摘要：本設(shè)計(jì)充分研究家用渦輪流量計(jì)的泵體破裂的狀況，分析泵體破裂的原因。對(duì)家用渦輪流量計(jì)的泵體做出結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計(jì)出新型泵體且不易破裂的家用渦輪流量計(jì)，并用三維實(shí)體軟件對(duì)家用渦輪流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)體造型。

0 引言

家用渦輪流量計(jì)在農(nóng)村中一般放置在露天進(jìn)行抽水、引水，農(nóng)民每天生活都要進(jìn)行抽水、引水、用水，渦輪流量計(jì)極大地方便了農(nóng)民的生活。然而，家用渦輪流量計(jì)在冬天卻經(jīng)常出現(xiàn)泵體破裂的現(xiàn)象 （見圖 1），泵體的破裂使渦輪流量計(jì)處于癱瘓當(dāng)中，農(nóng)民無法進(jìn)行引水和合適的用水，造成了農(nóng)民飲水難的問題。因此，分析家用渦輪流量計(jì)破裂的原因，找到解決破裂的措施，合理設(shè)計(jì)家用渦輪流量計(jì)，對(duì)于農(nóng)民的生活將有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 家用渦輪流量計(jì)的總體設(shè)計(jì)

1.1 家用渦輪流量計(jì)的基本構(gòu)造渦輪流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)由葉輪、泵體、密封環(huán)、泵軸、壓水室等部分組成，見圖 2。

1.1.1 葉輪 渦輪流量計(jì)葉輪具有將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能傳遞給水并使水的能量增加的功能。葉輪由葉片、輪轂組成。葉輪的種類也較多，主要有封閉式、半封閉式、開敞式等 3 種，本設(shè)計(jì)采用封閉式的。值得注意的是，當(dāng)葉輪不平衡或者葉輪的安裝不當(dāng)時(shí)，一般會(huì)導(dǎo)致葉輪出現(xiàn)磨損或者打壞，甚至還會(huì)發(fā)生汽蝕，產(chǎn)生空洞。

1.1.2 泵體 泵體和葉輪封罩主要起到固定支撐、保護(hù)內(nèi)部元件的作用。

1.1.3 泵軸 泵軸的作用是傳輸電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力，從而帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。泵軸一般由軸承支撐，兩端分別連接著聯(lián)軸器、葉輪。為了提高泵軸的壽命，減少泵軸的磨損，一般在泵軸與其他零件連接的地方鍍一層有色金屬。在家用渦輪流量計(jì)工作了一定時(shí)間后，如果泵軸出現(xiàn)了磨損和彎曲變形，主要原因是葉輪裝配不夠精確，電動(dòng)機(jī)軸與泵軸不同心，或沒有進(jìn)行多次檢查、合理地潤滑。發(fā)生了問題后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修理或者進(jìn)行更換，以確保渦輪流量計(jì)的正常運(yùn)行。否則，還會(huì)引起轉(zhuǎn)子的問題，嚴(yán)重影響渦輪流量計(jì)的使用壽命。

1.1.4 壓水室 壓水室充滿著壓力能，可以消除水的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使泵里水有動(dòng)力進(jìn)入到了出水管，達(dá)到引水的目的。不過需要注意的是，當(dāng)出現(xiàn)過冷、過熱或安裝不當(dāng)?shù)葐栴}時(shí)，容易使泵殼發(fā)生裂紋。當(dāng)出現(xiàn)裂紋的時(shí)候，可以根據(jù)各個(gè)部位的要求進(jìn)行合理的改進(jìn)。一般來說，裂紋較小，該部位的密封性要求不嚴(yán)時(shí)，可以簡(jiǎn)單處理就好。反之，則需要進(jìn)行復(fù)雜處理或進(jìn)行焊補(bǔ)。

1.1.5 密封環(huán) 密封環(huán)主要起到密封的作用，使泵里面工作環(huán)境真空，防止進(jìn)入空氣。

1.2 家用渦輪流量計(jì)的工作原理

渦輪流量計(jì)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪以大約 1 000 ~3000 r/min 的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)葉片使內(nèi)部液體做同樣的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。渦輪流量計(jì)內(nèi)的液體向邊緣做徑向的離心力運(yùn)動(dòng)。里面的液體進(jìn)入葉輪的時(shí)候，液體獲得動(dòng)能流出泵外。由于液體通道變大從而速度降低，所以部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，如果達(dá)到一定壓力，通道擠出管就流出液體。因此，葉輪的泵殼不僅能起到保護(hù)葉輪的作用，還可以收集液體，是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的裝置。

