蒋忠根，梁 红，石海燕，姚 芳
（浙江丰球克瑞泵业有限公司，浙江 诸暨，311800）
随着工农业生产的发展，潜水切割泵作为水处理机械中的重要污水处理设备，广泛地应用于建筑楼宇、医院、道路交通及其施工、工厂排污等场合。由于离心泵设计理论仍不够完善，还是停留在半经验半公式的基础上，因此对于实际的工程应用领域[1]，如果泵设计时参数选择稍有偏差就会导致离心泵偏离设计工况点运行。为解决以上难题，本文结合多年来实际经验通过运用相似换算法与CFD仿真分析技术相结合的设计方法，利用CFD仿真分析工具对设计电泵性能进行提前预测，弥补了离心泵传统设计理论的不足[2]。在减少不必要资源浪费的同时，极大地提高了开发速度与成功率，确保电泵在设计工况点高效运行。
本文所阐述的潜水切割泵（图1）由泵及切割刀具组成，具有切割效果强、无堵塞、结构紧凑等优点。
图1 潜水切割泵结构示意图
切割刀具有径向或轴向式结构，径向式切割刀具的间隙单边一般在0.1～0.2mm左右，轴向式切割刀具的间隙一般控制在0.1～0.3mm左右[3]，原则上是间隙越小切割效果越好。刀具材料采用了性能优良的合金结构钢40cr或11cr17等高碳高铬马氏体不锈钢制作。为实现高耐磨的优良性能，热处理时真空淬火后加以真空氮化处理，热处理后刀具的硬度控制在56～60HRC左右。电泵运行时泵轴带动活动刀作高速旋转，通过固定刀与活动刀相互磨碎、撕割，将杂物磨碎、切碎形成细小颗粒或短纤维物质。为减小介质流体、固体颗粒对叶轮的磨损，设计时可选用旋流式叶轮结构。旋流式叶轮将磨碎切割后的固体颗粒及纤维类杂物收集后排出，从而实现无堵塞排放的目的。
根据国外某客户要求，设计一款最大流量为10m3/h，最高扬程为18m的潜水切割泵。潜水切割泵样机设计具体参数如表1所示。
表1 潜水切割泵设计参数
2.1 潜水切割泵叶轮的设计
为避免叶轮被过早磨损，潜水切割泵叶轮通常可以设计成旋流式。叶轮材料选用了耐磨球墨铸铁QT450材料或锡青铜等耐磨材料制作而成。为方便铸造加工并防止流道堵塞，采用了圆柱型开式叶片结构。
2.1.1 叶片数Z的确定
为取得较高的扬程，旋流式叶轮叶片数Z通常在8～12片左右。本文研究的叶轮叶片数选择了12片[4]。
2.1.2 叶片出口角β2的确定
为了取得较高的扬程，通过文献[5]查阅与计算，叶轮出口角β2选择38度。选取较大的出口角β2可以适当减小切割泵叶轮外径D2，从而减少圆盘磨擦损失对电泵效率的影响[6]。
2.1.3 叶轮外径D2的确定
为取得较好的设计效果，设计时优先采用了相似设计法（模型换算法）。该方法简单可靠、设计成功率相对较高。目前已成为水泵设计基础计算时使用的主要方法之一。潜水切割泵水力部件具体设计步骤如下：
（1）根据提供的设计参数计算本文研究的WQ750SQG切割泵的比转数ns。
式中：ns为比转速；
Q 为流量，m3/s；
H 为扬程，m；
n为转速，r/min。
（2）选择与设计泵比转数ns相近的模型泵。
（3）按设计泵与模型泵参数Q、H、n计算尺寸系数λ。λQ为按流量计算的尺寸系数；
λH为按扬程计算的尺寸系数。
（4）设计泵尺寸按D=λDM计算。其中λ的选择原则：选取上式中较大值或λQ与λH的平均值[7]。
（5）根据设计泵计算尺寸画出施工图[8]。
通过相似换算法计算，潜水切割泵叶轮外径D2为125mm。因篇幅有限，且水泵理论设计教程中已有较为详细的说明，本文省略了以上相关步骤的计算。潜水切割泵叶轮设计相关数据见表2。
表2 叶轮主要参数
2.2 蜗壳部件的设计
潜水切割泵属于低比转速泵，具有高扬程、小流量的特点[9]。比转数ns一般在30～80间。较低的比转数导致电泵水力损失相对较大，电泵效率偏低。为适当的提高泵效率，WQ750SQG潜水切割泵蜗壳选用了准螺旋形压水室。与环形压水室相比，准螺旋形压水室的效率较高。
