污水泵葉輪型式及軸向力平衡方法研究現(xiàn)狀

向林嵚，肖俊，林鵬

（湖南人文科技學院 能源與機電工程學院，湖南 婁底 417000）

0 引言

污水泵廣泛用于市政工程、工業(yè)、醫(yī)院、建筑、飯店、水利建設(shè)等各行各業(yè)。隨著社會的發(fā)展，水資源污染越趨嚴重。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示（如圖1），2018年我國城市排污量已經(jīng)高達521.12 億m3，全國八成以上的城市污水都未加以處理便直接排放到周邊水體中，極大地影響了城市美觀和水資源環(huán)保。

圖1 2014—2018年中國城市污水排放量情況

由于污水泵在較惡劣的環(huán)境下工作，因此較一般水泵來說，相同條件下污水泵壽命更短、處理效率更低。因此，如何提高污水泵壽命、效率是污水泵研究者們的目標。本文分別對污水泵葉輪、軸向力平衡2個研究方向闡述污水泵研究現(xiàn)狀，并對未來污水泵發(fā)展方向進行展望。

1 葉輪型式研究

現(xiàn)國內(nèi)外對葉輪有很多研究，按葉片形式可分為開式葉輪、半開式葉輪、閉式葉輪3種；按工作方式可分為單吸葉輪、雙吸葉輪；按結(jié)構(gòu)可分為螺旋離心式、旋流式、流道式、葉片式4種。葉輪是泵的核心零件，其作用是把原動機的機械能轉(zhuǎn)化為工作液的靜壓能與動壓能。因此本文將從葉輪的結(jié)構(gòu)進行闡述。

1.1 螺旋離心式葉輪

螺旋離心式葉輪是由20世紀60年代初期瑞士工程師MaritnSthalc所研制的，其葉片為扭曲的螺旋。該型葉具有無損性、效率高、無堵塞、具有陡降的揚程曲線、功率曲線比較平穩(wěn)等優(yōu)點。由于對輸送物的破壞性比較小，而且混合物通過性能強，所以該型式葉輪多用于輸送含有大顆粒、高濃度和長纖維的液體。

20世紀90年代，徐朗等[1]利用邊界元法對螺旋離心泵葉輪進行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當葉輪中液體輸出速度越小，其液體的圓周分速度越大。而離葉輪外緣較近的流體質(zhì)點比靠近葉輪內(nèi)緣的圓周分速度要大。之后由朱榮生等[2]確定了螺旋離心式葉輪的主要幾何參數(shù)。王家斌等[3]給出了螺旋離心式葉輪的測繪方法。陳斌等[4]利用虛擬仿真技術(shù)結(jié)合參數(shù)化建模對螺旋離心式葉輪進行新的配重,該方法較傳統(tǒng)的配重方法更方便、更快捷、精度更高、成本也更低。但由于該型號葉輪無法進行大流量的輸送，所以后來由朱榮生等[5]研制出一種螺旋軸流式葉輪，使之能夠進行大流量輸送。之后林鵬博士[6]對其水力設(shè)計、實體建模、固液兩相流場數(shù)值計算等進行研究，對螺旋軸流泵的設(shè)計具有重要的指導意義。接著朱榮生等[7]利用CFX軟件對螺旋軸流葉輪進行數(shù)值模擬, 測得所監(jiān)測點的壓力脈動以及泵的內(nèi)部流場，優(yōu)化了螺旋軸流泵的設(shè)計。史廣泰等[8]對其在不同介質(zhì)下的能量進行分析，指出葉輪做功的部分為葉輪中部，在輸送多相混合物的時候葉輪的機械能轉(zhuǎn)化為混合物的靜壓能，對螺旋軸流的葉輪水力設(shè)計提供有力的借鑒。

1.2 旋流式葉輪

旋流式葉輪是由于其在工作時內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的旋渦運動，所以取名旋流泵。由于葉輪與泵殼之間有很寬的流道，因此其葉輪可不直接與介質(zhì)相接觸，所以該葉輪具有無堵性、無損性、結(jié)構(gòu)簡單、葉輪磨損小、凈吸壓頭較低等優(yōu)點，但是該型號葉輪效率較一般的離心葉輪低。所以旋流式葉輪適用于輸送含有大顆粒和長纖維的混合物[9-10]。

