SP无堵塞旋流泵的优化设计探讨

SP无堵塞旋流泵的优化设计探讨

摘要：旋流泵是一种因其内部流体存在旋转的旋涡运动而得名的设备，多用于

输送复杂介质或含杂质流体，如含垃圾、短纤维物质或粪便的两相流体，可抽送

含气率较高的液体。

关键词：旋流泵；无堵塞泵；优化设计

旋流泵的结构特点是叶轮为开式或半开式，叶片为直叶片并呈放射状布置，

叶轮与前泵壳之间有较宽阔的轴向空间，或者说叶轮后缩至泵壳后腔，这便为固

体介质通过泵体提供了良好的条件。

1 结构特点及工作原理

1.1发展史

美国西部机械公司（Western Machine Company）研制出第一台WEMCO型旋

流泵之后，其它泵公司也相继开始了对旋流泵的设计研究。1956年Stenbery Flygt 公司试制出了旋流潜水泵。1959年瑞士埃格尔（Egger）公司开始生产旋流泵。

而后日本也开展了对该种泵的研究和生产。1968年，西德学者Rutschi公开发表

了旋流泵实验研究报告。到目前已有多个国家和地区生产旋流泵，国外一些大的

泵制造公司已将该泵型作为标准泵型生产。

国内对旋流泵的研究起步较晚，石家庄水泵厂曾在20世纪60年代中期试制

过一台用于输送顺丁橡胶的旋流泵。1979年蔡振成对6J35型旋流泵进行了试验

研究。80年代，北京农业工程大学和江苏工学院公开发表了旋流泵方面的一些研究成果。近些年来，国内关于旋流泵的研究主要集中在兰州理工大学、江苏大学

等高校，研究内容多为综述、CFD模拟及性能分析。产品方面，以企业为主导，

开发了一些具有特殊性能和应用领域的泵型，如切线泵、旋流稳压泵等。

1.2结构特点

叶轮为开式或半开式，叶片为直叶片并呈放射状布置。在输送含有固体颗粒的介质时，

由于水流在进入旋流泵叶轮这前将在环形涡壳中将大部分颗粒分离出去，因而无堵塞性能好，叶轮磨损也相应减轻；输送的物质大部分在无叶腔的旋流带动下流出，因而无损性差，即对

物质的破坏作用大；可以输送含气体的液体。

1.3工作原理

旋流泵的工作原理是当叶轮旋转时介质受离心力的作用能量增加，进入叶片间的介质受

叶片的推动与叶轮一起运动，在叶轮出口顶部附近的介质因离心力较大形成了贯通流，在叶

轮中部的介质形成了循环流，贯通流经泵腔出口流出，形成一定的扬程；介质中的固体颗粒

和纤维在循环流的作用下获得能量，绝大部分不经过叶轮，而在无叶腔内运动后经泵出口排出，从而达到输送复杂介质或含杂质流体的目的，因为输送的介质不经过叶轮，而是从叶轮

旁边的泵腔通过，因此堵塞现象完全排除。

1.4影响因素

（1）提高旋流泵的效率必须考虑如何降低旋流泵的循环流和轴向漩涡。

（2）通过观察输送胡萝卜试验，当小流量时，萝卜几乎不循环就快速流出涡室；随着流

量加大，萝卜循环圈数明显增多。

（3）泵体形状对旋流泵性能的影响：对于螺旋形泵体，Q-H曲线降低，轴功率大，效率低，但高效范围宽；对于半螺旋线形泵体，Q-H曲线升高，轴功率曲线下降，效率明显提高；对于圆环形泵体，Q-H曲线与半螺旋线形相近，最高效率点效率值高，高效点向小流量方向

