滤布滤池专用泵的研制

 周连考   付晓君

威海华衡泵业有限公司    威海   264200

1．              前言

滤布滤池是最近几年引进国外技术发展起来的污水处理技术，主要用于污水处理厂废水的深度处理，做为中水回收利用。滤布滤池中关键设备为滤布转盘过滤器，其通过水质的技术指标为：进水水质SS<<80mg/L以下，出水水质SS<<10mg/L。

滤布滤池用于污水的深度处理，通常设置于常规活性污泥法、延时曝气法、SBR系统、氧化沟系统、滴滤池系统、氧化塘系统之后，能够有效去除总悬浮固体，同时也可去除藻类等纤维物质，结合投加药剂可却除磷、重金属等；由于对水质要求较高，滤布的通孔孔经很小，可截留柱经为几微米（um）的微小颗粒污泥及悬浮物通过滤布后直接截留，通过采用高吸程的滤布滤池专用泵抽吸滤布上聚集的泥污颗粒及悬浮物，直接排出或再利用做为滤布反冲洗水。

滤布滤池系统示意图

Filter Cloth&Pool System

2．              滤布转盘过滤器对滤布滤池专用泵的技术要求

滤布滤池专用泵的技术参数如下：

结构形式：单级单吸卧式离心泵

          吸程为不低于8米，即泵的必需汽蚀余量NPSH_r≤2m

          流量Q为30~50m³/h,扬程H为8~12m

 泵过流部位能通过的固体颗粒最小为ф30mm，要求能通过纤维等悬浮物，无堵塞防缠绕，

泵应设计成无过载负荷。

3．              泵的基本参数的确定

泵的设计参数：Q=30m³/h

              H=10m

              NPSH_r≤2.0m

              η≥30%

考虑到滤布滤池对泵的特殊要求，如果按照常规设计，转速选择在n=2900rpm，汽蚀余量应该能达到NPSH_r≤2.0m的技术要求，但对于泵过流部位通过固体颗粒最小ф30mm的要求很难达到，一般叶轮出口宽度为10mm左右。

此时泵的比转数为：n_s=203.4

如果泵的转速调整为n=1450rpm，则其比转数为n_s=101.7，对泵的吸程将大大有利，但在设计叶轮时其出口宽度b₂{zd0}20mm，很难满足b₂不小于30mm的要求，因此按照比转数n_s=101.7设计，大胆设想按现有参数：Q=30 m³/h，H=10m，n=1450rpm，NPSH_r≤2.0m确定，将滤布滤池泵设想成原型的降速使用，这样不但汽蚀余量能够得以保证，而且泵的过流尺寸也能适当大一些，按照这样的设想设计原型泵，确定原型泵的技术参数为：

Q₀=(n₀/n) Q=(2900/1450) ×30=60m³/h    

H₀=（n₀/ n）² H=（2900/1450）² ×10=40m      

n₀=2900rpm

叶轮出口宽度b₂≥30mm

并且为了防止泵在抽吸纤维及悬浮物时缠绕，叶轮叶片应尽可能少，{zh0}为2片，叶片包角≥200°，按照这样的思路进行选型计算。

滤布滤池泵的基本设计参数为：

                Q=30m³/h

                H=10m

                n=1450rpm

                NPSH_r≤2.0m

                η≥30%

                 电机功率3.0KW

原型泵的基本参数为

                Q₀=60m³/h

                H₀=40m

                n₀=2900rpm

                NPSH_r0≤5.0m

                η≥50%

4．              原型泵的设计

4．1叶片数Z的选择

对于无堵塞无过载泵而言，叶片数Z趋于减少的趋势，这有利于减轻叶轮进口的排挤，有利于泵的抗汽蚀性能，同时也能减少叶片沿程摩擦损失，对提高泵的效率也是有益的。取叶片数Z为2枚。

4．2叶轮出口宽度b₂的确定

     对于无堵塞无过载泵而言，叶轮出口宽度b₂较常规设计要大，这主要从提高泵效率考虑的，因为加大b₂，同样扬程可缩小叶轮外径D₂，减少圆盘摩擦损失；降低叶轮出口{jd1}速度V₂，减少叶轮流道内沿程水力损失。

根据项目对泵的要求，结合叶轮水力设计，最终取b₂=38mm

4．3叶片包角φ的确定

一般离心泵包角φ取值在90°~110°之间，而无堵塞无过载离心泵叶片包角φ取值偏大，通常为150°~220°之间，因叶片数Z=2已确定，增加包角φ可改善叶片间的流动状态，减少扩散损失，增强叶片对水做功的效能。取包角φ=210°。