早在20世紀50年代國外便對旋流泵進行研究，最早是由WesternMachineCompany 所研制的，之后不久Stenbery-Flygt公司研究出一種旋流潛水泵，20世紀60年代初瑞士Egger公司開始研制旋流泵。我國也是在20世紀60年代中期開始研制旋流泵。20世紀60年代末，Rutschi等[11]發(fā)表了一篇關(guān)于旋流泵的研究報告，之后各國便開始對旋流泵進行各種研究。20世紀70年代初Grabow對無葉腔中的速度和壓力分布進行研究發(fā)現(xiàn)，水力的喪失與回流有關(guān)。1972年日本小島發(fā)現(xiàn)，隨著壓水室腔的增大，效率隨之降低。1979年蔡振成對旋流泵進行研究。20世紀80年代初Schvley等[12]提出了新的流動模型。1991年陳紅勛[13]在前人的基礎(chǔ)上進行改進，提出了新的流動模型，讓其在設(shè)計上更加合理。2007年劉天寶[14]通過對該型泵內(nèi)部流動進行三維數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，旋流式葉片泵的吸入和排出性能最好，對旋流式葉輪的設(shè)計有重要的指導意義。2009劉祥松[15]通過對旋流泵的輸送特性進行試驗得出，濃度、粒徑和氣量的變化對泵的性能影響很大。2017年高雄發(fā)[16]通過對旋流泵的研究發(fā)現(xiàn)，葉片安裝角較大時會產(chǎn)生旋渦，安裝角較小時，葉片對液體的束縛力強。2020年康蕾[17]對旋流泵的內(nèi)流結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)換做了試驗研究，對旋流泵的設(shè)計有著重要的指導意義。

1.3 流道式葉輪

1.3.1 單流道葉輪

單流道葉輪又名無葉片葉輪，葉輪進口與葉輪出口之間是一個扭曲的流道，它相對一般無堵塞葉輪，具有高效率、功率曲線平坦、無堵塞等優(yōu)點?？捎糜诖箢w粒物質(zhì)輸送，多用于市政工程、工業(yè)、河塘清淤、建筑、餐飲、水利建設(shè)等行業(yè)中。由于單流道結(jié)構(gòu)的不對稱性，且在運行中出現(xiàn)脈沖出流的現(xiàn)象，徑向力很大，所以要求對葉輪進行動平衡試驗，否則容易產(chǎn)生振動，從而降低了泵的可靠性。由于該型葉輪的汽蝕性能較普通閉式葉輪差，所以適用于有壓進口的泵上。

早在20世紀90年代，馮進升等[18]便對單流道式葉輪進行過大量的研究，提出使用“厚壁型”和“薄壁型”兩種方法進行單流道葉輪的水力設(shè)計。其中，厚壁型葉輪采用三流線法進行設(shè)計，而薄壁型葉輪利用普通扭曲葉片方法設(shè)計。沙毅等[19]通過對單流道離心泵葉輪的研究，總結(jié)出單流道葉輪的設(shè)計方法。由于這兩種設(shè)計方法比較復雜，21世紀初劉厚林等[20-21]得出新的平面圖設(shè)計方法，并且給出利用CAD軟件進行單流道葉輪的設(shè)計方法，確定了葉輪進出口速度系數(shù)值和出口寬度的計算方法。之后NISHI等[22]提出了單葉片葉輪主經(jīng)驗系數(shù)法。

1.3.2 雙流道葉輪

雙流道葉輪的設(shè)計來源于雙葉片葉輪。雙流道葉輪的軸面如同一個大彎頭，其中葉輪的上下兩側(cè)吸水，而彎頭是由兩頭出水。從進口到出口方向，內(nèi)流道由一分二，伸出的外流道相當于葉片的壓力面阻。由于雙流道泵擁有無堵塞、效率高、高揚程、大流量、功率曲線平坦、抗腐蝕、無損性等優(yōu)點。被廣泛應用于市政工程、水利水電等領(lǐng)域，主要用于輸送生活污水、工業(yè)廢水，以及含有固體顆粒、纖維狀纏繞物的液體?；谏鲜鰞?yōu)良的性能，雙吸雙流道泵在各行各業(yè)中得到廣泛應用，具有較好的應用前景。