移动，但高效范围较窄，大流量区域的效率明显下降。

（4）轴向间隙对旋流泵性能的影响：一般可通过减小叶轮与泵壳的轴向空间宽度来提高

效率，但这样将降低固体介质的通过性，换言之，旋流泵是以牺牲效率为代价来换取工作的

可靠性的。

（5）叶轮直径D2对旋流泵性能的影响：对于其他结构尺寸参数固定匹配情况下，D2以

一个中间值所表现出的性能为最佳，泵效达最高值。

（6）叶轮叶片宽度b2对泵性能的影响：随着b2增大，扬程曲线几乎平行上升且变得较为平坦，功率曲线上升，泵效率亦上升。但增大至最佳叶片宽度范围内，进一步增加b2并

不显著影响泵的效率。b2增大有利于提高泵最大流量，这与离心泵一致。

（7）叶轮叶片数z及叶片形状对泵性能的影响：叶片数z增多，扬程和效率显著提高，

但达到一定数量后扬程和效率不再增加。叶片数8~10片为佳。对于叶片形状，前弯叶片扬

程及泵效均最高，其功率曲线上升较快，容易造成泵超载运行；直形叶片结构简单，功率曲

线上升较慢，泵效率居中，设计中优先采用；后弯叶片泵效率及扬程最低，且功率曲线上升

较快。

（8）涡室宽度B对泵性能的影响：B增大，泵流量增大，通过性能提高；但B 过大，扬

程曲线及泵效率曲线明显下降；B过小，泵效率也下降，且通过性能变差，抽送大径软颗粒

受到限制。

旋流泵与其它杂质泵相比具有以下特点：

（1）无堵塞性能好，可通过大约与泵出口口径相当的固体颗粒，但对输送的物料具有一

定破坏性。

（2）叶轮和泵体之间的轴向间隙对泵性能的影响不如离心泵那样敏感；

（3）耐磨性好，不存在磨损后间隙加大而造成性能下降的问题，再加上固体颗粒绝大部

分不经过叶轮，因此对叶轮的磨损也相应减轻，叶轮的使用寿命长。

（4）旋流泵叶轮大多为开式径向叶轮，制造工艺简单，叶轮流道容易加工且叶轮容易平衡，运行平稳。

（5）泵吸入性能好，具有良好的抗汽蚀性能，可抽送含气率较高的液体，也可抽送高浓

度以及高粘度的液体。

（6）由于循环流的存在，水力损失较大，泵的效率基本在60%以下且其无量纲比转速的

使用范围为60～130。

2.优化设计

旋流泵以其新颖的结构和处理固液介质所具有的无堵塞特性，正在各行各业得到广泛的

应用。70年代以来国内外学者对旋流泵进行一系列的实验和理论研究，然而泵的效率仍然很低，产品泵的效率停留在45%左右。根据对旋流泵内部流场测试和计算，我们了解到影响其

效率的因素主要来自两个方面：（1）泵体内的循环流流动（2）叶轮内部较强的轴向旋涡。

因此提高旋流泵的效率必须考滤如何降低旋流泵的循环流和轴向旋涡。

我们通过一系列试验证明，倾斜的叶片效率高于直叶片，双向倾斜的叶片效率高于单向

倾斜的叶片。我们设计叶轮采用双向倾斜叶片，提高了泵效率；增加了背叶片；更改背靠背

角接触球轴承和圆柱滚子轴承配合；转子轴向间隙可调节，通过调整顶丝使转子部件可前后

移动；采用油浴润滑，由恒位油杯自动调整油位；轴承悬架可以无冷却（设有散热筋），水

冷却（设有水冷套）；轴承由迷宫式防尘盘密封。

叶轮设计背叶片，平衡轴向力和减少密封腔压力；轴承采用背靠背安装的角接触球轴承

和圆柱滚子轴承配合，承受径向力和残余轴向力。

单列角接触球轴承只能承受一个方向的轴向负荷，在承受径向负荷时，将引起附加轴向力，并且只能限制轴或外壳在一个方向的位移。通过设计成背靠背安装的角接触球轴承能承

受较大的径向负荷为主的径向和轴向联合负荷和力矩负荷，限制轴的两方面的轴向位移，载

荷作用中心处于轴承中心线之外，力作用点跨距较大，故悬臂端刚性较大，当轴受热伸长时，轴承游隙增大，轴承不会卡死破坏。

2.1转子轴向间隙可调节

转子轴向间隙可调节，增加后轴承体，通过调整顶丝使转子部件在轴承箱中可前后移动。叶轮工作一段时间后，因背部间隙增大带来的不良影响，在确保不更换零件的情况下得以消

除间隙而继续工作一定周期，方便作出维修计划。

2.2轴承可采用冷却结构