一種移動式排水泵站的水泵設計與研究一種移動式排水泵站的水泵設計與研究

臧克江，黃建祥，謝煌生，楊炫松，陳木鳳，葉 婷，邱駿奇 ，鄭衛銘

(1.龍巖學院；2.龍巖市海德馨汽車有限公司 福建龍巖 364000)

在氣候變暖背景下，由臺風引起的降水增強，導致洪澇災害頻發，同時，局部地區大旱情況概率有所增加，災害性天氣發生頻率逐漸增加。移動式排水泵站由于投資小、機動性好、使用范圍廣、設備利用率高等優點得到快速發展[1]。國外在移動式排水泵站方面的研究技術比較成熟，例如美國MWI公司開發出一種移動泵站[2]，能夠實現抗洪搶險及抗旱灌溉需求。國內移動泵站起步較晚，自20世紀90年代以來，國內的不少單位相繼開展了這方面的研究工作，經歷了流量由小到大，整套裝備由簡單到功能逐漸完善的發展過程[3]。主動力的傳輸主要有電力傳動和液壓傳動兩種形式，動力的傳輸系統和水輸送系統是移動式排水泵站設計的關鍵技術問題的兩個方面。移動式排水泵站在國內還處于發展和提升階段，水泵作為移動式排水泵站的關鍵部件還沒有形成系列產品，也沒有形成規?；a，還需要根據需求單獨設計。本文聯合運用現代水泵設計及仿真軟件，對一種移動式排水泵站吸水泵進行設計與分析，并與試驗數據進行對比驗證，為移動式排水泵站水泵設計開發提供參考。

1 水泵的結構形式與驅動動力選擇

1.1 水泵的結構形式選擇

輸水泵多采用葉輪形式的泵結構，按葉輪形式，水泵可分為離心泵、斜流泵和軸流泵三種[4]，離心泵適合用于小流量、高揚程的場合，對于大流量移動式排水泵站無法滿足流量要求；軸流泵適用于大流量、低揚程，其主要優點是結構簡單、體積小、質量輕、占地面積小，但缺點是小流量區域性能不穩定，隨著流量減小，軸功率急劇增加，所以軸流泵的高效范圍窄，不能在揚程變化范圍大的場合使用；斜流泵的結構和性能介于離心泵和軸流泵之間，是一種吸取離心泵和軸流泵優點，補償兩方面缺點的泵型，使用的范圍正在向傳統離心泵和軸流泵的范圍擴大，高比轉數軸流泵當工況略微偏離設計工況時會產生輪緣出口處擁堵，而輪轂出口處液體不足出現空位，產生二次回流。為了克服這種現象，近年來ns=500的軸流泵一般設計成導葉式混流泵，ns=700的軸流葉輪，輪轂帶有一定的錐度，也可以改善上述流動情況。本研究的移動式排水泵站屬于流量較大且揚程較高的泵站，因此，斜流泵的結構比較適本研究的移動式排水泵站的工作范圍要求。

1.2 驅動動力選擇

移動式排水泵站的動力源為發動機，水泵與發動機分立安裝，而且水泵工作狀態和非工作狀態與發動機空間位置發生變化，如圖1所示。能量從發動機到水泵的能量傳輸一般采用電力傳動或液壓傳動。電力傳動需要發電機及電力控制系統，電力系統與水泵連接端為電動機，對于大流量水泵，所需電機的功率大、體積大，難以與水泵結合成高能量密度元件。由于水泵在工作過程中經常移動，同時，工作環境也對系統使用安全提出更高的要求。與電力系統相比，液壓傳動系統有著極強的優勢，功率密度高，可以減小系統的占用空間；液壓馬達與水泵可以設計成獨立的高能量密度單元[5-7]；在使用安全性方面，比電器系統更容易防護，液壓傳動系統在移動式排水泵站應用已經成為一種發展趨勢，因此，本設計采用液壓馬達作為水泵的動力源。

(a)工作狀態

(b)非工作狀態圖1 移動式排水泵站工作狀態與非工作狀態示意圖

2 水泵結構設計

2.1 水泵比轉數ns

已知水泵達到的設計工作點：流量Q=3000 m3/h，揚程H=12 m，轉速n=1150 r/min。由于工作時葉輪浸沒在水里，因此不需要考慮汽蝕。計算比轉數ns：

(1)

代入已知值得ns=592，由文獻[4]，本設計選擇斜流泵形式，在獲得大流量的同時也可以獲得較高的揚程。

2.2 水泵結構形式

圖2為本設計水泵的結構圖。水泵由吸水段、葉輪、導葉體以及出水段構成，葉輪由液壓馬達驅動。液壓馬達安裝在出水段內，使水泵和驅動元件構成了一個獨立的安裝單元，便于安裝和操作，使移動式排水泵站結構更加緊湊。

