农用自吸泵的水力设计

林海斌，詹昌海，伍鹏，赵子龙，徐永亮，李金富，樊健，陈秀芹

（衢州学院机械工程学院，浙江 衢州 324000）

0 引言

自吸泵属自吸式离心泵，它具有结构紧凑、操作方便、运行平稳、维护容易、效率高、寿命长，并有较强的自吸能力等优点。管路不需安装底阀，工作前只需保证泵体内储有定量引液即可，大大简化了管路系统，改善了工作条件，降低了对工作环境的要求，广泛应用于石油、化工、农业等方面。农用自吸泵[1-3]的工作原理是水泵启动前先在泵壳内灌满水（或泵壳内自身存有水），启动后叶轮高速旋转使叶轮槽道中的水流向涡壳，这时入口形成真空，使进水逆止门打开，吸入管内的空气进入泵内，并经叶轮槽道到达外缘。因此农用自吸泵内部的水利参数很大程度影响了自吸泵的工作性能。基于此，本作品提出了一种针对农用自吸泵的水利设计方案，采用Solidworks[4-8]建模技术对自吸泵进行数字建模，利用计算获得的参数得出整体的三维造型。

1 基本参数设计

根据广泛使用下的农用自吸泵的基本参数的设计要求，本设计取泵的扬程H=15m，泵的流量Q=500m3/h，其工作条件的介质是清水，其密度ρ=1000kg/m3。

（1）比转速计算。依据下式可得出比转速[9]：

式中原动机转速n=1480r/min，把已知条件代入式（1），计算得出ns=259，取圆整值ns=260。

（2）泵的效率计算。泵的水力效率计算：

把H=15m，Q=500m3/h代到上式，计算得ηh=0.810。

泵的容积效率计算：

把比转速ns=260代入上式，计算得出nv=0.951。

泵的机械效率计算：

把比转速ns=260代入上式，计算得出ηm'=0.986。

由于泵在工作时有块料磨损，式中ηm'为不计块料磨损时的机械效率，实际机械效率ηm可按照下以公式计算：

可得机械效率ηm=0.966。

自吸泵的总效率计算：

将上述计算所得参数代入可得泵的总效率为η=0.77。

（3）轴功率计算与原动机选择。已知总效率η=0.77，根据如下轴功率计算公式：

其中ρ表示工作介质密度，单位是kg/m3；Q表示流量，单位是m3/s；H表示扬程，单位是m。把以上数值代入上式计算得到轴的效率P=53.1kW。

泵的设计功率计算：

式中功率k1表示泵扬程的允差系数，k1=1.05～1.1，本设计中取k1=1.08；k2表示泵流量的增大系数，k2=1.10，将以上参数代入式（10），得到泵的设计功率Pd=63.1kW，则原动机的功率为Pd=63.1kW[10]。

原动机选择：

通过以上设计参数可知，Pd=63.1kW，选用型号是Y280S-4电动机，其功率P是75kW，转速是1480r/min。

确定泵的转子转矩与轴径：

已知泵的设计功率，根据以下公式计算转子转矩M与最小轴径dmin：

把原动机功率Pd=63.1kW代入上式得，转 子 转 矩M=407.2N·m，dmin=0.0344m。 由 于dmin=34.4mm，选取叶轮配合处轴径D=46mm。

（4）速度系数法设计叶轮。可根据下述公式，选取速度系数k0：

把已知条件代入上式，计算得到k0=3.5～4.0，其中ηv=0.9，本设计中ηv=0.984，所以k0=3.5～3.9。考虑水力损失最小，取k0=3.8。

叶轮[10-11]进口当量直径D0：

把已知条件和已经得到的结果代入该式，得D0=0.173m。

叶轮外径D2：

把已知条件代入该式，得D2=0.261m。

叶轮出口宽度b2：

该式中kb，Q，n，nS均已知，计算出b2=0.065m。

叶轮轮毂直径与颈部直径：

根据叶轮配合处轴径D=46mm，考虑叶轮轮毂直径dn=46mm，由此根据下式来计算叶轮颈部直径Dn：

把上述已知条件入上式得到，Dn=0.179m取圆整值Dn=0.18m。

（5）初定进口角及叶片进口角计算。根据下式来设计A、B、C流线的进口圆周速度：

根据叶轮的设计参数，选取D1A= 180mm，D1B= 136mm，D1C= 77mm，计算得到进口圆周速度U1A= 13.95m/s，U1B= 10.54m/s，U1C= 5.97m/s。

根据下式来计算A流线、B流线、C流线的过流面积：

根据叶轮的轴面图，选取叶轮轴半径rcA=56.5mm，rcB= 58mm，rcC= 67mm，叶轮宽度bA=67mm，bB= 70mm，bC= 76mm，计算得到过流面积F1A= 0.0238m2，F1B= 0.0255m2，F1C= 0.0320m2。

A流线叶片进口角：

A流线的叶片出口绝对速度vm的计算：

式中Q为泵流量，初选滑移系数k1A′= 0.93，把已知条件代入式（21）得出vmA= 6.02m/s。

A流线叶片安放角β1A′的计算：

把上文已知条件代进其中得到β1A′=22.77°，取叶片进口角Δβ1A=1.227°，则叶片安放角β1A=24°。

回算滑移系数k1A：

取式中的流道宽为z=6m，δ1=3.5，按轴面投影图可得λmA=50°，把设定的数值代入式（23），得k1A=0.90，由于

不符合要求。

将滑移系数k1A=0.90代入式（21）中重新计算得到vmA=6.64m/s，β1A′=25.45°，取叶片进口角Δβ1A=1.55°，则叶片安放角β1A=27°，根据公式（23）回算滑移系数得到k1A′=0.90，故合适。