2.2.1 蜗壳喉部面积F3的确定
因国外客户设计参数中仅有最大流量与最高扬程的规定，并没有明确的额定工况点参数要求。与常规国内泵额定点设计要求相比，设计难度有所提高。根据以往的设计经验，设计时进行了相应的参数换算。其中额定点流量按设计参数中最大流量的1/2略大一点来设计计算，额定流量Q设定为6m3/h；
而最高扬程通常是额定扬程H的1.2倍左右，因此该潜水切割泵额定扬程H设定为15m。根据水泵理论中面积比原理，蜗壳喉部面积对泵性能有较大影响。根据叶轮出口面积F2及面积比Y来确定蜗壳喉部面积F3。具体计算如下：
根据安德森给出的Y与ns的关系，通过文献[7]查表可得Y=0.36；
根据面积比原理公式Y=F3/F2；
F3=Y×F2=0.36×2297=827mm2
根据以上计算得到的叶轮与蜗壳设计参数，运用SolidWorks三维设计软件对叶轮与蜗壳分别进行三维建模设计，完成建模后的水力部件三维流体域如图2所示。其中为了确保CFD仿真测试性能的准确性，对叶轮进水段与蜗壳出水段进行加长延伸处理。运用CFD仿真软件，采用了标准k-ε湍流模型，对样泵的水力性能进行了模拟测试[10]。为了确保CFD模拟试验的精度，本次模拟采用了蜗壳与叶轮联合求解方法。WQ750SQG潜水切割泵模拟试验分析数据具体如图3。
图2 WQ750SQG水力部件流体域示意图
从图3看到，通过CFD仿真工具技术分析显示，在关死点处泵最高扬程可以达到17.4m左右，最大流量延伸后在10.5m3/h左右。与设计参数最大流量为10m3/h，最高扬程为18m要求仍有一定差距。为此运用切割定律公式计算，在保持其它设计参数不变情况下，将叶轮D2从125mm调整到127mm后，再运用CFD仿真工具对WQ750SQG潜水切割泵进行性能预测，模拟试验分析数据具体如图4。
图3 WQ750SQG切割泵第一次模拟试验性能曲线图
图4 WQ750SQG切割泵第二次模拟试验性能曲线图
从图4看到，通过CFD仿真工具技术分析显示，在关死点处泵最高扬程可以达到18.6m左右，最大流量延伸后也可以达到11m3/h左右。与设计参数要求相比较，CFD仿真试验值略偏高。考虑到实际生产制造过程会有一定的加工误差，且CFD仿真分析时并没有考虑轴承及密封件造成的一些机械损失。因此基本上可以确定按以上设计参数来制造样泵是可行的。
WQ750SQG潜水切割泵样泵制作完成后在公司的开式试验台上进行电泵的水力性能测试。整个测试系统由潜水切割泵样机、出水管道、DN50涡轮流量传感器、压力变送器、智能流量转速测量仪、智能压力测量仪、电参数测量仪、RDC2512B智能低电阻测试仪等组成。通过测试得到的性能曲线如图5所示。
图5 WQ750SQG切割泵性能曲线图
从图5可以看出，样泵关死点扬程实际达到18.1m左右，符合客户规定的最高扬程为18m要求。在流量为9.9m3/h时泵扬程在3m左右，流量曲线延伸后显示Qmax约在10.5m3/h左右，电泵最高效率在19.5%附近。通过对样泵全性能测试，试验数据符合客户要求。通过与CFD仿真试验数据对比，两者测试数据基本相近。
本文将离心泵相似换算法与CFD优化设计相结合，快速准确地实现了WQ750SQG潜水切割泵的设计开发。通过运用CFD分析技术对该切割泵进行性能预测，使离心泵各性能指标符合设计要求。实践证明通过相似换算法与CFD仿真技术相结合的设计方法成功率较高，能有效降低开发周期与设计成本，可为同类产品设计提供一定的借鉴。
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