早在20世紀90年代初，陸偉剛等[23]為了解決單吸單流道葉輪在制造工藝上產(chǎn)生的動、靜平衡，以及在流體作用力下產(chǎn)生的徑向力和軸向力等平衡問題，通過將2個單吸單流道葉輪結(jié)合起來，形成1個雙吸雙流道葉輪。該型葉輪不但保留了單流道葉輪的優(yōu)良特性，又解決了單流道葉輪不容易實現(xiàn)動、靜平衡，以及徑向力和軸向力等平衡問題。但經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，該種葉輪在工作中的葉輪出口處壓力較葉片式離心泵效率低3%～8%[24]。之后錢萬鈞等[25]通過采用CAD/CFD/CAM等技術(shù)，對葉輪進行優(yōu)化設(shè)計。直接將雙流道葉輪的效率提高至80.1%，效率比傳統(tǒng)葉片式離心泵還要高出1.1%。

1.4 葉片式葉輪

1.4.1 開式葉輪

開式半開式葉輪具有構(gòu)造簡單、無堵塞、加工方便、揚程曲線比較平坦等優(yōu)點。但是該種葉輪效率低，最高效率約為閉式葉輪的92%左右。由于在工作中，顆粒的磨蝕會加大葉片與壓水室內(nèi)側(cè)壁之間的間隙，從而大大地降低了葉輪的工作效率。而且還會破壞流道中液體流態(tài)的穩(wěn)定性。因此為了延長泵的使用壽命，通常在葉輪的前端設(shè)置軸向間隙，但是軸向間隙層的厚度仍然比葉輪流道的尺寸小，所以還是會對流道內(nèi)的流動產(chǎn)生一定的影響。所以該種葉輪不適用于輸送含大顆粒和長纖維的液體。

經(jīng)過歷年學者的試驗發(fā)現(xiàn)，如果軸向間隙設(shè)計過大時，泵的揚程和效率會逐漸下降，而當軸向間隙設(shè)計過小時，則會發(fā)生空化現(xiàn)象。所以對半開式葉輪來說，研究軸向間隙的最佳取值有著重要的意義。早在20世紀60～70年代，WoodGM等[26]便對不同結(jié)構(gòu)葉輪實驗模型進行測試,發(fā)現(xiàn)半開式葉輪的效率最高。Engin等[27]在對半開式葉輪在輸送混合物時軸向間隙對泵性能的影響進行研究時，發(fā)現(xiàn)隨著間隙值的不斷增大，泵的性能呈下降趨勢。劉正先等[28]對半開式葉輪壓氣機性能進行了研究，指出葉輪機械性能降低的主要原因，是因為間隙流與主流相互干擾所導致的能量散失，但隨著流量的增大間隙流對主流的影響會減弱。張劍慈等[29]利用S-A湍流模型對離心泵的內(nèi)部流場進行了數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)進口處的液流沖擊、流道內(nèi)的不均勻流及流道內(nèi)的二次流是導致葉輪效率降低的主要原因，并總結(jié)出軸向間隙值的增大會導致泵的揚程和效率降低。張利紅[30]對不同間隙值的半開式離心泵數(shù)據(jù)處理研究發(fā)現(xiàn)，當軸向間隙值取0.3 mm時，泵的效率最高。當間隙值小于0.3 mm時，泵的揚程升高，但效率下降。當間隙值大于0.3 mm時，隨著間隙值的不斷增大，泵的揚程和效率呈下降狀態(tài)。

1.4.2 閉式葉輪

閉式葉輪是葉輪中效率較高的一種。該葉輪擁有運行穩(wěn)定、軸向力較小、體積小、效率高等優(yōu)點。因此閉式葉輪比開式葉輪應用更加廣泛。但是與開式葉輪相似，其無堵性差，且容易纏繞，所以該種葉輪也不適用于輸送含大顆粒和長纖維的液體。閉式葉輪與開式葉輪不同的一點是，可以通過設(shè)置副葉片，以減少顆粒對密封環(huán)的磨損和旋渦損失。副葉片不僅可以防止顆粒進入機械密封腔，而且還可以平衡軸向力。