當(dāng)液體從葉輪流出的時(shí)候，在葉輪的中心區(qū)域就會(huì)達(dá)到局部的真空。這時(shí)貯槽液面上方的壓力大于底閥入口處水面的壓力，水又被不斷地吸入葉輪中。葉輪不斷地旋轉(zhuǎn)，由于泵內(nèi)負(fù)壓的作用，在水平面的大氣壓力下，水被不斷吸入，再經(jīng)過葉輪的做功不斷排出，依此循環(huán)。渦輪流量計(jì)的工作原理就是根據(jù)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力來實(shí)現(xiàn)液體的輸送，從而可以進(jìn)行引水。另外，在渦輪流量計(jì)工作之前要注意裝滿引水。因?yàn)榭諝獾拿芏群艿�，葉輪工作由于內(nèi)部的水較少，產(chǎn)生的離心力也會(huì)變小，出水效率就會(huì)較低。因此，啟動(dòng)渦輪流量計(jì)時(shí)應(yīng)往泵體內(nèi)注滿水，降低渦輪流量計(jì)的位置，使濾水管在動(dòng)水位之下做到有水可抽。吸水管底部安放單向閥并設(shè)置濾網(wǎng)，可以防止固體顆粒進(jìn)入泵體內(nèi)。

2 家用渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 泵體的設(shè)計(jì)

家用渦輪流量計(jì)的泵體由吸水室、壓水室組成。在吸水室的進(jìn)口和壓水室的出口分別對(duì)應(yīng)的是渦輪流量計(jì)進(jìn)口法蘭、出口法蘭，連接著進(jìn)水管、出水管。吸水室一般是一段逐漸收縮的錐形短管或是等徑直管，其作用是將水流引入葉輪，并向葉輪提供所需要的液體。泵體的頂部設(shè)有排氣孔，其作用主要是保持真空的環(huán)境和灌水。泵體強(qiáng)度較高，在進(jìn)行抽水的時(shí)候，需要從注水口往泵體內(nèi)注滿水。泵體由鑄鐵或鑄鋼等材料制造，其內(nèi)表面要求光滑，以減小水力損失。

2.2 家用渦輪流量計(jì)葉輪的設(shè)計(jì)

葉輪的三維圖見圖 3。在渦輪流量計(jì)的眾多部件中，葉輪是核心部件之一，對(duì)于工作效率的大小發(fā)揮著重要作用。泵入口和葉片處產(chǎn)生水力損失和間隙損失大多是葉輪設(shè)計(jì)不合理造成的。渦輪流量計(jì)葉輪用鑄鐵制成。渦輪流量計(jì)葉輪的形狀和尺寸與渦輪流量計(jì)性能有密切關(guān)系。渦輪流量計(jì)葉輪主要分為單吸式葉輪、雙吸式葉輪。單吸式主要是單邊吸水，小流量。雙吸式葉輪為兩邊吸水，大流量。渦輪流量計(jì)葉輪通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而使其內(nèi)部介質(zhì)具有了離心力，介質(zhì)也因此具有了動(dòng)能。葉輪主要尺寸的確定有 3 種方法：①速度系數(shù)法；②相似換算法；③葉輪外徑 D 或葉片出口角的理論計(jì)算。葉輪采用速度系數(shù)法設(shè)計(jì)，速度系數(shù)法是建立一系列相似泵基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)，利用其數(shù)據(jù)計(jì)算相關(guān)的尺寸。

2.3 葉片數(shù)的選擇

葉片數(shù)的多少對(duì)于渦輪流量計(jì)的揚(yáng)程、效率有一定的影響。選擇葉片數(shù)，不僅要考慮葉片受到的排擠和表面的摩擦，還要考慮葉道有足夠的長(zhǎng)度，從而保證液流的穩(wěn)定性。

