農(nóng)用自吸泵的水力設計

林海斌，詹昌海，伍鵬，趙子龍，徐永亮，李金富，樊健，陳秀芹

（衢州學院機械工程學院，浙江 衢州 324000）

0 引言

自吸泵屬自吸式離心泵，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、運行平穩(wěn)、維護容易、效率高、壽命長，并有較強的自吸能力等優(yōu)點。管路不需安裝底閥，工作前只需保證泵體內(nèi)儲有定量引液即可，大大簡化了管路系統(tǒng)，改善了工作條件，降低了對工作環(huán)境的要求，廣泛應用于石油、化工、農(nóng)業(yè)等方面。農(nóng)用自吸泵[1-3]的工作原理是水泵啟動前先在泵殼內(nèi)灌滿水（或泵殼內(nèi)自身存有水），啟動后葉輪高速旋轉(zhuǎn)使葉輪槽道中的水流向渦殼，這時入口形成真空，使進水逆止門打開，吸入管內(nèi)的空氣進入泵內(nèi)，并經(jīng)葉輪槽道到達外緣。因此農(nóng)用自吸泵內(nèi)部的水利參數(shù)很大程度影響了自吸泵的工作性能。基于此，本作品提出了一種針對農(nóng)用自吸泵的水利設計方案，采用Solidworks[4-8]建模技術(shù)對自吸泵進行數(shù)字建模，利用計算獲得的參數(shù)得出整體的三維造型。

1 基本參數(shù)設計

根據(jù)廣泛使用下的農(nóng)用自吸泵的基本參數(shù)的設計要求，本設計取泵的揚程H=15m，泵的流量Q=500m3/h，其工作條件的介質(zhì)是清水，其密度ρ=1000kg/m3。

（1）比轉(zhuǎn)速計算。依據(jù)下式可得出比轉(zhuǎn)速[9]：

式中原動機轉(zhuǎn)速n=1480r/min，把已知條件代入式（1），計算得出ns=259，取圓整值ns=260。

（2）泵的效率計算。泵的水力效率計算：

把H=15m，Q=500m3/h代到上式，計算得ηh=0.810。

泵的容積效率計算：

把比轉(zhuǎn)速ns=260代入上式，計算得出nv=0.951。

泵的機械效率計算：

把比轉(zhuǎn)速ns=260代入上式，計算得出ηm'=0.986。

由于泵在工作時有塊料磨損，式中ηm'為不計塊料磨損時的機械效率，實際機械效率ηm可按照下以公式計算：

可得機械效率ηm=0.966。

自吸泵的總效率計算：

將上述計算所得參數(shù)代入可得泵的總效率為η=0.77。

（3）軸功率計算與原動機選擇。已知總效率η=0.77，根據(jù)如下軸功率計算公式：

其中ρ表示工作介質(zhì)密度，單位是kg/m3；Q表示流量，單位是m3/s；H表示揚程，單位是m。把以上數(shù)值代入上式計算得到軸的效率P=53.1kW。

泵的設計功率計算：

式中功率k1表示泵揚程的允差系數(shù)，k1=1.05～1.1，本設計中取k1=1.08；k2表示泵流量的增大系數(shù)，k2=1.10，將以上參數(shù)代入式（10），得到泵的設計功率Pd=63.1kW，則原動機的功率為Pd=63.1kW[10]。

原動機選擇：

通過以上設計參數(shù)可知，Pd=63.1kW，選用型號是Y280S-4電動機，其功率P是75kW，轉(zhuǎn)速是1480r/min。

確定泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩與軸徑：

已知泵的設計功率，根據(jù)以下公式計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩M與最小軸徑dmin：

把原動機功率Pd=63.1kW代入上式得，轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 矩M=407.2N·m，dmin=0.0344m。 由 于dmin=34.4mm，選取葉輪配合處軸徑D=46mm。