(a)內部結構

(b)外觀結構圖2 水泵結構圖

2.3 主要參數設計與選擇

(1)進口直徑D1

(2)

式中K0為泵進口尺寸系數，由于該水泵工作時在水下，因此可以不考慮汽蝕問題，取K0=4.15，計算得D1=370 mm。

(2)葉輪出口平均直徑D2

(3)

式中D20為泵出口葉輪外緣直徑，D2h為泵出口葉輪輪轂直徑。

(4)

(5)

其中K2和KD2為出口平均直徑修正系數，其值與比轉速相關，KD2可由(5)式計算，K2可按照文獻[8]進行查閱。

由比轉數ns=592，計算KD2=3.84，查表得K2=1.07[8]，計算得D2=390mm。

(3)出口寬度b2

(6)

(7)

其中Kb和Kb2為葉輪出口寬度修正系數，其值與比轉速相關，Kb2可由(7)式計算，Kb可按照文獻[8]進行查閱。

查表得Kb=0.5[8]，計算得b2=127 mm。

于是得：D20=D2+b2=517 mm，D2h=D2-b2=263 mm。

(4)葉輪葉片進、出口安放角的確定

(8)

式中vm1——葉片進口軸面速度;F1——葉片進口過流面積;φ1——葉片進口排擠系數，一般φ1=0.85～0.95 ，此處取φ1=0.9，因此，代入數據vm1=8.85 m/s。

a.葉片進口安放角β1

(9)

式中Δβ——沖角，一般Δβ=0°～ 8°。

本設計取Δβ=3°，因此，葉輪葉片進口輪轂處安放角為β1轂=46°，輪緣處安放角為β1緣=25°。在本設計中選擇進口角從輪轂到輪緣按線性規律變化，按照此規律，設計軟件可以自動生成輪轂到輪緣間的各條流線。

b.葉片出口安放角β2

由文獻[8]可知，為了獲得較高的效率，葉片出口安放角通常選擇β2=18°～30°，考慮到本設計水泵的揚程較高，本設計取輪轂處出口安放角為β2轂=30°，輪緣處出口安放角為β2緣=25°，由輪轂到外緣逐漸減小，同樣，在本設計中選擇出口安放角從輪轂到輪緣按線性規律變化。

(5)導葉入口β3、出口β4及包角φ

導葉內外流線入口角β3雖然可以計算確定，但按照計算值確定的導葉內外流線入口角β3往往使內外流線入口角度相差過大，葉片過分扭曲，造型困難，因此，一般在繪型時常取內外流線入口角相等，導葉內外流線入口角β3按下表選取。由葉輪輪轂處出口安放角為30°，所以，本設計選導葉入口角β3=35°。

表1 扭曲葉片式導葉入口角[9] (°)

一般取內流線和外流線出口角相等，通常為了使液體離開扭曲葉片式導葉后有不大的預旋而使出口角為75°～90°，本研究取導葉出口角為β4=90°。

導葉包角常為70°～120°，本設計取φ=90°。

3 三維實體模型的構建

本研究利用CFturbo10.3水力設計軟件，結合CFD數值計算軟件PumpLinx 4.6.0對水泵進行仿真分析，同時，利用三維造型軟件Creo 5.0實現葉輪是三維造型。CFturbo 軟件的Pump模塊可以根據輸入的設計水泵的工作點，軟件內置函數確定葉輪進口直徑、出口直徑、出口寬度、最小安裝軸徑等，同時，也可以根據使用者設計經驗對以上數值進行修改，使之符合實際情況要求。PumpLinx 是一款高效泵、閥類 CFD 仿真軟件，在預測壓力、功率、空化、換熱以及流動等方面工作特性，PumpLinx與CFturbo可以無縫連接，為水泵的仿真模型的建立提供了方便[10-11]。CFturbo可以與Creo對接，輸出Creo幾何建模所需要的數據文件[12]，為水泵的幾何建模提供方便，尤其是對葉輪的造型意義深遠。圖3為水泵模型，圖4為水泵葉輪模型及樣機葉輪。

(a)CFturbo中水泵模型

(b) PumpLinx中水泵模型

(c) PumpLinx網格模型圖3 水泵模型

(a)CFturbo中葉輪模型

(b) Creo中葉輪模型

(c) 樣機葉輪圖4 葉輪模型及樣機葉輪

4 仿真研究

4.1 仿真條件

工作介質：以工作溫度20 °C清水為工作介質，其物理特性參數：密度998.2 kg/m3，運動粘度1.006×10-6m2.s-1，體積彈性模量2.15×109Pa，飽和蒸氣壓2340 Pa，參考壓力101325 Pa，氣體質量分數2.3×10-5[13]。