3 家用渦輪流量計(jì)泵體分析及改進(jìn)措施

3.1 家用渦輪流量計(jì)的泵體破裂分析

3.1.1 家用渦輪流量計(jì)泵體材料 我國絕大多數(shù)的家用渦輪流量計(jì)泵體材料都是采用灰鑄鐵。我國泵業(yè)發(fā)展起步較晚，其中先進(jìn)制造技術(shù)相對(duì)匱乏，一般的企業(yè)無法十分精確地控制熔料的配方，鐵澆水的溫度，使得所制造出來的泵體中的材質(zhì)的金相組織達(dá)不到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，因此泵體的強(qiáng)度不足，很容易在較高的壓力下破裂。

3.1.2 家用渦輪流量計(jì)造型 我國家用渦輪流量計(jì)大多還是手工造型，達(dá)不到批量的機(jī)械化生產(chǎn)，在手工的制造中難免會(huì)出現(xiàn)或多或少不夠精確的標(biāo)準(zhǔn)，造成了泵體周圍的厚薄不均勻，再加之渦輪流量計(jì)在運(yùn)行過程中，渦輪流量計(jì)電機(jī)突然驟停，易發(fā)生水擊現(xiàn)象，導(dǎo)致里面壓強(qiáng)的升高，大幅度的壓強(qiáng)波動(dòng)，給泵體造成的破壞性極大，導(dǎo)致了泵體的破裂，不過這部分的原因在家用渦輪流量計(jì)中造成的破壞是很小的，使用時(shí)很少會(huì)發(fā)生這種情況。

3.1.3 家用渦輪流量計(jì)冬天破裂的主要原因 水的結(jié)冰點(diǎn)在 0 ℃，當(dāng)水結(jié)成冰時(shí)，泵體內(nèi)的體積變大，而泵體是固定的，所以泵體很容易受到結(jié)冰體積變大，較終導(dǎo)致泵體撐破。打個(gè)比方說，就跟我們吃東西吃多了一樣。家用閥門一般都限制較低使用溫度為0 ℃，而泵體一般暴露在室外。因?yàn)闇囟群艿�，�?dǎo)致泵體內(nèi)的液體凝固，從而撐破泵體。此外，渦輪流量計(jì)內(nèi)部結(jié)冰還容易發(fā)生在電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于泵體存在固體，出水進(jìn)水困難，從而導(dǎo)致電機(jī)損壞。只要泵體內(nèi)充滿水，對(duì)于大冬天安裝在室外的渦輪流量計(jì)來說，泵體破裂的現(xiàn)象就會(huì)大量出現(xiàn)。因此，低溫和泵體內(nèi)存在水是泵體破裂的主要原因。

3.2 家用渦輪流量計(jì)泵體的改進(jìn)

通過上述對(duì)泵體破裂原因進(jìn)行分析，可以知道泵體破裂的主要原因是：泵體內(nèi)始終充滿著水，冬天氣溫低，而且家用渦輪流量計(jì)通常在室外，使得泵體內(nèi)的水很容易發(fā)生凝固，當(dāng)泵內(nèi)所有的水都凝固成冰時(shí)，就很容易導(dǎo)致泵體的破裂，影響泵體的使用。為此，需要在泵體下邊開一個(gè)可以將泵體內(nèi)的水引流的口，然后再將那個(gè)口設(shè)計(jì)一個(gè)可以自動(dòng)輕易卸載的螺絲或者堵塞物。值得注意的是，如此設(shè)計(jì)一定要保證家用渦輪流量計(jì)工作的密閉性，不能因?yàn)殚_了一個(gè)口，導(dǎo)致其密閉性下降，影響家用渦輪流量計(jì)正常工作。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的口，一般不用打開，只有在冬天，溫度相對(duì)較低時(shí)才打開，引流泵內(nèi)的水，從而達(dá)到冬天保護(hù)泵體的效果。改造后的家渦輪流量計(jì)實(shí)體見圖 4。

4 結(jié)論

本文主要通過對(duì)家用渦輪流量計(jì)泵體冬天破裂的原因進(jìn)行了分析，通過三維實(shí)體軟件設(shè)計(jì)出了合理的家用渦輪流量計(jì)的實(shí)體造型。傳統(tǒng)的家用渦輪流量計(jì)泵體在冬天很容易由于結(jié)冰而被撐裂，而本設(shè)計(jì)是泵體下設(shè)計(jì)了可以控制開關(guān)的口，對(duì)泵體的水進(jìn)行合理引流，從而解決了家用渦輪流量計(jì)泵體冬天破裂的問題。