切割型双叶片潜污泵设计和数值模拟

宋冬梅，薛波，刘雪垠，曾梦玮，戴莉斯



切割型双叶片潜污泵设计和数值模拟

宋冬梅1，薛波2，刘雪垠1，曾梦玮1，戴莉斯1

（1.四川省机械研究设计院，四川 成都 610063；2.方圆标志认证集团四川有限公司，四川 成都 610014）

为解决污水处理用排污泵叶轮易堵塞、效率低等问题，设计了一种新型切割型双叶片潜污泵。分析叶轮特点，提出叶轮水力设计方法，并对泵进行了全流道数值模拟，得出了叶轮内压力、湍动能、流线分布等情况，从而分析出该泵内部流动的特点和通过能力提高的原因。基于性能预测方法对规定工况点的性能进行预测，验证设计方法的可行性。

潜污泵；前伸式双叶片；数值模拟；性能预测

近年来，对污水处理用泵的要求越来越高。传统的叶片式排污泵，长纤维物质容易缠绕在叶轮轮毂上，导致叶轮流道堵塞，从而影响泵正常运行，降低泵的使用效率。因此，急需提高排污泵的防堵塞性能和运行效率。

常见的叶片式潜污泵根据叶轮形式主要分为开式/半开式、单流道/双流道式、螺旋式/螺旋离心式以及和常规叶片泵差不多的少叶片数（2～3片）潜污泵。不同叶轮形式的潜污泵各有优缺点，如流道式、螺旋离心式潜污泵通过能力好、运行效率高，但运转稳定性不是很好，振动和噪音也较大；旋流式潜污泵通过能力强，但运行效率较低；常规清水泵加宽流道而成的潜污泵运行效率较高，但其通过能力尤其是防缠绕能力较差[1-2]。

本文设计了一种新型切割型双叶片污水泵，属于高效无堵塞泵，拥有自清洁、自切割能力，能够解决纤维等物质的缠绕和堵塞问题。通过试验和工业性试用，验证了该潜污泵运行效率高、通过能力强、运行稳定可靠等特点。

1 切割型双叶片潜污泵的特点

该潜污泵采用扭曲双叶片半开式叶轮（图1），属于离心式叶轮范畴。叶片工作面、背面带有锋利的刃口，且叶片前缘后掠。当泵运行时，带刃口的叶轮配合带切割槽的前盖板（图2）对流入叶轮的物料尤其是长纤维等进行切割，故称之为切割型双叶片叶轮。从图3可以看出，该叶轮进口边前缘型线位于垂直于轴线的进口平面内，即叶片向进口边延伸较多，且叶片后盖板流线延伸比前盖板多，流道进口处中心轮毂较一般叶轮轮毂小。

图1 切割型双叶片叶轮

图2 带切割槽的前盖板

b2.叶轮出口宽度 D21.前盖板出口直径 D22.后盖板出口直径 Dj.进口直径 Dh.叶轮进口处轮毂直径

2 水力设计

2.1 叶轮的设计

叶轮采用双叶片，叶片数相对较少，通过能力大大提高，但对液体的控制能力较多叶片叶轮大为减弱，滑移系数较大，故在确定轴面投影图时与一般叶片泵区别较大。叶片进口边的适当前伸，一般不会对效率产生较大影响。

（1）根据速度系数法[3]，叶轮进口当量直径为：

式中：0为叶轮进口直径修正系数；为流量，m3/s；为转速，r/min。

由于叶片前伸，叶轮进口可以取得比一般叶轮进口大些，推荐0＝4.0～5.0。

叶轮进口直径为：

（2）叶轮出口直径为：

（3）考虑到要提高通过能力，因此叶轮出口宽度2比一般离心泵叶轮要大，为：

（4）为有利于叶片做功，叶片包角应在280°～350°间取值[4-5]，且前、后盖板流线包角应有差别，前盖板流线包角一般要比后盖板包角小80°～120°，以避免叶轮叶片在进口处有太多重叠，从而避免流道进口处拥堵。

（5）该切割型双叶片潜污泵的特点之一是叶片前伸较多。前伸太多会导致叶轮进口处出现较大排挤，前伸太少则和普通离心泵区别不大、达不到高效防堵塞的目的，因此，合理确定叶片进口边的位置非常重要。叶片进口边确定后就可以计算叶片进口安放角。进口液流角可以根据进口处速度三角形进行计算。为有利于型线均匀变化，后盖板流线冲角宜取Δ＝2°～5°、前盖板流线冲角宜取Δ＝5°～10°。叶片数少、包角大时叶片出口安放角可根据一般离心泵的设计经验确定[6]，中高比转速取2b＝20°～30°，低比转速可取2b＝30°～40°。

2.2 蜗壳的设计

该切割型双叶片潜污泵的蜗壳设计与一般离心泵有一定差别。首先，基圆直径3与2之间应有较大间隙，一是便于大颗粒和长纤维通过，提高泵的防缠绕能力，二是加大基圆直径有利于蜗壳内流动的均匀，从而提高泵的效率，推荐3＝（1.08～1.25）2。其次，因为设计的叶片宽度有所增加，导致叶轮出口流速相应减少，故喉部面积也应该相应加大，推荐加大10%～20%[7]。

3 设计实例和数值模拟

3.1 设计实例

设计参数：流量＝400 m3/h，扬程＝14 m，转速＝1470 r/min，比转速n＝247。

根据前述水力设计方法，计算出叶轮的主要几何参数为：进口直径D＝180 mm。由于叶轮出口边倾斜，故前盖板出口直径21＝286 mm、后盖板出口直径22＝260 mm，轮毂直径D＝57.5 mm、叶轮进口当量直径0＝174mm，叶轮出口宽度2＝86 mm，前盖板流线包角取180°、后盖板流线包角取300°。

