外的慣性離心力，此時受到離心力的影響，水流外溢，又因為本技術方案中采用收束螺旋曲線的軌跡，所以在產生離心力時引流結構收束水流旋轉范圍，避免水流外溢，提高吸水效果。

本技術方案中葉輪的新方案與以往水泵的葉輪有著明顯的不同，主要區(qū)別在于葉輪所占空間較大，在工作時與水的接觸面較廣。因此，葉輪在高速運轉時所面對的沖擊力及阻力也是遠勝于現有水泵葉輪。要想水泵正常工作，必須讓葉輪在承受高速運轉時產生的沖擊力及阻力時不發(fā)生形變，所以葉輪需要有結構性的加固設計。為了使葉輪在工作時面對高速運轉時產生的巨大沖擊力及阻力不發(fā)生形變，所以在葉片與葉片之間設有環(huán)形的第一加強筋，這樣使葉片與葉片之間連成一個整體，增強了葉片的抗沖擊能力；在葉片與法蘭盤邊緣之間設有橫向的第二加強筋，第二加強筋與葉片外圍處呈圓形的第三加強筋相接，而空心臺柱與葉片之間設有橫向的第四加強筋，加強筋使得葉片在前后、左右方向都連于一體，這樣可使葉片在面對沖擊時更加牢固；在葉片與葉片的中心位置還設有第五加強筋，第五加強筋一端指向法蘭盤中心位置，并與空心臺柱交接于一體，第五加強筋的另一端指向法蘭盤邊緣，并與第三加強筋相接，三條第五加強筋兩兩互差120 度，整體呈三叉戟布局。第五加強筋是片體式形狀，與空心臺柱相接的一端高度與空心臺柱一致，另一端與環(huán)形的第三加強筋高度一致，第五加強筋的三叉戟布局在一定程度上支撐了法蘭盤，讓葉輪的法蘭盤承受來自蝸形泵殼內部的水壓而不產生形變。五條加強筋與葉片、空心臺柱及法蘭盤連接于一體，使得葉輪在面對高速運轉時產生的沖擊力更不易發(fā)生形變，見圖2。

圖2

因為葉輪新方案與以往水泵葉輪有著很大的不同，在拆卸時與以往相比會有著很大的不便。水泵葉輪基本上是用銷子固定在水泵驅動軸上，而銷子一般完全嵌入卡槽里面。以往在拆卸葉輪時，經常是借助液壓拉馬等工具直接將葉輪從驅動軸上強行拉拔出來，此種拆卸方式，葉輪需要足夠的強度，才能確保拉拔時不發(fā)生形變和損傷。而本方案葉輪因結構原因不具備以往水泵葉輪的抗拉拔強度，因此，需要對銷子進行針對性的設計。結合新方案葉輪的結構布局特點，提出一種可直接拉拔銷子的方案，銷子在插進驅動軸和葉輪空心臺柱的卡槽里，同時還需要留出一端頭在卡槽外，所以銷子的長度會比以往葉輪銷子要長，銷子尾端便設有便于拔出的圓形拉拔卡槽，所以銷子稱為圓頭銷，見圖3。

圖3

因為水泵主要是針對沒有設置自主排水場所的超低位積水，水泵在工作時不像深潛抽水時的潛水泵一樣可以依靠水對泵身散熱。因此，本技術方案中水泵泵身需要考慮散熱。結合現有設備不靠水來冷卻散熱的方式，提出一種可行性的水泵散熱方案，在水泵的側身設置豎向的散熱片，使泵身與空氣接觸的面積增大，從而擴大泵身在空氣中的散熱效果。散熱片的具體形式為，散熱片從底部到頂部的剖面呈三角形狀，相鄰散熱片之間間隔50 ～70mm，散熱片底部的寬度在50 ～70mm，散熱片的兩端頭倒角成圓弧狀。在水泵泵身設置散熱片只能在一定程度上擴大散熱效果，但是在溫度較高場所以及所需要連續(xù)工作時間較長的情況下，僅僅在泵身設置散熱片來散熱還不足以滿足工作需求。因此，在此種常規(guī)方案基礎上再提出另一種方案- 在泵身頂部加散熱風扇，工作時讓軸承帶動的風扇對泵身進行強迫風冷散熱。