叶轮水力图

4．4叶轮副叶片的确定

    对于无堵塞污水泵，设置副叶片有两方面的作用，一是减少叶轮后盖板处的压力，使泵的机械密封腔形成等压密封，污泥颗粒不易进入密封腔，延长机械密封的寿命；二是平衡轴向力，通常副叶片做成径向的，分布于叶轮后盖板的外侧，即相当于在主叶轮的背面加一个与吸入方向相反的附加半开式叶轮。

当叶轮旋转时，在副叶片与泵体的间隙中，液体以近似于叶轮的角速度旋转，而在没有副叶片时液体转速为叶轮角速度的一半（ω/2），这样就使液体作用在密封腔处的压力减少，盖板上设副叶片除了平衡轴向力外，还能防止泥砂进入密封腔，提高密封的寿命。

由于副叶片与泵壳体间存在着一定的间隙，在间隙中液体的角速度小于叶轮的角速度ω，但大于ω/2，这个角速度可近似取为ω′=ω/2(1+t/s)

式中ω′— 叶轮盖板与泵体间隙中的液体角速度

ω  — 叶轮角速度

     s  — 泵体与叶轮盖板间的距离 s=0.95cm

    t  — 副叶片的高度 t=0.75cm

根据上述，可以写出密封腔内液体的压力计算公式：

H_Br=H_Z-1/285(n/1000)²{D₂²-D_R²+[(s+t)/s]²×(D_R²-D_b²)}………(1)

式中H_bR—密封腔内液体的压头[m水柱]

     Hz—蜗壳内压头[m水柱]

     Hz=H-V₃²/2g (V₃为蜗壳内平均流速)

     V₃=K₃ √2gH

式中K₃—速度系数，与n_s有关，通过查找有关资料，K₃取0.3~0.4

     g—重力加速度，g=9.81m/s²

     H—泵的扬程

     D₂—叶轮外径，D₂=21.5cm

     D_R—副叶片外径，[cm]

     D_b—叶轮轮毂直径，D_b=7.5cm

我们在设计上要求达到等压密封，即H_bR=0，由此可求出副叶片的外径D_R，其中n=2900rpm.

D_R=17.88cm，从结构设计上考虑，取D_R=18cm。

1．  汽蚀余量NPSH_r的确定

根据现有水力模型看，在设计点Q=60m³/h时，NPSH_r0 =4.67m，据此可以得出当转速为降速使用n=2900rpm变为n=1450rpm时，NPSH_r=（n/n₀)² NPSH_r0

即NPSH_r=（1450/2900）²×4.67=1.16m，考虑到许多不利因素，滤布滤池泵的汽蚀余量应该在1.5~2.0m之间。

2．  {zd0}轴功率Pmax和对应流量Qmax的校核。

根据现有水力模型看，原型泵{zd0}流量值为111.6m³/h，{zd0}功率19.7KW，据此得出滤布滤池专用泵的{zd0}流量和功率值：

 Q_max=(n/n₀)×Q_max0=(1450/2900) ×111.6=55.8 m³/h

P_max=(n/n₀)³ ×P_max=(1450/2900)³×19.7=2.46KW

3．  滤布滤池专用泵的试验结果（该样机为国家工业泵检测中心检测）

性能曲线

8．  试验结果分析

通过对泵进行性能测试，得出以下结论：

（1）       泵的性能测试流量Q=30m³/h，扬程为9.5980m，在容差±5.0%之内，比较吻和。

（2）       泵的汽蚀余量为NPSHr=1.8160m，在预定的范围之内，但比计算值1.16m要大，较降速公式NPSH_r=（n/n₀）NPSH_r0计算值大约0.4~0.8m左右。

（3）       实现了全扬程范围内无过载设计，{zd0}功率Pmax=2.61KW与计算值Pmax=2.46KW、比较基本吻合。

（4）       由于叶片数少，进口冲角相对较大，极大改善了泵的汽蚀性能。

（5）       污水泵设计时特别是过流部件最小尺寸有要求时，在设计时应在转速转换使用上换个角度思考，即按照高转速大流量泵设计，降速使用，可以收到良好效果。

在使用上，通过几个污水处理厂验证，与进口滤布转盘过滤器配套使用，达到了使用要求，替代了进口泵，并且陡降的Q-H曲线根本上避免容易产生驼峰的弊端，提高了泵在系统中运行的稳定性。

参考文献

1．关醒凡     现代泵技术手册                      宇航出版社       1995.9

2．丁成伟     离心泵与轴流泵原理与水力设计        机械工业出版社   1981

3．周连考     叶轮前后盖板上设副叶片的试验研究    水泵技术         1994.2

4．沈阳水泵研究所/中国农业机械化科学研究院     叶片泵设计手册     机械工业出版社