蜗壳的主要几何参数为：基圆直径3＝360 mm，隔舌角＝6°，第八断面面积＝5843 mm2，出口直径为＝200 mm。

3.2 数值模拟

对整个泵段进行全流场数值计算。通过ICEM生成网格如图4所示，整个流体域节点数为458568、单元数为2449878。以时均－方程作为基本控制方程，以标准－双方程为湍流模型，采用二阶精度迎风格式，通过SIMPLEC算法实现压力、速度的耦合求解。

图4 网格模型

（1）外特性分析

从图5可看出，数值模拟结果和试验结果非常吻合。扬程曲线呈直线下降没有驼峰；高效区为300～500 m3/h，效率曲线具有较宽的高效区；设计点流量400 m3/h时试验效率达到最大，为76.53%。说明设计的切割型双叶片潜污泵合理，效率值高于国内同设计参数下的效率。

图5 潜污泵性能曲线

（2）内部流场分析

从图6可看出，叶轮压力从吸入口到排出口呈逐渐上升趋势，相同半径工作面压力大于背面压力，并且压力梯度沿叶片宽度方向并不一致。叶片背面离进口处不远的地方压力出现最小值，说明此处是最容易发生气蚀的地方。从图7可看出，叶片背面流线顺畅，没有明显的边界分离区或者驻留区，而叶片工作面有一处小的驻留区，但没有大的涡脱落或者分离，整体设计较为合理，但还有优化提高的空间。

从图8可看出，叶轮进口处中心压力较边缘压力稍高，在高压作用下固体颗粒会从中心向边缘方向移动，以避免在叶片头部发生堵塞，这有利于固体颗粒特别是长纤维的通过。同时通过图9也可看出，叶轮进口处中心区域的湍动比周围区域要强烈，在湍动的扰动下，缠绕在叶片头部的纤维等固体更易脱离叶片而顺利流走。这也是通过流场计算得出的该切割型双叶片叶轮与其他形式叶轮流动明显不同的地方。正是这种特点，使得该型泵的通过能力尤其是防缠绕、防堵塞能力大大提高。

图6 叶轮静压分布图

图7 叶轮流线分布图

图8 叶轮轴面静压分布

图9 叶轮轴面湍动能分布

4 结论

本文提出切割型双叶片排污泵主要几何参数的设计方法，进一步通过数值模拟方法设计出效率高、固体通过能力好的排污泵水力模型，并对叶轮内部流动进行分析，得出如下结论：

（1）叶轮采用切割型双叶片、大包角、叶片前伸的设计方法，有利于提高排污泵的固体通过能力、叶轮防缠绕能力和运行效率，从而提高了泵的使用寿命；

（2）数值模拟得到的效率、扬程变化趋势与样机试验结果能很好地吻合，运用数值模拟方法来预测泵的性能有一定可行性；

该切割型双叶片潜污泵样机已在达州某污水处理厂试运行近4个月，运行期间未发生堵塞，且振动和噪声小、运行稳定，进一步验证了该泵的高效防堵塞性能。

[1]王准. 含柔性固体的两相流动及前伸式双叶片污水泵研究[D]. 镇江：江苏大学，2008：8-9.

[2]王洋，刘洋，王维军，等. 双叶片排污泵固液两相流的数值模拟[J]. 中国农村水利水电，2013，（11）：121-125.

[3]关醒凡. 现代泵技术手册[M]. 北京：宇航出版社，1995：193-201.

[4]施卫东，程成，张德胜，等. 后掠式双叶片污水泵优化设计与试验[J]. 农业工程学报，2014，30（18）：85-92.

[5]施卫东. 污水泵水力设计综述[J]. 流体机械，1997（8）：22-25.

[6]陈克强，施卫东，张德胜，等. 不同前缘后掠角的双叶片污水泵性能模拟与试验[J]. 农业工程学报，2014，30（19）：48-54.

[7]王准，施卫东，蒋小平. 前伸式双叶片污水泵设计和通过能力试验 [J]. 排灌机械，2008，26（3）：26-29.

Design and Numerical Simulation of Cutting Type Double Blades Sewage Pump

SONG Dongmei1，XUE Bo2，LIU Xueyin1，ZENG Mengwei1，DAI Lisi1

( 1.Sichuang Provincial Machinery Research &Design Institute, Chengdu 610063, China; 2.China Quality Mark Certification Group Sichuan Co., Ltd., Chengdu 610014, China )

In order to solve the problem of easy plugging and poor efficiency of the sewage pump, this paper designs a new type of cutting type double blades submersible sewage pump. This paper analyzes the characteristics of the pump impeller, puts forward the hydraulic design method of impeller, and the full flow numerical simulation of the design of the cutting type double blades submersible sewage pump is carried out, pressure, turbulent kinetic energy and streamline distribution in the impeller are obtained, and the characteristics of the internal flow of the pump and the reasons for the improvement of the passing capacity are analyzed. Based on the performance prediction method, the performance of the specified operating point is forecasted, the feasibility of the design method is validated.

submersible sewage pump；cutting type double blades；numerical simulation；performance forecast

TH311

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.017

1006－0316 (2018) 05－0064－04

2017－12－26

宋冬梅（1986－），女，四川犍为人，硕士研究生，工程师，主要从事流体机械数字化设计理论与制造技术工作。