（4）速度系數(shù)法設計葉輪。可根據(jù)下述公式，選取速度系數(shù)k0：

把已知條件代入上式，計算得到k0=3.5～4.0，其中ηv=0.9，本設計中ηv=0.984，所以k0=3.5～3.9。考慮水力損失最小，取k0=3.8。

葉輪[10-11]進口當量直徑D0：

把已知條件和已經(jīng)得到的結(jié)果代入該式，得D0=0.173m。

葉輪外徑D2：

把已知條件代入該式，得D2=0.261m。

葉輪出口寬度b2：

該式中kb，Q，n，nS均已知，計算出b2=0.065m。

葉輪輪轂直徑與頸部直徑：

根據(jù)葉輪配合處軸徑D=46mm，考慮葉輪輪轂直徑dn=46mm，由此根據(jù)下式來計算葉輪頸部直徑Dn：

把上述已知條件入上式得到，Dn=0.179m取圓整值Dn=0.18m。

（5）初定進口角及葉片進口角計算。根據(jù)下式來設計A、B、C流線的進口圓周速度：

根據(jù)葉輪的設計參數(shù)，選取D1A= 180mm，D1B= 136mm，D1C= 77mm，計算得到進口圓周速度U1A= 13.95m/s，U1B= 10.54m/s，U1C= 5.97m/s。

根據(jù)下式來計算A流線、B流線、C流線的過流面積：

根據(jù)葉輪的軸面圖，選取葉輪軸半徑rcA=56.5mm，rcB= 58mm，rcC= 67mm，葉輪寬度bA=67mm，bB= 70mm，bC= 76mm，計算得到過流面積F1A= 0.0238m2，F(xiàn)1B= 0.0255m2，F(xiàn)1C= 0.0320m2。

A流線葉片進口角：

A流線的葉片出口絕對速度vm的計算：

式中Q為泵流量，初選滑移系數(shù)k1A′= 0.93，把已知條件代入式（21）得出vmA= 6.02m/s。

A流線葉片安放角β1A′的計算：

把上文已知條件代進其中得到β1A′=22.77°，取葉片進口角Δβ1A=1.227°，則葉片安放角β1A=24°。

回算滑移系數(shù)k1A：

取式中的流道寬為z=6m，δ1=3.5，按軸面投影圖可得λmA=50°，把設定的數(shù)值代入式（23），得k1A=0.90，由于

不符合要求。

將滑移系數(shù)k1A=0.90代入式（21）中重新計算得到vmA=6.64m/s，β1A′=25.45°，取葉片進口角Δβ1A=1.55°，則葉片安放角β1A=27°，根據(jù)公式（23）回算滑移系數(shù)得到k1A′=0.90，故合適。

B流線葉片進口角：

B流線葉片安放角β1B的計算：

將計算得到的參數(shù)代入式中可得β1B=33.99°，按軸面投影圖可得λmB=40°，可根據(jù)式（23）計算得到滑移系數(shù)k1B=0.876，將其代入式（21）中可得vmB=6.37m/s，根據(jù)式（22）計算可得β1B′=31.15°，則B流線葉片進口角Δβ1B=β1B-β1B′ =2.84°。

