涂嘉晖 徐正锐 胡俊林 许 琦

（台州职业技术学院知识产权研究所，台州 318000）

随着工业的不断发展，化工、矿山、食品、建筑、造纸等诸多行业的工艺流程中会产生大量的生活污水和工业废水。在污水排放和处理过程中，泵是一个非常重要的设备，起到污水输送、提升和汇集等作用。污水含有各类杂质，在排放过程中容易出现沉淀、堆积的现象，使得污水泵流道堵塞，造成排污不畅，需要频繁进行人工检修和维护。所以，对于污水泵的创新研发主要集中在两个方面。一方面，抗堵塞、易维护。它要求污水泵具有较强的抗堵塞性能，同时便于清理和维护。例如，上海博禹泵业有限公司生产了一款双进水口带便拆清污板的大流量高吸程自吸泵[1]，采用不锈钢高吸程开式叶轮，自吸能力强，抗堵塞效果好。在泵体正前方设置了便拆清污盖板，方便拆开清理泵体里面的异物，以及观察泵体和叶轮的具体情况。另一方面，密封性好。它要求污水泵具有良好的密封性，确保工作流道零泄漏，电机运转可靠有效。例如，昆山博格曼密封件有限公司设计了M113系列机械密封[2]，动环采用叉销或紧定螺钉两种形式，转动可靠，轴向尺寸较短，安装方便，通用互换性强，适用于一般腐蚀性的化工泵、污水泵以及工业泵等应用场合。按目前发展趋势看，污水泵需要提高效率，改进结构形式，改善工况。因此，一方面需要设计大流道抗堵塞水力部件，提高固体颗粒悬浮物或纤维状悬浮物的通过能力；另一方面需要减少叶轮旋转阻力，提升节能效率等[3-9]。

本文拟从抗堵塞、易维护、密封可靠等性能要求出发，针对污水工况恶劣、含有悬浮物或纤维物等特殊性质，设计一款卧式污水叶轮泵，通过水力设计寻求工作效率和悬浮物通过性的均衡，优化叶轮结构。采用动环、静环、压紧元件和密封元件集成一体式的机械密封，确保密封介质不外漏，并防止杂质进入工作室，提高密封的可靠性。

1 组成结构

卧式污水叶轮泵结构如图1所示，组成零部件如表1所示。

图1 卧式污水叶轮泵

表1 组成零部件

启动前，泵体内须储存有一定量的引液，可以是清水、污水或其他液体。启动后，叶轮带动引液高速旋转会产生离心力，驱动引液向叶轮外缘抛散。引液在离心力作用下获得一定的动能，经叶轮外缘流入蜗壳。蜗壳中，随着流道口径的增加，引液动能逐渐削弱并转化为静压能，驱动引液以较高的压力流向排出口，并被输送到所需的地方。当引液从叶轮中心流向外缘时，叶轮中心会形成一定的真空，污水被连续压入叶轮产生自吸效应。因此，只要叶轮持续旋转，污水就会不断被吸入和排出。

2 优化设计

2.1 叶轮水力设计

参考江苏大学关醒凡教授主编的《现代泵理论与设计》[10]中的相关经验公式和经验参数，科学设计叶轮进口直径、叶片数以及叶轮出口宽度等参数，在满足悬浮物通过尺寸的前提下，寻求工作效率和悬浮物通过性的均衡。叶轮模型如图2所示。初始条件预设叶轮流量Q=37 m3·h-1，扬程H=60 m，转速n=2 900 r·m-1。

图2 叶轮模型

2.1.1 叶轮进口直径

叶轮进口直径D0的计算公式为

式中：K0为叶轮进口直径系数，按照经验参数，取为3.54。根据计算结果，取D0为54 mm。

2.1.2 比转速

比转速ns的计算公式为

代入数值，计算可得比转速ns为49.8。

2.1.3 叶片数

叶片数对污水泵的工作效率和过流性能有很大影响。一方面，要考虑流道有足够宽度，即选取较少叶片数，保证足够的固体悬浮物通过性；另一方面，要保证一定的扬程和工作效率，即叶片数不能过少。可见，需均衡考虑两者。按照经验公式，根据比转速ns的计算值为49.8，选取叶片数Z为6。