B流线叶片进口角：

B流线叶片安放角β1B的计算：

将计算得到的参数代入式中可得β1B=33.99°，按轴面投影图可得λmB=40°，可根据式（23）计算得到滑移系数k1B=0.876，将其代入式（21）中可得vmB=6.37m/s，根据式（22）计算可得β1B′=31.15°，则B流线叶片进口角Δβ1B=β1B-β1B′ =2.84°。

C流线叶片进口角：

同（2）式，可得C流线叶片安放角β1C=49.97°，C流线叶片进口角Δβ1C=9.85°。

根据式（19）计算得到出口圆周速度U2=19.37m/s，滑移系数k2=0.965（取β2′=22.5°）。

叶轮出口圆周速度轴向分量计算：

式中ηv为容积效率，D2是叶轮出口处装配轴径，b2表示出口宽度，把上述已知条件分别代入式中，计算得出vm2=2.89m/s。

叶轮出口绝对圆周速度的计算：

上式HT为出口处叶轮的理论扬程，把已知条件代入上式，就算得出vu2=9.30m/s。

叶轮出口绝对速度周向分量计算：

式中HTϑ为叶轮出口周向分量的理论扬程，把已知条件代入上式，计算得出vu2ϑ=11.73m/s。

出口叶片安放角的计算：

把已经计算得出的数值代入上式，得出口叶片安放角β2′=19.86°。则叶片出口角Δβ2=3.9°。

（6）导流器计算。进口宽度b3的计算：

式中B2为包括前后盖板厚度的叶轮出口宽度，把已知条件代入上式，得出b3=85.5mm，取圆整值b3=86mm。

导叶内盖板最大直径D3的计算：

式中D2C为后盖板的外径，把以上计算得出的D2C代入式中，得出D3=252～255mm，根据实际情况和以上条件确定D3=252。

导叶外盖板最大直径D4的计算：

式中c为叶轮出口处装配轴径，把D2代入式中可得D4=320mm。

导叶轴向长度l的计算：

把D2装配轴径代到上式得出l=315mm。

导叶进口角α3的计算：

vm3为进口圆周速度轴向分量，vu3为出口绝对圆周速度，根据《叶片泵设计手册》提供的经验范围取D3=126×2mm，D4=160×2mm，把上述计算得出的值代入上式，得出α3=31.9°。

导叶出口角和导叶包角的确定：导叶是用来传递能量的，工作时，液体从叶轮流出时将其动能转换为压力能，从而使水力损失降低到最小。泵出口的流动状态取决于后导叶，叶轮出口旋转涡流存在性也取决于反导叶片。轴流泵后导叶出口叶片角通常在80°～90°之间[11]。根据有限元分析计算可以得出以下结论：导叶出流部位存在着大量的旋转涡流，是由于水流惯性和后导叶片数决定的[12]。结合上述条件，直口处流动损失要小，即尽量保持无旋，选取导叶出口角α4=90°。导叶包角一般取90°为宜，故本设计取导叶包角=90°。

导叶叶片数与导叶内外径得确定：据研究所知，当所需的水流较小的情形下，叶轮流道里的整流效果随着叶片数量的增加而变大，泵的扬程也随其数量的变多而变大。在流量过大的情形下，叶片的数量增加会使流道面积减小，同时液体具有的能量也会过多流失。故结合上述条件考虑，选取导叶片数Z= 5。

2 自吸泵的三维数字化造型

（1）自吸泵的建模。SolidWorks三维建模软件，能根据实际情况对装置进行三维数字化建模，操作简单，并且功能强大。还可以根据装置实际受力情况，对装置进行有限元分析，可对装置强度进行校核。本设计采用SolidWorks对农用自吸泵进行了三维建模，绘制二维草图，并根据设计，对壳体基本造型进行拉伸；进行扫描、阵列操作绘制泵上零部件；并用放样、曲面等指令对自吸泵进行最终的修改，从而得到整体的三维造型[12]。

图1 泵体主视图Fig.1 Main view of the pump body

图2 泵体上视图Fig.2 Upper view of the pump body

图3 泵体左视图Fig.3 Pump body left view

图4 泵体轴等侧图Fig.4 Pump body shaft and other side views

图5 总装配体三维图Fig.5 3D view of the total assembly

图6 总装配体三维图Fig.6 3D view of the total assembly

图7 总装配体三维图Fig.7 3D view of the total assembly

使用三维建模的基本指令，得到泵体的三维图由图1～7所示。

3 结论

本文利用数值计算得出较为合理的农用自吸泵水力参数，利用SolidWorks对农用自吸泵进行了三维建模，绘制二维草图，完成三维设计；并利用Solidworks模型对农用自吸泵的三维数字建模情况进行分析，根据装置实际受力情况，对装置进行有限元分析，可对装置强度进行校核。从而提高农用自吸泵的整体使用性能。这在实际应用时可以有较好的数据对自吸泵的工作性能进行优化。