600YQ3300-16-200型永磁潛污電泵設(shè)計

周應(yīng)來，彭智新，龍翔 ，李志鵬

（1.湖南省應(yīng)急排水搶險設(shè)備工程技術(shù)研究中心；2.長沙迪沃機械科技有限公司；3.長沙理工大學，湖南 長沙 410000）

1 永磁同步電機設(shè)計

YQ型永磁潛污水泵的功能實現(xiàn)，以永磁同步電機為基礎(chǔ)，該電機制作中基于水泵葉輪共軸傳動，能效達到國家一級標準，為實現(xiàn)YQ型永磁潛污水泵節(jié)能奠定基礎(chǔ)，具備IPX8潛水防護等級，H級絕緣等級。永磁同步電機應(yīng)用在YQ型永磁潛污水泵中，憑借其顯著節(jié)能效果、小體積、緊湊的結(jié)構(gòu)、低噪聲、輕重量等諸多優(yōu)勢，為實現(xiàn)YQ型永磁潛污水泵功能提供技術(shù)支持。選擇定子鐵芯材料和轉(zhuǎn)子鐵芯材料時，需選用高磁感應(yīng)強度和低鐵損的武鋼或?qū)氫摾滠垷o取向硅鋼片。

鼠籠條與電磁線等勵磁線圈需安裝在異步電機轉(zhuǎn)子上，定子線圈所形成的磁場勵磁轉(zhuǎn)子而保證其運轉(zhuǎn)，兩個不同的磁場相互之間存在著轉(zhuǎn)速差異；永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁極上安裝有稀土永磁材料，其自身便是一個永久性的磁場，運轉(zhuǎn)中無須外界勵磁推動，同樣可以實現(xiàn)與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。定子繞組通常使用Y形接法完成連接，設(shè)計過程中以雙層繞組和單層繞組以及不同節(jié)距等繞組方式為基礎(chǔ)，將磁場的波形作出改變，降低噪音的同時實現(xiàn)諧波畸變減少（圖1）。

圖1 永磁同步電機圖

2 部件設(shè)計及計算

2．1 葉輪與泵體

600YQ3300-16-200型的永磁潛污泵主要要求參數(shù)如下：流量Q=3300m3/h，揚程H=14m，轉(zhuǎn)速n=1000rpm，配套電機額定功率Pe=200kw。

設(shè)計制造葉輪與泵體，選擇雙流道葉輪結(jié)構(gòu)和單片葉輪結(jié)構(gòu)完成，從而可以降低葉輪內(nèi)存在的水力摩擦，強化水泵性能，以橢圓形或圓形完成流道斷面設(shè)計，提升污染物通行能力。優(yōu)化設(shè)計所有系列的葉輪，強化揚程和流量點設(shè)計效率。設(shè)計葉輪直徑為Ф640mm，最小壁厚處為10mm，采用雙葉片，大包角設(shè)計，污物通過性好，泵體設(shè)計為渦線型，效率高。葉輪軸徑的確定：

泵軸所受的最大扭矩T為：T=9550×Pe÷n=1910(N·m)。

式中，Pe為配套電機額定功率（kW）；n為泵的轉(zhuǎn)速（r/min）。

按扭轉(zhuǎn)強度及剛度計算軸

式中，T為泵軸所受的最大扭矩（N.m）X；[τ]為許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（N/mm2）。軸材料為AISI431（14Cr17Ni2）；[τ]取86(N/m3)；軸上有鍵槽，考慮軸徑加大5%，即軸徑為55mm。

式中，D為蝸殼最大內(nèi)徑（mm），本次根據(jù)換算出的流道得D=1422mm；P為泵殼承壓，由上性能參數(shù)的換算，取壓力P=0.6MPa；[σ]為材料許用應(yīng)力(安全系數(shù)取4)；設(shè)計材質(zhì)HT250，取抗拉強度250MPa。

代入公式中計算壁厚為11mm，考慮大泵需要腐蝕余量，且泵體的最大尺寸為1624mm，最小壁厚應(yīng)為20mm。

2．2 密封件

以雙端面機械密封的方式完成電機和水泵密封工作，材料使用的是碳化鎢，質(zhì)地堅硬，耐腐蝕，耐振動，壽命長，功率損失小，應(yīng)用該技術(shù)可提升設(shè)備使用壽命，以“O”型耐油橡膠完成固定止口密封位置的密封工作。

2．3 載荷計算

（1）葉輪徑向負荷的計算。中開泵壓出室是蝸形體，在偏離設(shè)計工況時的徑向力可按下式計算：

式中，F(xiàn)R為徑向力（kg）；H為揚程（m）；D2為葉輪出口直徑（m）；B2為葉輪出口寬度（m）；K為徑向力系數(shù)，取0.27。

（2）軸向推力計算。

式中，A為軸向力（N）；ρ為液體密度（kg/m3）；H1為泵單級揚程（m）；Rm為葉輪密封環(huán)半徑（m）；Rh為葉輪輪轂半徑（m）；i為泵級數(shù)；k為系數(shù)，當ns=30～100時，k=0.6；當ns=100～220時，k=0.7；當ns=240～280時，k=0.8。

=0.8×1030×16X×3.14×(0.32-0.0682)=3534kg。

軸承承受的軸向負荷除軸向力外，還應(yīng)包括整個轉(zhuǎn)子部件的重量。

3 CFD計算與性能預(yù)測

3．1 計算模型

計算模型運用SOLIDWORKS建三維模型，如圖2所示。

圖2 三維模型

3．2 計算網(wǎng)格

運用Gambit劃分網(wǎng)格。進口網(wǎng)格數(shù)為325580，葉輪網(wǎng)格數(shù)為1180125，壓水室網(wǎng)格數(shù)為1180125，網(wǎng)格總數(shù)2122952。如圖3所示。

圖3 計算網(wǎng)格

3．3 內(nèi)部流場

為更清楚的了解該泵內(nèi)部流場情況，計算取出設(shè)計流量下內(nèi)部流場情況。圖4為整體流線圖，圖5為壓力云圖，圖6為速度矢量圖。

圖4 整體流線圖

圖5 壓力云圖

圖6 速度矢量圖

3．4 性能預(yù)測

計 算 流 量 為：2100m3/h、2700m3/h、3300m3/h、3900m3/h、4500m3/h，共5個點。計算得到的性能參數(shù)詳見表1，計算得到的性能曲線詳見圖7。

表1 CFD分析得到的性能參數(shù)

圖7 CFD分析獲得的性能曲線

4 結(jié)語

（1）永磁潛污水泵采用永磁體、高效、結(jié)構(gòu)緊湊，雙端面機械密封，可靠性高，雙葉片渦線流道，過流性能好。（2）在設(shè)計流量3300m3/h，計算的揚程為16.73m，與設(shè)計要求的16m略高一點，此時效率可達到84.08%；設(shè)計點在高效區(qū)附近。（3）流線及速度矢量圖表明該泵整體流態(tài)較好，沒有明顯漩渦。壓力云圖表明葉輪及壓水室壓力變化較均勻。