2.1.4 叶轮出口安放角

叶轮出口安放角β的选取范围一般为15°～40°。根据不同叶片数和出口安放角组合对关死点影响的经验曲线（如图3所示）[10]，取出口安放角β为25°。

图3 不同叶片数和出口安放角组合对关死点影响的经验曲线

2.1.5 叶轮出口直径

叶轮出口直径D2的计算公式为

式中：KD2为叶轮出口直径系数，按照经验公式，取为13.249 44。根据计算结果，取D2为202 mm。

2.1.6 叶轮出口宽度

叶轮出口宽度b2是影响固体悬浮物通过性的关键参数，计算公式为式中：Kb2为叶轮出口宽度系数，按照经验公式，取为0.559 359。根据计算结果，取b2为8.5 mm。

2.1.7 固体悬浮物通过性

固体悬浮物通过性ε的计算公式为

代入数值，计算可得固体悬浮物通过性ε为15.70%。

2.1.8 工作效率

工作效率η的计算公式为

式中：ηh为水力效率，表示污水在流道中伴有水力摩擦损失和冲击、脱流、改向等引起的水力损失，需消耗一部分能量，计算取84.80%；ηv为容积效率，表示通过叶轮离心作用，出口处压力高于进口处压力，使一部分污水从泵体经叶轮口环间隙向叶轮进口逆流，即口环泄漏，计算取95.20%；ηm为机械效率，表示一部分机械能消耗于克服叶轮前后盖板表面和壳体间污水的摩擦，即摩擦损失，计算取84.40%，同时考虑轴承和密封的效率损失，最终取82.00%。根据计算结果，工作效率η为66.19%。

综上，叶轮水力优化设计使得固体悬浮物通过性为15.70%，工作效率为66.19%，可以满足一般的污水处理需求。

2.2 机械密封设计

机械密封如图4所示，主要由摩擦副、缓冲补偿机构和辅助密封圈3部分组成，形成三重密封防护，确保密封可靠有效，以实现低泄漏、低损耗的目的。摩擦副由动环和静环组成密封端面。弹簧为主要零件组成缓冲补偿机构，在非工作状态下使得密封端面紧密贴合。辅助密封圈包括动环密封圈和静环密封圈。

图4 机械密封

在动态即工作状态下，轴通过传动座和推环联接带动动环旋转，静环固定不动。依靠工作室中密封介质的压力，使动环端面压紧在静环端面上，在两环端面上产生适当的比压，保持一层极薄的液体膜，从而达到密封的目的。在静态即非工作状态下，调整传动座使弹簧处于压紧状态，利用产生的压紧力保持动环、静环端面贴合形成端面密封，确保介质不泄漏。摩擦副表面磨损后，在弹簧的推动下实现轴向补偿。动环与轴的间隙、静环与压盖的间隙以及弹簧可对泵的振动和冲击起缓冲作用。动环密封圈防止密封介质通过动环和轴间隙泄漏，静环密封圈则防止密封介质沿静环和压盖间隙泄漏。所有组件均安装在机械密封罩中，由机封压盖压紧，集成为一体式密封装置。

3 结语

污水叶轮泵已广泛应用于化工、造纸、食品等工业废水和城市生活污水输送、提升、汇集等场合，其抗堵塞性能和密封性能至关重要。本文设计了一款卧式污水叶轮泵，抗堵塞性能好，易检修，密封可靠，固体悬浮物通过性为15.70%，工作效率为66.19%，可以满足一般的污水处理需求。一方面，依据流体力学相关知识对叶轮参数进行优化设计，科学设计叶轮进口直径、叶片数以及叶轮出口宽度等参数，在满足悬浮物通过尺寸的前提下，寻求工作效率和悬浮物通过性的均衡，提升水力性能；另一方面，依据轴系零部件设计相关知识，对机械密封各个组件进行设计与校核，形成动环和静环摩擦副、弹簧缓冲补偿机构以及动环和静环密封圈三重密封防护，确保密封可靠有效。