早在20世紀80年代，北京冷凍機廠、一機部通用機械研究所焊接葉輪攻關(guān)組等相關(guān)專家便對閉式葉輪的焊接進行了實驗研究。之后20世紀90年代謝麗清等[31]對制造材料進行研究，制造出一種高強度鋁合金閉式葉輪，并對其制造工藝與相關(guān)優(yōu)缺點進行了分析。之后魏進家等[32]對葉輪內(nèi)的顆粒運動進行研究試驗，得出導致葉輪壽命降低的重要原因，是因為葉片的壓力面后半部分與出口太近從而導致磨損這一結(jié)論。姜耀林等[33]利用ProCAST和3D打印技術(shù)，使閉式葉輪的制造時間大大縮短，制作更加方便，并且使鑄件的質(zhì)量大大地提高。張同桐等[34]利用SolidWorks對閉式葉輪進行強度分析，發(fā)現(xiàn)葉片進口的頂部和根部的應力最大，通過改變材料讓閉式葉輪的安全性能得到進一步加強。

2 軸向力平衡研究

軸向力是由于葉輪產(chǎn)生力使葉輪沿著軸線方向發(fā)生偏移導致的，因為軸向力的存在使泵的使用壽命大大縮短，因此如何消除、平衡一直是污水泵以至所有泵領(lǐng)域的重要課題。

早在20世紀初Dautherty[35]在《CentrifugalPump》一書中對軸向力進行論述，1958年Stepanoff[36]對軸向力所產(chǎn)生的原因、平衡的方法和影響因素進行了系統(tǒng)的闡述。對之后進行軸向力的研究具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的平衡軸向力的方法有止推軸承、平衡管、葉輪對稱排列、平衡孔、背葉片、平衡盤、雙吸式葉輪等。1991年王秀蘭等[37]提出在安裝時將每個葉輪的位置后移。其目的在于葉輪前側(cè)與泵殼之間存在一定的間隙，這樣便能減少誤差。這種方法相對以前的方法來說更加簡便經(jīng)濟。1995年關(guān)醒凡等[38]給出深井潛水泵軸向力平衡裝置的方法。1999年楊瑞[39]提出了一種新的平衡鼓組合方式。2003年劉在倫等[40]提出使用加大葉輪后密封環(huán)和軸向力平衡裝置兩種新的平衡軸向力方法。2005年張翼飛等[41]提出一種自動平衡軸向力的方法，即通過在泵的結(jié)構(gòu)上進行改造，來達到平衡目的。該方法簡捷、方便、可靠。2006年陸偉剛等[42]也提出一種自動平衡軸向力的方法，即按斜流式葉輪設(shè)計方法進行設(shè)計, 同時將葉輪的進口端面密封等措施來平衡軸向力。之后賀博等[43]也提出一種葉輪輪轂局部加厚的技術(shù)，很大地提高了泵運行的可靠性。

3 結(jié)論與展望

1）本文就污水泵葉輪及其軸向力平衡進行闡述，發(fā)現(xiàn)污水泵其實只是葉輪與壓水室服從不同輸送、安裝要求的一種組合，只要根據(jù)實際要求對葉輪和壓水室進行配置，就能保證泵各種性能。隨著學者的不斷研究，軸向力的平衡方式也越趨簡單、經(jīng)濟、可靠。

2）隨著計算機軟件的發(fā)展，泵的設(shè)計、制造、模擬、分析等，更加趨向于高質(zhì)量、高精度、高效率、低成本方向發(fā)展。對未來污水泵行業(yè)來說，無疑不是一種優(yōu)勢，同時也是一種挑戰(zhàn)。

3）隨著社會的發(fā)展，污水泵形態(tài)和樣式必定會發(fā)生很大的變化，以達到市場的需求。功能也會趨向于大流量、無纏繞、無損性、高性能、無堵塞、高效率、高揚程、大流量、功率曲線平坦、抗腐蝕、壽命長等優(yōu)良性能。我們相信隨著學者們的不斷探索，這一天不會等太久。