數值方法：采用 PumpLinx分析軟件中三維穩態求解方法，求解器采用SIMPLES算法來求解二階迎風格式的離散差分方程。為了加快收斂的速度，對求解設置中的松弛因子調整為0.3。

邊界條件設置：將其定義為壓力入口，壓力值為 101325 Pa，出口設置為流量出口，這樣設置為后續的不同流量的仿真提供了有力條件。

4.2 仿真分析

(1)水泵工作特性分析

通過對水泵的流場分析可以進一步了解水泵的性能，通過觀察云圖、矢量圖和流線圖判斷流場合理性以及對工作特性的影響[14]，并導出仿真數據，繪制水泵的工作特性曲線。對水泵在設計轉速下工作點流量附近不同流量情況下揚程及靜壓變化進行研究，對水輸送系統工作穩定性是非常重要的，因此，在研究過程中，對1150 r/min 下 2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400 m3/h工況進行研究，獲得了水泵揚程及軸功率數據，同時，通過計算得到了水泵的輸出功率曲線及效率曲線。

由圖5可以看出，隨著流量的增大，水泵的揚程和軸功率有所減小，但軸功率減小速度比揚程減小的速度低，因此在水泵工作點附近水泵所需功率比較平穩；由圖6可以看出，在工作點處水泵的效率達到最大值，而在工作點附近效率有所降低，但效率曲線在工作點附近變化非常平緩，因此，該水泵有較寬的工作范圍。

圖5 水泵揚程與功率特性曲線

圖6 水泵揚程與效率特性曲線

(2)導葉及導流罩對水泵工作特性影響分析

由于本設計的水泵是與動力驅動元件液壓馬達構成的獨立單元總成，液壓馬達位于出水管內，在結構設計及安裝上都帶來很多問題，因此，有必要對葉輪后端的導葉體及導流罩對水泵內部的流場及工作特性的影響進行研究，同時，對無導流罩情況下，水泵內部流動也進行了研究[15]。圖7為三種情況下水泵內部流場分布情況。

(a)完整泵內部流場

(b)無導葉泵內部流場

(c)無導葉無導流罩泵內部流場圖7 三種情況下水泵內部流場分布

由圖7可以看出完整本內流場經導葉后，流線一軸線有較小的夾角，而去除導葉后流向與軸線夾角增大，但去除導流罩后，在徑向尺寸發生突變產生漩渦，加大了流場的混亂程度。圖8為三種情況下的水泵的出口的總壓水頭和靜壓水頭的對比，從圖8可以看出，三種情況的總壓水頭基本相同，但后兩種情況的靜壓水頭比完全泵的靜壓水頭降低很多，證明導葉對水泵的動能到壓力能的轉換起著重要作用。

圖8 三種情況總壓水頭及靜壓水頭對比

5 試驗測試

對本設計水泵進行了樣機制造并進行了裝機試驗，對設計水泵工作點進行了測試，試驗現場圖片如圖9所示。在水泵出水口處采用多普勒超聲流量測試儀進行流量測試。根據液壓傳動系統參數計算，當發動機轉速為2000 r/min時，驅動水泵的液壓馬達轉速為1150 r/min，即水泵的設計工況轉速。從圖10可以看出，當發動轉速達到2000 r/min運行穩定后，水泵的進水流量值達到2991.87 m3/h，已經達到了初始設計值，與仿真分析值非常吻合，與設計流量誤差在0.3%，小于試驗標準誤差6%，達到設計要求。

(a)樣機試驗 (b) 多普勒超聲流量測試儀圖9 測試現場

t/s圖10 水泵出口流量測試曲線

6 結束語

通過對一種移動式排水泵站作業條件及水輸送系統作業條件分析，確定了本研究水泵的結構為斜流泵形式，動力驅動采用液壓傳動方式，液壓馬達布置在葉輪后端，并配有導葉和導流罩，使該水泵成為一個結構緊湊、安裝方便的獨立單元部件。通過計算確定的水泵的關鍵幾何參數，利用水泵設計仿真軟件對水泵的工作特性進行了仿真分析，所設計水泵最大效率在工作點處，并且在工作點附近變化緩慢，使水泵有較大的工作范圍，并對無導葉和無導流罩兩種情況的水泵模型進行了仿真，通過內部流場的對比可以看出，水泵內流線經導葉后與流線有較小夾角，出口靜壓較高，而無導葉水泵內流向與流向夾角很大，出口靜壓降低。由于動能頭的加大，動能頭轉換為靜能頭過程中要造成后邊管路的更多的損失，因此，導葉的作用不可忽視。去除導流罩后，在徑向尺寸變化處出現環流現象。