600YQ3300-16-200型永磁潜污电泵设计

周应来，彭智新，龙翔 ，李志鹏

（1.湖南省应急排水抢险设备工程技术研究中心；2.长沙迪沃机械科技有限公司；3.长沙理工大学，湖南 长沙 410000）

1 永磁同步电机设计

YQ型永磁潜污水泵的功能实现，以永磁同步电机为基础，该电机制作中基于水泵叶轮共轴传动，能效达到国家一级标准，为实现YQ型永磁潜污水泵节能奠定基础，具备IPX8潜水防护等级，H级绝缘等级。永磁同步电机应用在YQ型永磁潜污水泵中，凭借其显著节能效果、小体积、紧凑的结构、低噪声、轻重量等诸多优势，为实现YQ型永磁潜污水泵功能提供技术支持。选择定子铁芯材料和转子铁芯材料时，需选用高磁感应强度和低铁损的武钢或宝钢冷轧无取向硅钢片。

鼠笼条与电磁线等励磁线圈需安装在异步电机转子上，定子线圈所形成的磁场励磁转子而保证其运转，两个不同的磁场相互之间存在着转速差异；永磁同步电机转子磁极上安装有稀土永磁材料，其自身便是一个永久性的磁场，运转中无须外界励磁推动，同样可以实现与定子磁场同步旋转。定子绕组通常使用Y形接法完成连接，设计过程中以双层绕组和单层绕组以及不同节距等绕组方式为基础，将磁场的波形作出改变，降低噪音的同时实现谐波畸变减少（图1）。

图1 永磁同步电机图

2 部件设计及计算

2．1 叶轮与泵体

600YQ3300-16-200型的永磁潜污泵主要要求参数如下：流量Q=3300m3/h，扬程H=14m，转速n=1000rpm，配套电机额定功率Pe=200kw。

设计制造叶轮与泵体，选择双流道叶轮结构和单片叶轮结构完成，从而可以降低叶轮内存在的水力摩擦，强化水泵性能，以椭圆形或圆形完成流道断面设计，提升污染物通行能力。优化设计所有系列的叶轮，强化扬程和流量点设计效率。设计叶轮直径为Ф640mm，最小壁厚处为10mm，采用双叶片，大包角设计，污物通过性好，泵体设计为涡线型，效率高。叶轮轴径的确定：

泵轴所受的最大扭矩T为：T=9550×Pe÷n=1910(N·m)。

式中，Pe为配套电机额定功率（kW）；n为泵的转速（r/min）。

按扭转强度及刚度计算轴

式中，T为泵轴所受的最大扭矩（N.m）X；[τ]为许用扭转剪应力（N/mm2）。轴材料为AISI431（14Cr17Ni2）；[τ]取86(N/m3)；轴上有键槽，考虑轴径加大5%，即轴径为55mm。

式中，D为蜗壳最大内径（mm），本次根据换算出的流道得D=1422mm；P为泵壳承压，由上性能参数的换算，取压力P=0.6MPa；[σ]为材料许用应力(安全系数取4)；设计材质HT250，取抗拉强度250MPa。

代入公式中计算壁厚为11mm，考虑大泵需要腐蚀余量，且泵体的最大尺寸为1624mm，最小壁厚应为20mm。

2．2 密封件

以双端面机械密封的方式完成电机和水泵密封工作，材料使用的是碳化钨，质地坚硬，耐腐蚀，耐振动，寿命长，功率损失小，应用该技术可提升设备使用寿命，以“O”型耐油橡胶完成固定止口密封位置的密封工作。

2．3 载荷计算

（1）叶轮径向负荷的计算。中开泵压出室是蜗形体，在偏离设计工况时的径向力可按下式计算：

式中，FR为径向力（kg）；H为扬程（m）；D2为叶轮出口直径（m）；B2为叶轮出口宽度（m）；K为径向力系数，取0.27。

（2）轴向推力计算。

式中，A为轴向力（N）；ρ为液体密度（kg/m3）；H1为泵单级扬程（m）；Rm为叶轮密封环半径（m）；Rh为叶轮轮毂半径（m）；i为泵级数；k为系数，当ns=30～100时，k=0.6；当ns=100～220时，k=0.7；当ns=240～280时，k=0.8。

=0.8×1030×16X×3.14×(0.32-0.0682)=3534kg。

轴承承受的轴向负荷除轴向力外，还应包括整个转子部件的重量。

3 CFD计算与性能预测

3．1 计算模型

计算模型运用SOLIDWORKS建三维模型，如图2所示。

图2 三维模型

3．2 计算网格

运用Gambit划分网格。进口网格数为325580，叶轮网格数为1180125，压水室网格数为1180125，网格总数2122952。如图3所示。

图3 计算网格

3．3 内部流场

为更清楚的了解该泵内部流场情况，计算取出设计流量下内部流场情况。图4为整体流线图，图5为压力云图，图6为速度矢量图。

图4 整体流线图

图5 压力云图

图6 速度矢量图

3．4 性能预测

计 算 流 量 为：2100m³/h、2700m³/h、3300m³/h、3900m³/h、4500m³/h，共5个点。计算得到的性能参数详见表1，计算得到的性能曲线详见图7。

表1 CFD分析得到的性能参数

图7 CFD分析获得的性能曲线

4 结语

（1）永磁潜污水泵采用永磁体、高效、结构紧凑，双端面机械密封，可靠性高，双叶片涡线流道，过流性能好。（2）在设计流量3300m³/h，计算的扬程为16.73m，与设计要求的16m略高一点，此时效率可达到84.08%；设计点在高效区附近。（3）流线及速度矢量图表明该泵整体流态较好，没有明显漩涡。压力云图表明叶轮及压水室压力变化较均匀。