在潛水泵泵身頂部加散熱風扇是創(chuàng)新性提出的一種方案，在考慮對泵身散熱的同時，還得保留潛水泵的潛水功能。潛水泵身頂部加散熱風扇具體方式為：泵身內部的驅動軸穿過泵身軸向兩端，驅動軸的底端驅動葉輪，驅動軸的頂端連接散熱風扇，正常工作時，風扇可由驅動軸帶動對泵身進行強迫風冷散熱，以延長連續(xù)工作時間。為了使得加了散熱風扇的潛水泵還具備潛水功能，因此，在泵身頂部外殼中心驅動軸承出口位置設計有10 ～30mm 高的驅動軸口延伸段，驅動軸口延伸段的外表加工成螺紋狀，當泵需要進入潛水工作狀態(tài)時，只需取下散熱風扇，擰上匹配的軸承蓋即可。而軸承蓋具體形式為：底部外表設有10～20mm 高且厚度不低于5mm 的正六邊形加厚邊，正六邊形加厚邊內部加工有螺紋，內部螺紋與驅動軸口延伸段外表加工的螺紋相匹配，同時軸承蓋上身內圓的直徑不小于驅動軸口延伸段外圓直徑，頂部為半圓形，高度超過泵身頂部外殼軸承口延伸段加外露的頂部驅動軸承的高度。同時，泵身頂部驅動軸承靠近驅動軸口延伸段位置設計有風扇卡位，風扇卡位使風扇與驅動軸口延伸段隔開不碰觸，見圖4。

為了使泵身頂部的散熱風扇不被外部因素損壞，因此需要在泵身頂部加風扇防護罩。風扇防護罩的具體形式為：風扇防護罩底部設有螺絲孔，與泵身用螺栓連接，相鄰的螺絲孔之間帶有四分之一圓弧的間隔。為了使得風扇防護罩的固定更加可靠耐用，在螺絲孔外表設有單邊長為螺絲孔直徑2倍且厚為3mm 的正方形加厚鐵塊，螺絲孔居于加厚鐵塊中心。為了保證泵身頂部風道的暢通，在泵身頂部側面設有用于固定風扇防護罩的螺絲孔柱，相鄰的螺絲孔柱之間帶有四分之一圓弧的間隔，螺絲孔柱為長10mm的為立方體，截面為正方形，且截面邊長為螺絲孔直徑的2 倍，螺絲孔柱（見圖4 泵身頂部）頂部外表是與風扇防護罩內壁相匹配的弧形，見圖5。

圖4

圖5

為了更便于對文章的理解，對文中部分標記部位進行解釋說明：①第一加強筋；②第二加強筋；③第三加強筋；④第四加強筋；⑤第五加強筋；⑥法蘭盤；⑦空心臺柱；⑧驅動軸口延伸段（外表螺紋狀）；⑨螺絲孔柱；⑩軸承蓋；?風扇；?風扇防護罩；?散熱片；?網罩底座；?圓頭銷；?蝸形泵殼。

因此，結合上述設計，綜合效果圖如圖6。

4 結語

圖6

綜上所述，經過改進后的潛水泵與以往普通潛水泵相比，在保留普通潛水泵原有的深潛抽水和底座可大量進水的功能上，實現了底座的超低位積水進水以及超低位積水的抽吸功能。普通潛水泵發(fā)展到現在已經是一個很成熟、很普遍的設備，功能也是日趨多樣化。但是，在5 ～30mm 及以上這類深淺的超低位積水處理的研究還是一個空白。而文中根據現實中所面對的難度，創(chuàng)新性的地提出新方案，使得水泵這一細分領域行業(yè)空白得以填補，為今后面對這類大面積超低位積水提供了可行性的處理方案。