C流線葉片進口角：

同（2）式，可得C流線葉片安放角β1C=49.97°，C流線葉片進口角Δβ1C=9.85°。

根據(jù)式（19）計算得到出口圓周速度U2=19.37m/s，滑移系數(shù)k2=0.965（取β2′=22.5°）。

葉輪出口圓周速度軸向分量計算：

式中ηv為容積效率，D2是葉輪出口處裝配軸徑，b2表示出口寬度，把上述已知條件分別代入式中，計算得出vm2=2.89m/s。

葉輪出口絕對圓周速度的計算：

上式HT為出口處葉輪的理論揚程，把已知條件代入上式，就算得出vu2=9.30m/s。

葉輪出口絕對速度周向分量計算：

式中HT?為葉輪出口周向分量的理論揚程，把已知條件代入上式，計算得出vu2?=11.73m/s。

出口葉片安放角的計算：

把已經(jīng)計算得出的數(shù)值代入上式，得出口葉片安放角β2′=19.86°。則葉片出口角Δβ2=3.9°。

（6）導流器計算。進口寬度b3的計算：

式中B2為包括前后蓋板厚度的葉輪出口寬度，把已知條件代入上式，得出b3=85.5mm，取圓整值b3=86mm。

導葉內(nèi)蓋板最大直徑D3的計算：

式中D2C為后蓋板的外徑，把以上計算得出的D2C代入式中，得出D3=252～255mm，根據(jù)實際情況和以上條件確定D3=252。

導葉外蓋板最大直徑D4的計算：

式中c為葉輪出口處裝配軸徑，把D2代入式中可得D4=320mm。

導葉軸向長度l的計算：

把D2裝配軸徑代到上式得出l=315mm。

導葉進口角α3的計算：

vm3為進口圓周速度軸向分量，vu3為出口絕對圓周速度，根據(jù)《葉片泵設計手冊》提供的經(jīng)驗范圍取D3=126×2mm，D4=160×2mm，把上述計算得出的值代入上式，得出α3=31.9°。

導葉出口角和導葉包角的確定：導葉是用來傳遞能量的，工作時，液體從葉輪流出時將其動能轉(zhuǎn)換為壓力能，從而使水力損失降低到最小。泵出口的流動狀態(tài)取決于后導葉，葉輪出口旋轉(zhuǎn)渦流存在性也取決于反導葉片。軸流泵后導葉出口葉片角通常在80°～90°之間[11]。根據(jù)有限元分析計算可以得出以下結(jié)論：導葉出流部位存在著大量的旋轉(zhuǎn)渦流，是由于水流慣性和后導葉片數(shù)決定的[12]。結(jié)合上述條件，直口處流動損失要小，即盡量保持無旋，選取導葉出口角α4=90°。導葉包角一般取90°為宜，故本設計取導葉包角=90°。

導葉葉片數(shù)與導葉內(nèi)外徑得確定：據(jù)研究所知，當所需的水流較小的情形下，葉輪流道里的整流效果隨著葉片數(shù)量的增加而變大，泵的揚程也隨其數(shù)量的變多而變大。在流量過大的情形下，葉片的數(shù)量增加會使流道面積減小，同時液體具有的能量也會過多流失。故結(jié)合上述條件考慮，選取導葉片數(shù)Z= 5。

2 自吸泵的三維數(shù)字化造型

（1）自吸泵的建模。SolidWorks三維建模軟件，能根據(jù)實際情況對裝置進行三維數(shù)字化建模，操作簡單，并且功能強大。還可以根據(jù)裝置實際受力情況，對裝置進行有限元分析，可對裝置強度進行校核。本設計采用SolidWorks對農(nóng)用自吸泵進行了三維建模，繪制二維草圖，并根據(jù)設計，對殼體基本造型進行拉伸；進行掃描、陣列操作繪制泵上零部件；并用放樣、曲面等指令對自吸泵進行最終的修改，從而得到整體的三維造型[12]。

圖1 泵體主視圖Fig.1 Main view of the pump body

圖2 泵體上視圖Fig.2 Upper view of the pump body

圖3 泵體左視圖Fig.3 Pump body left view

圖4 泵體軸等側(cè)圖Fig.4 Pump body shaft and other side views

圖5 總裝配體三維圖Fig.5 3D view of the total assembly

圖6 總裝配體三維圖Fig.6 3D view of the total assembly

圖7 總裝配體三維圖Fig.7 3D view of the total assembly

使用三維建模的基本指令，得到泵體的三維圖由圖1～7所示。

3 結(jié)論

本文利用數(shù)值計算得出較為合理的農(nóng)用自吸泵水力參數(shù)，利用SolidWorks對農(nóng)用自吸泵進行了三維建模，繪制二維草圖，完成三維設計；并利用Solidworks模型對農(nóng)用自吸泵的三維數(shù)字建模情況進行分析，根據(jù)裝置實際受力情況，對裝置進行有限元分析，可對裝置強度進行校核。從而提高農(nóng)用自吸泵的整體使用性能。這在實際應用時可以有較好的數(shù)據(jù)對自吸泵的工作性能進行優(yōu)化。